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            芯片破壁者:從電子管到晶體管

            時間:2020-07-06 16:26:01

            來源:中國機械網

            作者:佚名

            1999年,美國《洛杉磯時報》評選出“50名本世紀經濟極有影響力人物”,其中并列第一名的有三個人:美國發明家威廉·肖克利、羅伯特·諾伊斯和杰克·基爾比。肖克利是晶體管的發明人之一,諾伊斯和基爾比是集成電路的發明人。

            排在第二至四位的分別是現代汽車工業奠基人的亨利·福特,連任四屆美國總統的羅斯福,以及創辦迪斯尼動畫王國的沃爾特·迪斯尼。

            回顧二十世紀,無論是科技、商業,還是政治、軍事、娛樂生活,幾乎每一個領域都發生了狂飆突進式的巨變,每個領域也都誕生出了足以彪炳史冊的“關鍵”人物。在二十世紀的“群星閃耀”中,我們該如何理解三位發明家能夠位列第一的殊榮呢?

            要知道,晶體管被譽為“20世紀極偉大的發明”,而集成電路的出現又真正奠定了第三次產業革命的基石。如果這樣說略顯抽象,不如我們換一個說法。在我們今天的生活中,手機、電腦、電視、汽車等所有的電子設備中,都離不開一種極核心的硬件——芯片。而芯片正是由半導體集成電路來實現的,而集成電路必不可少的物理單元就是晶體管。晶體管,就是我們從物理世界通向數字世界的“細胞”。

            如果你認可電子信息技術以及由此帶來的數字經濟的巨大價值的話,那么你一定也會同意將極有影響力”的殊榮送給他們三人。當然你也知道,排名不過是我們對歷史的一種“簡化”認知,真正的殊榮也要分給推動這一技術實現的每一個科學家、發明家以及商業家們。

            回到歷史現場,成為我們重新審視這場技術“奇跡”的基本方法。當我們一點點還原出構成這一技術鏈條中的重要人物和重要節點,可能又會發現一個這樣的事實:技術“奇跡”并不存在,一切都有跡可循。

            那么,在回到1947年12月23日位于美國新澤西貝爾實驗室的第一個晶體三極管發明現場之前,我們必須將目光先投向更早的十九世紀末,來到愛迪生實驗室,去瞥見那一束照亮電子世界的微弱電流。由此重新出發,我們首先將經歷一段“電子管”半個世紀的傳奇故事,找尋到技術突破和產業變革背后的內在動因,才能理解“晶體管”出現的真正意義。

            序曲:捕捉電子的起點紛爭

            1883年,飽受碳絲燈泡壽命問題困擾的愛迪生突發奇想,他在真空電燈泡內部碳絲附近安裝了一小截銅絲,希望銅絲能阻止碳絲蒸發,但毫無懸念,碳絲再一次蒸發了。不過他卻發現,那根沒有連接到電路的銅絲竟然產生了微弱的電流。盡管當時他并沒有特別重視這一現象,但這位敏感的發明家仍然為這一發現申請了專利。

            此后,這一現象被稱為“愛迪生效應”,而這一現象發生的原因就是熱能使得物體上的電子克服束縛位能,通過熱激發產生載流子。受此啟發,英國物理學家約翰·弗萊明在1904年發明了世界上第一個電子管——真空二極管,并獲得了這項發明的專利權。真空二極管也被視作開啟電子時代的鼻祖

            1906年,美國工程師李·德·福雷斯特在弗萊明二極管的基礎上又多加入了一個柵極,發明出新型的真空三極管,使得真空管在檢波和整流功能之外,還具有了放大和震蕩功能。福雷斯特于1908年2月18日拿到了這項專利。

            1911年,加入聯邦電報公司的福雷斯特,再次改進了真空三極管的排列方式,發明了二十世紀***意義重大的一個電子器件——電子放大器,可以大幅改進電報信號的輸出質量。也正是基于這些功能,真空三極管被人們認為是電子工業誕生的起點。

            歷史的吊詭之處就在于,兩位發明人并未首先從這項發明中獲益。由于弗萊明聲稱他擁有電子管的優先發明權,因此他所就職的英國馬可尼公司就大張旗鼓地生產起真空三極管來,福雷斯特對此當然十分不滿,將馬可尼公司告上法庭。

            直到1916年,經歷十年的訴訟,法庭最后判決福雷斯特的三極管觸犯了二極管的專利權,而馬可尼生產的三極管也侵害了福雷斯特公司注冊的三極管專利權。最終結果是兩敗俱傷,兩家公司都不準許再繼續生產三極管。

            專利權的紛爭盡管延緩了電子管的普及速度,但是我們更要記住的是,正是專利制度對于發明權的保護,才能成為這些技術公司和技術人員孜孜不倦地推動技術革新的動力之源。

            此后三十多年,真空電子管技術和工藝得到多次改良,真空三極管技術也成為歐美幾個大國重點爭奪的“核心技術”。除了在無線電通信、廣播領域的應用外,真空電子管帶來了全新的電子技術和極早的電子計算機。

            過渡:真空管的短暫“高潮”時刻

            二十世紀初,隨著真空三極管的發明,人們已經意識到可以實現電子信號傳遞和放大的三極管可以用于模擬計算。

            模擬計算的原理就是通過具體的電壓值來表示物理世界的數量值,再通過真空三極管這一的電子器件組成的系統,按照加減乘除等數學運算法則來對電壓進行變化,最終得到一個同樣用電壓值表示的運算結果,這樣就使用電子器件完成了對物理世界的模擬和分析。這一器件被稱為“運算放大器”,在此基礎上,人們研制出了電子模擬計算機。

            早期真空三極管的信號放大作用,被貝爾實驗室用于電話通信中,解決了弱信號的遠距離傳輸問題,但是放大器的增益仍存在不穩定的問題。1927年,時年29歲的年輕工程師布萊克開始著手研究這一問題,提出了負反饋放大器的解決方案,并在1936年將負反饋放大器引用在電話機的放大線路中。

            至此之后,負反饋放大器一直成為運算放大器的核心原理沿用至今,并且使得利用電子信號進行數學運算真正得以實現。

            技術的突破帶來硬件應用的加速。1941年,貝爾實驗室的卡爾·施瓦茨爾在布萊克的專利技術基礎上,設計出第一款商用的真空管運算放大器——加法器。同年,德國人康拉德·楚澤使用了大量真空管,制造出第一臺可編程電子計算機,能夠在每秒內執行3-4次加法運算。

            1944年,哈佛大學研究人員霍華德·艾肯在IBM總經理托馬斯·沃森的支持下,用機電方式研制出了MARK-1號計算機,可以實現每秒200次以上的運算。

            二戰時,由于像快速計算火炮彈道等需要,電子計算機有了非常現實的應用空間。1946年,賓夕法尼亞大學的工程師埃克特和物理學家毛希利等人共同研制出了真正意義上的第一臺通用型電子計算機——埃尼阿克(ENIAC)。這臺使用了18000多只電子管,重130多噸,占地面積170多平方米,每秒鐘可作5000多次加法運算。之前的計算機需要2小時完成的40點彈道計算,ENIAC只需要3秒鐘,在當時堪稱奇跡。

            ENIAC顯示出電子計算機的巨大應用前景,成為這一時期真空管電子計算機的極先進代表。在此基礎上,數學家馮·諾依曼對ENIAC作了關鍵改進,完善了現代計算機的模型,至今仍然是現代計算機的基礎架構。

            不過,ENIAC因其龐大的體積、巨額的功耗、短暫真空管壽命以及由此帶來的高檢修率,造成這一代真空管計算機難以實現獲得快速升級和大規模普及。現實的需求呼喚技術的革新,半導體材料的出現讓技術的革新成為可能。

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