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电路的故事2
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        斯坦福大学的教务长弗雷德·特尔曼(Fred Terman)听说了肖克利想到加州的消息后,马上邀请他到斯坦福工业园区办他的公司。1956年初,一个名为“肖克利半导体实验室”的公司在加州成立,从事晶体管和其他半导体器件的开发和生产。
        肖克利在成立公司时最大的问题是找人。起初,他鼓动贝尔实验室的同事,但没有人愿意跟他干。于是他开始在全国寻找二十多岁的年青人。由于他的名气很大,很多年青人认为他是美国半导体界最重要的科学家,肖克利很快招募到了一批杰出的年青人。
        但是,这些年青工程师很快就吃惊地发现,他们的老板不但不善管理、脾气暴躁,而且根本不懂工程。最糟糕的是肖克利并不知道自己的缺陷。公司成立一年后,连一只三极管也没造出来。更让这些年青工程师难以容忍的是,肖克利对他们极不尊重。肖克利在招人时要求每个应聘者必须通过他本人制定的智商测验和心理测验。他不是发挥工程师的主动性,而是直接指挥他们干具体细节工作,结果生产出的都是些不能用的废品。当工程师提出一个实验报告时,肖克利会让他站一边,听他打电话给贝尔实验室的人对报告给予批评。
        一群骨干年青工程师开始策划剥夺肖克利的管理权,只让他当个顾问。但是,肖克利半导体公司的投资者并不知道公司的情况有多糟糕,他们也不明白,为什么这些年青人不愿意在一个诺贝尔奖得主手下干活。这些工程师的策划失败了。
        1957年9月,八个骨干工程师从肖克利半导体公司辞职。肖克利在震惊之余极其愤怒,称他们为“八个叛逆。”
        这八个叛逆后来对硅谷的发展起了极其重要的影响。他们组建的仙童公司(Fairchild),与另外一家惠普公司一起,被称为硅谷的“阴”和“阳”。
        肖克利半导体公司一直没有从失败中走出来。肖克利本人后来执教于斯坦福大学。在美国60年代的风云时代,他成为白人优越论的鼓吹者,甚至建议设立基金鼓励“低智商黑人”绝育,以解决美国的“黑人问题”。他的种族主义思想遭到了同行和学生们的唾弃。哈佛等大学禁止他去讲演。
        1989年,肖克利在硅谷人的忘记中去世。

        “八个叛逆”是一个志同道合的集体。他们希望能找到一个公司雇佣他们全体。华尔街的一家投资公司派了一个资深合伙人和一个叫亚瑟·洛克(Auther Rock)的小伙子来会谈。洛克给他们的建议是,他们不应该找雇主,而应该找一家大公司投资,自己开公司。
        洛克帮他们找了三十多家大公司,没有一家有兴趣。洛克得到的典型回答是:“半导体与我们公司的业务无关。”洛克最后找到了有远见的菲尔柴尔德家族。家族的掌门人谢尔曼·菲尔柴尔德(Sherman Fairchild)自己发明过航空照相机和飞机刹车,看到发明赚了很多钱,而且能够体会到半导体的重要性。双方一拍即合。
        菲尔柴尔德的条件很简单:他出资150万美元,“八个叛逆”各出500美元占股,创立一个半导体公司。它是菲尔柴尔德家族的子公司,但由“八个叛逆”的领袖罗伯特·洛伊斯(Robert Noyce)管理。菲尔柴尔德有权在五年之内以300万到500万美元的总价格收购“八个叛逆”的股份,其中100万美元将分给洛克的公司和菲尔柴尔德家族的一些主管。
        1957年底,菲尔柴尔德半导体公司(Fairchild Semiconductor)成立 。“八个叛逆”有了投资,有了股份,有了管理权,有了技术方向,有了一个团结精悍的集体。半导体工作成了他们的生活和乐趣。他们的生产力得到了极大的解放。没有大公司那种冗长耗时的管理会议,没有层层报批的等级制度,更没有闲言碎语和夸夸其谈。他们都是公司的主人,而不是打工者。大家的精力都集中到深度创新中,发明技术,开发产品,开拓市场。
        在短短两年时间,仙童公司取得了令人惊异的发展。1958年,公司成立仅一年,销售收入超过50万美元,公司开始赢利。第二年,仙童争取到了美国国防部的订单,为民兵核导弹生产晶体管,公司有了一个稳定的市场。
        远比这些市场成果重要的是,在研究开发方面,公司发明了两项新技术,后来成了世界电子器件的基本方法,40年后的今天仍是主流技术。这两项技术,平面工艺和集成电路,也为仙童公司以及后来的英特尔公司赚回了数以千亿美元计的财富。
        八个叛逆之一的约翰·霍尔尼(Jean Hoerni)发明的平面工艺,是制造半导体电路的一种工艺方法。下图是一个硅三极管电路的侧面剖析图。

        要制造这样一个三极管,人们从一块纯净的硅片开始。先在硅片上生长一层氧化绝缘层,涂上特殊的感光材料,再在上面按照所需要的几何模式进行光刻。然后,将硅片的表面腐蚀,氧化绝缘层就会按照所需要的几何模式腐蚀掉,暴露出下面的硅层。这时,将杂质材料渗透到硅片上,杂质材料就渗入暴露的硅层,按照所需要的几何模式构成发射极、集电极和基极。这个平面工艺过程可以反复使用,构造出很复杂的半导体器件。
        基极的宽度是平面工艺的一个重要指标。今天,基极宽度为0.15微米的工艺已经用于生产,0.05微米的工艺(甚至更精细的工艺)已在实验室试验成功。要想像一下这有多么精细,我们只需知道一根头发丝的粗细也有几百微米。过去几十年,半导体工艺的改进速度大约是每三年0.7,即三年后的基极宽度是现在的70%。因此,0.05微米的工艺要在约十年后才能大规模用于生产。
        集成电路实际上是德州仪器公司的杰克·克尔比(Jack Kilby)在1958年9月第一个发明的。那年的夏天,同事们都度假去了。公司的新员工杰克·克尔比却呆在实验室加班。他用实验室陈旧的仪器设备和多余的材料做了大量实验,终于研制成功了世界上第一个集成电路。2000年,克尔比因为发明集成电路荣获诺贝尔物理学奖。
        就在克尔比发明集成电路四个月后,仙童公司的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)在不知道克尔比工作的情况下,独立发明了类似的技术。就像很多伟大的发明一样,后人看起来原理都很简单。
        仙童公司的业务开展起来后遇到了一个大问题。由于霍尔尼的平面工艺,晶体管可以做得很小了。但是,要将一个个的晶体管、电阻、电容等器件用导线联起来做成一个电路却是很考手艺的一项工作。由于精度要求在千分之一英寸的数量级,仙童专门招了一些妇女用放大镜、小摄子、小烙铁来制造这些“分离器件电路”。尽管妇女们心细手巧,但虚焊、漏焊、短路仍然常常发生,生产效率很低。
        诺伊斯的创新思路是,为什么不能将晶体管、电阻、电容等器件和导线都用平面工艺做在一块硅片上呢?这样,生产一个电路就与生产一个晶体管一样容易了。将多个晶体管做在一块硅片上没有问题,电阻、电容较难,但诺伊斯很快也解决了。最难的是导线,要找到合适的导线不是一件容易的事。导线不仅导电性能要好,还必须能用平面工艺加工,将特定粗细的导线生长在硅片上适当的位置。经过大量实验和理论分析后,诺伊斯发现铝是做导线的最好材料。诺伊斯将他的发明称为集成电路。他的最初的集成电路芯片只包含一个电路。今天,在一个硅片上已经可以集成上千万个电路。集成电路和平面工艺也使得摩尔定律成为现实,即每18个月至两年,集成电路芯片的密度翻一番。
        诺伊斯的集成电路与克尔比的发明相比有两大优点。第一,克尔比用的是锗半导体,诺伊斯用的是硅。而硅在自然界的含量极其丰富。有估计认为地球表面的90%是硅(即我们常人说的沙子)。第二,克尔比的集成电路只将器件本身集成在一块半导体材料上,器件之间则用黄金做的导线手工连接起来。而诺伊斯的集成电路是将器件和导线全部集成在一块芯片上。由于诺伊斯的发明的优越性,他的设计一直用到今天。近四十年后,到了20世纪90年代末,IBM发明了性能更好的铜导线技术,半导体界才开始用铜导线取代诺伊斯的铝导线。

 
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