晶体管是什么(晶体管发明，改变了整个世界，一起来看看它的诞生及发展历程)

约71年前，被誉为“21世纪最伟大发明”的晶体管诞生，这项发明涉及科学和技术、团体和社会之间的微妙关系。一起来回顾改变了计算乃至数字世界的伟大芯片，并讲述它们背后的人和故事。

1947年12月23日，第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管面世，标志着现代半导体产业的诞生和信息时代正式开启。

点接触式晶体管：把间距为50 μm的两个金电极压在锗半导体上，微小的电信号由一个金电极 (发射极) 进入锗半导体 (基极) 并被显著放大，然后通过另一个金电极 (集电极) 输出，这个器件在1kHz的增益为4.5。来源：贝尔实验室

在晶体管诞生之前，放大电信号主要是通过电子管 (真空三极管)，但由于制作困难、体积大、耗能高且使用寿命短，人们一直希望能够用固态器件来替换它。

1945 年，贝尔实验室开始对包括硅和锗在内的几种新材料进行研究，探索其潜在应用前景。一个专门的“半导体小组”成立了，威廉·肖克利 (William Shockley) 担任组长，成员包括约翰·巴丁 (John Bardeen) 和沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain)。

在经过多次失败之后，他们终于在71年前的今天，实现了第一个半导体晶体管，也就是上文所述的基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管。肖克利、巴丁和布拉顿也因此获得了诺贝尔物理学奖。

巴丁 (左)、布拉顿 (右) 和肖克利因为晶体管的发明，共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

从实用的角度看，点接触式晶体管的产量非常有限，不能算是商业上的成功；但它的发明意义重大，巴丁、布拉顿和肖克利也因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”，它的出现为集成电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。

20世纪五六十年代，肖克利在推动晶体管商业化的同时，造就了如今加州电子工业密布的硅谷地区。晶体管发明的历史非常复杂，牵扯到科学和技术、团体和社会之间的微妙关系。

现如今，从播放音乐、合成语音、存储数据、数码摄影、GPS定位到传输和处理互联网上的海量数据，我们的日常生活中芯片已经成为不可或缺的产品。

这其中，有一些芯片直接或间接地为改变世界的一些产品赋能，影响了整个计算世界。

就在晶体管诞生71周年的今天，让我们一起来回顾这些伟大的芯片，并讲述它们背后的人和故事。以下内容来自 IEEE Spectrum 2018年最新的“芯片名人堂” (Chip Hall of Fame)。

仙童半导体 μA741 运算放大器（1968）

Fairchild Semiconductor μA741 Op-Amp

该芯片成为了模拟放大器集成电路事实上的标准。该芯片目前仍在生产，在电子产品中随处可见。

• 制造商：仙童半导体
• 类别：放大器 & 音频
• 年代：1968

运算放大器就像模拟设计界的切片面包。你可以用它们夹上任何东西，并且都能得到满意的结果。设计者使用它们来制作音频或视频的前置放大器，电压比较器，精密整流器，以及其他许多日常电子系统中重要的子系统。

1963年，26岁的工程师 Robert Widlar 在仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）设计了第一个单块集成运算放大器电路，即 μA702。当时它的售价是300美元。Widlar 随后对设计进行了改进，设计出 μA709，并获得了巨大的商业成功。据说，Widlar 因此要求加薪，但没有得到满足，于是离开了仙童半导体。美国国家半导体公司（现在是德州仪器的一部分）如获至宝，迅速挖来了 Widlar。Widlar 后来帮助国家半导体建立了模拟IC设计部门。1967年，Widlar 为国家半导体公司研发出一个更好的运算放大器，即 LM101，其中一个版本（LM101A-N ）现在仍在生产。

虽然仙童半导体的领导们对 Widlar 突然发起的竞争感到焦头烂额，但在仙童的研发实验室，新加入的 David Fullagar 对 LM101 进行了仔细的检查，发现这款芯片的设计虽然非常巧妙，但还是存在一些缺陷。其中最大的缺陷是，由于半导体质量的变化，有些芯片在IC的输入级，即所谓的前段，对噪声过于敏感。

Fullagar 于是开始了自己的设计。前端问题的解决方案非常简单，Fullagar 为芯片增加了一对额外的晶体管。额外的电路使得放大更加平滑。

Fullagar 将他的设计交给仙童研发部门的老大，一位名叫戈登·摩尔 (Gordon Moore) 的人。摩尔将他的设计交给公司的商业部门。这枚新的芯片被命名为 μA741，后来成为运算放大器的标准。这个 IC，以及后来仙童半导体的竞争对手所创造的各种翻版型号，已经卖出数百万个。

当时初版的μA702价格是300美元，现在300美元大约可以买2000枚μA741芯片。

Intersil ICL8038 波形发生器（1983）

Intersil ICL8038 Waveform Generator

Intersil的ICL8038波形发生器为消费电子产品带来了复杂的声音

• 制造商： Intersil（英特矽尔）
• 类别： 放大器 & 音频
• 年代： 大约 1983

一个好的基本波形——随时间变化的电压——是构建更复杂行为的原材料。Intersil的ICL8038 集成电路的设计是为了方便地获得精确的波形，能够同时产生正弦波、矩形波和锯齿波等周期信号，只需要很少的外部元件。

最初，ICL8038 被嘲笑性能有限，而且具有表现不稳定的倾向。确实，这个芯片有点不可靠。但共生是们很快学会了如何可靠地使用它，然后8038取得了重大的成功，最终销售了数百万个，并被用在无数应用程序中——包括“电话飞克”（phreaker）们在20世纪80年代使用的“蓝盒子”（blue boxes）。

Intersil 公司在2002年停产了8083，但爱好者们至今仍在收集 ICL8038，用来自制函数发生器和模块化模拟合成器。

微开半导体MAS3507 MP3解码器（1997）

Micronas Semiconductor MAS3507 MP3 Decoder

这个芯片开启了数字音乐革命

• 制造商： 微开（Micronas）半导体
• 类别： 放大器 & 音频
• 年代： 1997

在 iPod 出现之前，是Diamond Rio PMP300。PMP300于1998年推出，几乎立刻就火了，不过这一热潮很快就消减了。不过，这个播放器有一件事很重要，就是它支持 MAS3507 MP3解码芯片——一个基于RISC的数字信号处理器，具有为音频压缩和解压缩优化的指令集。

它的开发者是Micronas（现在是TDK-Micronas），它让Rio能够将十多首歌曲压缩到其闪存中。对于今天的标准来说可能有点可笑，但在当时相比便携式CD播放器已经足够有竞争力了。Rio以及它的后续产品为iPod铺平了道路，现在你已经能够在口袋里装上数千首歌曲。

Micronas

正如这个 Micronas 的设计文件所显示的，MAS3507是只为做好一件事设计的，即只能很好地解码 MPEG Audio Layer III（即MP3）数据。

德州仪器TMC0281语音合成器（1978）

Texas Instruments TMC0281 Speech Synthesizer

这是世界上第一款语音合成芯片

• 制造商： 德州仪器
• 类别： 放大器 & 音频
• 年代： 1978

如果没有TMC0281，E.T.可能永远没办法“打电话回家”。因为 TMC0281 是世界上第一款单芯片语音合成器，是德州仪器的 Speak＆Spell 学习玩具的“心脏”（或者应该说是“嘴巴”）？ 在1982年的《E.T.外星人》电影中，外星人E.T.黑进玩具中，搭建了一个星际通讯设备。

今天，我们已经越来越习惯与消费电子产品交谈；TMC0281 是无处不在的合成语音世界的第一步。

外星人E.T.抱着一台Speak＆Spell玩具

TMC0281于1978年发布，使用被称为线性预测编码（linear predictive coding，LPC）的技术产生语音，所产生的声音是一些嗡嗡声、嘶嘶声和爆裂声的组合。对于“产生语音”这件被认为是“不可能在集成电路中实现的”的事情，这是一个令人惊讶的解决方案。

TMC0281的变体型号被用于雅达利的街机游戏和克莱斯勒的K型车。2001年，德州仪器将它的语音合成芯片生产线卖给Sensory公司，Sensory在2007年底停产这个芯片。不过，在eBay上花50美元左右可以买到品相非常不错的 Speak＆Spell 玩具。

Tripath Technology 的 TA2020 音频放大器（1998）

Tripath Technology TA2020 Audio Amplifier

这是一个固态、大功率的放大器，为便宜的设备带来大音量

• 制造商： Tripath Technology
• 类别： Amplifiers and Audio
• 年代： 1998

有些音响发烧友坚持认为真空管放大器能产生最好的声音，而且永远是这样。因此，当音频界出现一些声音，称一个完全依赖半导体的放大器发出的声音就像真空管放大器一样圆润而且充满活力时，引起了很大的反响。

这个放大器是由硅谷的一家公司Tripath Technology设计的D类放大器。D类放大器的工作原理是不直接放大输入的模拟音频信号，而是先将模拟音频转换为可用于开启或关闭功率晶体管的数字脉冲串。所得到的信号被转换成具有较高振幅的模拟信号。

Tripath的诀窍是使用一个50兆赫兹的采样系统来驱动放大器。该公司表示，TA2020的性能更好，而且成本远低于任何类似的固态放大器。为了在交易展览上展示这款芯片，他们特意播放了电影《泰坦尼克号》的那首著名主题曲。

像大多数D类放大器一样，TA2020的能效非常高; 它不需要散热器，并且可以使用紧凑的封装。Tripath的低端，15瓦型号的TA2020售价为3美元，用于内置扬声器和麦克风。索尼，夏普，东芝等的家庭影院，高端音响系统以及电视机都采用其他型号——最强大的拥有1000W的输出。

后来，其他大型半导体公司迎头赶上，创造出类似的芯片，Tripath 渐渐被人遗忘。现在Sure Electronics和Audiophonics等公司仍提供基于TA2020及其姐妹芯片的音频放大器套件和产品。

Amati通信公司的Overture ADSL芯片组（1994）

Amati Communications Overture ADSL Chip Set

这款通信芯片开启了宽带上网时代

• 制造商： Amati Communications
• 类别： Interfacing
• 年代： 1994

还记得ADL（数字用户线路）出现时，你将可怜的每秒56.6k的调制调解器扔进垃圾桶的场景吗？好吧，几年之后，随着专用的基于光纤的宽带网络的出现，你又将ADL调制调解器扔进了垃圾桶。但对于许多消费者来说，DSL是高速互联网所能做的第一个尝试，尤其是作为音乐和电影的分发系统。这是一个伟大的过渡技术：只要用户距离交换机不是很远，DSL都能将现有的常规音频电话线转变为高速数字连接。

这个宽带革命的中心是从斯坦福大学出来的创业公司 Amati Communications。20世纪90年代，该公司提出一种称为离散多音（DMT）的DSL调制方法。该方法基本上是使一条电话线看起来像数百个子信道，并使用反向罗宾汉策略改进传输的方式。

John M. Cioffi 是 Amati的共同创始人，现在是斯坦福大学工程教授，他说：“比特被从最贫乏的信道抢走，然后被给到最富有的信道。” DMT打败了它的竞争对手，包括AT＆T等巨头，成为DSL的全球标准。在20世纪90年代中期，Amati的DSL芯片组（一个模拟，两个数字）售出了少量，但到2000年，每年的销量已经达到数百万组。在 21世纪初，年销售量突破了1亿组。德州仪器在1997年收购了Amati。

西部数据的 WD1402A UART（1971）

Western Digital WD1402A UART

将处理器从低级的通讯任务中解放出来

• 制造商： 西部数据
• 类别： Interfacing
• 年代： 1971

戈登·贝尔（Gordon Bell）以在20世纪60年代在迪吉多公司（DEC）推出PDP系列小型计算机而闻名。这迎来了网络和交互式计算机的时代，在20世纪70年代随着个人电脑的出现而达到全盛。虽然小型计算机现在已经进入历史教科书，但贝尔还发明了一些虽然相对不那么知名但绝非不重要的技术，而且这些技术现在仍在世界各地被采用：通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），简称UART。

UART用于让两个数字设备通过串行接口一次发送一个比特进行通信，而不会使设备的主处理器与细节干扰。

今天，我们可以使用更复杂的串行设置，例如无处不在的USB标准。但很长一段时间以来，在诸如将调制调解器连接到PC之类的使用中，UART都是统治性的方式。即便现在，简单的UART仍然有它的地位，尤其是作为与很多现代网络设备连接的终极方式。

UART的发明是由于贝尔自己需要将一个电传打印机（Teletype）连接到一个PDP-1，需要将并行信号转换为串行信号。贝尔于是设计了一个使用大约50个独立部件的电路。这个想法被证明是受欢迎的。当时西部数据公司（Western Digital）是一家制造计算机芯片的小公司，它设计了单芯片版的UART。

西部数据的创始人 Al Phillips 仍记得当时公司的工程副总裁向他展示准备制作的 Rubylith 的设计图时的场景。他说：“我看了一会儿，发现一个断开的电路，副总裁都快抓狂了。”西部数据在1971年左右发布WD1402A，其他版本也在随后陆续发布。

IBM深蓝2国际象棋芯片（1997）

IBM Deep Blue 2 Chess Chip

深蓝的逻辑芯片为AI对人类的第一次重大胜利赋能

• 制造商： IBM
• 类别：逻辑（Logic）
• 年代： 1997

1997年，当IBM的国际象棋计算机“深蓝”（Deep Blue）击败世界冠军 Garry Kasparov 时，人类终于在计算机面前败下阵来。深蓝的每个芯片包含150万个晶体管，这些晶体管集成在专门的块中，例如一个走子生成器（move-generator）的逻辑阵列，以及一些RAM和ROM。这些芯片一起的运算速度是每秒2亿步棋。深蓝的策划者许峰雄（Feng-hsiung Hsu），现在是微软亚洲研究院高级研究院，他回忆说，这些走子“给对手施加了非常大的心理压力”。

自深蓝胜利以来，人工智能在越来越多原本是人类智能占上风的游戏上击败了人类，例如谷歌的AlphaGo分别在2016年和2017年击败了围棋世界冠军李世乭和柯洁。

Signetics NE555（1971）

Signetics NE555

这款默默无名的芯片成为无数电路的瑞士军刀

• 制造商：西格尼蒂克（Signetics）
• 类别：逻辑
• 年代：1971

那是在1970年的夏天。芯片设计师Hans Camenzind当时是硅谷半导体公司西格尼蒂克（Signetics）的顾问。当时经济下滑，他每年收入不足15000美元，而家里有赋闲的妻子和四个孩子。他真的迫切需要发明一些好卖的东西。

他真的做到了。而且，他的这一发明可以说是史上最伟大的芯片之一。555定时器是一款易于使用的集成电路芯片，常被用于定时器和振荡电路。由于其易用性、低廉的价格和良好的可靠性，这款芯片时至今日仍被广泛应用于厨房电器、玩具、宇宙飞船等数千种电子电路的设计中。

“它险些没能面世。”几年前 Camenzind 在接受 IEEE Spectrum 访问时回忆道。Camenzind于2012年去世。

萌发555的点子时，Camenzind正在设计被称为“锁相环路”（ phase-locked loop）的电路。只要对做一些修改，这个电路就能变成一个简单的定时器：触发它后它能运行特定的一段时间。这听起来很简单，当时还没有类似这样的东西。

最初，Signetics的工程部门反对这个想法。当时公司已经有可以组装成定时器的组件销售。555的命运险些就这样结束了。但Camenzind坚持他的idea。他去找Signetics的市场经理 Art Fury。幸运的是，Fury很喜欢这个idea。

Camenzind花了将近一年的时间测试模拟板原型，在纸上绘制电路元件，裁剪红片覆盖膜。Camenzind回忆说：“这一切都是手工完成的，没有使用电脑。”最终的设计有23个晶体管，16个电阻器和2个二极管。

555定时器在1971年投入市场，引起了轰动。1975年，Signetics被飞利浦半导体公司（现在的恩智浦半导体）收购，据该公司说，555的销量已经达到数十亿枚。今天的工程师们仍然使用555设计一些有用的电子模块，或一些没什么用处的小东西，例如“霹雳游侠”的战车前灯。

赛灵思 XC2064 FPGA（1985）

Xilinx XC2064 FPGA

事实已经证明，可编程芯片拥有巨大的价值

• 制造商：赛灵思（Xilinx）
• 类别： Logic
• 年代： 1985

早在20世纪80年代初，芯片设计者们一直试图充分利用电路中的每一个晶体管的功效。后来Ross Freeman提出一个相当激进的想法。他设计了一个包含许多晶体管的芯片，这些晶体管组成松散的逻辑块，其连接可以通过软件进行重新配置。其结果是有时候一部分晶体管不会被使用到，但是Freeman认为摩尔定律最终会让晶体管成本变得低廉，不再有人关心晶体管浪费的问题。他是对的。他把这个芯片命名为“现场可编程门阵列”（FPGA），并且为了推销这个芯片，作为共同创始人创立了赛灵思公司（Xilinx）。

1985年，赛灵思公司的第一个产品XC2064面世时，员工们被赋予一个任务：使用XC2064的逻辑单元手工绘制一个示例电路，就像他们的客户要做的那样。赛灵思前首席技术官Bill Carter回忆起当时他走近 CEO Bernie Vonderschmitt时，看到他“在绘制时遇到了一点困难”。 Carter 单纯很高兴帮到老板。他说：“我们站在那儿，用纸和彩色铅笔帮Bernie 绘制！”

如今，由赛灵思以及其他公司生产出售的FPGA被用于各种各样的东西，在这里很难全部列举。在例如软件定义的无线电，神经网络，数据中心路由器等等都有FPGA的应用。

莫斯特克MK4096 4-Kilobit DRAM（1973）

Mostek MK4096 4-Kilobit DRAM

当需要用到大量RAM时，这款芯片的存储架构仍被广泛使用

• 制造商：莫斯特克（Mostek）
• 类别：记忆 & 存储
• 年代： 1973

计算机在运行程序时使用随机访问存储器（random access memory），简称RAM，作为其工作空间。现在的RAM芯片有两种特性：静态RAM和动态RAM，或简称SRAM和DRAM。只要计算机开启后，SRAM就保持内容不变，但DRAM必须不断更新。DRAM相对SRAM的优点是每个存储单元都很简单，这意味着可以将更多的数据打包到给定的空间中。今天大多数计算机都使用DRAM作为主存储器。

第一款DRAM芯片是英特尔推出的。但Mostek的4KB DRAM芯片带来了一个关键的创新，一种被称为地址复用（address multiplexing）的电路技术，由Mostek共同创始人Bob Proebsting发明。通常，芯片使用相同的引脚来访问内存的行和列。这是通过依次发送行和列寻址信号实现的。因此，芯片不需要太多的引脚，同时由于内存密度增加，制作成本降低。它只存在一点兼容性上的问题。Mostek 的4096使用16针脚，而德州仪器，英特尔和摩托罗拉出品的内存则有22针脚。

Mostek将未来压在了这款芯片上。高管们开始到处向客户、合作伙伴、新闻媒体甚至自己的员工进行宣传。当时刚被雇用的 Fred K Beckhusen 被安排对4096进行测试。Beckhusen 回忆道，有天Proebsting和CEO LJ Sevin半夜2点来到他的夜班岗位进行了一次研讨会。

Beckhusen说：“他们当时大胆地预测，只需6个月，就不会有人关心22针脚的DRAM了。”他们是对的。4096和它的后续者成为了主流的DRAM，地址复用技术也成为了处理更大的内存的标准方式。

东芝NAND闪存（1989）

Toshiba NAND Flash Memory

闪存时代由此开启

• 制造商： 东芝（Toshiba）
• 类别： 记忆 & 存储
• 年代： 1989

当东芝的一名工厂经理舛冈富士雄（Fujio Masuoka）决定重新开发半导体内存时，闪存（flash memory）的发明传奇也就此拉开了序幕。不过我们过会儿再讲闪存。首先，让我们了解一点历史。

在闪存出现之前，存储大量数据的唯一方式是使用磁带，软盘或硬盘。许多公司都在努力设计固态的替代方案，但是当时可以得到的选择，例如EPROM（可擦可编程只读存储器，需要用紫外线照射来擦除数据）和EEPROM（多出的E代表“电”，不需要紫外线擦除）都无法低成本地存储大量数据。

进入东芝后，舛冈在1980年聘请了四名工程师共同进行一个半秘密的项目，目的是研发一个可以存储大量数据，而且成本低廉的内存芯片。他们的策略很简单。“我们知道只要晶体管的尺寸缩小，芯片的成本就会持续下降。” 舛冈说道，他现在是Unisantis电子公司的首席技术官。

舛冈的团队设计了EEPROM的一种变体，它的特征是一个存储单元只包含单个晶体管。当时，传统的EEPROM每个存储单元需要两个晶体管。这是一个看似很小的改动，但大大地降低了芯片的成本。

为了寻找一个吸引人的名字，他们根据芯片的超快速擦除功能而取名“闪”（flash）。你也许会认为东芝很快就将这个发明投入生产，并且看着它带来滚滚财富。错了。你们对这家庞大的公司如何利用它内部的创新不够了解。实际情况是，舛冈的老板对他说，好了，忘掉这个发明吧。

当然了，舛冈怎么可能忘记他的发明。在1984年，舛冈在旧金山的IEEE国际电子设备大会展示了他的闪存的设计图纸。这促使英特尔公司开始开发基于“或非”（NOR）逻辑门类型的闪存。1988年，英特尔发布了一款256KB的芯片，用于汽车、计算机以及其他大众市场设备，为英特尔带来了不俗的新业绩。

最终，这促使东芝将舛冈的发明投入生产。舛冈的闪存芯片基于NAND技术，能够提供更高的存储密度，但被证明在制造工艺上更复杂。在1989年，东芝的第一款NADA闪存终于投入市场，并取得了成功。而且正如舛冈所预测的那样，价格不断下降。

20世纪90年代末，数码摄影开始采用闪存，使得闪存出现了爆发，东芝成为这个数十亿美元市场中最大的玩家之一。但与此同时，舛冈与东芝其他高管的关系恶化，最终离开了东芝。（后来舛冈以知识产权纠纷起诉东芝公司，并获得了8700万日元的赔偿。）

今天，NAND闪存已经成为手机、照相机、音乐播放器等各种小设备，甚至航天探测器的关键部分，并且开始取代硬盘成为笔记本和台式电脑的首选存储介质。

柯达KAF-1300图像传感器（1986）

Kodak KAF-1300 Image Sensor

将数字摄影从实验室带入生活的芯片

• 制造商： 科达（Kodak）
• 类别： MEMs and Sensors
• 年代： 1986

现在的图像传感器非常小巧而且便宜，几乎没有手机是不带内置摄像头的。这在在1991年科达公司发布柯达DCS 100数码相机时可能很难想象得到。

DCS 100的成本高达25,000美元，光是外置数据存储器就有5公斤重，而且用户必须得随身扛着。相机的电子部件装在尼康F3的机身内，包含一个令人印象深刻的硬件：一枚拇指大小的芯片，能够以130万像素的分辨率捕获图像，足够以5×7英寸的尺寸进行冲洗。

该芯片首席设计师Eric Stevens说：“在当时，100万的像素已经是梦幻一般了。”

这个芯片是一个真正的两相电荷耦合器件，是未来的CCD传感器的基础，启动了数字摄影的革命。顺带一提，用KAF-1300拍摄的第一张照片是什么呢？“呃，”Stevens说道，“我们把传感器指向了实验室的墙。”

德州仪器数字微镜器件（1987）

Texas Instruments Digital Micromirror Device

将数字视频带入影院的发明

• 制造商： 德州仪器（Texas Instruments）
• 类别： MEMS and Sensors
• 年代： 1987

在1999年6月18日，Larry Hornbeck与妻子Laura约会。他们在加州伯班克的一家电影院观看了电影《星球大战I：魅影危机》。Hornbeck并不是绝地的粉丝。他们去那里是因为那家电影院有一台真正的放映机。

这台放映机的核心是Hornbeck在德州仪器研发的数字微镜器件（DMD）芯片。DMD使用数万个铰链式微镜将光线引导通过放映机的投影镜头射出。电影屏幕上显示了一行字：“第一部数字电影放映”。

现在，电影放映机都是使用这种数字黄处理技术（或称DLP），背投电视、投影仪、手机微型投影机等也都使用DLP芯片。为了奖励他的发明，Hornbeck于2015年被授予奥斯卡奖。

新智元报道

来源：IEEE Spectrum