混合集成电路(集成电路，到底是谁发明的？)

Posted 2023-06-01

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混合集成电路(集成电路，到底是谁发明的？)

1923年11月8日，在美国密苏里州杰斐逊城的一个普通家庭里，诞生了一个男婴。

男婴的父亲名叫赫伯特·基尔比（Hubert Kilby），是一个电气工程师，毕业于伊利诺伊大学香槟分校。男婴的母亲薇娜·基尔比（Vina Kilby），同样也毕业于这所学校。

小两口也许并没有想到，他们迎来的这个小生命，将来会成为一个伟大的工程师、发明家，甚至是诺贝尔奖获得者。他的发明贡献，将开创一个庞大的产业，改变整个世界。

这个男婴，就是集成电路的主要发明者之一，被誉为“芯片之父”的杰克·基尔比（Jack St. Clair Kilby）。

杰克·基尔比

█ 一个工程师的成长之路

1927年，也就是基尔比四岁的时候，他们一家搬到了堪萨斯州的萨琳娜（Salina）。

基尔比的父亲赫伯特·基尔比，是堪萨斯电力公司（Kansas Power Company）的经理。那时，基尔比经常和父亲一起，巡视发电厂，观看发电和输电设备。时间一长，他就对这些电气设备产生了浓厚的兴趣，并立志也要成为一名电气工程师。

1937年，基尔比一家又搬到了距离萨琳娜100多公里的大本德（Great Bend）。在这里，基尔比度过了自己的高中生涯。

年轻时的杰克·基尔比

高中毕业时，基尔比为了实现自己的工程师梦想，前往参加麻省理工学院的入学考试。很可惜，最终他以3分之差落选（分数线是500，他考了497）。

无奈之下，他只能选择就读父母的母校——伊利诺伊大学香槟分校。（需要说明的是，伊利诺伊大学并不是一所二流学校，而是美国最优秀的公立大学之一。）

入学后不久，珍珠港事件爆发，美国正式加入二战，杰克·基尔比也加入了美国陆军。

当时，他是陆军通信兵团（U.S.Army Signal Corps）的一名无线电通讯设备维修员，在印度东北的一个军事基地工作，专门修理无线步话机。据称，他还来到过中国，参加了几个月的作战（在史迪威将军的领导下）。

参军期间的杰克·基尔比

参战的经历，给基尔比的成长带来巨大裨益。他事后回忆道：“学校外面的事情能让你很快成熟。当问题发生时，你必须面对它们，想出办法，解决它们，然后你就进步了。”

二战结束后，基尔比回到伊利诺伊大学，继续学业（学费由军队承担）。

1947年，基尔比顺利获得了电子工程学士学位，并加入了中心实验室（Centralab）工作。这个中心实验室，是全球联通公司（Globe Union）设在米尔沃基（Milwaukee，威斯康星州的最大城市）的一个研究机构。

工作期间，基尔比通过参加夜校，获得了威斯康星大学米尔沃基分校的电子工程硕士学位。与此同时，他与芭芭拉·安吉斯（Barbara Annegers）结婚，并生育了两个女儿。

1947年，美国贝尔实验室的威廉·肖克利、沃尔特·布拉顿、约翰·巴丁，共同发明了世界上第一个晶体管，轰动了整个科学界。

基尔比也关注到了这个事件。他现场聆听了约翰·巴丁的演讲（约翰·巴丁也毕业于威斯康星大学，两人算是校友），对晶体管产生了浓厚的兴趣。他表示：“（晶体管的出现），意味着我的电子管技术课程白学了。”

1952年，迫于美国反垄断法的压力，贝尔实验室开始向全美38家公司低价授权晶体管的生产许可（授权费仅25000美金）。这其中，就包括了基尔比所在的全球联通公司。

获得授权后，基尔比被派到贝尔实验室，参加为期两周的晶体管技术研讨会。这期间，基尔比掌握了不少晶体管知识。

回到公司后，基尔比组建了一个三人研发小组。他们制造出了晶体管，并投放到市场，但并没有获得什么利润。

全球联通公司虽然名字很牛，但实际只是一个中小型公司。在利润不高的情况下，他们不愿意在晶体管上继续追加投入。于是，基尔比开始考虑跳槽，选择更好的发展平台。

经过一番对比，最终他加入了一家刚刚进入电子行业的公司。这家公司，就是后来的半导体巨头——德州仪器（Texas Instruments，TI）。

和他同年入职的，还有另外一个大佬——台积电的创始人，张忠谋。

█ 从石油到电子，一个巨头的崛起

德州仪器是一家历史悠久的公司。它的前身，是1930年J·克莱伦斯·卡彻（J. Clarence Karcher）和尤金·麦克德莫特（Eugene McDermott）共同创立的“地球物理业务公司”（GSI，Geophysical Service）。

当时的公司logo

这家公司的主营业务，是地质勘探。其实说白了，就是找石油（德克萨斯州拥有丰富的石油资源）。

GSI成立后，碰上了美国经济大萧条，业务并不是很好。到了二战时期，GSI开始转型，为美国陆军和海军生产国防电子产品。他们的潜水艇探测设备，深受美国海军的欢迎，带来了大量的订单。

1951年，GSI公司旗下实验室和制造部门（专注电子产品）的业绩迅速超越了地理部门，公司实际上已经转型为电子产业公司。于是，公司改名为“通用仪器”（General Instrument）。同年，又改名为“德州仪器”，并沿用至今。

德州仪器的logo演变

1952年，德州仪器同样获得了贝尔实验室的专利许可。

这一年，原本在贝尔实验室工作的戈登·K·蒂尔（Gordon K. Teal）加入了德州仪器，担任研究主任一职。两年后，在他的领导下，德州仪器成功研制出第一个商用硅晶体管，以及第一台晶体管收音机，从此奠定了自己的行业地位。

█ 集成电路的正式诞生

前面说到，基尔比在1958年加入德州仪器。

当时，德州仪器和美国通讯部队正在合作一个名叫“Micro-Module program（微模块）”的项目。项目的研究目标，是将晶体管、电阻、电容等电子零件的大小及形状统一，以此实现互相连接制程的标准化，减小电路空间，降低焊接难度和错误率。

基尔比认为微模块项目的思路并不合理，于是，他开始研究更好的解决方案。

一开始，基尔比设计了一个替代产品。结果，经过成本分析，发现成本过高，无法量产。于是，他陷入了研究困境。

1958年8月，事情的转机出现了。

德州仪器公司所在的达拉斯（Dallas），一到夏天就会非常炎热。所以，公司会给员工放假两周，让大家去度假避暑。

基尔比是新员工，并没有资格享受假期待遇。于是，他只能继续憋在公司，研究自己的项目。也许正是因为无人打扰，基尔比很快就取得了突破。

基尔比想到，英国皇家雷达研究所的著名科学家杰夫·达默（Geoffrey Dummer），在1952年的一次会议上，曾指出：“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未来电子设备是一种没有连接线的固体组件。”

在这个思路的引导下，他发现，由很多器件组成的极小的微型电路，是可以在一块晶片上制作出来的。也就是说，可以在硅片上制作不同的电子器件（例如电阻、电容、二极管和三极管），再把它们用细线连接起来。

这一惊人想法，令他自己都感到十分兴奋。那一天，他在自己的笔记本上，详细记录了自己的想法，甚至还构思了一个完整的电路工艺流程，写了整整五页。

基尔比的笔记（部分）

假期结束后，基尔比立刻向直属领导威利斯·阿德科克（Willis Adcock，当时是德州仪器开发部主管）汇报了自己的想法。他提出，自己可以做一个触发电路，进行验证。

威利斯·阿德科克的第一反应是觉得这个方案有点麻烦，不太靠谱。但是，考虑再三，他还是勉强同意了基尔比的建议。

于是，基尔比开始着手实施自己的方案。最初，基尔比准备采用“硅”作为衬底，制作电路。但是，当时的德州仪器并没有合适的硅片。无奈之下，基尔比选择了“锗”。

不久后，1958年８月28日，基尔比做出了自己的触发电路，效果非常不错。

1958年9月12日，德州仪器公司高层齐聚实验室。此时，基尔比自信地展示了集成在一块长7/16英寸、宽1/16英寸的锗片上的电路。

电路是一个带有RC反馈的单晶体管振荡器，整个是用胶水粘在玻璃载片上的，看上去非常简陋。电路的器件，则是用零乱的细线相连。

在众人的见证下，基尔比紧张地将十伏电压接在了输入端，再将一个示波器连在了输出端。接通的一刹那，示波器上出现了频率为1.2兆赫兹，振幅为0.2伏的震荡波形。

现场沉静了一会，才响起了热烈的掌声和欢呼声。基尔比成功了，他创造了世界上第一个采用单一材料制成的集成电路（Integrated Circuit）。从此，人类电子工业发展，进入了一个全新的时代。

基尔比和他的同事

1959年2月6日，德州仪器和基尔比向美国专利局申报专利。在申请中，基尔比将他的新设备描述为：“一种半导体材料……其中电子电路的所有组件都完全集成”。

1959年3月6日，美国无线电工程师学会（也就是后来的IEEE）在纽约召开年会。德州仪器在著名的华尔道夫酒店，高调召开了新闻发布会，正式对外展示了基尔比的发明。

时任德州仪器半导体部门负责人的马克.谢泼德（Mark Shepherd，后来担任德州仪器总裁）在新闻发布会上称：“这是德州仪器宣布进入晶体管市场以来，最重大的一项发明”。

█ 基尔比vs诺伊斯，谁是集成电路之父？

基尔比发明集成电路的同时，另一个人也在这个领域取得了突破。这个人，就是仙童半导体（Fairchild Semiconductor）的罗伯特·诺伊斯（Robert Norton Noyce）。

罗伯特·诺伊斯

关于诺伊斯，我在之前仙童的文章（链接）里详细介绍过。他是威廉·肖克利嘴里的“八叛徒”之首，是仙童的创始人之一，也是后来英特尔的创始人之一。

仙童是“八叛徒”联合创立的公司，在半导体技术上拥有极强的实力。

“八叛徒”之一的让·阿梅德·霍尔尼（Jean Hoerni），发明了非常重要的平面工艺（Planner Process）。

这个工艺，就是在硅片上加上一层氧化硅作为绝缘层。然后，在这层绝缘氧化硅上打洞，用铝薄膜将已用硅扩散技术做好的器件连接起来。

平面工艺的诞生，使得仙童能够制造出极小尺寸的高性能硅晶体三极管，也使集成电路中器件间的连接成了可能。

1959年１月23日，诺伊斯在他的工作笔记上写到：“将各种器件制作在同一硅晶片上，再用平面工艺将其连接起来，就能制造出多功能的电子线路。这一技术可以使电路的体积减小、重量减轻、并使成本下降。”

德州仪器公布基尔比的发明的消息，带给诺伊斯很大的震动。诺伊斯十分懊悔自己的动作还不够快，另一方面，他又发现，基尔比的发明，其实存在很大的缺陷。

基尔比的集成电路采用飞线连接，根本无法进行大规模生产，缺乏实用价值。

诺伊斯的设想是：将电子设备的所有电路和一个个元器件都制成底版，然后刻在一个硅片上，这个硅片一旦刻好了，就是全部的电路，可以直接用于组装产品。此外，采用蒸发沉积金属的方式，可以代替热焊接导线，彻底消灭飞线。

仙童的硅晶体集成电路

1959年7月30日，诺伊斯基于自己的想法，申请了一项专利：“半导体器件——导线结构” 。

严格来说，诺伊斯的发明更接近于现代意义上的集成电路。诺伊斯的设计基于硅基底平面工艺，而基尔比的设计基于锗基底扩散工艺。诺伊斯依托仙童的硅工艺优势，做出的电路确实比基尔比更先进。

但是，基尔比的混合型集成电路已经具备集成电路的特点，而且申请时间更早。

于是，基尔比所属的德州仪器，与诺伊斯所属的仙童半导体，展开了激烈的专利大战。

对于这场官司，基尔比表示：“没人会对我是第一个制造出集成电路的人发生疑问。诺伊斯博士是第一个做了我想做的事——用蒸发金属来做器件之间的连线。诺伊斯博士的做法和我已经做过的相差很远，他说他是同情我才把我当作共同发明人，但我不这样认为。”

1966 年，法庭最终裁定将集成电路想法（混合型集成电路）的发明权授予了基尔比，将今天使用的封装到一个芯片中的集成电路（真正意义上的集成电路），以及制造工艺的发明权授予了诺伊斯。

基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”，而诺伊斯则是“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。

这一年，德州仪器公司和仙童公司达成了交叉许可协议，共享集成电路的专利。

1969年，美国联邦法院从法律上判定，二者申请的集成电路专利是并行独立发明。

█ 芯片时代的到来

1960年3月，德州仪器依据杰克.基尔比的设计，正式推出了全球第一款商用化的集成电路产品——502型硅双稳态多谐振二进制触发器，销售价格为450美金。

集成电路诞生之后，最先应用的是军事领域（当时是冷战最敏感的时期）。

1961年，美国空军推出了第一台由集成电路驱动的计算机。1962年，美国人又将集成电路用于民兵弹道导弹（Minuteman）的制导系统。

后来，著名的阿波罗登月计划（Apollo Project），更是采购了上百万片的集成电路，让德州仪器和仙童公司赚得盆满钵满。

军用市场的成功，带动了民用市场的拓展。1964 年，Zenith公司将集成电路用到了助听器上，算是集成电路在民用领域的首次落地。从那以后，集成电路的成本逐步下降，工艺不断改进，逐渐为行业所接受。

1961年，德州仪器主席帕特里克.E.哈格蒂（Patrick E.Haggerty）为了推动集成电路的普及，安排基尔比设计一款全新的、可以拿在手里的微型计算器。

1967年，基尔比带领的小组，成功完成了这款产品的研发，也就是世界首款电子手持计算器——Pocketronic。

基尔比和他的计算器（左手）

集成电路的更大意义，在于它为微处理器的问世铺平了道路。

1970年，英特尔推出世界上第一款DRAM（动态随机存储器）集成电路1103。次年，他们又推出世界上第一款包括运算器、控制器在内的可编程序运算芯片——Intel 4004。

Intel 4004，拥有2300个晶体管，是世界上第一款微处理器。它的诞生，揭开了微型计算机时代的序幕。

█ 迟到的诺贝尔奖

1971年，基尔比离开德州仪器，从事咨询工作并继续其发明创造，也曾在德州农业和机械大学（Texas A&M University）当教授。

其间，基尔比曾在美国能源部的资助下，从事“清洁能源（太阳能）”的开发利用，建立了几个大型系统。但由于石油价格的下跌，太阳能项目未被重视，因此成果未能商业化。

1999年，美国《洛杉矶时报》评选出“50名本世纪经济最有影响力人物”，其中并列第一名的有三个人：威廉·肖克利、罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比。

2000年10月10日，瑞典皇家科学院宣布，俄罗斯科学家泽罗斯·阿尔费罗夫、美国科学家赫伯特·克勒默和杰克·基尔比，因在“信息技术方面的基础性工作”而获本年度诺贝尔物理学奖。

领奖现场（左为基尔比）

基尔比因为在发明集成电路中所作的贡献，获得了奖金总额（900万瑞典克朗，约合100万美元）的一半。

此时，距离基尔比发明集成电路，已经过去了42年。

不管怎么说，迟到总比没到好。诺伊斯就很可惜，他在1990年6月3日突发心脏病去世（享年62岁），与诺奖失之交臂。

2005年6月20日，杰克·基尔比因癌症在达拉斯的家中逝世，享年81岁。

█ 结语

基尔比的一生，拥有60多项发明专利。除了前面所说的集成电路、微型计算器和太阳能系统之外，他还发明过热敏打印机。

毫无疑问，他是一个伟大的发明家。他所做出的贡献，推动了社会的进步，值得我们永远铭记。

最后，让我们用德州仪器前董事会主席汤姆·恩吉布斯（Tom Engibous）的评价来结束今天的文章——

＂我认为，有几个人的工作改变了整个世界，以及我们的生活方式——亨利·福特、托马斯·爱迪生、莱特兄弟，还有杰克·基尔比。如果说有一项发明不仅革新了我们的工业，并且改变了我们生活的世界，那就是杰克发明的集成电路。＂

—— The End ——

参考文献：

1、《芯片战争》，科技-产业研究；

2、《60年前，世界上第一块集成电路诞生》；

3、《诺贝尔奖得主的发明故事》，上海交大图书馆；

4、《硅谷简史》，钱纲，机械工业出版社；

5、维基百科。