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芯片破壁者:从电子管到晶体管

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  • 来源:中国机械网 时间:2020-09-15 14:25:10 访问:1174 次

    1999年,美国《洛杉矶时报》评选出“50名本世纪经济极有影响力人物”,其中并列第一名的有三个人:美国发明家威廉·肖克利、罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比。肖克利是晶体管的发明人之一,诺伊斯和基尔比是集成电路的发明人。

    排在第二至四位的分别是现代汽车工业奠基人的亨利·福特,连任四届美国总统的罗斯福,以及创办迪斯尼动画王国的沃尔特·迪斯尼。

    回顾二十世纪,无论是科技、商业,还是政治、军事、娱乐生活,几乎每一个领域都发生了狂飙突进式的巨变,每个领域也都诞生出了足以彪炳史册的“关键”人物。在二十世纪的“群星闪耀”中,我们该如何理解三位发明家能够位列第一的殊荣呢?

    要知道,晶体管被誉为“20世纪极伟大的发明”,而集成电路的出现又真正奠定了第三次产业革命的基石。如果这样说略显抽象,不如我们换一个说法。在我们今天的生活中,手机、电脑、电视、汽车等所有的电子设备中,都离不开一种极核心的硬件——芯片。而芯片正是由半导体集成电路来实现的,而集成电路必不可少的物理单元就是晶体管。晶体管,就是我们从物理世界通向数字世界的“细胞”。

    如果你认可电子信息技术以及由此带来的数字经济的巨大价值的话,那么你一定也会同意将极有影响力”的殊荣送给他们三人。当然你也知道,排名不过是我们对历史的一种“简化”认知,真正的殊荣也要分给推动这一技术实现的每一个科学家、发明家以及商业家们。

    回到历史现场,成为我们重新审视这场技术“奇迹”的基本方法。当我们一点点还原出构成这一技术链条中的重要人物和重要节点,可能又会发现一个这样的事实:技术“奇迹”并不存在,一切都有迹可循。

    那么,在回到1947年12月23日位于美国新泽西贝尔实验室的第一个晶体三极管发明现场之前,我们必须将目光先投向更早的十九世纪末,来到爱迪生实验室,去瞥见那一束照亮电子世界的微弱电流。由此重新出发,我们首先将经历一段“电子管”半个世纪的传奇故事,找寻到技术突破和产业变革背后的内在动因,才能理解“晶体管”出现的真正意义。

    序曲:捕捉电子的起点纷争

    1883年,饱受碳丝灯泡寿命问题困扰的爱迪生突发奇想,他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝,希望铜丝能阻止碳丝蒸发,但毫无悬念,碳丝再一次蒸发了。不过他却发现,那根没有连接到电路的铜丝竟然产生了微弱的电流。尽管当时他并没有特别重视这一现象,但这位敏感的发明家仍然为这一发现申请了专利。

    此后,这一现象被称为“爱迪生效应”,而这一现象发生的原因就是热能使得物体上的电子克服束缚位能,通过热激发产生载流子。受此启发,英国物理学家约翰·弗莱明在1904年发明了世界上第一个电子管——真空二极管,并获得了这项发明的专利权。真空二极管也被视作开启电子时代的鼻祖

    1906年,美国工程师李·德·福雷斯特在弗莱明二极管的基础上又多加入了一个栅极,发明出新型的真空三极管,使得真空管在检波和整流功能之外,还具有了放大和震荡功能。福雷斯特于1908年2月18日拿到了这项专利。

    1911年,加入联邦电报公司的福雷斯特,再次改进了真空三极管的排列方式,发明了二十世纪***意义重大的一个电子器件——电子放大器,可以大幅改进电报信号的输出质量。也正是基于这些功能,真空三极管被人们认为是电子工业诞生的起点。

    历史的吊诡之处就在于,两位发明人并未首先从这项发明中获益。由于弗莱明声称他拥有电子管的优先发明权,因此他所就职的英国马可尼公司就大张旗鼓地生产起真空三极管来,福雷斯特对此当然十分不满,将马可尼公司告上法庭。

    直到1916年,经历十年的诉讼,法庭最后判决福雷斯特的三极管触犯了二极管的专利权,而马可尼生产的三极管也侵害了福雷斯特公司注册的三极管专利权。最终结果是两败俱伤,两家公司都不准许再继续生产三极管。

    专利权的纷争尽管延缓了电子管的普及速度,但是我们更要记住的是,正是专利制度对于发明权的保护,才能成为这些技术公司和技术人员孜孜不倦地推动技术革新的动力之源。

    此后三十多年,真空电子管技术和工艺得到多次改良,真空三极管技术也成为欧美几个大国重点争夺的“核心技术”。除了在无线电通信、广播领域的应用外,真空电子管带来了全新的电子技术和极早的电子计算机。

    过渡:真空管的短暂“高潮”时刻

    二十世纪初,随着真空三极管的发明,人们已经意识到可以实现电子信号传递和放大的三极管可以用于模拟计算。

    模拟计算的原理就是通过具体的电压值来表示物理世界的数量值,再通过真空三极管这一的电子器件组成的系统,按照加减乘除等数学运算法则来对电压进行变化,最终得到一个同样用电压值表示的运算结果,这样就使用电子器件完成了对物理世界的模拟和分析。这一器件被称为“运算放大器”,在此基础上,人们研制出了电子模拟计算机。

    早期真空三极管的信号放大作用,被贝尔实验室用于电话通信中,解决了弱信号的远距离传输问题,但是放大器的增益仍存在不稳定的问题。1927年,时年29岁的年轻工程师布莱克开始着手研究这一问题,提出了负反馈放大器的解决方案,并在1936年将负反馈放大器引用在电话机的放大线路中。

    至此之后,负反馈放大器一直成为运算放大器的核心原理沿用至今,并且使得利用电子信号进行数学运算真正得以实现。

    技术的突破带来硬件应用的加速。1941年,贝尔实验室的卡尔·施瓦茨尔在布莱克的专利技术基础上,设计出第一款商用的真空管运算放大器——加法器。同年,德国人康拉德·楚泽使用了大量真空管,制造出第一台可编程电子计算机,能够在每秒内执行3-4次加法运算。

    1944年,哈佛大学研究人员霍华德·艾肯在IBM总经理托马斯·沃森的支持下,用机电方式研制出了MARK-1号计算机,可以实现每秒200次以上的运算。

    二战时,由于像快速计算火炮弹道等需要,电子计算机有了非常现实的应用空间。1946年,宾夕法尼亚大学的工程师埃克特和物理学家毛希利等人共同研制出了真正意义上的第一台通用型电子计算机——埃尼阿克(ENIAC)。这台使用了18000多只电子管,重130多吨,占地面积170多平方米,每秒钟可作5000多次加法运算。之前的计算机需要2小时完成的40点弹道计算,ENIAC只需要3秒钟,在当时堪称奇迹。

    ENIAC显示出电子计算机的巨大应用前景,成为这一时期真空管电子计算机的极先进代表。在此基础上,数学家冯·诺依曼对ENIAC作了关键改进,完善了现代计算机的模型,至今仍然是现代计算机的基础架构。

    不过,ENIAC因其庞大的体积、巨额的功耗、短暂真空管寿命以及由此带来的高检修率,造成这一代真空管计算机难以实现获得快速升级和大规模普及。现实的需求呼唤技术的革新,半导体材料的出现让技术的革新成为可能。

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    【 责任编辑:高升 】

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