晶體管誕生70年：回首中國集成電路來時路

張蓋倫

“時間：1947年12月16日

日記號：38139-7”

70年前，當(dāng)物理學(xué)家沃爾特·布拉頓像往常一樣寫下他的實驗日記，他不曾預(yù)料，一個時代即將開啟。

這場實驗的主角是一個比火柴棍短且粗的半導(dǎo)體放大器，后來，它被命名為點接觸式晶體管。

點接觸式晶體管成了人類打開晶體管大門的第一把鑰匙。大門推開后，一場信息技術(shù)革命席卷全球。

70年后，晶體管已經(jīng)變得幾乎無處不在。人類以其為磚瓦，搭建出一個個虛擬世界。我們至今仍未找到晶體管的替代品，以其為基礎(chǔ)的集成電路，還將被人類長期依賴。

晶體管的問世，人類微電子革命的先聲

晶體管誕生之前，人們已經(jīng)有了電子管，或者叫真空管。

電子管具有信號放大作用，但是毛病一籮筐—壽命低、體積大、可靠性差。

所以，人們希望找到一種器件替代電子管。美國電話電報公司（AT&T）下屬的貝爾實驗室成了尋找路上的開路先鋒。

貝爾實驗室創(chuàng)建于1925年。成立伊始，它就是世界上規(guī)模最大的工業(yè)實驗室。3600名工作人員中，有2000名是技術(shù)人員。

1945年7月，“二戰(zhàn)”臨近結(jié)束，為了適應(yīng)戰(zhàn)后研究方向的調(diào)整，貝爾實驗室進(jìn)行了各個研究部門的改組。

這次改組中，物理部門成立了3個研究小組，其中之一就是固體物理研究組。該組又分為半導(dǎo)體和冶金兩個小組，麻省理工大學(xué)博士肖克萊兼任半導(dǎo)體小組組長。他將小組的研究計劃定為研制“半導(dǎo)體放大器”。

半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，像硅和鍺，就是常見的半導(dǎo)體材料。

清華大學(xué)微電子所所長魏少軍說，要理解晶體管的工作原理，可以想象一個大壩的水閘。

當(dāng)大壩閘門合上，無水流出，水力發(fā)電機(jī)就無法發(fā)電；當(dāng)閘門打開，水流涌出，水力發(fā)電機(jī)就可以輸出電流?！伴l門的開合直接影響到了水力發(fā)電機(jī)的運轉(zhuǎn)，這就是用一個弱信號，去控制了一個強(qiáng)信號?！倍w管的基本原理就是“放大”，用小電流去控制大電流。

貝爾實驗室對晶體管的構(gòu)思由來已久。晶體管的誕生，是長期積累的結(jié)果。從諾貝爾獎的歸屬來看，榮譽最終給了3個人—肖克萊、布拉頓和巴丁。

1947年12月16日，擺在布拉頓和巴丁面前的是一個多次改進(jìn)后的、構(gòu)筑在鍺晶體之上的器件。鍺晶體表面，用一根彈簧壓著一個兩邊包裹著金箔的三角形塑料楔子。這兩邊的金箔，就是信號的輸入端和輸出端。

就是它，在那天的實驗中，成功放大了30%的輸出功率和15倍的輸出電壓。

用現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)來衡量，這點觸式晶體管的原型實在太過質(zhì)樸笨拙，但無可否認(rèn)，它就是人類微電子革命的先聲。

在它之后，又有雙極型、單極型晶體管和硅晶體管相繼問世。

“從移動計算到智能計算，當(dāng)今時代的種種變化，都離不開電子信息系統(tǒng)。而晶體管，是其中最為基礎(chǔ)的器件?！蔽荷佘娬f，晶體管之于信息革命，如同鐵器之于農(nóng)業(yè)革命，如同蒸汽機(jī)之于工業(yè)革命，“它的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。”

起步不晚的中國，還是落后了

晶體管應(yīng)該被拿來做更多的事情，不過前提是，它要足夠小。

如何找到一種高效的晶體管、導(dǎo)線和其他器件的連接方法？1958年左右，美國兩位30歲出頭的年輕人，各自拿出了自己的解決方案—就是我們今天已經(jīng)熟知的集成電路。

如果說，晶體管的誕生，是蝴蝶扇動了翅膀，那么，遠(yuǎn)隔大洋的中國，也敏銳地嗅到了風(fēng)暴來襲的信號。

中國的起步并不晚。20世紀(jì)50年代中期，正值我國開始實施第一個五年計劃。半導(dǎo)體這門新興科學(xué)技術(shù)受到了黨和政府的高度重視。1956年，在沒有技術(shù)資料和完整設(shè)備的條件下，我國成功研制出了首批半導(dǎo)體器件—鍺合金晶體管。1965年，我國又擁有了集成電路。

“說起我國第一代半導(dǎo)體人，那真是非常了不起?！敝锌圃何㈦娮友芯克L葉甜春感慨，“他們帶著知識歸國，自己研制設(shè)備，自己制備材料，自己培養(yǎng)了第一批學(xué)生，完全白手起家?！?/p>

頭20年，我國集成電路和國際上的差距并不大；但在第二個20年，道路開始曲折。

差的不在技術(shù)，而是產(chǎn)業(yè)。一個還沒有完成工業(yè)化的國家，剛剛從計劃經(jīng)濟(jì)時代走出，還不知道如何組織大規(guī)模商品生產(chǎn)。此時，還想更進(jìn)一步，發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，更是難上加難。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展不起來，技術(shù)研發(fā)也步履維艱，陷入惡性循環(huán)。葉甜春記得，1986年自己剛?cè)爰呻娐愤@一行時，整個行業(yè)都處在痛苦的轉(zhuǎn)型期。大家還在學(xué)習(xí)高質(zhì)量低成本地批量制造產(chǎn)品，在混沌中摸索。

20世紀(jì)80、90年代，國際集成電路產(chǎn)業(yè)開始起飛。“這是國家發(fā)展階段的差異，也沒什么好埋怨的。”葉甜春坦言。

真正的轉(zhuǎn)折點發(fā)生在2008年。

那一年，國家科技重大專項啟動?！昂诵碾娮悠骷?、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”等專項都指向了集成電路。5年后，技術(shù)儲備到了一定程度，加大產(chǎn)業(yè)投入也就被提上議事日程。

2014年，國務(wù)院發(fā)布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，設(shè)立國家產(chǎn)業(yè)投資基金。“效果一下子就顯現(xiàn)出來了。為什么能這么快？因為技術(shù)體系已經(jīng)建立起來了，能支撐產(chǎn)業(yè)體系的快速發(fā)展了?！比~甜春總結(jié)，“這是一套組合拳，堪稱完美?！?/p>

到了能打大戰(zhàn)役的時候了

2017年1月，晶體管誕生之國美國，在一份報告中將矛頭對準(zhǔn)了中國。

美國總統(tǒng)科技顧問委員會稱，中國的芯片業(yè)已經(jīng)對美國的相關(guān)企業(yè)和國家安全造成了嚴(yán)重威脅，建議美國總統(tǒng)下令對中國的芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)行更加嚴(yán)密的審查。

為什么？我國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模在世界占比非常小，算是“小透明”，就算有一些跨國并購，但交易額也完全不夠看，何至于引起這么高的警覺？

“因為資本的背后，是我們自己真正的技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系在做支撐?！比~甜春說，“他們認(rèn)為，一旦發(fā)展起來，就不可阻擋。我們有核心競爭力了，人家就害怕?！?/p>

實際上，我國集成電路一直都在國際上的打壓和遏制中求生存。產(chǎn)業(yè)還在起步階段，就有“巴黎統(tǒng)籌協(xié)會”對我國所需的新技術(shù)、新設(shè)備進(jìn)行封鎖禁運。當(dāng)20世紀(jì)80年代后期“巴黎統(tǒng)籌協(xié)會”解體之后，又有“瓦圣那協(xié)定組織”繼續(xù)對我國新興技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)行封鎖限制，它們只允許放行比經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家滯后兩代的集成電路技術(shù)和設(shè)備。

“西方國家有點神經(jīng)過敏?！蔽荷佘姷目捶杂胁煌爸袊蜈A集成電路這場仗沒那么容易。”集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要全球化的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，需要巨額投入，也需要大量人才。這都無法一蹴而就。

從中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計來看，2016年我國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額達(dá)4335.5億元，比上年增長20.1%，這一增長速度算得上“高歌猛進(jìn)”。不過，魏少軍提醒，這4000多億元的銷售額還包括在華外商的貢獻(xiàn)?！捌鋵嵨覀冏陨淼哪芰€相當(dāng)有限?！彼袛?，我國自己生產(chǎn)的集成電路，大約可以滿足國內(nèi)需求的1/4。

從技術(shù)上來看，我國最新的集成電路技術(shù)，跟國際上的最新技術(shù)還差了一代到兩代。不過，葉甜春認(rèn)為，糾結(jié)于這個最新技術(shù)的代際差異，是一種誤區(qū)，并沒有太大意義。

比如，如今依然在大量生產(chǎn)的55納米、40納米和28納米芯片，進(jìn)入市場已近10年，但它們并未因為更小尺寸芯片的出現(xiàn)就退出歷史舞臺。

“集成電路尺寸縮小速度確實很快，但并不是下一代對上一代的完全替代。每一代技術(shù)都有大約10年的生命周期。”葉甜春表示，我國55納米、40納米、28納米三代成套工藝已研發(fā)成功并實現(xiàn)量產(chǎn)，而更先進(jìn)的22納米、14納米先導(dǎo)技術(shù)在研發(fā)上也取得突破，形成了自主知識產(chǎn)權(quán)?！八^趕超，也無需要求在各個領(lǐng)域全面超越，只要我國的集成電路能夠支撐我國信息化和智能化的發(fā)展即可?！?/p>

可以肯定的是，這場由晶體管開啟的信息革命，將更深、更廣地重塑人類社會?！拔磥?，芯片的重要性只增不減?！蔽荷佘姀?qiáng)調(diào)。

而回首來路，葉甜春常說“傳承”。一代一代半導(dǎo)體人的砥礪前行，才有中國今天的局面。

今天是個怎樣的局面？他抬起頭，望向遠(yuǎn)方，帶著笑意?！翱梢源虼髴?zhàn)役了。我們有了‘戰(zhàn)的能力，雖然能力有限，但和從前相比，大不一樣了。天時地利人和，沒有理由超不過別人，這只是時間早晚問題。”

（本文轉(zhuǎn)自《科技日報》）