必要性是發(fā)明之母，而這個必要性就是臭名昭著的“數(shù)字暴政”問題。

如果您從頭上拔出一根頭發(fā)并將其分成兩部分，則將看到橫截面區(qū)域，或者可能因為很小而看不到，因此該區(qū)域可以容納成千上萬個可以智能連接以構(gòu)建復(fù)雜電路的電子晶體管。這種制造規(guī)模非常敏感，以至于灰塵或細(xì)菌等微觀實體都可能破壞整個電路。電路集成的科學(xué)和工藝方面的進步確實令人難以置信，但對于世界各地成千上萬進行大量工作的工程師和集思廣益的半導(dǎo)體公司來說，這些都是“日常事務(wù)”。

圖1：過去計算機的圖像

半個世紀(jì)以前，現(xiàn)在的“日常事務(wù)”只是理論上的可能性。請記住，曾經(jīng)有一段時間，計算機只有一個大房間。計算機越復(fù)雜，容納真空管電路所需的空間就越大，電路的可靠性就越低。這些是電子行業(yè)每天都無法解決的問題。我們?nèi)绾蚊撾x厚重的真空管的復(fù)雜迷宮，如何實現(xiàn)當(dāng)今的納米級集成，都離不開集成電路的發(fā)明。而這個發(fā)明遵循一條古老的格言：必要性是發(fā)明之母。

需要本發(fā)明的是臭名昭著的“數(shù)字暴政”問題。

數(shù)字暴政

貝爾實驗室早在1950年代就已經(jīng)開發(fā)出小型且可靠的晶體管。人們認(rèn)為，如果減小電子元件的尺寸，則所有與體積有關(guān)的問題都將得到解決，并且創(chuàng)建復(fù)雜的電路將是輕而易舉的。然而，伴隨小型化存在未曾預(yù)料到的問題。

第一個問題是如何減少錯誤的電路連接。

電路不僅涉及其組件，還涉及其連接。為了使任何電路正常工作，連接必須穩(wěn)定——電子（電流）通過它們從一個組件流到另一個組件。連接是互動的渠道，容易出錯的通道會使整個電路失效。

那時，電路是手工制作的，勞動者用金屬線將不同的組件焊接到真空管上。當(dāng)組件的尺寸減小時，很明顯，手動組裝微小的半導(dǎo)體組件會導(dǎo)致錯誤的連接。錯誤是不可避免的，并且沒有辦法進行質(zhì)量檢查。

第二個問題是尺寸。

復(fù)雜的電路依賴于速度。如果金屬線太長，電信號的移動速度將不夠快。這將使電路效率低下。

這兩個問題加在一起就是數(shù)字問題，即臭名昭著的數(shù)字暴君。簡而言之，該問題表明，任何高級電路都將具有如此多的零件和連接，以至于不可行。

解決方案的預(yù)言：沒有連接線

英國無線電工程師Geoffrey Dummer早在1942年就已經(jīng)樂觀地解決了這些問題。他說：“隨著晶體管的出現(xiàn)以及整個半導(dǎo)體領(lǐng)域的工作，現(xiàn)在看來可以將電子設(shè)備設(shè)計成沒有連接線的堅固塊。該模塊可以由絕緣，導(dǎo)電，整流和放大材料層組成，電氣功能通過切掉各個層的區(qū)域來連接?！?/p>

他是“集成電路的先知”——可以看到集成電路在不久的將來出現(xiàn)的人。他為這個明顯的問題提出了理論上的解決方案：無連接電路。但正是在兩位工程師的手中，他們同時在同一個國家的不同實驗室中工作，這一預(yù)言才開始成形。

杰克·基爾比的杰作–單片IC

1958年夏天，德州儀器（TI）關(guān)閉了整個公司的兩周假期。他們每年都這樣做。1958年，盡管他們有一個新員工，但他尚未獲得假期。杰克·基爾比（Jack Kilby）應(yīng)該在工作。因此，為了充分利用自己的時間，他全神貫注于當(dāng)今的核心問題，并開始尋找替代電路的實踐中小型化方法的方法。由于他先前在密爾沃基的Centralab的經(jīng)歷，Kilby熟悉“數(shù)字暴政”的問題。他意識到，公司能夠廉價制造的唯一商品是半導(dǎo)體。因此，他總結(jié)說，所有電路組件都應(yīng)使用與制造半導(dǎo)體相同的材料制成，而這以前沒有人想到過。

圖2：世界上第一個集成電路（IC）的圖像

Kilby為此過程繪制了一些草圖。假期結(jié)束后，他將素描的照片展示給了他的經(jīng)理Willis Adcock。Adcock發(fā)現(xiàn)它們很棒，但是他不確定它們。他仍然要求Kilby繼續(xù)研究并建立硅工作電路。事實證明，這是一項重大的管理決定，1958年8月28日，基爾比向Adcock展示了一條成功運作的賽道，并立即為其項目贏得綠旗。在他的下一個電路中，他將所有電子和電氣組件集成在一根鍺棒上。

該設(shè)備已經(jīng)過測試，并且按Kilby的預(yù)期工作。因此，他解決了與小型化相關(guān)的最困惑的問題之一。

一旦他的發(fā)明被業(yè)界人士所接受，一切都將徹底改變電子技術(shù)。

“這種想法使我得出結(jié)論，即真正需要半導(dǎo)體，即電阻器和電容器（無源器件）尤其可以由與有源器件（晶體管）相同的材料制成。我還意識到，由于所有組件都可以由單一材料制成，所以它們也可以就地互連以形成完整的電路?！被鶢柋仍?976年題為“集成電路發(fā)明”的文章中回憶道。

他補充說：“那時我們沒有意識到的是，集成電路會將電子功能的成本降低了百萬分之一。以前沒有任何事情可以做到?！?/p>

微電子學(xué)的三個問題

順便說一下，連接并不是唯一需要關(guān)注的領(lǐng)域。實際上，電子部件的小型化存在三個不同的基本問題。1958年，Torrek Wallmark將其描述為：

1.集成問題：1958年，由于合金化不適用于IC，因此無法將各種電子組件集成到一個半導(dǎo)體晶體中。您如何整合它們？

2.隔離問題：在原子級別上，如何確保不同的組件不會相互重疊？如何將它們電隔離在一個半導(dǎo)體晶體上？

3.連接問題：如何可靠地連接微電子組件？當(dāng)時唯一可用的方法是使用金線的極其昂貴和費時的方法。

解決方案很快被發(fā)現(xiàn)。三個公司分別發(fā)明了它們，并針對這三個問題分別擁有關(guān)鍵專利。當(dāng)Sprague Electric Company決定不開發(fā)IC時，Kilby工作的Texas Instruments似乎束手無策。然而，飛兆半導(dǎo)體結(jié)合了單片IC商業(yè)生產(chǎn)所需的不同技術(shù)，并繼續(xù)前進。在飛兆半導(dǎo)體公司，他是另一個天才，沒有他的開拓性努力，集成電路將在很長一段時間內(nèi)仍然是一種理論概念，一種可能性。這個天才是Fairchild的共同創(chuàng)始人，后來他又共同創(chuàng)立了電子巨頭Intel。

羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）的開拓性努力

羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）分別在基爾比（Kilby）之后僅六個月提出了他在飛兆半導(dǎo)體公司的集成電路構(gòu)想。Noyce解決了Kilby電路中存在的許多實際問題，特別是組件之間的互連問題。他添加了金屬作為最后一層，然后去除了其中的一部分，從而形成了導(dǎo)線。通過擺脫“飛線”連接，Noyce引入了批量生產(chǎn)Jack Kilby固態(tài)電路的實用方法。

1959年7月，諾伊斯（Noyce）申請了“半導(dǎo)體器件和引線結(jié)構(gòu)”專利，然后，一組仙童（Fairchild）專家工程師于1960年5月制造了第一批可工作的單片IC。

因此開始進行改進，使IC易于商業(yè)化生產(chǎn)。

微芯片的早期成功

像所有前沿技術(shù)一樣，集成電路首先在軍事領(lǐng)域找到了接受者。早在1961年，第一臺使用硅芯片的計算機就為空軍制造，并于1962年在民兵導(dǎo)彈中使用。由于需要一種產(chǎn)品，該產(chǎn)品可以使每個人都了解IC技術(shù)的重要性（并有助于使其流行起來） ），Kilby設(shè)計了一種計算器，該計算器與當(dāng)時的大型機電臺式計算器一樣強大，但又足夠小，可以放在手掌上操作。尺寸的減小導(dǎo)致他的計算器取得了巨大的成功-集成電路技術(shù)的首批商業(yè)應(yīng)用之一-并為制造技術(shù)中的集成技術(shù)開辟了道路。

集成電路專利

Kilby和Noyce都被認(rèn)為是IC的發(fā)明者。如果其中一個提出了革命性的集成新想法，另一個人則確保與它們相關(guān)的實際問題不會妨礙該想法發(fā)揮其潛力。但是，在這些天才工程師所服務(wù)的兩家公司中，事情并不是完全無縫的。Fairchild和TI于1959年申請了專利。Jack Kilby和Texas Instruments的微型電子電路獲得了美國專利＃3,138,743，Robert Noyce和Fairchild Semiconductor Corporation的硅基集成電路獲得了美國專利＃2,981,877。其次是十年的專利訴訟。

在事情變得丑陋之前，雙方?jīng)Q定采用商業(yè)解決方案。兩位發(fā)明者應(yīng)得的。Kilby和Noyce于1979年獲得了美國國家科學(xué)獎?wù)?。Noyce非常謙虛地說：“毫無疑問，如果這項發(fā)明不是在Fairchild上產(chǎn)生的，那么它將在不久的將來在其他地方產(chǎn)生。這是一個想法，它的時代已經(jīng)到來，技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可行的程度。”

圖3：Fairchild Semiconductor F型觸發(fā)器圖像

集成電路的發(fā)展

自杰克·基爾比（Jack Kilby）開發(fā)出第一款I(lǐng)C原型以來，我們已經(jīng)走了很長一段路。芯片上的晶體管現(xiàn)在大約在90 nm處：為了進一步說明這一成就，在單個紅細(xì)胞中可以插入數(shù)百個這樣的晶體管。英特爾的早期集成電路先驅(qū)和創(chuàng)始人之一戈登·摩爾曾經(jīng)說過：“如果汽車工業(yè)的發(fā)展速度與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一樣快，那么勞斯萊斯將獲得每加侖50萬英里的行駛里程，而且拋擲起來會更便宜而不是停放它?！?借助Kilby的第一個原型原型以及Noyce精明的實際改進，使微型化技術(shù)的迅速發(fā)展成為可能。

認(rèn)識到這一點，諾貝爾委員會授予杰克·基爾比（Jack Kilby）2000年諾貝爾物理學(xué)獎，這是人類所能獲得的最高榮譽。羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）那時已經(jīng)去世，所以他不能分享這個獎項。盡管他的貢獻(xiàn)從未有過爭議。IC的發(fā)明功勞由兩位工程師共同承擔(dān)。

由于半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，我們作為一個文明正在迅速發(fā)展。每六個月，我們的計算機就會變得功能越來越強大，價格越來越便宜，并且計算領(lǐng)域每天都會發(fā)生數(shù)百項創(chuàng)新。毫無疑問，IC的發(fā)明改變了人類歷史的進程，因為IC是地球上每個現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心。