集成电路双英记

戴吾三

集成电路是继晶体管之后的又一重大发明，引发了电子产业的深层变革。这一诺贝尔奖级的成果是在美国两家公司，由两位年轻的科学家各自独立完成的，这是科技史上的一段佳话。

晶体管诞生山仅仅十年，集成电路的发明又掀起浪潮，很快波及整个电子行业，再度上演科技创新的大戏。有意思的是，这次故事的发生地点不是在贝尔实验室，而是在当时美国两家并不知名的公司，其主角也非知名科学家，而是两位年轻的研究者：基尔比（J.Kil-by，1923—2005）和诺伊斯（R.Noyce，1927—1990）。两人相隔甚远，几无交流，但他们都在思考相同的问题：怎样缩小由晶体管组装成的电子设备的体积、重量，使之更轻巧和更可靠？两人各自独立攻关，差不多同时获得成功，由此谱写了科技史上的一段佳话。

故事还得从两位科学家的成长开始谈起。基尔比的成长

1923年11月8日，基尔比出生于美国密苏里州的杰斐逊城，他童年大部分时间是在堪萨斯州的大本德（Great Bend）度过的。基尔比的父亲是一位电气工程师，后成为堪萨斯电力公司总裁。受父亲影响，基尔比自幼就与电子学结缘，甚至有人说，他的身体里流淌着“电”的血液。基尔比父亲所在的电力公司服务于堪萨斯州西部地区，基尔比小时候，父亲经常开着别克汽车带他去发电厂，好奇的基尔比跟父亲一道钻进满是油污的大型发电机和变压器里去排除故障。

随着短波无线电的问世以及罗斯福政府实施新政，联邦通讯委员会出台了业余无线电台的管理办法，这引起基尔比很大兴趣，此时他正在上中学。由于暴风雪中，电话和电力线路经常出现故障，他父亲的公司只能通过无线电台进行联络。基尔比有心帮助父亲，他努力学习无线电知识，参加资格考试，获得了开设业余电台的执照，他将自己的小型电台取名为W9GTY。

1941年。基尔比中学毕业报考麻省理工学院，可惜差了几分无缘名门，只好转入他父母亲的母校伊利诺伊大学厄巴纳一尚佩恩分校，就读电气工程专业。入学不久，珍珠港事件爆发，基尔比应征入伍，被派往东南亚战场担任无线电收发报员，战争结束后才重返校园。1947年秋，基尔比大学毕业，无甚亮点。他很实际，进入位于威斯康星州的工商业之城密尔沃基（Milwaukee）的全球联合公司。工作之余，基尔比到威斯康星大学读在职研究生，1950年获得电气工程硕士学位。

第二次世界大战期间，基尔比所在的公司已经用丝网印刷法在陶瓷晶片上印刷单片电子线路，并将印刷线路同一些元器件（如真空管）相结合，为炮弹的近炸引信提供一种制作虽然粗糙但很实用的微型电子线路。当基尔比参加工作时，公司正将这种技术应用到制作无线电和电视机线路板上，期望在战后开辟新的市场。

晶体管问世后不久，基尔比凭着对电子技术的敏感，一直关注着晶体管的进展。1952年，全球联合公司购买了晶体管专利许可，并派基尔比参加贝尔实验室举办的晶体管技术专题研讨会，让他尽可能了解这方面的技术。回到公司的实验室，基尔比领导一个助听器开发小组，他利用丝网印刷法印制的电路同4只锗晶体管相耦合，开发出新型的助听器。

1956年初，基尔比又有机会参加晶体管技术专题研讨会，在贝尔实验室，他了解到最新出现的扩散法技术，并且很快掌握了如何将这项技术运用于锗晶体和硅晶体。不过，上马这样的生产线需要一笔大的开支，估计至少50万美元，这对他当时所在的公司来说是笔无法承担的巨款。基尔比知道机会的重要，遂萌生跳槽之意。他从1958年初起向十几家大的公司发函自荐，经过比较，他决定选择去德州仪器公司。基尔比在2000年诺贝尔颁奖典礼上提到，当时德州仪器公司是唯一允许他差不多把全部时间用于研究电子器件微型化的公司。

基尔比与集成电路发明

德州仪器公司位于得克萨斯州的达拉斯市。创建于美国经济大萧条时期，起初叫地球物理服务有限公司（Geophysical Services Inc.，GSI）。当时只是一家小企业，主要生产用于石油勘探的反射式地震仪。珍珠港事件爆发后，公司凭借电子方面的专长抓住了机遇。二战结束后。公司决定进军国防电子系统，后来证明这次战略调整非常重要。1951年，公司更名为德州仪器公司。

德州仪器公司的发展颇有势头，员工待遇也好。在炎热的7月，员工可享受双周长假。初来乍到的基尔比还不能享受这种福利，因而在这段时间，他在空荡荡的实验室里独自进行研究。1958年7月24日，也就是在贝尔实验室为纪念晶体管诞生十周年举行的新闻发布会过后一个月，基尔比突来灵感，他在笔记本里写道：包括许多电子线路的极端微型化电路板块是能够实现的，这些包含电阻、电容、晶体管及二极管的电子线路可以集成在一个微型硅片里。接下来，基尔比整整写了5页的报告，内容涉及如何认识这些器件，以及如何把这些器件组成完整的电子线路集成在单一的硅片上。在这之前，还不曾有人设想用半导体材料制作其他电子器件，很大原因是认为用半导体材料不能制作出可靠的电阻或电容。

等到其他员工休假归来，基尔比的思路已经十分清晰。他把想法向公司总裁阿德科克（W.Adcock）汇报，得到后者的支持，之后初试任务顺利。接下来，基尔比遇到了障碍，公司里没有合适的硅晶片，基尔比只好选用锗晶片，并在一块锗晶片上做成由一个晶体管和电阻、电容组成的振荡电路。9月12日，阿德科克和其他几位同事目睹了基尔比进行的具有历史意义的实验：他将10伏电压施加于输入端的导线上，示波器荧屏上立即出现了起伏的绿色条纹，显示出该振荡器的振荡频率高达100万赫。至此，基尔比的集成电路设想成为现实。一周后，基尔比又一次使用锗晶片制成了集成的触发电路，并做了演示，这次试验用了两只晶体管，达到预期效果。

1958年的最后几个月，基尔比全力研制集成电路所必备的工艺，采用光刻技术以确定半导体表面上的一些特定区域，把这些区域做成单个的电路元件。在锗晶体材料取得进展后，基尔比又转为采用硅晶体材料，并找到了在硅晶片上制作电阻和电容的方法。

及至1959年1月，基尔比和同事们的努力接近完成。就在此时，有消息传来，说美国无线电公司也在开发集成电路，并在准备申请专利的材料。强大对手在行动的消息，让德州仪器公司的代理律师心惊肉跳，唯恐处于落后和被动，迅速以基尔比的名义草拟专利申请。同年2月6日，德州仪器公司向美国专利局提交了一份名为“微型化电子线路”的专利申请，该文件包含内容广泛，其中特别写道：“与以往已经研制出的微型化电子线路有鲜明的不同，目前取得的发明完全是一个崭新的概念。依据该项发明的技术原理，要实现电路微型化终极目标，仅需利用一种半导体材料就可以将所有电子元件集成起来，且集成的工艺仅涉及有限步骤，因而有利于投入生产。”

一个月后，在美国无线电工程师学会举办的年度新闻发布会上，德州仪器公司向新闻界公布了自己的革命性成果——“微型化电子线路”。

至此，德州仪器公司的律师不再担心美国无线电公司那般的庞然大物，不过，他们还得小心提防电子业的一匹黑马——仙童半导体公司（Fairchild Semicon-ductor Corporation）。据传闻，这家创立不久的小公司已明确开发单片集成电路，其核心人物是诺伊斯。

诺伊斯的成长

1927年12月12日，诺伊斯出生于美国艾奥瓦州的伯灵顿（Burlington），他在家中排行老三。小时候，诺伊斯兄弟和母亲跟着当牧师的父亲四处迁徙。母亲是位受过教育的女性，她把很多时间用来教育孩子。少年时的诺伊斯从母亲那里学到很多，特别是有关科学的知识。12岁时，诺伊斯一家人结束了漂泊的生活，定居在艾奥瓦州的格林内尔（Grinnell）。

稳定的环境让诺伊斯成长很快。上中学时，诺伊斯的课程几乎门门全优，别的孩子觉得物理最难学，他却觉得太浅，没劲。为激发孩子的求知欲，母亲向格林内尔学院的物理学教授盖尔（G.Gale）请求，让诺伊斯去听他教授的《物理学入门》课程。就这样，从1945年1月起，诺伊斯同时在格林内尔高中和格林内尔学院上课。对诺伊斯来说，盖尔是一位天赐良师，这位老师的“兴趣是有传染性的”，诺伊斯后来说：“我染上了这种病”。高中毕业时，诺伊斯被提名为班级的致辞代表，这让很多人吃惊，因为尽管他聪明没得说，但平时表现漫不经心。学习不如闲混多，不是应该效仿的“榜样”。

迈阿密大学向诺伊斯发出入学邀请，可诺伊斯并不动心，他声称到外地大的校园人微言轻，还是在本地读格林内尔学院。这里也给他奖学金。诺伊斯在大学学得非常轻松，他热衷参加各种活动：跳水队、合唱、戏剧演出，当然也不拉下恋爱。不料事情开始变糟，先是诺伊斯的女友怀孕了，他正为此事心烦意乱时，又由于承诺为同学的派对去找一头猪，深夜跑到一个农场偷了一只小猪，被人发现，结果受到学校的严厉惩罚：向农场主赔偿，大四被停学半年。1949年初，诺伊斯再回到校园时，一脸严肃，仿佛成了另一个人。诺伊斯注意到盖尔教授对晶体管发明的新资料极为狂热，便也跟着一头扎了进去，因缺少晶体管实物，师生两人只能钻研理论。到大学毕业时，诺伊斯掌握的有关知识几乎可与贝尔实验室的科学家相媲美。

之后，诺伊斯以优异的成绩进入麻省理工学院物理系，然而他很快发现，学校里竟然“还没有哪个教授知道晶体管”。他只好自行拼凑课程，除了物理、电子学的科目，另外还包括在全美各地参加为数极少的晶体管技术研讨会。正是在这些活动中，诺伊斯遇到了这个领域的领军人物肖克利（W.Shockley），而他的才华也引起了肖克利的注意。博士论文阶段，诺伊斯以“绝缘体表面态的光电研究”为选题，研究对象是贝尔实验室新开发的晶体管。

1953年6月，诺伊斯博士毕业，以他的资历，可进人数一数二的大电子企业。出人意料的是，他选择去属二流的飞歌（Philco）电子公司，该公司主要生产收音机，刚在组建晶体管实验室。诺伊斯加入飞歌公司的想法是“宁为鸡头不做凤尾”。很快，他获得了晶体管蚀刻工艺的一项专利，公司也对诺伊斯器重有加。可好景不长，公司业务亏损，新研发被迫压缩，诺伊斯的情绪受到严重影响。

1955年年底，诺伊斯已开始为出路想辙。就在1956年1月19日，他接到肖克利从西海岸打来的电话，邀请他加盟自己名下的半导体实验室。诺伊斯没有半点犹豫，决定投靠肖克利。很快他收拾好行装，带上妻小，飞往充满阳光的加利福尼亚。

与此同时，被肖克利招募到麾下的还有其他7位青年才俊，他们都是冲着能跟肖克利干一番事业来的。1956年11月，肖克利获诺贝尔物理学奖的消息传开，更使得这些年轻人的憧憬达到顶峰。然而随着时间流逝，肖克利的专横、猜疑让这几位年轻人难以忍受。最终，以诺伊斯为首，“叛逆的八位天才”决定集体辞职，他们借助仙童照相机与器材公司（Fairchild Camera & Instrument Company）的支持，于1957年9月19日创立了仙童半导体公司。

诺伊斯与集成电路发明

在初创的仙童半导体公司（简称仙童公司），几位年轻人除了头脑和双手，几乎一无所有。经过分工，诺伊斯负责技术运营，他很清楚要做什么：首先，仙童公司要活下去，就要做出第一批晶体管并尽快推向市场；其次，如果想盈利，就必须开发一种制作晶体管的低成本工艺，否则仙童就会被大公司吃掉，因为那些大公司具备规模生产、降低成本的能力。

经过3个月的奋战，仙童公司做出一款新晶体管的样品，在展销会上被国际商业机器公司（IBM）看好，一下接到大宗订单。为了使量产的晶体管质量过关，诺伊斯把技术人员分为两组，分别由摩尔（C.Moore）和霍尼（J.Hoerni）负责，让他们相互竞争，开发新的制造工艺。结果霍尼得胜，由此促成了一项突破性创新。霍尼的新工艺被称为“平面处理工艺”，其想法源于照相平版印刷技术（photolithography），这种新工艺拥有极其微型化的特点，线路直径远小于0.001英寸，用新工艺制造晶体管就像印制连张邮票。

正是看到霍尼新工艺的成功，诺伊斯开始考虑如何研制单片集成电路。1959年1月23日，他有了明确的想法。他后来回忆说：“将所有电子元件集中起来，将多重功能的器件集成在一片硅片上，这在许多应用中是非常有意义的。”诺伊斯将这些想法草草记在笔记本上，他写道：“这样可以使内部的元件和元件之间能够相互连接，成为生产过程的一个部分，由此可使每一单位的固定元器件的体积和重量降下来，从而使每一单位的元件的价格也降下来。”

正当基尔比在德州仪器公司专注于利用同种材料制作不同的元件时，诺伊斯则致力于元件与元件之间的精细连接。诺伊斯不愿用现成的一般细导线，因为它比被连接元件的尺寸粗大，且这种连接方法要用手工来做。诺伊斯想采取的连接方法是借助光刻技术，用铝质材料直接制作出精细的连线以便能实现批量化生产。当需要在某处同硅晶体进行连接时，只要在对应的二氧化硅表面打孔，并在随后的操作步骤中将精细的金属接头与孔下方的硅相连接。而在其他处，细导线从二氧化硅层的表面经过，由此半导体材料的导电行为只发生在表面层的下方，而表层与内层之间彼此相互绝缘。这样就可实现在同一硅晶体内部制造多个元件，并将它们相互联结以形成单片集成的微型电路。如果这种新方法成功，不仅保证了电子产品的质量，也会大幅降低生产成本。

之后，就有关硅晶体集成电路的细节，诺伊斯又断断续续思考了一个多月。由于当时仙童公司正在忙于将平面型晶体管投入市场，诺伊斯无法集中思绪。但一听到德州仪器公司将要发布重要新闻的传闻，诺伊斯立即猜出潜在对手很可能已开发出集成电路，他立即召开会议，说出自己有关集成电路的想法。

很快，仙童公司制定出单片集成电路的计划，积极制作“单片集成电路”样品，同时，诺伊斯与专利代理人起草专利申请。鉴于德州仪器公司已经申请了有关的专利，但详情尚且不知，因此诺伊斯在专利申请书中作了特别说明：用公司自己开发的平面型晶体管技术来制作集成电路。在1959年7月30日给国家专利局递交的申请文件中，诺伊斯将所要申请的专利命名为“半导体器件及连线结构”，申请文件写道：“提供改进的器件及引线结构，使其适用于不同的半导体应用领域。本发明专利所要制作的单片集成电路就其结构而言更加紧凑，更加易于生产，其尺寸比以往任何时候出现的同类专利要小得多，也简便得多；本发明专利有利于将许许多多的半导体元器件集成在一块半导体材料的内部。”

集成电路专利权之争

集成电路的发明几乎同时出现在两个完全不同的公司，这一事实并不令人意外。诺伊斯承认，他所使用的集成法本质上就是借用了各种现成的技术，而这些技术在当时的半导体工业界是可以获得的，其中许多技术就是由贝尔实验室研发的。

然而，由于专利制度直接与经济利益关联，集成电路发明的优先权则出现了令人意外的激烈纷争。1961年4月25日，美国国家专利局向诺伊斯颁发专利（US，2，981，877），这是世界上公布的第一个集成电路的发明专利。或许是诺伊斯的专利文件内容非常集中，易于进行审查，以致在德州仪器公司之后提出申请的仙童公司率先获得集成电路发明的专利权。4月26日，德州仪器公司派驻华盛顿的律师打电话告诉基尔比，他的那份专利申请仍在排队。对他的专利文本，专利局审查提出了诸多细小但都须详加说明的意见，一旦这些问题得以解决，由于他们的申请在先，依据法律可以对诺伊斯的专利权提出指控。可是，基尔比的专利一直到1964年6月23日才获准，这期间着实让他们着急。

德州仪器公司的律师就集成电路发明专利权向美国法院提出诉讼，仙童公司的律师坚持专利是独立发明，两家公司的工程师则忙着争先将各自的产品推向市场。作为仙童公司的掌门人，诺伊斯领导公司抢先一步赢得了这场比赛。在工程部经理拉斯特（J.Last）的主持下，仙童公司解决了如何采用蒙光手段处理硅晶片的难题。1961年3月，仙童公司推出了6大系列可兼容的微型逻辑线路元件，并开始将产品出售给美国国家航空与航天局（NASA）和一些商用设备制造厂家，产品单价为120美元。仙童公司每周可以生产数百块集成电路板，很快将产品单价降到100美元以下。

德州仪器公司一直在为军方手工制作单片集成电路板，直到1961年10月才推出新开发的51系列固体电子线路，但他们以庞大的产品阵容和较低的价格作为特色。德州仪器公司在仅有米粒大小的硅芯片上制作电子元件，每一单片集成电路都包括众多单个元件。同月，德州仪器公司还向外界展示了一台小型固体器件计算机，它由587块集成电路板组成，重约283.5克，与一个沙丁鱼罐头相当，其计算数据的能力却不亚于传统计算机。经过十几年的不懈努力，集成电路终于取代了那些耗费大量电能，时常因烧坏灯丝而更换的电子管，成为电子计算机的核心。

最终，集成电路的专利权之争不得不在火爆的市场面前平息。1966年，仙童和德州仪器两家公司就集成电路的专利权达成协议，相互承认有效，由此解决了历时多年的纷争。

迟到的诺贝尔奖

基尔比在发明集成电路之后，还获得了多项发明专利，其中重要的有1966年发明的手持电子计算器。集成电路的发明为基尔比带来了很多荣誉，1982年他被选人美国国立发明家名人堂（National InventorsHall of Fame），次年，诺伊斯也获得了同样的荣誉。然而，他们两人一直无缘诺贝尔奖。直到2000年，距集成电路发明42年，77岁的基尔比才终于得到诺贝尔物理学奖的桂冠。而诺伊斯已于1990年因心脏病突发去世，无法共享这一殊荣。

很多人为诺伊斯惋惜，因为有充分的事实证明，诺伊斯理应两次获得诺贝尔奖，一次是因为集成电路，另一次是因为隧道二极管。然而，换个角度看，对诺伊斯的评价或许不必囿于是否获得诺奖，他的伟大之处在于，他与别人共同创办了两家了不起的公司，一家是半导体工业的摇篮——仙童半导体，为硅谷培育了若干领军人才；另一家是英特尔，在芯片制造业执牛耳地位，对世界有着重要影响。

关键词：集成电路 创新 基尔比 诺伊斯