這些天才在發明集成電路後分道揚鑣、相互背叛,但最終成就了矽谷
2020年10月19日10:31

  來源:賽先生

  撰文:吳軍

  1999 年,在千年紀更替之際,《洛杉磯時報》評選出了過去 100 年最偉大的美國人,威廉·肖克利(William Shockley)、羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)和傑克·基爾比(Jack Kilby)並列第一,在他們後面的則是亨利·福特和富蘭克林·羅斯福等人。

  雖然《洛杉磯時報》的評選結果只是一家之言,但是這三位科學家對世界做出的巨大貢獻無論如何讚揚都不算過分,如果沒有他們發明的集成電路,我們很難想像今天的世界將會是什麼樣子。

  怪人肖克利和青年才俊們

  1956 年剛過完新年不久,美國東部的費城,28 歲的羅伯特·諾伊斯正在為自己未來的職業發展而糾結。這位天才自從離開麻省理工學院後便諸事不順,這在很大程度上源於他畢業時不慎做出了錯誤的選擇。雖然他當時有機會進入世界頂級的電子公司,或者到著名的研究所做研究,但是他卻選擇了二流的飛歌公司(Philco),這讓他的同行大跌眼鏡。不過,年輕的諾伊斯卻有他自己的做事邏輯。他認為,像飛歌這樣的二流公司肯定要比一流公司更加倚重自己,讓他能夠在不受任何約束的情況下發揮更大的作用。

  事實證明,這僅僅是他的一廂情願。二流公司之所以是二流,是因為它比一流公司有更多的問題,而不是更多的機會。飛歌是一家軍工承包商,天天最在意的就是如何同政府部門打交道,拿到軍隊的合同,而這些事情恰恰是諾伊斯最不喜歡,也不擅長做的。因此,在經曆了和飛歌公司 18 個月的“蜜月期”後,諾伊斯幾乎天天都是在煎熬中度日。好在電子行業的同行沒有忘記這位曾經的天才和剛起步的半導體行業的新星。著名的西屋公司向他伸出了橄欖枝,給了他比飛歌公司優惠很多的條件。但是飛歌公司知道有企業來搶奪人才後,為了留住諾伊斯,也向他承諾,可以給他比西屋公司更好的職位和更豐厚的待遇。這樣,諾伊斯反而發愁了,一時間不知道該如何選擇。

  就在這時,一個電話打了進來,從此改變了他的人生軌跡。諾伊斯後來講,當時他覺得彷彿接到了上帝打來的電話。對方只是問了諾伊斯一個問題,是否願意到加利福尼亞州為他即將成立的公司工作。諾伊斯二話沒說,馬上辭去了在飛歌的工作,也婉拒了西屋的熱忱邀請,到了幾千千米以外的舊金山灣區追隨這位他仰慕已久的偶像。

  一個月後諾伊斯加入了他這位偶像開辦的公司,成為公司的第17 號員工,當天第 18 號員工也來了。他比諾伊斯小一歲,卻比諾伊斯高半頭,他叫戈登·摩爾(Gordon Moore)。摩爾是舊金山灣區的本地人,化學博士,不過他和諾伊斯一樣也是從遙遠的美國東部長途跋涉來到這裏的。此前,他在約翰·霍普金斯大學著名的應用物理實驗室工作,每天都在寫那些他認為並沒有太多價值的論文。和諾伊斯一樣,他也是在接到這位公司創始人的電話後感到異常興奮,然後放棄了其他工作機會,從馬里蘭橫跨美國大陸來到了這位偶像的身邊。之前諾伊斯肯定沒有想到他將從此開始和摩爾的終身合作,而摩爾則想的是,如果自己早一天報到,工號就比諾伊斯更靠前。在接下來的 10 年里,他們中的一位將發明 20 世紀最重要的產品,而另一位則將提出描述信息產業發展的定律。當然,把諾伊斯、摩爾等諸多英才聚集到一起的那位公司創始人,不僅是大家的偶像,也是當時全世界公認的最好的應用物理學家,甚至可能沒有之一。不久,他獲得了諾貝爾獎,因為他發明了當時信息產業最重要的產品——半導體晶體管(見圖1),這個人就是威廉·肖克利。

圖 1   半導體晶體管
圖 1 半導體晶體管

  肖克利是應用物理學和電子學史上少有的全能型學者。在肖克利的那個年代,應用物理學家最常見的職業發展道路就是,在博士畢業之後進入貝爾實驗室。肖克利也是如此。到貝爾實驗室工作沒幾年,肖克利就發表了好幾篇非常重要的論文,奠定了固態物理學, 也就是我們俗稱的半導體的理論基礎。特別是肖克利發明了半導體PN 結[1],而這是今天所有半導體元器件的理論基礎。隨後美國被捲入第二次世界大戰,肖克利也和貝爾實驗室的其他科學家一樣服務於戰爭。由於他在很多種武器的發明方面做出了傑出的貢獻,因此獲得了美國的最高榮譽勳章(Medal of Merit)。這個勳章由美國總統親自簽發,只授予那些極少數的傑出貢獻者,比如“原子彈之父”奧本海默等人。我們前面提到的大科學家維納和香農雖然對戰爭做出的貢獻也很大,卻沒有能夠獲得這個勳章。二戰後,肖克利重新回到了民用領域的科學研究。當他看到半導體在未來的電子和信息產業巨大的應用前景之後,便成立了貝爾實驗室的半導體研究所,開始著手把他在半導體研究中的理論,變成切實能夠取代電子管的電子器件——晶體管。

圖2  真空電子管
圖2 真空電子管

  20 世紀 50 年代之前,在和信息發射、傳輸、處理相關的電路中最為重要的元器件就是真空電子管(簡稱電子管,見圖2)。電子管從外形和結構上講有點兒像白熾燈泡,它也是抽真空的,裡面有燈絲,工作時需要點亮燈絲加熱。和白熾燈泡所不同的是,當電子管里的燈絲被加熱後,在電子管的正負兩極之間加上電壓,電子管中就會形成電子流。當我們通過電路在電子管的一端(柵極和陰極之間)微調電壓時,就能在它的另一端(陽極)得到幾十倍甚至幾百倍的電壓變化。因此,電子管可以在電路中起到放大信號的效果。當然,電子管也可以做成像繼電器那樣的電子開關。所有的這些性質都讓它成為無線電發射和接收,以及計算機的開關電路中不可或缺的元器件。不過電子管有三個十分致命的缺陷。

  第一,它太昂貴,也太耗電,無論是價格還是耗電量,電子管都占了電子產品的 90% 以上。這就是世界上第一台電子計算機 ENIAC 耗電量如此之大的根本原因。

  第二,它又大又重,而且特別嬌氣。因為電子管本身如同電燈泡,一摔就碎。大家可以想像,一個裝了六七個“白熾燈”的收音機摔到地上將會是什麼結果。因此,用電子管做的收音機,在家裡一定要輕拿輕放,不然很容易毀掉電子管。但是在戰場上,這麼脆弱的設備用不了多久就被損毀了,更不要說設備又大又重,也不方便使用。

  第三,電子管的壽命很短。如同白熾燈泡使用 1 000 小時左右就會燒壞一樣,電子管的壽命通常也只有幾千個小時。如果用上萬個電子管來製造一台計算機,通常幾分鐘就會有一個損壞。這樣的計算機顯然無法長期穩定地運行。

  肖克利在研製中發現了半導體(矽或者鍺)的一些天然性質,讓它們有可能做成像米粒兒大小的元器件,以此取代一號電池大小的電子管。當然,這件事在二戰前還只是在理論上存在可行性。而且,要把導電性能只有銅的萬分之一,且非常易碎的矽或者鍺做成電路的元器件,大家想都不敢想。然而,肖克利在看到信息產業的興起對新的元器件的巨大需求之後,毅然決定知難而上,完成這項看似無法完成的任務。這就是他成立半導體研究所的初衷。

  肖克利的手下可謂人才濟濟,特別值得一提的是,他的下屬約翰·巴丁(John Bardeen)和沃爾特·布拉頓(Walter Brattain)首先在半導體元器件的研究上取得了技術突破。但是,肖克利認為下屬們用到了自己的理論,所以應當在申請專利時加上自己的名字,甚至只應該有他的名字。而巴丁等人斷然拒絕了肖克利的要求,這讓肖克利很惱火,最後他們得到一個兩敗俱傷的結果。由於巴丁等人沒有在專利上加肖克利的名字,於是肖克利就利用自己在學術界和實驗室的影響處處排擠他們,不讓他們再參與任何實質性的研究。不過,這件事也確實大大地刺激了肖克利,他夜以繼日,加快了研究工作,並且最終在另一個團隊的幫助下,發明了晶體管最關鍵的技術,並且隨後做出了可以實用的半導體晶體管。

  就在肖克利等人全身心地投入晶體管的研製時,大洋彼岸的歐洲科學家也在做類似的研究,但是比貝爾實驗室的科學家足足晚了 5 年。究其原因,主要是雙方在研究方法上有一定的差距。肖克利等人不僅精通半導體理論,更懂得如何根據當時的工藝條件來設計半導體晶體管的技術方案。而世界上的其他科學家,僅僅是根據半導體的物理特點來設計元器件。當完成了產品設計,卻發現工藝條件無法實現時,他們要麼重新設計一種產品方案,要麼花很多時間去改進其實根本無法在短時間內改善的工藝條件,這樣一來一去就走了很多彎路。肖克利等人的成功可以講是逆向思維的結果,因此,當貝爾實驗室向全世界展示出能夠實用的晶體管後,全世界電子行業和應用物理領域的科學家都驚呆了。

  晶體管是 20 世紀上半葉最重要的發明之一。它相比電子管可以節省 100 倍的能量,價格便宜 10 倍,體積縮小了 100 倍,而且幾乎不會有使用壽命的限製。晶體管的發明不僅使電子產品得到了迅速普及,也使工業生產的自動控製成為一種可能。雖然維納在二戰後已經發表了控制論,並且這個理論也已經被工業界普遍接受,但是在工廠里是難以用脆弱且昂貴的電子管來製造自動控制設備的,而晶體管的出現解決了這個問題。此後不久,世界上誕生了機械臂,並且開始出現無人工廠。再往後,各種工業設備以及民用設備(比如電梯)都開始用信息進行控制。也就是說,晶體管的出現大大加速了人類社會的信息化進程。

  在發明了晶體管之後,肖克利在短短 5 年內就獲得了各種各樣的榮譽,包括美國工程院院士(當時他只有 41 歲)和各種大獎。他成為各個媒體追蹤報導的對象,這也讓他在諾伊斯等人的心裡像神一樣的存在。諾伊斯本人其實也是一位應用物理學的天才,他出生在美國中西部的一個小鎮,從小就愛製作和發明各種機械。還是在中學時他就自己製造過汽車,而且駕著自己做的滑翔機飛行過。在年輕時他製造過很多惡作劇,也為此受過法庭的處罰,但是在大學畢業之後,他進入麻省理工學院深造,並在那裡對半導體產生了極為濃厚的興趣, 成為大家公認的半導體領域的新星。

  肖克利很早就知道諾伊斯這個人,因為諾伊斯算是他的同行,但是肖克利真正對諾伊斯產生好感是在一次學術會議上聽了後者所做的學術報告。因為他發現這個年輕人很會做研究,而且講解任何事情都是一針見血,條理清晰。當他準備自己創業辦公司時,便想到了諾伊斯。至於摩爾,其實他根本不懂什麼電子技術,他是一位化學家。但是肖克利知道,他需要一個十分精通化學的人來幫助自己解決半導體製造中可能出現的很多問題,便邀請摩爾加盟他的公司。肖克利用類似的方法,還物色到了另外 10 多位年輕才俊。他們之中的絕大部分人,後來都成為改變世界的大人物。

  肖克利看人的眼光極準,以至他挑選人才的方法在很長一段時間里都被矽谷的許多公司模仿。具體來講,肖克利考察人才有兩個標準:第一是聰明,肖克利是一個非常相信智商的人;第二是考察一個人是否會做研究。比如,肖克利經常在學術會議上通過聽研究生做報告,來判斷他們的研究能力是否出色。

  肖克利認為,一個人只要足夠聰明,又會做研究,就會有出息。至於那些專業領域的知識,那是可以後期學習的。肖克利這種招聘人才的做法後來直接被Google和微軟採用。這兩家世界知名的 IT(信息技術)企業在早期一直喜歡考技術崗位的求職者智力題,但是很少詢問研究生在校時所做的研究課題。很多求職者對此感到十分困惑。這其實是在考察那些應聘者的智商,而那些所謂專業知識,在這兩家公司看來其實根本不重要,因為在學校沒學過的知識以後可以學,但是如果智力太差將來成功的概率就會很低。Google還曾經在加利福尼亞的101 高速公路邊上用大廣告牌登出這樣一則廣告:

  {無理數 e 中前十位連續的素數}。com

  你如果知道這個答案(7427466391.com),就可以通過答案中的這個網址進入Google的招聘網站。而能夠計算出這道題,需要這個人很聰明。當然,後來由於受到政治正確[2]的影響,這兩家公司不再考求職者智力題了,以免某些族裔的人不能通過。

  1956 年,肖克利的公司——肖克利半導體公司,可以講是“兵強馬壯,士氣高漲”。這種高漲的士氣在那年年底肖克利獲得諾貝爾獎時達到了高潮。但是半年後,這家明星公司就行將解體,而問題就出在公司創始人肖克利身上。那些青年才俊此時才發現,他們不遠萬里投奔自己的偶像,卻忘了思考一個非常重要的問題:為什麼肖克利過去的下屬沒有一位留下來跟著他一同創辦公司。

  “八叛徒”中的諾伊斯道出了信息工業的本質

  肖克利半導體公司的員工很快就發現,他們的老闆是一位極為罕見的怪人。有一次公司丟了一點兒小東西,肖克利居然讓每個人都去測謊,並且把測謊變為一種常態。在工作中,肖克利表現出了對員工的極度不信任,甚至禁止大家討論工作中的問題,因此整個實驗室處於一種病態的氛圍中。那些青年才俊都知道,如果一直這樣下去,公司遲早關門。在這種情況下,一位叫作尤金·克萊納(Eugene Kleiner)的員工在摩爾等 6 位員工的支援下,決定為拯救企業做最後一搏。他們決定共進退,去找公司的投資人、化學上常用的 pH 計量儀的發明人阿諾德·貝克曼(Arnold Beckman),看看他能不能說服肖克利退居二線,不再操心公司的日常管理。在出發前,大家覺得應該詢問一下諾伊斯的意見,因為他是公司里威望僅次於肖克利的技術專家。

  大家之所以一開始沒有找他,是因為諾伊斯過去在管理上曾經和肖克利站在了一起。出乎大家預料的是,諾伊斯十分爽快地加入了他們。這背後的深層原因就是肖克利常常利用自己的影響和權力在技術上打壓諾伊斯,使得後者的一些重要科研成果無法及時發表,其中就包括諾伊斯發明的“江崎晶體管”。為什麼諾伊斯的發明會被冠以日本人的名字呢?正是因為他沒有能夠及時發表自己的專利成果,後來被日本科學家江崎玲於奈搶先,並且後者在 10 多年後獲得了諾貝爾獎。江崎玲於奈後來感慨道,其實諾伊斯的發明在先,但是被人為耽誤了。諾伊斯一生和諾貝爾獎無緣,他後來又第二次錯過了獲得諾貝爾獎的機會。

  諾伊斯等 8 位年輕人和貝克曼談過之後才發現自己還是太過天真。貝克曼是老一代的科學家和企業家,一樣的經曆決定了他和肖克利的想法如出一轍。他也覺得世界上就該是一切由老闆說了算,不論是在學術界還是在工業界。這也就不難理解為什麼當初肖克利在貝爾實驗室會打壓巴丁等下屬。巴丁後來被肖克利壓製得無法再進行半導體研究,並且很快離開了貝爾實驗室。不過他也證明了自己才是世界上最優秀的應用物理學家,併成為世界上唯一一位兩度獲得諾貝爾物理學獎的科學家[3]。正是因為肖克利的這種霸道作風,才使得當初貝爾實驗室沒有一個人願意和他一同創辦公司。看清了現實的這 8 位年輕人,只好自己想辦法去找投資,繼續支援他們的研究工作。

  開弓沒有回頭箭,8 位年輕人只能繼續往前走。克萊納想到了給他父親管理股票的紐約基金管理人,於是給那個人寫了封信。也許是他們 8 個人的運氣好,雖然那位基金管理人辭職離開了,但是這封信落到了一位叫阿瑟·洛克(Arthur Rock)的繼任者手上。阿瑟·洛克當時的年齡比克萊納還小,毫無名氣,但是日後他有了一個十分響亮的稱謂——風險投資之父。年輕的洛克對科技充滿了好奇,當他看到遠在舊金山灣區的 8 位年輕人聲稱自己會製造晶體管時,就如同深圳的一個投資人,聽說黑龍江的漠河地區有人研發出抗癌藥一樣驚奇。最後他成功地說服了自己的老闆艾爾弗雷德·科伊爾(Alfred Coyle),兩個人自費飛到加州去和這 8 位年輕人會面。

  見面後,洛克和科伊爾立刻就被這 8 位年輕人所做的事情以及他們對未來的信心吸引了。但是,由於他們來之前並沒有期待能得到什麼結果,不僅沒有帶合同,甚至連公文紙也沒有帶。但是科伊爾腦子轉得很快,當即掏出 10 張一美元的鈔票放在桌子上,對大家講:“我沒有準備合同,但是大夥在這個上面簽個名,就算是我們的協議!” 接下來,信息產業的偉大時刻到來了,諾伊斯、摩爾、克萊納、洛克和科伊爾等 10 人分別在這 10 張鈔票上籤了名。這 10 張一美元的鈔票成為矽谷誕生和風險投資出現的見證。

  根據大家商量的結果,洛克幫助諾伊斯等人創辦的新半導體公司尋找資金。他聯繫了自己的 30 多個大客戶,但均沒有找到投資。這個結果讓洛克和科伊爾感到非常意外,因為那些富甲一方的有錢人對這樣一個有著廣闊前景的好項目居然沒有一點兒興趣。不過,洛克後來回想起這件事,覺得這一點兒都不奇怪,因為他根本就沒有找對人。洛克找的這 30 多位客戶雖然都非常有錢,但是對技術一竅不通。

  他們分別是聯合鞋業公司、通用磨坊公司(一家食品廠)、北美長途運輸公司等大公司的老闆。在一連串的碰壁之後,洛克終於找對了方向——IBM 公司當時最大的股東費爾柴爾德(Fairchild)家族。

  費爾柴爾德家族的上一輩曾經資助老沃森重組 IBM 公司,並因此成為 IBM 公司最大的股東。在二戰期間,這個家族的第二代掌門人謝爾曼·費爾柴爾德(Sherman Fairchild)成為美國軍方航空照相器材和偵察機的承包商,也可以算是一名科技行業的老兵。這一次諾伊斯參與了談判,並且成功地說服了費爾柴爾德。在會談的過程中, 諾伊斯用幾句話道出了未來信息工業的本質。諾伊斯講,這些本質上是沙子和金屬導線的基本物質將使未來晶體管材料的成本趨近於零, 於是競爭將轉向製造工藝。今後,廉價的晶體管將會使電子產品的成本急劇下降,以至製造它們比修理它們更便宜。如果費爾柴爾德投資他們的公司,他將贏得這場競爭。

  費爾柴爾德顯然聽懂了諾伊斯在 1957 年對即將到來的信息時代特徵的描述。多年後,這位老人回憶說,他之所以願意在 62 歲的“高齡”冒險給半導體這個新興產業投資,正是諾伊斯所描述的極其廣闊的產業前景深深地打動了他。當年諾伊斯對於信息產業特徵的描述即使在今天也依然成立。半導體乃至整個信息產業,無非是把矽和銅這種自然界很常見的元素,通過特殊的製造工藝變成電子產品。今天,台積電之所以能成為全世界最大的半導體製造企業,其核心競爭力就在工藝上。採用同樣的設備,台積電能做到 80% 的成品率,而一些平庸的製造企業,成品率卻達不到 40%。而在生產工藝的背後又是科學技術的競爭,這一點我們在後面會看到。

  由於之前並沒有風險投資,大家基本上只能按照見者有份兒的原則平分股權[4]。至於費爾柴爾德,他以貸款的形式投資 138 萬美元, 並且有權在 8 年內的任何時間以 300 萬美元的價格從諾伊斯和洛克等人手中回購全部股份。諾伊斯等人覺得協議不錯,就接受了這個條件,然後就通知肖克利他們集體離職了。而這家新的公司就是以費爾柴爾德家族的名字命名的,中文譯名是仙童公司。

  肖克利聞訊後怒不可遏,斥罵他們 8 個人是叛徒,並且到處對人們講,當初他們(除了諾伊斯)都不懂半導體,是他教會了他們,現在他們卻忘恩負義,背棄了自己。但是,憤怒歸憤怒,因為在加利福尼亞這個地方,在勞資糾紛中,員工是受到法律保護的,所以肖克利根本無法阻止諾伊斯等人另立門戶。從此,“八叛徒”這個詞就成為信息產業歷史上一個重要的專有名詞,甚至“叛徒”這個詞在矽谷都是褒義詞。

  仙童公司在諾伊斯等人的手上不到一年便贏利了,在當時,這可以說是創業的奇蹟。當然費爾柴爾德隨後便根據協議回購了全部股份,並且完全控制了公司。諾伊斯等人先是沉浸在發財的喜悅中, 但是沒過多久就感到失落了,這也為後來仙童公司的解體埋下了伏筆。因為不久之後,就有員工學著他們的創始人,從仙童公司叛逃出去自己辦公司了。在看到半導體產業巨大的發展前景後,離職創業的人越來越多。

  兩年後,居然連“八叛徒”請來的總經理斯波克也跑出去開公司了[5]。在隨後的 10 多年里,這家公司里員工的離職就從來沒有停止過。當然,諾伊斯等人靠著自己的人格魅力和對員工的關懷,不斷吸引著新的青年才俊加入仙童公司,補充人員缺位, 形成了公司內部人才的動態平衡。就這樣,仙童公司通過不斷地培養“叛徒”,在舊金山灣區創造出了一個又一個新的半導體公司,最終締造了全世界的半導體產業,直到仙童公司自己最終消失在了歷史的塵埃中。到 20 世紀 60 年代末,在舊金山灣區召開的全世界半導體公司巨頭會議上,九成參會者都曾經在仙童公司工作過。20 世紀 70 年代初,一位記者給這個擠滿了半導體公司的舊金山灣區起了一個新的名字——矽谷。

  今天當回顧矽谷的發展史時,人們都會講到“八叛徒”和仙童公司的貢獻,是他們自己的叛逆行為,以及他們對叛逆的寬容,不僅締造了半導體產業,而且讓整個信息產業成為世界上唯一一個能夠按照指數級速度增長的產業。當然,半導體產業乃至整個信息產業能夠持續發展還有一個根本原因,那就是諾伊斯所說的,這個產業的成本其實很低,因為原材料就是銅和沙子,關鍵在工藝上。這樣,電子和信息產品的價格主要取決於產品的技術附加值,而非物質成本。相比之下,世界上其他產業都做不到這一點。

  在信息產業產品的所有工藝中,將大量的元器件裝入一個小盒子的工藝最為重要,它就是集成電路技術。

  將所有的電路做到一個矽片上

  仙童公司能夠在成立後短短的一年內就實現贏利,堪稱奇蹟。這一方面是因為“八叛徒”有著過人的本領,另一方面則是靠著軍方以及 IBM 公司的合同。

  1955 年,美國開始研製女武神超音速遠程轟炸機(XB—70),這是人類迄今為止速度最快、(考慮通貨膨脹因素後)造價最貴的戰略轟炸機。這款轟炸機 3.1 馬赫的巡航速度,讓今天所有戰鬥機都無法望其項背。如此高性能的飛機對機載雷達等電子設備的要求極高,那些沉重而脆弱的玻璃真空管顯然無法滿足它的要求。因此,體積和重量更小,性能穩定的晶體管是唯一選項。但即便是晶體管,早期使用鍺製作的晶體管也無法在極端惡劣的場景中正常工作——它們太容易碎,而且熱穩定性較差。因此,直到 1957 年,美國軍方也沒有找到解決辦法。

  仙童公司成立後,諾伊斯等人通過 XB-70 的設備供應商 IBM 公司和美國軍方取得了聯繫,並且讓對方相信當時只有仙童公司才有能力製造出如此高性能的晶體管。經過 IBM 公司的撮合,仙童公司最終拿下了 XB-70 轟炸機的晶體管合同。當時美國軍方不在乎錢,只在乎產品的性能是否適用於飛機。軍方給出了一支晶體管 150 美元的高價,這可比電子管的價格高多了(高出了大約兩個數量級),但是他們根據軍工標準對晶體管的各項性能提出了非常嚴格的要求。

  這個極為苛刻的合同對仙童公司來講是一把雙刃劍。如果成功了,它將在行業中一炮打響;如果失敗了,“八叛徒”的創業就失敗了一大半。諾伊斯等人之所以敢接這個項目,是因為他們有自己的新思路——用更結實的矽取代鍺,來製造晶體管。

  相比鍺,矽太硬,不好加工,這是肖克利等人最初不願意使用矽作為半導體材料的根本原因。但是要達到美國軍方的要求,矽又是唯一的材料選擇。於是諾伊斯把 8 個人分成兩組進行技術攻關,這兩組分別由摩爾和另一位創始人瓊·赫爾尼(Jean Hoerni )帶領。最後赫爾尼的小組發明了一種被稱為平面工藝的半導體加工技術,可以將矽片做成晶體管。平面工藝原理有點兒像用底片衝印照片,如圖 3 所示。

圖 3  將矽加工成晶體管的步驟
圖 3 將矽加工成晶體管的步驟

  第一步,將設計好的晶體管電路拍照,然後複製很多份(通常上百份),鋪在一個平面上,這就相當於照片的大底版。第二步,把矽片放到底版下面,用光照在上面進行光刻。底版中線路的部分會阻擋“曝光”,形成矽片上的電路。這樣一次光刻,就可以在矽片上刻出上百個晶體管。第三步,把刻好的一個個晶體管切割下來進行封裝。仙童公司使用這種工藝製造出了性能非常可靠的矽晶體管,而且製造成本也下降了很多。

  在完成軍方的合同後,仙童公司在信息產業名聲大振。整個信息產業都相信“八叛徒”已經青出於藍了,接下來,各種合同源源不斷地送上門,仙童公司還順利地拿下了 IBM 公司的晶體管合同。當時 IBM 公司正在研製晶體管計算機,而交由仙童公司生產的這批晶體管就是用於製造這種計算機的。這個合同不僅給仙童公司帶來了足夠多的營收,而且讓計算機從電子管時代進入晶體管時代[6]。從此,計算機開始普及,它的主要任務也逐漸由大量的科學計算變成了商業信息處理。不過,靠一個個晶體管搭建起來的計算機依然十分昂貴,而且由於元器件數量太多,極容易出故障,需要專職的專家來維護。要想讓計算機成為全社會信息處理的工具,還需要新的技術。

  這項新的技術其實是平面工藝的自然衍生。1958 年,諾伊斯從赫爾尼的平面工藝中受到啟發。當時,晶體管先要在半導體生產線上被光刻到矽片上,再一個個地切割下來,然後由生產線上的女工用細小的鑷子在放大鏡下裝上導線,封裝到金屬殼中,組裝成一個個晶體管成品。最後,將一個個晶體管焊到電路板上,進一步組裝成電子產品。這個過程一共要經過五六個環節,成本非常高,而且中間無論哪一個環節出了問題,最後的產品都是廢品。與其這樣,還不如將電子設備的所有電路和一個個元器件都製成底版,然後刻在一個矽片上, 這個矽片一旦刻好了,就是全部的電路,可以直接用於組裝產品。正是從這個思路出發,諾伊斯發明了集成電路。

  就在諾伊斯發明集成電路的時候,德州儀器公司的一名科學家也在獨自做類似的研究工作。當時剛從一家小公司跳槽到德州儀器公司當經理的張忠謀和這位尚未出名的科學家成了好友。他們通常都是最早到公司的兩個人,便經常一起喝咖啡聊天。有一天,這位科學家告訴張忠謀,自己在做一件十分偉大的事情——將晶體管一個個地排在一起,做成具有特定功能的電路。張忠謀看不出這種電路有什麼用途,也不覺得他真的能做出這種電路來。但是不久之後,這位在張忠謀看來平凡得不能再平凡的科學家真的把這種電路做出來了,並且取得了世界上第一個有關集成電路的專利。這位科學家在 2000 年因為發明集成電路而獲得了諾貝爾獎,他就是傑克·基爾比。非常遺憾的是,諾伊斯當時已經去世,於是第二次和諾貝爾獎失之交臂。基爾比在獨得這項物理學最高獎時發表了這樣的獲獎感言:“要是諾伊斯還在世,他應該與我分享這一榮譽。”

  誰第一個發明了集成電路,這在 20 世紀 60 年代一直是個頗具爭議的話題,並且引發了仙童公司和德州儀器公司長時間的官司。今天對於這個問題,信息領域已經有了共識。基爾比發表的專利略早於諾伊斯,但是他們二人的專利不是同一個東西。基爾比發明的其實是一種被稱為混合型的集成電路,並不是一個完整的集成電路。基爾比的發明是將一些分離的元器件做到一個封裝在一起的電路板上,如圖4中左圖那塊封裝起來的電路。而諾伊斯發明的才是我們今天所理解的真正意義上的集成電路,即在一個封裝好的芯片中包含了所有的電路,如圖4中的右圖。

圖4  基爾比發明的混合型集成電路和今天普遍使用的集成電路
圖4 基爾比發明的混合型集成電路和今天普遍使用的集成電路

  如果按照基爾比的發明,生產出來的“模塊”是沒有市場,也沒有發展前途的。但是,在“把電路和元器件集成到一起”的專利上, 基爾比又比諾伊斯略早。1966 年,法庭最終裁定將集成電路想法(混合型集成電路)的發明權授予了基爾比,將今天使用的封裝到一個芯片中的集成電路(真正意義上的集成電路),以及製造工藝的發明權授予了諾伊斯。他們分別所在的德州儀器公司和仙童公司也因此達成協議,共享集成電路的專利,並且都因此獲得了巨大的利益。在 20世紀 60 年代的早期,其他企業也做出過類似集成電路的發明或者設計,並且和仙童公司、德州儀器公司有過專利之爭,但是都無一例外地敗訴了。因為它們發明的時間較晚,而且所發明的東西其實並不是真正意義上的集成電路。

  今天,更多的人把集成電路的出現看成信息時代開始的標誌,而不是以 1946 年ENIAC 的誕生或者 1948 年香農信息論的誕生為標誌。他們的依據是,雖然從 20 世紀 40 年代開始,世界上出現了以信息為核心的產業,但是還不能夠把整個時代稱為信息時代,因為那時的信息技術還無法廣泛地影響到社會生活的方方面面。但是集成電路出現之後,情況就大為不同了。當一個芯片完整地集成了信息控制、處理和傳輸功能,它就可以直接應用於各種工業產品和民用產品,這時我們的社會才變成了由信息驅動的社會。

  與肖克利一同獲得諾貝爾獎的巴丁稱,集成電路為輪子之後的最重要的發明,這是一個極高的讚譽。當初見證了基爾比發明集成電路過程的張忠謀說,從基爾比的工作中,他體會到了前瞻技術的力量。此後,即便是那些看似和自己的當下事業無關,但有可能改變產業的新技術,張忠謀也一律給予應有的關心和重視。後來,張忠謀創辦了全世界最大的半導體製造公司台積電,他一直感謝基爾比早年對他的啟發。

  如果我們從信息和能量的關係來看,集成電路的出現比晶體管電路可以節省至少一個數量級的能量,並且由於所有元器件都做到了一個矽片上,並封裝在金屬殼內,它的體積和重量至少輕了一個數量級,可靠性也大大地提高了。如果沒有集成電路,阿波羅登月是不可能成功的。因為在飛船上處理和傳輸信息的儀器,以及飛船的控制儀器都會太重,性能也不可靠。實際上,整個阿波羅計劃訂購了上百萬片集成電路,它也因此成為當時仙童公司和德州儀器公司收入的一大部分。

  具有諷刺意味的是,集成電路的發明在為仙童公司創造了巨額的短期利潤的同時,也導致它的 8 位創始人分道揚鑣,以及公司後來的解體。

  在集成電路被發明後,仙童公司就開始面臨一個是否要調整發展方向的問題。“八叛徒”之一的傑伊·拉斯特(Jay Last)認識到未來信息產業的發展方向將會圍繞集成電路這個核心,而不再是晶體管等各種分離的元器件。因此他向當時公司的總經理諾伊斯建議,接下來應該停止擴大晶體管的生產線,將所有的資金都用於製造集成電路。作為集成電路的發明人,諾伊斯從內心由衷地讚同拉斯特的想法。不過在費爾柴爾德收回了仙童公司的全部股權後,“八叛徒”其實已經失去了公司的決策權。因此,諾伊斯講,他一個人也做不了主,要和投資人商量商量。無論公司最後商量的結果是什麼,此時的拉斯特都等不及了,因為外面有很多人拿著一大筆錢等著他出來做事情,於是他立即辭職了。和拉斯特一同辭職的還有發明平面工藝的赫爾尼,以及另一位創始人克萊納。拉斯特等人和以費爾柴爾德家族所代表的公司控制人之間的分歧,其實反映出兩個時代的對撞。費爾柴爾德家族的思路還停留在工業時代。他們希望,賣產品賣得數量越多越好。用這種思路來考慮問題,當然賣 100 個晶體管要比賣一個集成電路芯片更合算。然而拉斯特等人想的則是,信息時代人們購買的是產品信息處理的能力,因此所售產品的性能要比數量更加重要。

  和拉斯特一同離職的克萊納並沒有繼續從事技術研發工作,而是創辦了位於矽谷的第一家風險投資公司——凱鵬華盈。凱鵬華盈的英文名稱是 KPCB,其中 K 就是克萊納名字的首字母,它後來成功地投資了Apple、基因泰克、亞馬遜和Google,成為世界上最知名的風險投資公司之一。不久之後,仙童公司主管銷售的副總經理唐·瓦倫丁(Don Valentine)也離開了公司,創辦了另一家知名的風險投資公司——紅杉資本。拉斯特等人的離職雖然對仙童公司來講是一個巨大的人才損失,卻也促進了全世界半導體產業的迅速發展。特別需要指出的是,從 20 世紀 60 年代開始,全世界信息產業的持續高速發展, 在很大程度上要感謝風險投資的助力。

  費爾柴爾德家族並沒有因為拉斯特的離職而理解信息時代的特點,這直接導致了後來諾伊斯和摩爾的離職,他們兩個人將續寫集成電路產業的奇蹟。當然,仙童公司也和原先的肖克利半導體公司一樣,從此退出歷史舞台。不過,人們在回顧仙童公司時依然會說,它是歷史上最偉大的公司之一。因為它不僅發明了集成電路,而且通過不斷地分化出新的公司,開創了一個在長達半個多世紀的時間里全世界增長最快的產業。如果誕生於仙童公司的所有公司加在一起,它們的市值將會超過 3 萬億美元。對於全世界來講,大家寧可要一個快速增長的產業,也不要一家巨無霸公司。

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