無可否認(rèn)，不論是半導(dǎo)體技術(shù)還是其產(chǎn)業(yè)本身，都已經(jīng)成為所有市場中最大的產(chǎn)業(yè)之一。全球媒體、企業(yè)和政府也紛紛把目光投向了半導(dǎo)體工廠的下一個建設(shè)地。而每一次的技術(shù)革新都會進(jìn)一步增加對智能設(shè)備的需求，半導(dǎo)體芯片的重要性也隨之變得愈加突顯。

然而，人們對半導(dǎo)體的變遷史和崛起卻未必同樣熟悉。從家用電器到智能手機，半導(dǎo)體是驅(qū)動電子設(shè)備不可或缺的元件。本期文章就來追溯一下這一核心元件的起源，了解一下它是如何成為我們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分的。

傳奇的開始：硅谷的誕生

1833年，被譽為“電學(xué)之父”的英國物理學(xué)家法拉第，在實驗中發(fā)現(xiàn)硫化銀這種材料的電阻隨著溫度上升而降低，即高溫更有助于導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體特性的首次發(fā)現(xiàn)。此后的五十年里，光生伏特效應(yīng)、整流效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)也先后被歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這就是半導(dǎo)體的四大特性。

直到1947年，半導(dǎo)體上述的四大特性由美國貝爾實驗室總結(jié)完成；同年，貝爾實驗室也研制出一種點接觸型的鍺晶體管，實驗室三名人員肖克利、巴丁、布拉頓因此在1956年同時獲得諾貝爾物理學(xué)獎，其中，肖克利更被譽為“晶體管之父”。

取得此等成就的肖克利，已經(jīng)不滿足于在貝爾實驗室沉寂，且半導(dǎo)體帶來的巨大商業(yè)變革，他看在眼里，急在心里。

1955年，肖克利回到了自己的家鄉(xiāng)圣塔克拉拉谷，創(chuàng)辦了屬于自己的半導(dǎo)體公司。這條位于舊金山灣區(qū)、坐擁地中海溫潤氣候、交通便利的狹長山谷即是后來名聲赫赫的“硅谷”。


第一次“背叛”：仙童的創(chuàng)立

肖克利在創(chuàng)辦了自己的公司后，依靠自身的威望，很快招到了一批學(xué)識淵博、技術(shù)過硬的人才。而當(dāng)時追隨肖克利的有非常優(yōu)秀（且名垂青史）的八名員工，也就是后來的“八大門徒（硅谷八叛將）”：諾伊斯（Robert Noyce）、摩爾（Gordon Moore）、布蘭克（Julius Blank）、克萊爾（Eugene Kleiner）、赫爾尼（Jean Hoerni）、拉斯特（Jay Last）、羅伯茨（Sheldon Roberts）、格利尼克（Victor Grinich）。

這八人的年齡都在30歲以下，風(fēng)華正茂，學(xué)有所成，處在創(chuàng)造能力的巔峰。他們之中，有獲得過雙博士學(xué)位者，有來自大公司的工程師，有著名大學(xué)的研究員和教授，這是當(dāng)年美國西部從未有過的英才大集合。

29歲的諾依斯是八人之中的長者，是“投奔”肖克利最堅定的一位。當(dāng)他飛抵舊金山后所做的第一件事，就是傾囊為自己購下一所住所，決定永久性定居，根本就沒有考慮到工作環(huán)境、條件和待遇。其他七位青年，來硅谷的經(jīng)歷與諾依斯大抵相似。

可惜，八人投奔的肖克利是天才的科學(xué)家，卻缺乏經(jīng)營能力，而且性格上比較偏執(zhí)，不善于管理企業(yè)，上述八人先后離職，在謝爾曼?菲爾柴爾德的投資下他們成立了半導(dǎo)體行業(yè)歷史上，具有傳奇意義的仙童（Fairchild）半導(dǎo)體公司。

有意思的是，投資人謝爾曼?菲爾柴爾德本來是搞攝影器材的。這也為后面發(fā)生的事情埋下了伏筆。

在八人的帶領(lǐng)下，仙童發(fā)展神速，盈利能力大幅展現(xiàn)，仙童的兩項發(fā)名專利，使其立于世界的半導(dǎo)體之巔，對后世半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生了非常重要的影響。

其一是平面工藝，一種制造半導(dǎo)體電路的工藝方法，現(xiàn)在平面工藝已經(jīng)是制造各種半導(dǎo)體器件與集成電路的基本工藝技術(shù)，發(fā)明人為霍爾尼（上文八人之一）。

另一個發(fā)明專利便是集成電路。顧名思義，集成電路就是用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上。

1958-1959年，諾伊斯（上文八人之一）發(fā)明了硅集成電路。事實上，在早些時候，來自德州儀器（TI）的杰克?基爾比（Jack Kilby）發(fā)明了鍺集成電路。由于兩人在同一年獨立且不知情的情況下分別發(fā)明了集成電路，所以兩人共享集成電路發(fā)明者的榮譽。

現(xiàn)在，在我們眼里看來，把多個電路集成到一起而減少面積是個自然而然的事情，然而這個簡單的想法，卻改變了我們的世界。這就好像福特流水線模式的誕生，以及很多偉大的發(fā)明，往往源自一個很簡單的想法。也許，即使沒有這兩位，依然有人會想到這個點子，但是歷史只會記住最先吃螃蟹的人。歷史的車輪滾滾向前，到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？誰也說不清。


再一次“背叛”：仙童倒下，行業(yè)繁榮開始

此時的仙童半導(dǎo)體公司風(fēng)光無限，而半導(dǎo)體行業(yè)在那時宛若一個巨大的金礦，任憑仙童肆意挖掘。而仙童的股權(quán)大部分都在投資人謝爾曼的手里，此時公司管理層做了一個錯誤的決定，仙童半導(dǎo)體公司的利潤被不斷轉(zhuǎn)移到東海岸，去支持仙童的攝影器材公司（上文提及的伏筆）。

八人帶領(lǐng)的仙童半導(dǎo)體憤憤不平：我們辛苦賺來的錢，你用來搞攝影？

……散了散了~

此時仙童的員工開始坐不住了，開始了新一輪的離職創(chuàng)業(yè)潮。

1968年，硅谷八叛將之首的諾依斯和“摩爾定律”的提出者摩爾離開仙童，創(chuàng)辦了更為風(fēng)光、如今鼎鼎大名的英特爾。對后世半導(dǎo)體影響深遠(yuǎn)的摩爾定律，就是這個摩爾提出的：“集成電路芯片上所集成的晶體管數(shù)目，每隔18個月就翻一倍。并在今后數(shù)十年內(nèi)保持著這種增長趨勢。”

該定律雖然為摩爾的經(jīng)驗總結(jié)，但被后世稱為計算機第一定律，摩爾所預(yù)言的定律和后來的行業(yè)發(fā)展驚人的一致，可謂“神之預(yù)言”。直到今天，英特爾、AMD、英偉達(dá)這三家國際芯片巨頭，也基本是1年至1年半的時間出一款新品，只不過技術(shù)突破越來越小，被戲稱為“擠牙膏”。

而八人的其他幾人，也分別創(chuàng)業(yè)，許多現(xiàn)在著名的半導(dǎo)體科技公司，追根溯源，都能追到當(dāng)時仙童的離職潮，比如如今跟英特爾在全球領(lǐng)域兩強爭霸的另一家芯片巨頭AMD（超微半導(dǎo)體），就是仙童半導(dǎo)體前銷售部主管桑德斯單飛創(chuàng)辦。

還有許多我們所熟知的公司，比如美國國家半導(dǎo)體（現(xiàn)已被德州儀器TI收購），Altera（現(xiàn)已被英特爾收購）等的創(chuàng)始人都出自仙童半導(dǎo)體公司。

正如江湖流傳的蘋果公司創(chuàng)始人喬布斯形象比喻的那樣：“仙童半導(dǎo)體公司就像個成熟了的蒲公英，你一吹它，這種創(chuàng)業(yè)精神的種子就隨風(fēng)四處飄揚了。”

所以仙童后來也成為眾多半導(dǎo)體巨頭誕生的“黃埔軍校”。

有一個非常戲劇性的事件是，1969年硅谷的一次半導(dǎo)體峰會上，400多名參會者只有24名不是仙童的前雇員，簡直驚呆了！大家齊聚一堂，其樂融融，無一不感謝老東家仙童為硅谷帶來一片繁榮。

而在仙童之后，英特爾與AMD的時代來臨了。這是我們這一代人更為熟知的年代。


老二的視角：AMD為啥“仇恨”英特爾？

國內(nèi)80后90后對于英特爾的初識，也許是上世紀(jì)末、本世紀(jì)初期“奔騰”時代（Pentium，英特爾奔騰處理器）的魔性廣告背景音樂“燈！等燈等燈~”（至少筆者是那時認(rèn)識的英特爾）。20世紀(jì)末本世紀(jì)初，國內(nèi)英特爾的廣告鋪天蓋地，作為芯片巨頭之一，當(dāng)時國內(nèi)很少有人知道AMD這家公司。即使后來知道了，國內(nèi)的“玩家”也不太看好AMD的產(chǎn)品。

然而這幾年AMD在CEO蘇姿豐女士（蘇媽）的帶領(lǐng)下已逐漸超越了英特爾，逐漸擺脫了“陪太子讀書”的老二尷尬地位。

筆者這次以AMD的視角，來看看這家與英特爾相愛相殺幾十年的公司是如何成長的。AMD的發(fā)展過程，同樣是一個傳奇。

先來說英特爾。1968年，英特爾公司創(chuàng)立，羅伯特?諾伊斯任首席執(zhí)行官（CEO），戈登?摩爾任首席運營官（COO），安迪?格魯夫隨后加入（見上文眾人從仙童離職創(chuàng)業(yè)）。1971年，英特爾推出世界上第一款商用計算機微處理器4004。1981年，英特爾8088處理器成就了世界上第一臺個人計算設(shè)備。2001年，英特爾首次針對數(shù)據(jù)中心推出至強處理器品牌，為數(shù)字世界奠定堅實基礎(chǔ)。2003年，英特爾推出迅馳，開創(chuàng)無線移動計算時代（迅馳是劃時代的，直到2009年酷睿架構(gòu)推出后，迅馳才逐漸退出了歷史舞臺）。

從以上介紹就可以看到，在當(dāng)今的半導(dǎo)體行業(yè)中，英特爾不斷的開創(chuàng)了劃時代的產(chǎn)品和理念，行業(yè)巨頭地位無可置疑。英特爾于今年10月21日發(fā)布了2021財年第三季度財報，更多信息請閱讀筆者文章《凈利增6成，股價竟下跌！總“擠牙膏”的英特爾，被投資者拋棄了？》。

而作為英特爾的老對手，AMD的“資歷”其實是和英特爾差不多的，而且AMD和英特爾同出一源。后來二者的相愛相殺，讓筆者想起一句特斯拉創(chuàng)始人馬斯克前不久在社交媒體上引用的中國古詩“本是同根生，相煎何太急”。

1969年，與英特爾成立僅僅相隔1年時間，同為仙童出身的桑德斯創(chuàng)辦了AMD（見上文眾人從仙童離職創(chuàng)業(yè)），公司的主營業(yè)務(wù)為提供生產(chǎn)計算機、通訊設(shè)備和電子產(chǎn)品的精密構(gòu)成模塊，由于在技術(shù)上薄弱，也或許是當(dāng)時的IBM太強大，桑德斯只希望AMD能夠成為這個行業(yè)的第二供應(yīng)商。不知道是不是由于創(chuàng)始人一開始“心不太大”，只想當(dāng)老二，AMD在此后幾十年一直跟隨著英特爾的腳步。

作為第二供應(yīng)商，優(yōu)先要求當(dāng)然就不是技術(shù)領(lǐng)先和創(chuàng)新能力，而是學(xué)習(xí)和模仿以及生產(chǎn)制造的能力。公司成立之初，包括桑德斯僅僅只有8人，人員實在緊張，桑德斯一人就身兼總裁和普通推銷員的重任，為了說服投資人，他付出了巨大的努力。

盡管創(chuàng)業(yè)的初期困難重重，但是桑德斯和他的小伙伴們一開始就表現(xiàn)出了強烈的開拓精神以及極高的工作效率，所以很快，AMD的第一款自主研發(fā)的產(chǎn)品——AM2501邏輯計數(shù)器誕生了。當(dāng)英特爾推出了8080處理器的時候，取得了市場的熱烈反響，AMD在這個時候也看到了微電子處理器市場的巨大潛力，于是決定投入研究微電子處理器并取得了成功，也成為了這個市場的第二供應(yīng)商。

AMD迅速崛起讓英特爾十分警覺，當(dāng)英特爾推出8086處理器的時候，英特爾直接撕毀了當(dāng)時和AMD的合作協(xié)議，讓AMD一時間陷入了被動，好在后來IBM的出手相助，才讓AMD渡過難關(guān)。（小知識：英特爾的8086處理器是世界上首款16位處理器，是當(dāng)今芯片x86架構(gòu)處理器的奠基）。

順帶提一句，IBM幫助AMD的企圖也許并不“偉光正”，也許只是為了讓英特爾多一個競爭對手，讓英特爾的產(chǎn)品報價低些而已。因為IBM是英特爾與AMD競爭的直接獲益者。從后續(xù)產(chǎn)品路線看，英特爾的下一代處理器8088是由8086衍生而出的，而IBM的PC電腦選擇了8088。這次事件是劃時代的，8088在PC領(lǐng)域的成功商業(yè)化，讓英特爾奠定了在PC電腦上的芯片龍頭位置，而這個行業(yè)格局一直維持了幾十年。

1984年，AMD的全年收入達(dá)到了11億美元，不過在商業(yè)戰(zhàn)場里，從來都沒有所謂的規(guī)矩可言。1987年，英特爾再次單方面撕毀了AMD此前簽訂的5年技術(shù)交流協(xié)定。英特爾的出爾反爾算是徹底惹怒了桑德斯，并拿起了法律的武器捍衛(wèi)自己的利益，官司足足打了五年，AMD最終獲得勝利，不過AMD也十分可惜的錯過了PC行業(yè)發(fā)展的黃金時期。而同時期（上世紀(jì)80年代末90年代初），軟件界的微軟和蘋果在操作系統(tǒng)領(lǐng)域開始嶄露頭角，這是題外話。

半導(dǎo)體技術(shù)的未來發(fā)展

1信息技術(shù)的革命

信息傳輸。信息量的爆炸式的增加，對信息通道的容量要求越來越大。在網(wǎng)上傳遞的不僅是文字、而且還有音樂、圖像、電視信號等；不僅是有線，還需要無線；不僅是洲際、國際、城際，而且需要局域網(wǎng)。為此需要發(fā)展新的通信系統(tǒng)，如綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)（ISDN）以及多媒體技術(shù)等。

信息處理，包括文本處理、知識處理、圖像處理以及語言識別、圖像識別、智能化處理等。人工智能就是通過計算機實現(xiàn)了某些人的智能。例如：理解和發(fā)出語言、識別圖像、作數(shù)學(xué)證明、下棋、音樂作曲、進(jìn)行專業(yè)鑒定、醫(yī)學(xué)診斷等。計算機將把人們從一部分日常的腦力勞動中解放出來，并且通過應(yīng)用“思維工具”把人們的智慧擴(kuò)大到以前不可想象的程度。


2更高的集成度

世界集成電路主流工藝將經(jīng)過：2007年的65納米（集成電路線寬）、2010年的45納米、2013年的33納米、以及2016年的22納米工業(yè)化生產(chǎn)的4個發(fā)展階段。為此，就必須解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)和專用設(shè)備，如：新型器件的研發(fā)（非傳統(tǒng)CMOS器件、新型存儲器、邏輯器件等），IC設(shè)計、封裝、和測試技術(shù)，新型光刻機、刻蝕機等配套設(shè)備等。

半導(dǎo)體器件的尺寸不能無限制地減小，如果器件尺寸小到電子的德波羅依波長（10納米），量子效應(yīng)將會更加明顯，這時需要設(shè)計建立在量子力學(xué)原理基礎(chǔ)上的新型半導(dǎo)體器件。


3半導(dǎo)體光電器件

半導(dǎo)體光電器件向更長和更短波長、更大功率、更高工作頻率的方向發(fā)展

大功率激光器列陣分準(zhǔn)連續(xù)(QCW)器件與連續(xù)(CW)器件，它們除了作固體激光器的泵浦源外，還可直接用作材料加工、醫(yī)療、儀器、敏感技術(shù)、印刷制版等，進(jìn)入傳統(tǒng)中由非半導(dǎo)體激光器主宰的市場，代替氣體、固體激光器。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)雙極晶體管具有線性好、電流容量大、閾值電流均勻等優(yōu)點，主要應(yīng)用在線性度要求高、工作環(huán)境苛刻的大功率微波系統(tǒng)中，如軍用雷達(dá)、通信等；還可應(yīng)用于在苛刻環(huán)境下工作的智能機器人等系統(tǒng)中。


4集成光學(xué)和集成光電子學(xué)

由集成在半導(dǎo)體薄膜上的激光器、調(diào)制器、波導(dǎo)、光柵、棱鏡和其它無源光學(xué)元件構(gòu)成的系統(tǒng)叫做集成光學(xué)系統(tǒng)。集成光學(xué)系統(tǒng)用光互連代替電互連，在計算機和通信系統(tǒng)中具有通帶寬、信息量大、損耗小、速度快、能并行處理、抗電磁干擾等優(yōu)點。硅材料的成本低廉、工藝成熟，在微電子器件中得到廣泛應(yīng)用。但是由于它是間接帶隙材料，不能作發(fā)光器件。目前科學(xué)家們正在解決光源的問題，以便在硅材料上做到光電集成。


5半導(dǎo)體超晶格和量子線、量子點器件

半導(dǎo)體超晶格、量子線、量子點是低維結(jié)構(gòu)，它們具有一些特殊的物理性質(zhì)，如量子限制效應(yīng)和電子運動的二維或一維特性，可以制成一些性能優(yōu)異的器件，如：激光器、高電子遷移率器件、光雙穩(wěn)器件、共振隧穿器件等。當(dāng)器件的尺寸、維度進(jìn)一步減小，使得電子運動的平均自由程大于器件的尺寸時，電子在運動過程中將不受雜質(zhì)、晶格振動等的散射，而作一種相干波運動。

利用這些特點預(yù)計可制造出超高速、超低電能的電子器件。例如量子點單電子晶體管將使動態(tài)隨機存儲器（DRAM）的功耗大大降低。


6半導(dǎo)體量子信息器件

目前的工藝已經(jīng)能在半導(dǎo)體量子點上產(chǎn)生和探測單個光子，使得半導(dǎo)體量子點成為實現(xiàn)量子信息處理（量子計算、量子通信）最有希望的固體器件。量子信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，為精密測量、量子計算和保密通訊等領(lǐng)域都提供了全新的革命性的理論和實驗方法。量子信息最關(guān)鍵的是利用光子的相干性。

光子作為量子理論中最基本的量子化實體，能夠很容易地實現(xiàn)收集、傳遞、復(fù)制、存儲和處理信息的全過程，具有作為量子通訊、量子計算載體的獨特的先天優(yōu)勢。因此基于光子過程的量子信息處理器件是各種量子信息工程的基礎(chǔ)，它的基本原理研究和制備必將為計算科學(xué)和通訊能力帶來飛越式的發(fā)展。


7自旋電子器件

目前微電子器件是應(yīng)用載流子電荷攜帶信息。如果一種材料能同時利用載流子的電荷和自旋屬性作為信息的載體，將可以制造出具有非揮發(fā)、低功耗、高速和高集成度的優(yōu)點的器件，甚至有可能引起電子信息科學(xué)重大的變革。摻磁性離子的稀磁半導(dǎo)體及自旋電子學(xué)（Spintronics）即應(yīng)此要求而生。

實驗發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體中自旋相干時間已經(jīng)達(dá)到ns量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電荷的相干時間，預(yù)示著自旋電子學(xué)在未來量子計算和量子通信中的重要應(yīng)用前景。實現(xiàn)自旋為基的量子計算機的主要困難是精確控制和保持自旋相干，因此如何產(chǎn)生自旋相干電子態(tài)，以及減小自旋退相干有許多物理問題需要研究和解決。


站在巨人的肩膀上

自硅谷創(chuàng)立后，半導(dǎo)體芯片的時代大幕已然拉開，而仙童的興起與衰落是半導(dǎo)體行業(yè)不得不說的標(biāo)志性事件。天下大勢，合久必分，分久必合。在仙童奠定了后世半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)時，這家公司的發(fā)展也從頂峰走向衰落。從仙童出走的大佬們，先后成立了英特爾、AMD等后來的芯片巨頭，而這些公司對芯片行業(yè)的貢獻(xiàn)與影響力有目共睹。伴隨著無數(shù)傳奇的湮滅與誕生，半導(dǎo)體行業(yè)走過了快速發(fā)展的幾十年。

站在當(dāng)下，我們已然走過PC時代、移動時代，隨著新能源、5G的快速興起，逐漸來到了“萬物互聯(lián)”的物聯(lián)網(wǎng)時代。近日IDC發(fā)布《2021年V2全球物聯(lián)網(wǎng)支出指南》顯示，2021年全球物聯(lián)網(wǎng)支出將達(dá)到7542.8億美元，并有望在2025年達(dá)到1.2萬億美元，五年(2021-2025)復(fù)合增長率(CAGR)11.4%。其中，中國市場規(guī)模將在2025年超過3000億美元，全球占比約26.1%。

5G的加速發(fā)展讓網(wǎng)速不在是制約，而大數(shù)據(jù)、云計算的發(fā)展也如火如荼，無論是從本季亞馬遜的財報，還是微軟或是谷歌的財報，筆者都看到了科技巨頭們在云計算上的押注。而11月30日，國內(nèi)也出臺了大數(shù)據(jù)的相關(guān)規(guī)劃。元宇宙概念的提出，自動駕駛的前景，都讓本世紀(jì)的人們提前看到了科技造就的美好未來。