前言

筆者因為從小被父親的愛好所影響,所以自然而然地喜歡上了 PC 硬件方面的東西。好多年前《微型計算機》雜誌上不斷有各種 PC 的元件發展史的文章,當時非常愛讀這類歷史傳奇一般的說明文,現在有能力去直接讀英文資料了,也就產生了自己寫的念頭。

思前想後幾個月,我決定還是以比較方便我自己閱讀的資料為主,儘量客觀的以時間軸的方式來書寫這段跨度長達近乎六十年的傳奇歷史。

參考的資料主要是以英文維基為主,並參考各種其他資料來保證準確性和真實性。

序章裡面還要講講這一整段傳奇故事的大背景。

背景

半導體器件的發展

十九世紀的電學研究開啟了第二次工業革命,把人類帶入了電氣時代。隨著材料科技的迅猛進步,半導體的性質逐漸被人們所掌握,這直接導致了在二十世紀初,各種新型電子元件被髮明,比如現在大家非常熟悉的二極管、電子管等等。在早期,這些半導體元件的個頭都比較大,而隨後出現的晶體管,則開啟了真正意義上的一場革命。

晶體管分為兩種類型,一種是場效應管(Field-effect Transistor, FET),其概念由 J. E. Lilienfeld 於 1926 年提出,但限於當時的條件,沒有能夠生產出實際能夠工作的器件。而現在普遍認為的第一支晶體管是由貝爾實驗室在 1947 年發明的,參與研發的人員有 John Bardeen, Walter Brattain 和 William Shockley。 他們發明的晶體管是與 J. E. Lilienfeld 提出的場效應管不同的雙極性結型晶體管(Bipolar Junction Transistor, BJT),也就是我們現在俗稱的三極管。

由於種種原因,在發明了晶體管之後,Shockley(後文譯作肖克利)離開了貝爾實驗室。1956 年,他在山景城創辦了以他自己名字命名的肖克利半導體實驗室(Shockley Semiconductor Laboratory),實驗室所在的那片地區後來發展演變成為了舉世聞名的硅谷(Silicon Valley)。

肖克利實驗室招攬了許多有志向研究半導體的年輕科學家與工程師,其中最為著名的便是日後的「八叛逆」: 羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)、高登·摩爾(Gordon Moore)、朱利亞斯·布蘭克(Julius Blank)、尤金·克萊爾(Eugene Kleiner)、金·赫爾尼(Jean Hoerni)、傑·拉斯特(Jay Last)、謝爾頓·羅伯茨(Sheldon Roberts)和維克多·格里尼克(Victor Grinich)。

1960年的八叛逆,從左到右分別是高登·摩爾,謝爾頓·羅伯茨,尤金·克萊爾,羅伯特·諾伊斯,維克多·格里尼克,朱利亞斯·布蘭克,金·赫爾尼和傑·拉斯特

八叛逆與仙童半導體

可能是因為肖克利在實驗室管理以及個人性格上存在的一些缺陷,八叛逆向肖克利的上級 Arnold Beckman 要求替換掉他在實驗室的位置,然而 Arnold Beckman 最終做出的一系列支持肖克利的決定使得八叛逆不得不考慮離開肖克利實驗室另尋出路。

當時半導體器件的主要基底材料是鍺,而八叛逆認為硅比鍺擁有更好的商業前景,因為相對於儲量不高、提煉繁雜的鍺,硅可以從沙子中提煉出來,可以有效降低原料成本和生產時間。

羅伯特·諾伊斯用慷慨激昂的演講向仙童攝影器材公司的老闆 Sherman Fairchild 展示了他們的願景,併成功說服了他。隨後在 1957 年,他們獲得了仙童攝影器材公司的資助,創辦了仙童半導體(Fairchild Semiconductor)。仙童半導體在 1958 年成功的以硅為基底開發出了一款在商業上非常成功的晶體管——2N697。

隨後在 1959 年,八叛逆之一的金·赫爾尼又研發出了新的平面工藝,相對於傳統的檯面工藝,新的平面工藝無論是在成本還是產品的穩定性上,都有著巨大的進步,這項技術至今仍在半導體制造中扮演著極其重要的角色。

1958年仙童在Electronics雜誌上刊登的廣告

繼承了前人的理念之後,在 1958 年 9 月 12 日,德州儀器(Texas Instruments)的 Jack Kilby 成功的研發出了第一塊能夠工作的集成電路,隨後他在 1959 年 2 月 6 日為這項發明申請了專利。

半年之後,八叛逆之一的羅伯特·諾伊斯成功獨立研發出了另一種不同的集成電路,與 Jack Kilby 不同的是,羅伯特·諾伊斯的集成電路是以硅為基底,並且更加實用。一年之後,諾伊斯又將平面工藝運用到集成電路的製造流程上,這也使得業界更為認可仙童半導體出產的集成電路。仙童半導體在創造了一系列對後世影響深遠的研究發明之後儼然已經成為了整個半導體行業的領軍者。

摩爾定律

1965 年 4 月 8 日,八叛逆之一的高登·摩爾在 Electronics 雜誌上發表了名為 Cramming more components onto integrated circuits 的文章,文中,他基於對行業發展的長久觀察和思考後做出了一項具有歷史意義的預測:

The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year. Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years.

這就是半導體行業中著名的”Moore’s Law”的前身,在 1975 年 IEEE(電氣電子工程師學會)的一次會議上,摩爾修訂了預測的增長率,原本兩倍的增長率將在 1980 年之後減半。年內稍晚時候,加州理工學院的 Carver Mead 教授將摩爾的預測總結為”Moore’s Law”。

摩爾定律事實上只是一條經驗定律,但是卻延續至今仍舊沒有失效,甚至一定程度上指導了半導體業界的發展。

1971-2017年單芯片上晶體管數量的折線圖

分崩離析與傳奇的開始

讓我們把目光重新對準仙童半導體。在六十年代的前五年,仙童半導體的風光一時無兩,員工數量從最早的12人發展到了12000人。 然而王權沒有永恆, 這家公司並不會這麼一帆風順下去。

1965 年開始,仙童半導體在公司內部管理上開始出現了一些問題,到了 1967 年 7 月,公司已經開始虧損並且領頭的位置被德州儀器所奪取。1968 年 7 月 18 日,一起從仙童半導體離職的羅伯特·諾伊斯、高登·摩爾和 Andrew Grove 創辦了 NM Electronics,七月末,公司更名為 Intel。1969 年,仙童半導體的一群工程師決定離開公司創業,他們找到了 Jerry Sanders 一起合夥,5 月 1 日,Advanced Micro Devices 公司成立。

“枝繁葉茂”的仙童半導體

好了,演員已經全數登場,傳奇即將上演。