芯片简史系列 | 从晶体管到集成电路（1947——1970年）

三．1947年：晶体管问世

3.1贝尔实验室

1877年，电话发明人亚历山大·贝尔贝尔电话公司（Bell Telephone Company），贝尔电话公司（Bell Telephone Company）；1895年，贝尔又整合了它在美国的长途电话业务建立了美国电话电报公司，垄断了世界通讯行业；1925年，为确保企业未来的发展，贝尔收购了西方电子公司的研发部，成立了贝尔实验室。贝尔实验室集基础研究和应用开发于一身，其基础研究注重电子技术的基础理论——数学、物理、材料科学和计算机软硬件理论；开发部门负责设计公司的电信网络的设备和软件。在这种模式下，贝尔实验室一度囊括了美国科技精英，其中有11人获得诺贝尔奖，名副其实成为世界上最优秀的企业研究机构。

3.2 天才肖克利发明晶体管

1936年，在威廉·肖克利在耶鲁大学取得了博士学位后，，经其教授莫尔斯的介绍，来到贝尔实验室工作。当时真空管是最主流的半导体器件，但是其具有体积大、功耗大、易发热、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源等缺点，基于这点，肖克利和他在的实验小组决心要制造一种能替代真空管的半导体器件。

在肖克利和小组成员反复实验下，1947年12月15日，他们发现在锗表面上用点接触方法加上两个电极，间隔400微米，1.3伏的直流电压，被放大了15倍，改变历史的晶体管就这样诞生了。

贝尔实验室发明的第一只晶体三极管

在此基础上，1948年肖克利又提出了研制相比点接触晶体三极管（Point Contact Transistor）而言，更为先进高效的双极性结型晶体管（Junction Transistor）的构想，并于1950年，成功研制了第一只结型晶体管，同年发表了论述半导体器件原理的经典著作《半导体中的电子和空穴》，从理论上详细阐述了结型晶体管原理。结型晶体管的发明使后来的晶体管和芯片的大规模生产成为可能。

3.3 MOS场效应管的发明

1962年，贝尔实验室的科恩（Dawon.Kahng）和马丁阿塔拉（M.M.Atalla）等人成功开发了金属—氧化物半导体场效应晶体管，这是一种用电场效应来控制电流的晶体管。由于MOS器件比双极性结型晶体管占用体积小、能耗低，目前已发展成为数字电路中最常见的晶体管，无论是在CPU还是存储器中，其中的主要电子器件就是场效应管。在模拟电路中，场效应管的应用也非常普及，在在线性放大器、震荡器、数模模数转换器等有着广泛的应用。

四：1957年：仙童半导体成立

“晶体管之父”肖克利发明晶体管之后，在1955年从贝尔实验室辞职，回到故乡圣克拉拉创业，吸引了8位年轻的半导体专家跟随。他们分别是：罗伯特·诺伊斯、戈登·摩尔、金·霍尼（Jean Hoerni）、朱利亚斯·布兰克（Julius Blank）、尤金·克莱纳、杰·拉斯特（Jay Last）、谢尔顿·罗伯茨（Sheldon Roberts）和维克多·格林尼许（Victor Grinnich）。

叛逆八学徒成立仙童半导体

1957年，这八位学徒叛离肖克利，离开肖克利半导体实验室，在圣克拉拉成立Fairchild仙童半导体，在成立6个月后，就实现盈利。成立一年后销售额达到50万美元，仙童半导体公司成功地生产出了晶体三极管。

仙童创始人签名的一美元钞票

20世纪60年代，成立未满10年的仙童，与德州仪器、摩托罗拉一起，成为半导体产业的三巨头，但从20世纪70年开始，仙童半导体和业绩开始滑坡，走向衰退。

1979年，仙童被法国石油巨头斯伦伯格公司（Schlumberger）以4.25亿美元买下。没过多久，仙童又被用原价的1/3转卖给了斯波克的美国国家半导体；1997年3月，仙童被美国国家半导体以5.5亿美元的价格再次出售。几经周折之后，仙童于1999年重新在纽约证券交易所上市。今天，尽管仙童的招牌还在，但仙童的神话却早已远去。

仙童半导体是硅谷第一家由投资创业的公司，也成为芯片行业鼻祖，是芯片产业的摇篮。1984年从这里走出的前雇员直接或间接创办的公司达到70多家；部分创始人和高管离职后，分别创立了Intel英特尔、AMD、NSC国半、Altera等著名半导体公司。

五．1958芯片发明：基尔比和诺伊斯之争

5.1 基尔比展示全球第一颗IC

1947年，基尔从伊利诺伊大学香槟分读本科毕业获得电子工程学士学位后进入全球联通在密尔沃基的中心实验室工作。1952年，他所在的公司从贝尔实验室取得了生产晶体管的专利许可，基尔比也借此学习各种晶体管制造工艺和晶体管理论，他认识到晶体管是未来，带着这个想法，1958年5月，基尔比离开了对晶体管投入甚少的中心实验室，加盟了当时美国国防部的电子设备微型化计划的合作伙伴，也是当时最大的硅晶体三极管的制造商——德州仪器。

基尔比的电路笔记

在如何实现电路微型化上，基尔比提出用同一种半导体材料将所有电子器件集成起来的方案。经过多次实验，1958年9月12日，基尔比做出了集成在一块长7/16英寸、宽1/16英寸的锗片上的电路，电路是一个带有RC反馈的单晶体管振荡器，电路的器件用细线相连。

基尔比发明的全球第一颗IC

在德州仪器同事的见证下，基尔比将十伏电压接在了输入端，再将一个示波器连在了输出端，接通后，示波器上出现了频率为1.2兆赫兹，振幅为0.2伏的震荡波形。就这样，全球第一颗芯片诞生了。

5.2 诺伊斯发明第一块硅晶体（Si）集成芯片

在基尔比发明集成电路的同时，仙童半导体创始人之一的罗伯特·诺伊斯（Robert Norton Noyce）也几乎同时发明了集成电路。在仙童半导体的让·阿梅德·霍尔尼（Jean Hoerni）发明的平面工艺（即在硅片上加上一层氧化硅作为绝缘层，再在这层绝缘氧化硅上打洞，用铝薄膜将集成电路中的器件连接起来）的基础上，发明了第一块单片硅（Si）集成芯片。

诺伊斯芯片设计的方案是将电子设备的所有电路和一个个元器件都制成底版，刻在一个硅片上， 可以直接用于组装产品。此外，采用蒸发沉积金属的方式，可以代替热焊接导线，彻底消灭飞线。

仙童发明的硅晶体集成电路

谁才是芯片的发明者？基尔比的设计基于锗基底扩散工艺，采用飞线连接难以大规模生产，诺伊斯的设计基于硅基底平面工艺，更接近于现代意义上的集成电路。

基于这一点，率先申请专利的TI与仙童半导体开始了专利战，最终在 1966 年通过交叉许可协议，共享集成电路的专利。1969年，美国联邦法院从法律上判定，二者申请的集成电路专利是并行独立发明。

六．1968年：英特尔成立

6.1 英特尔三驾马车

1968 年 8 月，仙童八叛逆之中的罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔离开仙童半导体，投资创建了诺伊斯-摩尔电子公司。创立不久后两位创始人发现摩尔诺伊斯这个名字听起来就像More Noise（更多的噪音），不太好听，于是改名为英特尔Tentel(Integrated Electronics的简称）。公司成立后，原仙童八叛徒之一的安迪·格鲁夫加盟进来，成为英特尔第一号员工。诺伊斯有领导魅力，摩尔有技术威望，格鲁夫有经营能力。三人能力完美互补，他们一起也被外界称为英特尔的三驾马车，对英特尔未来的发展奠定了基础。

英特尔三架马车：格鲁夫、诺伊斯、摩尔（从左到右）

6.2 摩尔与摩尔定律

1964年，Intel公司创始人之一的戈登.摩尔（Gordon Moore）提出著名的摩尔定律，预测芯片技术的未来发展趋势是，当价格不变时，芯片上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。摩尔定律揭示了信息技术进步的速度，对整个芯片工业都有着非常重要的意义。摩尔的预言也在芯片的发展中得到了印证，直到今天仍然有效。

100年来的摩尔定律

七．1970年：英特尔推出第一片DRAM

DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器）是一种随机存取存储器，它将每一位数据存储在存储单元内的一个小电容器上。电容器可以充电或放电，这就为电池提供了“1”或“0”两种状态。DRAM最早由IBM Thomas J. Watson 研究中心的罗伯特·海思·丹纳德（Robert H. Dennard）于1966年发明，并于1968年申请了专利。

DRAM根据应用设备的性质，可分为计算机（DDR）、移动（LPDDR）、图形存储器DRAM（GDDR）。按照应用类型，DDR又可以划分为PC端、服务器端、以及消费端。

Intel 1103

1970年，Intel公司推出第一款商用DRAM芯片Intel 1103，彻底颠覆了磁存储技术。DRAM的出现解决了磁芯存储器体积庞大，运行速度慢，存储密度低及能耗较高等问题。

虽然1103容量只有1千比特，但是它的上市标志着半导体存储器时代的到来，从此磁芯存储器退出了市场。除IBM之外，1971年年底所有大型计算机公司都采用了基于1103的计算机内存。凭借Intel 1103，英特尔在1972年的销售额就达2340万美元。存储芯片成为英特尔在商业上获取的第一个巨大成功。