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重温半导体飞速发展的大半个世纪

时间:2020-09-24 作者:王健 阅读:
半导体是导电性介于导体和绝缘体中间的一类物质。与导体和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。
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什么是半导体?

半导体是导电性介于导体和绝缘体中间的一类物质。与导体和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体主要由四个组成部分组成:集成电路,光电器件,分立器件,传感器,由于集成电路又占了器件80%以上的份额,因此通常将半导体和集成电路等价,我们生活中又通常称为芯片。集成电路按照产品种类又主要分为四大类:微处理器,存储器,逻辑器件,模拟器件。

提起芯片,很多人可能见过,就是一块黑色类似于小盒子的东西,它是由晶体管组成的。

什么是晶体管呢?

严格意义上讲,晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。

所以我们可以知道:由半导体材料制造出了晶体管,由晶体管组成了芯片。

晶体管的诞生

晶体管的发明,最早可以追溯到1929年,当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是,限于当时的技术水平,制造晶体管的材料达不到足够的纯度,而使其无法制造出来。

1947年12月,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组,研制出一种点接触型的锗晶体管。1956年,肖克利、巴丁、布拉顿三人,因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。肖克利也被誉为晶体管之父。

芯片有如此强大的功能,为什么晶体管可以胜任呢?

我们知道,对于数字电路来讲,逻辑是其精髓所在,所有的功能归根结底,都可以说是逻辑功能。而逻辑的基本构成元素是逻辑0和逻辑1。

而晶体管恰好具备这种功能--通过电信号来控制自身开合,以开关的断开和闭合来代表0和1。

历史中的八卦

当然,一味的讲原理或者讲历史就没意思了,我们来挖掘半导体发展过程中的八卦。

前面有提到过,被誉为“晶体管之父”的肖克利,出生于伦敦,三岁时随父母漂洋过海来到加州。受父母对他科学思想的灌输,考入MIT,随后获得固体物理学博士,留校任教。后来,被位于新泽西州的贝尔实验室副主任凯利来麻省“挖墙角”,将肖克利挖走了。当晶体管发明成功后,肖克利并不满足,他依然进行着不断地尝试,希望发明性能更好的晶体管,并将其商品化。

与此同时,高纯硅的工业提炼技术已成熟,用硅晶片生产的晶体管收音机也问世。在贝尔实验室工作的肖克利坐不住了,他看到了未来的商机,而现在只能看着贝尔实验室拿他的发明赚钱,并且晶体管的性能不稳定,有损个人声誉。

最后,矛盾爆发了!当然最终还是因为利益。

硅谷诞生

1955年,肖克利回到了自己的家乡圣克拉拉(Santa Clara)谷,并得到了贝克曼的支持,创办了自己的公司。

圣克拉拉位于旧金山湾区南部,与圣何塞(San Jose)[4] 、森尼韦尔(Sunnyvale)。地理位置优越环境优美,气候清新宜人,交通便利。从此,这一片狭长的山谷举世闻名。

肖克利在创办了自己的公司后,依靠自身的威望,很快招到了一批学识渊博,技术过硬的人才。此时,我们仿佛看到一家半导体商业巨头正要崛起,屹立于世界之巅,但是,总有意外发生。

硅谷八叛将

肖克利虽然是一个聪明绝顶的天才,但却不是一个好的管理者。在公司发展方向上,几乎由他一人掌控,专横独裁,而且他不知道自身的缺陷,也不接受同事的合理化建议,最终导致公司在很长一段时间里都没有产品做出来。在同事关系上,他忽略了最重要的两点--尊重与信任,肖克利通过各种办法,牢牢的将技术专利掌握在自己的手中,这种自私自利的管理方式,终将会让公司走向没落。

1957年9月18日,以诺伊斯为首的八位年轻人愤然提出离职,肖克利得知后勃然大怒,骂其曰“八叛逆”(Traitorous Eight)。

硅谷八叛将分别为:诺依斯(N. Noyce)、摩尔(R.Moore)、布兰克(J.Blank)、克莱尔(E.Kliner)、赫尔尼(J.Hoerni)、拉斯特(J.Last)、罗伯茨(S.Boberts)和格里尼克(V.Grinich)

传奇的仙童

很快,这八个人就拿到了一笔风险投资,投资人是具有远见卓识的谢尔曼·菲尔柴尔德,成立了仙童半导体(Fairchild),公司便是以投资人命名。

公司由谢尔曼·菲尔柴尔德控股,管理人为诺伊斯。在新型的管理模式下,仙童半导体快速发展,不到半年的时间里就已经开始盈利。

与此同时,仙童的两项发名专利,更使其立于世界的半导体之巅。其一是平面工艺——一种制造半导体电路的工艺方法,发明人为约翰·霍尔尼(Jean Hoerni)。

另一个发明专利便是集成电路。顾名思义,集成电路就是用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上。

1958-1959年,来自仙童的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)发明了硅集成电路。事实上,在早些时候,来自德州仪器的杰克·基尔比(Jack Kilby)发明了锗集成电路。由于两人在同一年独立且不知情的情况下分别发明了集成电路,所以两人共享集成电路发明者的荣誉。

现在,在我们眼里看来,把多个电路集成到一起而减少面积是个自然而然的事情,然后这个简单的想法,却改变了我们的世界。很多伟大的发明,往往源自一个很简单的想法。也许,即使没有这两位,依然有人会想到这个点子,但是历史只会记住最先吃螃蟹的人。

此时的仙童半导体公司风光无限,而半导体行业在那时宛若一个巨大的金矿,任凭仙童肆意挖掘。而仙童的股权大部分都在投资人谢尔曼 菲尔柴尔德的手里,与此同时,仙童半导体公司的利润被不断转移到东海岸,去支持Fairchild摄影器材公司,此时仙童的员工开始坐不住了,开始了新一轮的离职创业潮。

花开遍地

1968年,诺依斯(N. Noyce)和摩尔(R.Moore)从仙童离职后创办了我们所熟知的英特尔(Intel),这里的摩尔就是我们所熟知的摩尔定律的提出者。

1969年,杰里·桑德斯(J. Sanders)当时在仙童担任销售部的主任,带着7位仙童员工创办AMD。

还有许多我们所熟知的公司,比如美国国家半导体(现已被TI收购),Altera(现已被英特尔收购)等的创始人都出自仙童半导体公司。

正如江湖流传的苹果公司乔布斯形象比喻的那样:“仙童半导体公司就像个成熟了的蒲公英,你一吹它,这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”

随后,英特尔, TI,三星等巨头开始在世界的舞台大放异彩!

在处理器(CPU)领域,英特尔的发展史代表了处理器的发展史。1971年,英特尔推出了它的第一款处理器——4004,这是一款4位的处理器,仅包含2300个晶体管,现在来看,这款处理器简直就是个小弱,但它的诞生意义重大,实现了从0到1的突破。1978年,英特尔推出了一款16位的处理器——i8086。1979年,英特尔又推出了8088,这是第一个成功应用于个人电脑的CPU。1982到1989年,期间又陆续推出了80286,80386,80486微处理器。1993年,奔腾处理器横空出世,2005年酷睿走进大众的视野,酷睿i3,i5,i7成为PC的主流。

英特尔,AMD主要做PC、服务器的芯片。对于现在炙手可热的智能手机,处理器的竞争则更为激烈。苹果,三星,高通一直占领着高端机的市场,国内近几年半导体业强势崛起,海思,展讯可谓国内的代表。

展望未来

纵观过去的半个世纪,半导体的迅猛发展为我们的科技爆炸提供了基础。当7nm的芯片已经商用,5nm、3nm制程已经接近极限的情况下,摩尔定律似乎已经开始走向终点,半导体下一个转折点在哪里,我们还不能确定,但目前量子技术的发展似乎给我们指明了方向。

随着量子通信,量子纠缠等新鲜词语开始出现在我们的视野中,量子芯片也横空出世,与传统芯片用0和1进行运算处理不同,量子芯片具备多个量子位,而不是再只有0和1两种逻辑状态,这样使得芯片的运算能力成指数增长,从而突破摩尔定律的限制。

回顾半导体发展的辉煌历史,也在一定程度上代表了人类的文明史。如果说机械的发展解放了人类的劳动力,那么半导体的发展则解放了人类的计算力。而且半导体的发展势头绝不会就此停歇,必将随着科技的发展大放异彩,对我们每个人来讲,未来的半导体,未来的世界,值得我们期待。

注:摩尔定律:集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一倍。

本文作者为AMD 高级数字芯片设计工程师,仅代表原作者观点

责编:Luffy Liu

 

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