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硅谷传奇一: 肖克利和晶体管

时间:2022-01-17 08:42:18 作者:Malcolm Penn 阅读:
EE Times 50周年纪念特辑:硅谷传奇系列文章共分三部分,回顾了硅谷74年的发展历史,探讨硅谷真正的起源,以及为何半导体在加州萌芽和发展壮大。特辑以肖克利和晶体管、仙童半导体及平面工艺,以及初创公司和风险投资为三大主线,生动描述了IC、VC和Startup这三大硅谷发明如何改变世界的过程。
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肖克利和晶体管的诞生

1947年12月23日,位于新泽西州默里山的贝尔实验室(当时美国电话电报公司的研究机构)向全世界展示了晶体管的诞生。这一伟大发明背后的三个人分别是:威廉·肖克利二世、部门负责人兼晶体管研究小组组长约翰·巴丁,以及沃尔特·布拉顿。此后,肖克利继续在贝尔实验室的研发工作,直到1955年辞职。预感到晶体管的未来潜力,他毅然放弃这份薪水不错的工作,开创了世界上第一家半导体公司,并成为真正意义上的半导体之父。

肖克利于1910年2月13日出生在伦敦,其父亲是出生于美国麻省的一名采矿工程师,其母亲也从事采矿相关职业(曾经是内华达州的一名矿物质检察员)。1913年全家返回美国,并在加州帕洛阿尔托安家,因为其母亲在斯坦福大学采矿工程系找到了一个教职工作。这也许是上天的安排(让硅谷发源于加州),本来肖克利的父母都是采矿工程师,他们一家更有可能定居在科罗拉多、内华达或西弗吉尼亚州。

小威廉在加州接受教育,于1932年在加州理工学院 (CalTech) 获得科学学士学位,之后前往东海岸,在麻省理工学院(MIT)师从斯莱特(J.C. Slater),并于1936年获得博士学位。他的毕业论文是关于氯化钠能带结构的研究,毕业后加入贝尔实验室,直到1955年辞职。

离开贝尔实验室后,肖克利返回老家帕洛阿尔托,以方便照顾他年迈多病的母亲。最初,他在斯坦福大学找到一个客座教授的工作,但他的目标是创办自己的半导体公司,制造晶体管和四层(肖克利)二极管。假如他当时决定留在东海岸,靠近贝尔实验室、MIT或位于佛蒙特州的IBM,那么“硅谷”很可能是在美国东海岸,而不是西海岸。如果真是这样的话,那么“硅谷”的DNA和个性想必会大相径庭。

不久,肖克利找到了一个赞助商,就是后来成为电子战武器先驱者的雷神公司(Raytheon)。但雷神的赞助好景不长,很快便不再支持了。肖克利并没有气馁,转向他在加州理工的导师贝克曼(Arnold Beckman),请教怎样才能筹集到100万美元的种子资金。贝克曼是美国知名化学家、发明家,也是一位成功的企业家,他是贝克曼仪器公司的创始人兼CEO,当时正尝试涉足金融。他认为肖克利的新发明会对他自己的公司有益,因此他没有把机会让给他的竞争对手,而是同意创建并资助一个实验室,条件是肖克利的发明要在两年内进入大规模生产阶段。

位于加州山景城的肖克利半导体实验室(图片来源:Arnold and Mabel Beckman Foundation)

贝克曼和肖克利签署了一份意向书,新成立的肖克利半导体实验室(当时半导体的英文叫法是Semi-Conductor,带连字符)作为贝克曼仪器公司的子公司,由肖克利全权负责。这个新公司将专注于半导体研发和生产,首先从基极扩散型晶体管的自动化生产开始。肖克利最初的计划是在靠近他母亲家的帕洛阿尔托建立这个实验室,但当时的斯坦福大学教务长(也是“硅谷崛起”的关键人物)弗雷德·特曼(Fred Terman)向他提供了斯坦福大学新建的产业园区场地,他便将实验室开设在位于山景城圣安东尼奥路381号的产业园了。贝克曼花费2.5万美元购买了所有必要的专利许可,于是1956年2月公司正式开张。

斯坦福播下高科技种子

斯坦福大学与高科技行业的紧密关系早就开始了。1936年,西格德和拉塞尔·瓦里安兄弟俩,以及拉塞尔的前大学室友威廉·汉森(当时在斯坦福大学任教)向斯坦福大学物理系主任大卫·韦伯斯特寻求帮助,希望支持他们开发一种在恶劣天气条件下和夜间使用无线电波进行飞机探测的技术。韦伯斯特同意雇用瓦里安兄弟在学校工作,允许使用学校实验室和设备,但他们获得的任何专利收益都要上交一半给学校。这个研究小组的成果最终体现在1937年8月开发成功的速度调制电子管(klystron)上,随后被Sperry公司采用。10年后,瓦里安公司于1948年成立。

就在速调管发明后不久,毕业于斯坦福大学电气工程系的比尔·休利特(Bill Hewlett)和戴维·帕卡德(David Packard)在弗雷德·特曼的指导下,于1938年在帕洛阿尔托市艾迪生大道367号一个车库里创办了惠普公司。这个车库通常被称为“硅谷的诞生地”,但是很多人并不认同,因为这种说法显然低估了特曼和斯坦福大学在推动加州高科技行业发展中所起的催化剂作用,同时也低估了肖克利半导体随后扮演的开创性角色。从半导体的角度来看,山景城圣安东尼奥路381号,就是肖克利半导体所在的产业园,才是真正的硅谷发源地,这也得到了IEEE的认可。

肖克利半导体

鉴于自身的高智商,肖克利在公司成立后即开始了雄心勃勃的招募计划。他要招募最聪明的科学家,有博士学位显然不够,不但要来自顶尖大学的博士,而且还要是专业研究领域的顶尖高手,他要汇集当时最优秀的天才工程师。然而,招聘过程并不如他想象的那么简单,因为当时大多数与电子有关的公司和专业人才都在东海岸。因此,他不得不在《纽约时报》和《纽约先驱论坛报》上刊登招聘广告。肖克利最初试图从他的老东家贝尔实验室招募几位老同事,但大家都知道他是个很难相处的老板,没有人愿意加入他的新公司。

最初应聘的有来自陶氏化学的谢尔登·罗伯茨(Sheldon Roberts)、来自菲尔科(Philco)的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce),以及曾经在贝克曼仪器公司实习过的杰·拉斯特(Jay Last)。每个应聘的人都必须先通过一项心理测试,然后再进行面试。Julius Blank、高登·摩尔(Gordon Moore,就是提出摩尔定律的那位)、Last、Noyce和Roberts 在4月到5月份陆续加入,而Eugene Kleiner、Victor Grinich和Jean Hoerni则在暑假期间加入。到1956年9月,实验室共有32名员工(包括肖克利在内)。

虽然从未被精神科医生确诊过,但肖克利的精神状态被认定为偏执狂或自闭症。所有员工的电话都被记录下来,工作人员不允许彼此分享研究成果,这显然不大可能,因为他们都在一个小楼里工作,不可能不打交道。有时候,肖克利会召集所有人进行测谎实验,自然大家都拒绝,最后闹得不欢而散。肖克利还缺乏商业经验和管理能力,他甚至单方面决定实验室将专注于开发他自己的一项发明—四层二极管,而不是开发他和贝克曼约定的基极扩散型晶体管。

这样仅仅过了六个月,员工们的不满情绪就爆发了,这导致七名员工直接向阿诺德•贝克曼表达了他们的不满,但也不是要彻底罢免肖克利,而是要在他和他们之间安插一位更理性的管理者。要不是诺贝尔物理奖正好在1956年11月宣布颁给肖克利(肖克利的声誉大振,自负更加膨胀),他们的请求很可能会得到贝克曼批准。贝克曼最后还是选择不干涉肖克利,而是告诉这七个人保持低调。在这一冲突中,英特尔未来的两位创始人诺伊斯和摩尔站在了截然相反的立场。摩尔是反对肖克利“暴政”的始作俑者,而诺伊斯则站在肖克利这一边。肖克利认为诺伊斯是他唯一的支持者,逐渐这个团队开始人心涣散,首先离职的是技术专家琼斯,他因Grinich和Hoerni之间的冲突于1957年1月离开了公司。

亚瑟洛克投资

1957年3月,肖克利极其不信任的尤金•克莱纳(Eugene Kleiner)请求允许他参加洛杉矶的一个展览,而实际上克莱纳却飞往纽约为他和其他六人正在考虑创建的新公司寻找投资者。克莱纳的父亲是一名银行家,他将尤金介绍给了他的经纪人,而后者又将尤金介绍给了海登斯通公司(Hayden Stone)的亚瑟•洛克(Arthur Rock)。起初克莱纳他们七人小团队的想法是加入一家现有公司,但是已经投资一些初创公司(即现在所谓的startup)的洛克与阿尔弗雷德·科伊尔(Alfred Coyle)却极力建议克莱纳他们成立一个新公司,他们认为诺贝尔奖获得者的门徒想必不会差,一定会成功的。然而现实情况是,寻找潜在的投资者非常困难,因为当时美国电子行业主要集中在东海岸,而这个加州团队(California Group)只想呆在西海岸。洛克向35位潜在投资者推荐了这个团队,结果全都拒绝了。

由于缺乏资金支持,以摩尔为首的这个小组也无法独立,他们于1957年5月向阿诺德·贝克曼发出最后通牒:必须解决“肖克利问题”,否则他们将集体离开。摩尔还提议为肖克利找一个做学术研究的工作,实验室这边找一名职业经理人代替他。但是贝克曼再次拒绝,认为肖克利仍然可以成功—后来贝克曼十分后悔这个决定。

一个月后,贝克曼终于在肖克利和团队之间安插了一个经理人,但是为时已晚,因为这七个人已经决定离开,并开始执行他们的“Plan B”,也就是创建他们自己的公司。然而,他们意识到他们只是追随者,而不是领导者,于是他们说服具有领导魅力的诺伊斯加入了他们。这个八人小组在加州的希尔酒店会见了洛克和科伊尔,八位工程加两名银行家就成了新公司的核心团队。喜欢仪式感的科伊尔拿出10张1美元的钞票,郑重其事地放在桌子上,说道:“我们每个人都要在每张钞票上签名,作为我们之间的约定”。

带有十人签名的1美元钞票代表相互的约定,构成了仙童半导体公司的基础。(来源: 计算机历史博物馆)

同年8月,他们来到了碰运气融资的最后一站,洛克和科伊尔拜会了既是发明家又是企业家的谢尔曼·费尔柴尔德(Sherman Fairchild),他是费尔柴尔德飞机公司以及费尔柴尔德相机和仪器公司的创始人。谢尔曼的父亲因为在IBM的早期投资而发了家,他不仅继承了父亲的企业家精神,也是一位聪明的工程师。在二战期间,谢尔曼通过销售侦察机上的相机而积累了一笔不小的财富。现在他又对半导体产生了极大兴趣,于是让洛克去见他的副手理查德·霍奇森(Richard Hodgson)。显然霍奇森被洛克打动了,不惜冒着名誉风险接受了洛克的提议。几周之内,仙童半导体的公司成立文书工作和资金就准备就绪。

整个公司的资本被分成1325股,八位工程师每人100股,由海登斯通公司持有225股,其余300股作为储备。费尔柴尔德提供了138万美元的贷款,为了获得这笔贷款,八人将其股份的投票权授予费尔柴尔德,他可以行使这个期权,以300万美元的固定价格回购这些股份。

“八叛徒”

八个人于1957年9月18日离开肖克利半导体实验室,仙童半导体公司正式诞生。肖克利始终无法理解他们为什么离开,认为这八个人是“叛徒”。虽然没有文献证据,但这个小团队很快就以“八叛徒(The Traitorous Eight)”而闻名。据说肖克利从此再也没有和诺伊斯或其他任何人说过一句话。

离开肖克利而创办仙童半导体的“八叛徒”。

在新团队的帮助下,第二年肖克利将自己发明的二极管投入批量生产,但为时已晚,因为竞争对手已经开始开发集成电路了。到1960年的4月,贝克曼将始终没能盈利的肖克利实验室出售给了位于麻省沃尔瑟姆的Clevite公司,也结束了他与半导体的瓜葛。

1961年7月23日,肖克利在一场车祸中受了重伤,康复后离开了公司,又回到斯坦福大学当教授去了。四年后,Clevite也被ITT收购。ITT计划将实验室搬到佛罗里达州的西棕榈滩,因为该公司已经在那里建立了一座半导体工厂。可是实验室的员工拒绝搬迁,于是ITT便解散了整个实验室。

自此肖克利及其实验室的传奇便画上了句号。下一章我们将继续“八叛徒”新的传奇,讲述平面工艺技术的演进,并探讨仙童半导体的家谱及其派生的初创公司(Fairchildren),包括英特尔与德州仪器在发明IC上的竞争。

作者简介:Malcolm Penn是半导体行业分析公司Future Horizo​​ns的创始人、董事长兼CEO。

编译:Ray & Steve

英文原文:

1. The Roots of Silicon Valley, Part 1: Founders, Legend, Legacy

责编:Steve
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