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硅谷传奇二:平面型工艺与仙童公司家谱

时间:2022-01-24 08:42:45 作者:Malcolm Penn 阅读:
在硅谷传奇一: 肖克利和晶体管,我们讲述了关于晶体管的诞生和肖克利来到硅谷创业的过程,以及仙童半导体公司的起源,还介绍了这家具有开创性意义的公司是如何获得资金的,并夹杂着与肖克利的恩怨纠葛。在硅谷传奇系列的第二部分,我们将探讨平面型工艺技术的发展,梳理出从仙童半导体派生出来的Fairchildren,以及英特尔与德州仪器在集成电路上的竞争。
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硅谷传奇一: 肖克利和晶体管,我们讲述了关于晶体管的诞生和肖克利来到硅谷创业的过程,以及仙童半导体公司的起源,还介绍了这家具有开创性意义的公司是如何获得资金的,并夹杂着与肖克利的恩怨纠葛。在硅谷传奇系列的第二部分,我们将探讨平面型工艺技术的发展,梳理出从仙童半导体派生出来的众多半导体初创公司(Fairchildren)的“家谱”,以及英特尔与德州仪器在集成电路上的竞争。

仙童半导体

仙童半导体公司在东查尔斯顿路844号开张了,这里正处在山景城和帕洛阿尔托的交界处。仙童公司展现出了惊人的创新能力,创造了二十世纪下半叶影响全世界的重要技术。借助成功开发的平面型硅晶体管,仙童半导体迅速成长为半导体行业的领导者。

仙童半导体家谱(图源:Fairchild Semiconductors)

晶体管虽然非常的成功,但是也面临着一个全新的挑战,也就是所谓的“数字暴虐”(维基百科:数字暴虐是20世纪60年代计算机工程师面临的一个问题。由于涉及到大量的组件,工程师们无法提高他们设计的性能。理论上,每个部件都需要连接到其他部件,并且通常是手工串接和焊接的。为了提高性能,将需要更多的组件)。如果你想制作一个简单的触发器,需要四个晶体管,大约需要10根电线来连接它们。互连两个触发器不仅需要双倍的晶体管,而且还需要四到五根额外的电线来连接。以此类推,4个晶体管需要10根线,8个需要25根线,16个需要60到70根。换句话说,随着晶体管数量线性增加,连接数呈指数增长(指数介于1到2之间)。

虽然大规模生产晶体管比较简单,但连接起来却困难得多,因为电线必须手工焊接在一起,这会占用大量的空间。构建更大更复杂系统的愿望因此而受阻。当时,很少有人关注布线,但连接很快就成为潜在的阻碍,于是这个问题便催生了集成电路的需求。

平面型工艺

1958年,德州仪器(Texas Instruments)的杰克·基尔比(Jack Kilby)向业界展示了如何在半导体衬底上集成一对晶体管。当时德州仪器是仙童半导体的竞争对手,基尔比的晶体管是引线键合的,并未解决连接问题。最终晶体管连接的这个问题由鲍勃·诺伊斯(Bob Noyce)在简·霍尔尼(Jean Hoerni)和杰·拉斯特(Jay Last)的帮助下解决了。

霍尔尼一直在研究减少晶体管缺陷的方法,他发现缺陷源自封装内晶体管表面没受保护,随着时间的推移,表面逐渐被污染,导致器件性能下降。他的解决方案是在晶体管结构顶部生长或沉积二氧化硅(SiO2)层,以形成钝化层或保护层,由此保护晶体管表面免受污染。与台面(Mesa)工艺不同(Mesa工艺是在衬底顶部沉积发射极和基极),霍尔尼的思路是,如果表面完全被二氧化硅覆盖,那么发射极和基极的区域可以选择性地扩散,这样一来表面更加平滑,可让晶体管生产过程实现更高的自动化。

这项在1959年1月公布出来的技术成了微电子学历史上第二重要的发明--仅次于晶体管的发明--这也为后来集成电路的发明奠定了根基。而在当时,这一项伟大发明几乎没有引起人们的注意,而诺伊斯除外。他意识到玻璃层是一种绝缘体,这样便可以制造一种连接层放置在顶部,类似印刷电路板的图案。

诺伊斯于1959年4月申请了专利,之后引发了德州仪器和仙童公司之间的法律纠纷(当时基尔比和诺伊斯仍然是朋友,彼此十分尊重)。德州仪器声称,基尔比的专利声明——“为了建立必要的连接而在绝缘材料上铺设像黄金等导电材料的方法”—要先于诺伊斯的专利声明,而基尔比的专利采用简单的引线键合将电线连接,是最快捷的建模方式。如果德州仪器的专利被认可,那么诺伊斯的专利将被宣布无效。

最终,德州仪器败诉了,两项专利均被宣布有效,两家公司也达成了交叉许可协议。然而,因此两个专利技术采用的材料不同,进入批量生产后的成本不同,而造成了大相径庭的结果。基尔比的技术采用锗做衬底材料,黄金做导线,而诺伊斯的技术以硅做材料,成本要便宜得多。遗憾的是,仙童并没有从这个专利技术中获得多少好处,反而是诺伊斯和摩尔共同创办的英特尔成了集成电路发明的最大赢家。

基尔比天生是一个非常谦虚的人,尽管他的专利早于诺伊斯宣布,但他慷慨地宣布他和诺伊斯都是集成电路的发明人,虽然这与德州仪器管理层的立场相悖。基尔比于2000年获得诺贝尔物理学奖,如果诺伊斯还健在的话,应该是他们两个共享这个殊荣。

1959年,谢尔曼·费尔柴尔德行使了他购买创始成员股份的权利,将原来的创始合伙人变成了普通员工,从而破坏了公司的团队精神,并埋下了未来分裂的种子。

如何阻止相邻晶体管的干扰,是当时集成电路进入商业化阶段的另一个大问题。诺伊斯将这个棘手的问题委托给了负责研发团队的杰伊·拉斯特。但这并不是一件容易的事,大概花费了18个月,才在1960年9月27日研发出第一个可以正常工作的器件。

仙童的麻烦

此时集成电路的研发中也遇到了很大的内部阻力,仙童公司营销副总裁汤姆·贝(Tom Bay)指责拉斯特浪费资源。1960年11月,汤姆·贝要求终止这一研发项目,将节省下来的钱转用于晶体管开发。此时,摩尔拒绝帮忙,诺伊斯也避而不谈这事,拉斯特只能靠他自己抗争。在仙童宣布将其晶体管生产从台面型技术转变为平面型技术后仅一个月,内部冲突就爆发了。摩尔拒绝将这一成就归功于霍尔尼,从而加剧了八位创始合伙人之间本来就紧张的关系。

杰·拉斯特继续开发了六个器件,但持续的冲突成了压死骆驼的最后一根稻草。凭借平面型工艺和隔离工艺的成功,拉斯特和霍尔尼于1961年1月31日离开了仙童公司。在由亚瑟·洛克安排的特利丹公司(Teledyne)的资助下,他俩在山景城创办了 Amelco公司,打算开发集成电路器件来支持特利丹公司的军事业务。几周后,尤金·克莱纳和谢尔登·罗伯茨加入了这家新公司。由于这次核心团队的分裂事件,八位创始成员分成了两派。

仙童公司于1961年3月宣布推出世界上第一个标准逻辑集成电路系列,即直接耦合晶体管逻辑器件。该器件采用霍尔尼和拉斯特开发的电阻晶体管逻辑(RTL)平面型工艺,但注册了µLogic商标。该系列器件中的µL903是一种3-输入 NOR门器件,成为阿波罗登月计划中制导计算机的基本组成部分。这一月球导航计算机由麻省理工学院设计,雷神公司制造,集成了5000个器件,是IC的第一个主要应用。这次太空应用的小型化推动了集成电路早期的发展。

然而,仙童公司的领先优势是短暂的。在霍尔尼和拉斯特离开的同时,大卫·埃里森、莱昂内尔·卡特纳和其他人也离开了,成立了Signetics(信号网络电子)公司。一年后也就是1962年,该公司发布了经过大幅改进的第二代逻辑系列,即SE100系列二极管-晶体管逻辑 (DTL)芯片。仙童公司迅速以自家的930系列DTL器件进行反击,由此削弱了Signetics的实力,使其无法与仙童进行市场竞争。

NE555定时器:最受欢迎的IC?

Signetics公司最著名的芯片是NE555定时器,该型号于1971年发布,和当时无处不在的TTL 7400四路二输入与非门芯片一起,成为有史以来最流行的集成电路器件。Signetics于1975年被飞利浦收购。

早期的芯片主要采用 TO-5 或 TO-18金属罐晶体管封装,这种封装方式对于三引线器件来说效果很好,但难以提供更多的连接,因为它们的封装体只能做得这么大,径向引线也只能排布这么密。10条引脚就是实际极限了,而且不能支持更复杂的IC。1964年,仙童的唐·福布斯、雷克斯·赖斯和布莱恩特·罗杰斯发明了现在熟悉的双列直插式封装,从而解决了这个问题。在接下来的 40 年时间里,这种微小的 “千足虫”将一直在电路板上“爬行”。

双列直插式封装(图源:Google)

该封装工艺源于1962年由德州仪器工程师Yung Tao设计的陶瓷平板型封装工艺,后来成为了美国军方的表面贴装集成电路的行业标准。这一概念适用于通孔PCB的安装,其目的是为了方便电子制造商的操作,并且使PCB布局设计更简单。这种做法便于为不断增加的IC供电,并且可以在电路板上包含更多的输入和输出。另一个考虑因素是成本,因为消费类IC器件市场在不断增长。0.1英寸的封装引脚间距为引脚之间的PCB布线留下了足够的空间,而引脚行间距为0.3英寸也为其他元器件留下了空间。

仙童公司于 1965 年推出了双列直插式封装,最初采用了陶瓷材料。但当德州仪器推出塑料树脂材料的封装时,这种封装方式得到了迅猛发展,使单元成本大幅度下降。由于出色的设计、低成本和对日益复杂的集成电路支持,塑料双列直插式封装成为了行业标准,其基本的 14 引脚设计被扩展到支持更多引脚,以至于在0.6英寸宽的外形尺寸中可达到64个引脚。随着集成电路的发展,由于后来芯片复杂性和引脚数要求超过了双列直插式封装的能力,它最终在二十世纪后期被第二代表面贴装器件(例如:BGA)所淘汰。

由于单个晶圆上有多达15,000个裸片,封装和测试的成本大大超过了晶圆,因此需要降低劳动力成本才能继续发展。早期各晶圆厂进行了很多降低劳动力的举措,比如在新墨西哥州希普罗克地区的纳瓦霍保留地雇佣低成本的印第安人,以及采用早期的自动化尝试等。经历了很多失败之后,最终证明将测试和封装外包到亚洲是成功的,至少在短期看来如此。当时,鲍勃-诺伊斯(Bob Noyce)投资了香港一家小型无线电公司,他建议查理·斯波尔克(Charlie Sporck)和杰里·莱文(Jerry Levine)去该地区考察。

斯波尔克和莱文被低廉的劳动力成本、无工会组织、受过西方教育的技术人员、优质的工程学校,以及税收优惠和其他政府补贴所吸引。1963年,仙童半导体在香港九龙一侧的一家原鞋厂设立了第一座远东封装和测试工厂。其他半导体制造商随后跟随仙童来到远东,主要是马来西亚等地。

从连锁酒店到英特尔

布兰克、格里尼奇、摩尔和诺伊斯在仙童公司一直待到1968年。同年3月,摩尔和诺伊斯决定离开,转向阿瑟·洛克寻求融资,并在1968年夏天创办了NM电子公司。一年后,NM电子公司从连锁酒店Intelco购买了命名权,从而创立了英特尔(Intel)公司。

格里尼奇也于1968年离开了仙童,先是在加州大学伯克利分校(UC-Berkeley )和斯坦福大学任教,期间他出版了第一本关于集成电路的综合性教科书。但格里尼奇从未失去对创业的渴望,他于1985年退出了学术界,然后和其他人共同创立并经营了几家创业公司,其中包括工业RFID标签开发商EMS公司(Escort Memory Systems)。

布兰克作为八叛徒中的最后一位,最终于 1969 年离开仙童,成为科技初创公司的顾问。为了做些更实际的工作,他于1978年与他人共同创立了Xicor公司,生产带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。

至于其他四名“叛徒”,霍尔尼一直掌管着Amelco公司,直到 1963 年夏天,在经历了与Teledyne公司老板的冲突后,他去了联合碳化物电子公司(Union Carbide Electronics。 1967年7月,在斯沃琪(Swatch)集团前身瑞士钟表工业公司(SSIH)的支持下,他创立了Intersil,这家初创公司开创了低功耗定制 CMOS 电路市场,其中一些是为精工开发的,这也催生了日本电子手表行业的繁荣。

霍尔尼接下来推出了名为 Eurosil 的欧洲版 Intersil,瑞士钟表工业公司希望在距离瑞士手表制造基地不远的慕尼黑建立工厂,因此参与了部分投资。 Eurosil 最终在 1975 年底被出售给了Diehl。霍尔尼于1980年离开了那里,他又回到了加州西海岸,并成立了一家名为 Telmos 的新创业公司,该公司生产的半定制产品涵盖了传感器与微处理器之间的线性接口、数字逻辑内核,以及高压和大电流的驱动器。

杰·拉斯特继续留在 Amelco 工作,作为Amelco 母公司 Teledyne技术副总裁干了长达 12 年。1982年,他创办了Hillcrest 出版社,专门出版艺术书籍。罗伯茨也离开去创办自己的企业,后来还担任伦斯勒理工学院的理事。

这时只剩下克莱纳了,他最终也离开了,从事为西海岸涌现出的许多创业公司融资的职业。他与惠普公司研发主管托马斯·帕金斯合作,成立了风险投资公司Kleiner Perkins。他们在帕洛阿尔托的沙丘路开设了一个办公室,这成了后来美国风险投资资本家的圣地。虽然阿瑟·洛克和海登·斯通可以说是风险投资公司的先锋,但克莱纳·帕金斯是第一个在硅谷设有实体办公室的风投公司。

这家VC机构先后投资了Amazon、Compaq、Genentech、Intuit、Lotus、Macromedia、Netscape、Sun Microsystems、Symantec 和其他数十家初创公司。今天,作为仙童衍生出来的第一个公司,Amelco 在经过多次合并、收购和重塑后,已不复存在了,但其核心技术和知识产权仍然存在着,现在归 Microchip 所有。

历经风雨的仙童半导体公司自己也于2016年被安森美半导体并购,从此仙童就成为永远的传奇了。

(硅谷传奇系列的第二部分介绍了仙童八位创始人的分离与各自归宿,后来几乎所有的知名半导体公司都和仙童有着或多或少的渊源。在第三部分,我们将深入介绍硅谷的高科技传统,以及改变了世界的三大发明---集成电路,初创公司和风险投资。)

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

2. The Roots of Silicon Valley, Part 2: Planar Technology, The Fairchildren

责编:Steve
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