第一章 火种

技术突破

晶体管的问世意味着一个梦想的实现。

——引自1978年欧内斯特·布劳德与斯图尔特·麦克唐纳著的《小型化领域中的革命》

20世纪40年代，计算机使用的开关器件是机械式继电器，它们不停地打开和关闭，就像货运列车那样发出咔哒咔哒的声响。50年代，电子管取代了机械式继电器。但是电子管在技术上走进了一个死胡同。它们的体积没有办法进一步缩小，同时，由于电子管会产生很高的热量，因此互相之间必须间隔很大的距离，结果，早期的计算机体积十分庞大。但是到了60年代，从事固体元器件研究的物理学家发明了一种全新的器件，这种使电子管逐步退位的器件就是晶体管，它是具有非常有趣的电气特性的一小片惰性晶体。晶体管问世后，立即被公认为是一项革命性的技术突破。事实上，正是由于约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利三人在这项技术突破中作出的巨大贡献，他们才共同荣获了1956年诺贝尔物理奖。

晶体管问世的重大意义不仅仅在于它使电子管技术走向了衰亡之路。通过在量子物理学的应用方面进行的一系列试验，晶体管最终使计算机从工程师和科学家专用的“巨型电脑”变成了可以像电视机那样被普通人购买的商品。晶体管是一项重大的技术突破，它不仅导致20世纪60年代小型计算机的出现，而且使得20世纪70年代个人计算机革命成为可能。

巴丁和巴拉顿于1947年圣诞节的前两天实现了“20世纪的一项重大发明”。为了理解这个冬日在新泽西州的默里山晶体管问世的真正意义，我们有必要回顾一下前几年他们从事的一些研究工作。

20世纪40年代，巴丁和肖克利从事着一些与他们的研究领域显然不相关的技术研究工作。对量子物理学进行的实验产生了化学元素晶体锗和硅在电气领域中的一些奇怪特性。这些晶体既不属于绝缘体，也不属于导体，于是便将它们称为半导体。半导体具有一种使电气工程师特别感兴趣的属性，那就是电流可以在一个方向上通过半导体，而在另一个方向上则无法通过。电气工程师将这一发现付诸实际应用。他们用一小片这样的晶体对电流进行整流。使交流电变成了直流电。早期的无线电收音机称为晶体整流收音机，这是使用晶体整流器的最早的商用产品。

晶体整流器确实是个神奇的玩意儿，一小片矿石居然具备那样奇特的功能，却没有任何运动的部件。这种显然不活动的器件的专业术语称为固态器件。不过晶体整流器只具备一项功能，不久另一种器件几乎完全将它取而代之，那就是李·德福雷斯特发明的三极管，这是使无线电收音机大放异彩的一种电子管。三极管比晶体整流器的功能更强，它既能将通过三极管的电流放大，也能使用较弱的二次电流来改变从它的一个极传向另一极的强电流。用一个电流来改变另一个电流的这种功能对EDVAC型计算机的设计至关紧要。不过在当时，一些科研人员认为三级管主要只能用于电话交换电路。

这时，美国电报电话公司，尤其是它的科研机构贝尔实验室的科研人员对三极管发生了极大的兴趣。当时为贝尔实验室工作的威廉·肖克利与许多其他科研人员一样，参与了半导体中的一个特殊领域的研究，即探索杂质对半导体晶体究竟能够产生什么样的作用。其他物质的痕量能够提供传递电流的额外电子。肖克利说服贝尔实室答应让他建立一个小组来从事这项研究工作。他相信自己能够研制成功固态放大器。他的科研小组成员包括实验科学家沃尔特·布拉顿和理论学家约翰·巴丁。一段时间内，该小组的研究工作一无所获。当时，印第安纳州的珀杜大学也在从事类似的科研工作，贝尔实验室的科研小组密切注视着那里工作的进展。最后巴丁解决了这个难题，他发现晶体表面的阻塞效应能够干扰电流的流动。后来，巴拉顿的实验证明巴丁的发现是正确的，晶体管终于在1947年12月23日脱胎而出。晶体管具备电子管的全部功能，而且功能更强，它的体积更小，产生的热量很少，不会烧坏。最重要的是若干个晶体管具备的功能可以纳入单个半导体器件。科研人员迅速着手研制这种复杂的半导体。由于这些器件将许多晶体管集成到一个比较复杂的电路中，因此它们取名为集成电路，即IC。又因为它们实际上是一些很小的硅片，因此它们也称为芯片。

集成电路的制造需要极其复杂的加工工艺，而且费用高昂，因此很快就形成了一个专门制造集成电路的完整产业体系。最早从事商用芯片制造的公司是当时的一些电子设备公司。早期的公司之一是肖克利半导体公司，它是威廉·肖克利于1955年在他的家乡帕洛阿尔托创办的。他的公司聘用了当时世界上最杰出的半导体科研人才。其中有些人并未在这家公司工作多长时间。后来肖克利半导体公司衍生出仙童半导体公司，而仙童公司又衍生出许多其他公司。

仙童公司创办10年后，实际上所有半导体公司都聘用了大量的仙童公司的员工，甚至60年代进入半导体产业的大型电子设备公司如摩托罗拉公司也聘用了原仙童公司的工程师。另外，除了摩托罗拉、德州仪器公司和RCA等公司之外，大多数半导体公司都位于肖克利半导体公司所在的圣克拉拉山谷的帕洛阿尔托方圆数英里的范围之内。这时，所有半导体几乎都是用硅制造的，不久这一地区就被人们称为硅谷。半导体产业以惊人的速度发展着，半导体产品的数量和价格也按同样的步伐增长着。竞争十分激烈。最初，除了军事和宇航工业外，其他领域对高度复杂的集成电路需求量很小。不过某些种类的集成电路在大型计算机和小型计算机中使用相当普遍。集成电路中最重要的是内存芯片，只要馈入电源，芯片就能存储和保存数据。

当时的内存芯片能够实现数百个晶体管的功能。而其他集成电路则不是用来存放通过集成电路的数据，而是用于在程序控制下以某种方式来修改数据，以便对数据执行简单的数学运算或逻辑运算。后来到了70年代初期，对电子计算机迅速增长的需求，导致功能强大得多的新型计算机芯片的问世。