[电子杂谈]

从美国集成电路的发展历程看“中国芯”的困境

2018-5-18 11:04:05 2353 光耦

0 近日，饭统戴老板的文章刷屏了，文章更多是从产业历史，家国情怀，产业投资等角度叙述的。我不否认这些很重要，但从美苏日台韩的经验教训来说，靠这些根本不够的。本来这是我的一个系列文章：试图回顾美国芯片技术发展的历史，带来一些启发。本想等一起写完再全部放出来的，但是现在为了“中国芯”大讨论提供一些观点，提前整理放出来一篇。芯片技术并不是外星科技，而是人类科技发展到一定程度，智慧的高度结晶，每一次进步都有它的内在逻辑。今年中兴断芯的危机，引发了一场全民大反思，为什么中国缺芯？其实在芯片方面，即使很多核心科学技术方面远超中国的前苏联也远远落后于西方国家。 20世纪的科技革命首先，我们回顾一下20世纪发生的技术革命： 20世纪人类首先经历了无线电技术革命，发明了电报，电话等技术。因为无线电技术的广泛使用，又催生了真空电子管技术。第二次世界大战，冷战中的太空竞赛，推动了军事技术的革命。军事技术的革命，催生了集成电路产业革命。由于芯片技术的成熟，又催生了个人电脑的技术革命。当个人电脑技术革命完成之后，又催生了互联网的革命。进入二十一世纪，其实还可以加一个移动互联网的的革命。每次技术革命浪潮，都是以前面的一个技术革命为基础。由于中国的历史原因，几乎错过了所有的技术革命，只抓住了互联网革命的尾巴，并在此基础上快速抓住了移动互联网革命，一下子走在了世界前列。然而这些优势都是建立在前面几场技术革命基础上的，如果今天美国及其盟国，对中国进行最严格的禁运：大部分的PC技术革命的成果不复存在。因为中国没有扎实地走过PC革命这一步，从硬件到操作系统，从行业软件到通用软件都没有拿得出手的产品。联想是个典型的例子。大量依赖于集成电路的产品都无法顺利研发与生产。因为中国没有扎实走过集成电路革命这一步，即便是落后的生产线，也是依赖于进口设备。如果谈航空发动机的问题，那还要补机械，材料，数学，力学的课。如果缺课后没有认真补课，那么期末考试的时候都要还会来的。电子管时代 1883年，爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料，曾做过一个小小的实验。结果，他发现了一个奇怪的现象：金属片虽然没有与灯丝接触，但如果在它们之间加上电压，灯丝就会产生一股电流，射向附近的金属片。爱迪生效应这股神秘的电流是从哪里来的？爱迪生也无法解释，但这不妨碍他不失时机地将这一发明注册了专利，并称之为“爱迪生效应”。虽然后来，有人证明电流的产生是因为炽热的金属能向周围发射电子造成的。但最先预见到这一效应具有实用价值的，则是英国物理学家和电气工程师弗莱明（Sir John Ambrose Fleming）。 1904年弗莱明利用爱迪生效应搞出来的第一个二极管（Diode），并获得了专利。这个二极管干可以用来做无线电电报的检波器。二极管这个东西在实验室中很好，但是一到实际应用场合就不很稳定。第一个二极管 1904年10月份二极管专利原文 1906年美国发明家，Lee de Forest （这个人故事很多）在二极管的灯丝之间巧妙加了一个栅板，从而发明了第一个真空电子三极管。（grid Audion）用于检波放大。我估计Lee打死也没有想到他这个发明的意义。三极管的专利原文 1907年1月提交但是早期的真空三极管真空度不高，导致性能不稳定。 1912年，美国通用电气公司和美国电话电报公司合作研制出了高真空电子三极管，电子三极管的应用进入快车道。这是具有划时代意义的产品，直接创造出了广播，电视，计算机等行业，是今天电子产品的奠基石。第一台电子计算机 ENIAC 1943年，当二战激战正酣时，美军迫切需要高速计算工具，以计算炮弹的弹道。在迅速获得15万美元的预算后，速度成为第一诉求，继电器在收到信号后因为有百分之一秒延时而拖慢计算速度注定要被抛弃。真空三极管无机械结构，让计算机可以快速的通过控制栅极电流，来开启或关断电子管两端的电流，获得比继电器速度快成千上万倍的开关速度。这对于提升当时计算机的速度大有好处。正因为这样的优势，让电子管击败继电器，成为早期计算机的核心运算部件。第一台电子计算机用了：17468个电子三极管、7200个电子二极管。电子管比继电器的优点，快，显而易见。但是在制造ENIAC的过程中电子管的问题也暴露出来了，傻大笨粗。 ENIAC总重达30吨！晶体管时代二战结束后，美国贝尔实验室成立了一个固体物理研究小组，他们试图要制造一种能替代电子管的半导体器件，天才兼人渣威廉肖克利任组长。肖克利是一位人渣，但不妨碍他也是一位天才。此人能力很强，但是人品和管理非常糟糕，这也为后来肖克利实验室的失败埋下了伏笔。但是此人的能力绝对一流的。 1936年他在导师Davisson的指导下发表了多篇固体物理论文，并于1938年获得第一个专利“电子倍增放大器”。 1939年他还设计了第一个场效应管，尽管当时这个器件没有被制造出来，但是这个模型在集成电路中广泛使用。贝尔实验室就对半导体材料进行了研究，发现掺杂的半导体整流性能比电子管好。因此小组把注意力放在了锗和硅这两种半导体材料上。在肖克利的领导下，他们尝试、失败、再尝试、再失败。 1947年12月15日，这种实验结出了硕果：他们用刀片在三角形金箔上划出了两道极细的缝隙，然后两边分别接上导线，用弹簧将其压进锗块表面。这是一个由锗、电池、金线、弹簧、纸板、组成的小装置。连好线后，当锗块上的两个接触点越来越近时，他们观察到了电压放大作用：1.3v电压被放大了15倍！改变历史的第一个晶体管诞生了。贝尔实验室第一个点接触式晶体管在贝尔实验室申请专利的时候，专利律师认为，肖克利的一项专利与新发明的专利之间有冲突，所以没把他加上。肖克利火了，晶体管的诞生是基于他的理论，晶体管的研究他也直接参与了，但是最后专利上没有他的名字。他一生气，自己关了一个月后，在1948年1月23日，提出了更为先进可行的结晶型晶体三极管构想（Junction transistor）。 1950年11月，第一只结晶型三极管研制成功。这是今天所有集成电路的鼻祖。同时他还出版了一本书，详细阐述了结晶型半导体器件的理论和原理。让所有人都知道到底谁是晶体管之父。肖克利的天才让他靠这个成果，赢得了诺贝尔奖。但是他的人渣特性，也让贝尔实验室的研发团队遭受重大挫折。但这不妨碍，晶体管开始逐渐替代电子管。最直接的产品就是收音机。 1950年代，第一代的晶体管收音机，大大降低了成本和体积而相比较的是中国，在1960年代还在大规模生产电子管的收音机，很晚才大规模生产出晶体管收音机。上海144电子管收音机集成电路时代-从实验室到市场在1950年代末，美苏进入太空竞赛阶段。苏联早早地把人送上了太空。美国急需将各种设备小型化，需要把大量电子管的产品替换成晶体管的产品。早期的晶体管技术还是实验室技术，离大规模生产还有一大段距离。国内经常有一种错觉：我们用集中力量办大事的模式，在实验室搞出一个产品，就真的“填补了国内空白，达到国际先进水平”。从实验室到市场有非常长的路要走，也是最难走的。晶体管之父肖克利在发明三极管后离开了贝尔实验室，去找了一批最优秀的科学家准备产业化生产晶体管。可惜肖克利这个人相当mean，管理能力一塌糊涂。从肖克利实验室中分裂出了大名鼎鼎的“仙童八叛将”。仙童八叛将（3位是移民）这八个人中有一位Kleinier ，找到了负责他爸爸企业银行业务的纽约海•登斯通投资银行（Hayden Stone & Co。）。他们给投资银行去了封信，附了一份投资计划（BP）计划书除了提到他们曾在诺贝尔奖得主及晶体管发明人手下工作过。这份计划书，转到了投行员工Arthur Rock的手上，他敏锐地发现了其中的机会。Rock认为他和这8个人一起成立公司，开发半导体器件。 Rock说服自己的老板Coyle一起去加州见这8个人。Kleiner说，他们计划用硅产业化制造晶体管，如果成功，将是一场电子工业革命！两个银行家被打动了，Coyle说，我没有准备协议书，拍出10张一美元的纸币，哥们，要入伙的，在上面签字。仙童八叛将与两位银行家在1美元纸币上签了名字。硅谷第一家真正意义上的由风险投资资本投资创业的半导体公司诞生了！收藏在斯坦福图书馆的签名版1美元纸币 1957年9月18日，八个年轻人向肖克利辞职。肖克利没想到，他这些员工居然不感恩戴德，反要辞职。肖克利大怒，称他们为“叛逆八人帮”（traitorous eight）。肖克利创造的“叛逆八人帮”一词，很快成了一个硅谷传奇、一个高科技传奇、一个美国传奇。这种叛逆精神成了硅谷的一种全新的创业精神，影响了几代硅谷人。美苏冷战给仙童带来了巨大的发展机会，仙童公司的销售在报纸上得知IBM在为空军设计导航计算机，但是找不到合适的晶体管。德州仪器的硅管没能通过IBM测试。仙童公司迅速抓住了机会，通过大股东的关系，找到了IBM，拿到了第一张订单：IBM向仙童以每个150美元的价格，订购100个硅管。半年后，仙童八叛将，将100个双扩散NPN型晶体管交付给IBM。这时是1958年，公司成立仅仅1年！虽然，传统的电子管替换成晶体管，减少了体积。但是随着晶体管越堆越多，新的问题出现了：电路中器件和连线也越来越多，电路的布线和响应都遇到了瓶颈。唯一的出路就是缩小电路尺寸。 1958年，仙童八叛将之一的Jean Hoerni发明了平面工艺，解决了晶体管的绝缘和连线问题。技术上解决了把晶体管拍平放在同一个晶片上的问题。 1959年1月23日，仙童八叛将之一的Noyce，写下了：如何制造集成电路问题，可以把不同的元件制作在一块晶片上，然后用平面工艺再把各个元件连接起来。这样，就可以在一个硅片上实现一个逻辑电路。大大减少了尺寸，布线，功耗，成本。而与此同时1958年7月24日，德州仪器TI的Kilby在工作笔记中也写道： “由很多器件组成的极小的微型电路是可以在一块晶片上制作出来的。由电阻、电容、二极管和三极管组成的电路可以被集成在一块晶片上。”而且他在笔记中记录了大概的工艺构思。 1958年8月28日，Kilby把他自己的设想实现了：很快他对电路做了一些改进。在这个时间节点上很多有技术实力的公司都在冲刺集成电路。一家叫RCA的公司，准备在1959年初递交集成电路专利。TI非常紧张，赶紧帮Kilby 准备了宽泛的专利，于2月6日交给了专利局。而此时仙童公司也在1959年2月提交了集成电路的专利申请书，但是强调了仙童的集成电路使用平面工艺来制造集成电路的。 1959年8月仙童公司展示的第一块商业集成电路 TI和仙童公司进入旷日长久的专利诉讼。最后的结果是，法庭将集成电路的发明权授予了TI的Kilby，内部连线技术专利授予了Noyce。相当于承认他们两人是集成电路的共同发明人。1966年，双方达成协议，承认对方享有部分集成电路发明专利权，其他任何生产集成电路的厂商，都要从TI和仙童取得授权。从此人类社会进入集成电路时代，摩尔定律一步一步提高晶体管的集成度。今天随便一个PC的CPU内部都是10亿以上的晶体管。而在集成电路这次技术革命上，中国和苏联已经在科技树上走到叉道上去了。苏联的芯片之痛前苏联的科学家一直是非常出色的，在跟踪了西方发展之后： 1953年，就搞出了苏联第一批的点接触锗型晶体管。 1955年，面接触锗型晶体管问世。 1956年，硅晶体管问世，比美国仅仅晚了6年。但是苏联在科技上走的很多一些弯路是学阀造成的。最典型的例子是苏联生物学中李森科，极大阻碍了苏联的生物学发展，凡是不同意见，哪怕仅仅是学术意见不同，统统封杀。苏联的集成电路的产业化在苏联内部遭到了各种阻力，有些是出于部门利益，有些是出于无知，有些是出于学术分歧。苏联半导体权威约飞院士都不支持锗半导体研究，据复旦大学物理系教授王讯回忆1956年他在中国科学院物理研究所进行半导体研究实习的时候说：当时国内的锗、硅半导体材料是根本没有的，在苏联也不重视对锗材料和锗晶体管的研究。苏联当时半导体界受其权威约飞的控制，只相信他们自己的研究方向，做半导体热电效应和温差发电等。国内的研究受到他们影响，因为当时国家的十二年科学规划是苏联专家帮助制订的。所以在 1955 年，我们只能做氧化亚铜，这种材料是早期发现的一种半导体材料。由于苏联国内的斗争，1956年在苏联部长会议一次讨论中，出现了“晶体管永远不会成为一个有用的东西，充其量就是做助听器，让社会保障机构去干吧！”的结论。 youtube上苏联战机内部部分设备拆机图，集成度很低然后苏联人就拼命攀爬缩小电子管这条羊肠小道去了，爬错科技树，而且不知道悔改。一直走到黑，真空电子管再也无法缩小了。然后再去爬集成电路技术已经晚了。苏联错过了集成电路革命，也就错过了计算机革命，错过了互联网革命，更不要说什么移动互联网了。继承苏联衣钵的俄罗斯，黑客的能力很强，但是整个计算机产业真是乏善可陈，芯片市场份额仅占全球1%都不到。苏联的失败例子其实对中国的科研非常有参考意义，有机会详细阐述。中国芯的出路 “中国芯”不是第一次进入公众视野了，上一次高峰在2003年前后。当时都说搞IC的将来都是金领。我同学中最优秀的那部分人，很多人选择了VLSI方向。多年以后还在IC这个行业的已经非常少了。上一波“中国芯”集中在2000年前后爆发不是没有原因的：中国市场的自身的需求以及**的扶持。前国家领导人就有从电子工业部出身的，对集成电路的方向和重要性非常清楚，国家一直对集成电路行业扶持有加，但是种下的是龙种长出的是跳蚤。 2003年前后中国的集成电路市场上大大小小玩家一堆，杭州有士兰微，上海有上海贝岭，华虹NEC，北京有中星微，大唐微电子。当初我还为了攒钱给女朋友买诺基亚手机，暑假去了某IC设计公司兼职。 2003年前后集成电路变化* 如果市场应用驱动芯片行业的健康发展，重现硅谷创新完全是可能的。但是那个时候集成电路成为了所谓风口，无数资金涌了进来，充满了各种躁动。眼见他起高楼，眼见他宴宾客，眼见他楼塌了：比如2005年凭借摄像头芯片，中星微登陆纳斯达克。中星微电子应该是国内第一个登陆纳斯达克的芯片股，然而中星微上市后，公司很快就蜕变成一个国企式伪科技企业，2015年中星微黯然退市。白白错过了中国移动互联网爆发的十年。不过创始人，混上了院士，也算如愿所偿。直到2006年陈进的汉芯事件公之于众，芯片热潮才慢慢退去。 2018年芯片热潮已经袭来，听投资人吐槽，上个月还在搞p2p的团队，这个月已经把BP改成芯片概念的了，如之奈何。如果我们重看电子管到晶体管的漫长演化，看看苏联的集成电路产业是如何落后的，我们不禁要想想，两弹一星的模式是否适用于集成电路，高铁模式是否集成电路？我们要想在集成电路领域里面赶上国际先进水平缺什么？从晶体管到电子管，我们可以看到：人才每次技术革命的发生都是一些优秀的人才，在一个一个节点上进行突破。科学家也不仅仅是美国人，有英国人，加拿大人，日本人。但是中国现在的很多行业都存在一个问题，更愿意去挖人才，而不是去培养人才。而且由于种种原因，尤其是收入的压力，使得很多人不得不放弃这个行业。知识产权保护大家都要注意到每次技术小突破后，都会有专利来保护技术的革新。发明家，创新的公司也可以依靠专利获得巨大的收益。这样能让创新的力量不断地去创新。这个我在我公号里说过无数遍了，也举了很多例子。如果知识产权保护的薄弱，那么我们不仅无法追上集成电路，将来的纳米管，量子计算等等方向上也会毫无建树。前瞻的研究，宽松的学术氛围超越电子管的未必是电子管，可能是硅管，也可能是锗管，也可能是其他。超越集成电路的也许是光计算，也许是量子计算，也许是生物计算。但肯定不是“透明计算”！李森科毁掉了苏联的生物学，约飞毁掉了苏联的集成电路。学术自由，宽松的学术氛围，才有可能培育创新。苏联有学阀，中国的大学，科研机构的近亲繁殖，学阀也不少。反过来看看美国自己顾问团给美国总统提的建议《持续巩固美国半导体产业领导地位》建议 3.1：加强人才培养和引进。全球聚集在人才密集的地方。随着技术进步和无晶圆模式的发展，推动半导体创新和生产所需的人才正在发生变化。美国应加强其本土人才的培养，同时吸引来自全球各地的人才。建议 3.2：加强对先进技术研究的投资。先进技术研究对于持续推动半导体产业发展和创新至关重要。半导体产品和计算技术的未来关键在于多维度创新：执行计算的新方法（如非冯诺依曼和近似计算），非硅材料的利用率（如用于计算和存储的碳纳米管和 DNA），以及将半导体产品集成进我们所用设备的新方法（如嵌入织物与物联网）。（关于创新机会的进一步讨论见附录 A，特别是表 A1。）这与传统的摩尔定律将大多数创新专注于定期增加一个芯片上的晶体管的数量不同。它将更专注于创新的多维度，其中许多是新颖的，并且在创新力量特别强大的美国它还能发挥作用。建议 3.3：推进公司税收改革。美国的税收制度对重资产行业高征税以遏制资本投资。半导体行业，特别是半导体制造业，是资本密集型产业。为了鼓励半导体产业以市场为导向的投资，应当在保证公平性的前提下，改革公司税制，为企业在全球竞争中营造更有吸引力的环境。小结不知道为什么国内好像对科技史一点都不感兴趣，整个中文网络对于国外科技史的发展都是只言片语，也许我们更喜欢吃桃子，而不想知道这个桃树是怎么种出来的。所以我从真空电子三极管的发明到晶体管的发明，到集成电路的发明，到分析为什么苏联集成电路也没有搞起来。真正想说明几个事情：情怀不能当饭吃芯片的产业化，需要依靠无数百万年薪的顶级工程师，而不是把希望寄托在拿几千块工资骑自行车上下班的老专家们的无私奉献。如果不能正确认识这个问题，中国人只能在产业一次又一次的挫折中，去怀念那些记忆中的劳模和雷锋。（引用自网友评论）真正的高科技是抄不来的。即使是抄答案，抄完之后自己不重新做一遍，也是白搭。军工领域里最典型的例子就是枭龙vs歼八Z 没有良好的环境，创新是不会发生的。砸钱，搞收购，挖牛人，自己的产学研乌烟瘴气是搞不好集成电路的。即使抄到了最好的答案，很快也会落伍的。有时很值得想想，即便时光倒流，我们今天的环境穿越到了电子管vs晶体管的时代，以我们现在的研发土壤，用人机制，***政策，知识产权环境能否迭代出集成电路行业呢？答案是令人沮丧的。另外不要再缺席旷课了。不要再缺席旷课了。不要再缺席旷课了。 2
2018-5-18 11:04:05　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 从美国集成电路的发展历程看“中国芯”的困境 8333 • 细数＂中国芯＂的发展历程 6142 • “中国芯”产业的十年历程和国内集成电路区域发展研究（上篇） 619 • “中国芯”产业的十年历程和国内集成电路区域发展研究（下篇） 487 • 中国集成电路发展探秘 4126 • ＂中国芯＂折射集成电路产业三大特点 1014 • 大话集成电路：“中国芯”的涅槃重生 1094 • 集成电路制造的发展历程 2144 • 什么是真正的“中国芯”？ 4673 • 世界集成电路发展历程及产业结构的变化 4822 1 个讨论