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【特稿】从美国集成电路的发展流程看“中国芯”的窘境

  文章更多是从产业历史产业投资等角度叙述的。我不否认这些很主要但从美苏日台韩的经验教训来说靠这些根本不够的。  文章更多是从产业历史产业投资等角度叙述的。我不否认这些很主要但从美苏日台韩的经验教训来说靠这些根本不够的。

  
  原本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饬放出来一篇。
  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。今年复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。

  
  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。

  原因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。原因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。

  原因中国的历史原因几乎错过了所有的技术革命只捉住了互联网革命的尾巴并在此基础上快速捉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。
  原因中国他国结实地走过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他国拿得出手的产品。

  联想是个典型的例子。
  大量依赖于集成电路的产品都无天顺利研发与生产。
  原因中国他国结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。
  如果缺课后他国小心补课那么期末考试的时候都要还回来的。
  1883年爱迪生正在为探索电灯泡最好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:金属片虽然他国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

爱迪生效应
  这股神秘的电流是从哪里来的?爱迪生也无天解释但这不反对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原因炽热的金属能向领域发射电子造成的。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

第一个二极管 1904年10月份

二极管专利原文

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打死也他国想到他这个发明的意义。

三极管的专利原文 1907年1月提交

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刀切斧砍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

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原因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。正原因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 :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露出出来了傻大笨粗。 eniac总重达30吨!
  二战间断中止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反对他也是一位天才。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他国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。因此小组把注重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。
<3v电压被放大了15倍!   转折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

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刀切斧砍参与了但是结果专利上他国他的名字。

  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宏大挫折。但这不反对晶体管起初渐渐替代电子管。最刀切斧砍的产品就是收音机。

1950年代第一代的晶体管收音机大大降低了成本和体积

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

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。

  
  我们用召集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阔别了贝尔实验室去找了一批最卓越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)

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认为他应和这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说我他国准备协议书拍出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。
  硅谷第一家真实意义上的由风险投资资本投资创业的半导体公司诞生了!

珍惜在斯坦福图书馆的签名版1美元纸币

珍惜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强盛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。仙童公司迅速捉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:
  由很多器件构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、二极管和三极管构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约略的工艺构思。
  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非常首要赶紧帮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月仙童公司露出的第一块商业集成电路

1959年8月仙童公司露出的第一块商业集成电路
  ti和仙童公司进入旷日久远的专利诉讼。结果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。
  前苏联的科学家一直是非常卓越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滞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愚笨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他国的在苏联也不注意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自豪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原因当时国家的十二年科学规划是苏联专家帮助同意的。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。
  原因苏联国内的斗争1956年在苏联部长会议一次讨论中出现了晶体管长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

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天缩小了。

  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。我同学中最卓越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。
  上一波中国芯召集在2000年前后爆发不是他国原因的:中国市场的自身的需求以及政府的扶持。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主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

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裕了各种躁动。
  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渐渐退去。
  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迎头国际先进水平缺什么?
  从晶体管到电子管我们可以看到:
  每次技术革命的发生都是一些卓越的人才在一个一个节点长进行突破。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育人才。而且原因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。
  大家都要注重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强盛的收益。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天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。学术自如宽松的学术氛围才有可能成就创新。
  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1:增强人才培育和引进。全球调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。美国应增强其本土人才的培育同时吸引来自全球各地的人才。
  建议2:增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主要。
  半导体产品和计算技术的未来关键在于多维度创新:施行计算的新方法(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特为是表 a1。)这与传统的摩尔定律将大多数创新静心于定期添补一个芯片上的晶体管的数量不同。它将更静心于创新的多维度其中许多是新颖的并且在创新力量特为强盛的美国它还能旁敲侧击作用。
  建议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。半导体行业特为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。

  
  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他国搞起来。真实想说明几个事情:
  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。

  如果不能确切意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)
  真实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
  他国杰出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。
  偶尔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府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。
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