郑磊芯片是后工业时代最杰出的科技创新之一，是信息时代之母。近年芯片
2023-06-26 07:17:49
书评丨芯片中的创新法则
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郑磊
芯片是后工业时代最杰出的科技创新之一，是信息时代之母。近年芯片的生产和使用使得这个领域广受关注。国内资深芯片研究专家汪波博士的新作《芯片简史》，深入浅出地描绘了芯片发展历程中的精彩瞬间，颇具故事性，而且配了多幅照片和示意图，是一部有很强知识性和启发性的科普著作。
从芯片发展过程，我们可以清晰梳理出基础科学突破和科技创新的脉络和进路，更深入理解创新方法论以及企业与政府在创新中所起的作用。对半导体导电机理的研究开始于上世纪30年代初，当时量子物理学已经成形。大量欧洲物理学家移民美国，也带去了最新的半导体能带理论。战争需求推动了半导体研究加快发展。雷达接收器需要达到更高频率和分辨率，必须用一个更好的单向整流部件替代真空二极管。为此美国政府投入了30亿美元，比原子弹项目还多出10亿美元。私营的美国电报电话公司下属的贝尔实验室参与了磁控管和硅半导体整流器方面的研究。很快，美国科学家做出了耐高压的锗整流器，使雷达性能大幅提高，在战争中发挥了重要作用。后来半导体芯片的研究需求和订单也是来自美国军方，仙童、德州仪器等众多民营企业从不同技术路径提供了自己的解决方案和样品。
书中还披露了很多外界鲜为人知的逸闻趣事。比如，在半导体内部而不是表面观察到了单向整流现象。贝尔实验室从事的是基础理论和工程实践紧密结合的项目。实验室一位冶金专家发现，用手电筒照亮硅棒的一瞬间出现了单方向的电流。这支硅棒是将纯度99.8%的硅料融化后切下来的一段，由于两种杂质密度不同，加热融化后会分离，而这位冶金专家切下来的这段硅棒的两端正好是两种杂质沉积的地方。正是这个机缘巧合让物理学家布拉顿想到两端分别混有正负电荷，因而形成了“能量斜坡”，这是半导体内部导电的基本原理。布拉顿进一步猜测能量斜坡被一道闸门挡住了，光照能量能够打开闸门，让电子流过斜坡，使用电压也能控制这个闸门。战后，贝尔实验室两位理论物理学家肖克利、巴丁和实验物理学家布拉顿合作攻关半导体放大器。肖克利先提供了场效应思路，在尝试了两年以失败告终之后，巴丁和布拉顿独辟蹊径，做出了第一个点接触半导体晶体管。肖克利在这个基础上提出了结型晶体管的设想，解决了前者无法大规模制造的问题。最终，这三位都获得了诺贝尔物理学奖。
从实验室样品到大规模制造，需要工程技术的创新，贝尔实验室先后完成了锗单晶棒拉伸、区域精炼法和富勒扩散法，与德州仪器公司合作做出了硅单晶棒和成本更低的硅晶体管。仙童半导体公司设计出了能够用于军工产品的平面晶体管，利润丰厚的军工订单足以让尝鲜的半导体企业生活过得非常滋润。但是，如果想打入民用市场，就必须在晶片上集成更多的元件，需要在很小空间里容纳成百上千条线路。先是德州仪器的工程师基尔比在一块晶片上做出了第一个移向振荡器集成电路，但是没能解决元件之间的互连。仙童公司想出用绝缘的二氧化硅将元件和电路连线隔离，用铝线通过光刻开孔将元件连起来，之后又解决了电气隔离问题。
仙童公司从火热销售的半导体晶体管业务中分出一部分资源去发展集成电路芯片业务上产生了分歧。而作为半导体技术策源地的贝尔实验室也认为集成电路在经济上不合算。最终，仙童公司的一些集成电路项目骨干辞职另外成立了专门生产集成电路的公司。这类放弃重大创新机会的案例有很多，尤其是拥有成熟产品的企业，一方面担心新产品会影响现有产品的销售，另一方面也不愿意在高风险的新领域投入资金。仙童公司后来改变初衷，成了集成电路行业龙头企业。另一家龙头企业是德州仪器。令人惊讶的是，在德州仪器和仙童公司的集成电路核心研发人员中，有多位华裔和亚裔科学家，如张忠谋、萨支唐、姜大元等。他们促成了大规模集成电路发展的一个重要进步——攻克MOS场效应晶体管，并在美国之外成功建立了大规模生产基地。在这之后，全世界目睹了集成电路元件数量每年翻番的奇迹。而这带来的变化是计算机尺寸变得非常小，小到只有巴掌大，而计算能力却以指数规模提升。人工智能大模型的脱颖而出也是拜算力提升之功。
这本书给我们很多启示，基础科学的突破是技术创新的前提，中国人的才智在芯片科技创新中表现突出，民营科技企业充满创新活力，政府支持和引导对于扶持科技创新企业在初期抵御风险方面具有不可或缺的作用。而所有创新，无论是基础科学还是工程技术，需要的都是解放思想和大胆实验。
（作者系萨摩耶云科技集团首席经济学家）
