大約在70多年前,當物理學家沃爾特·布拉頓像往常一樣寫下他的實驗日記時,他不曾預料,一個時代即將開啟。?
在沃爾特記錄下的這場實驗中,主角是一個比火柴棍短且粗的半導體放大器。后來,它被命名為點接觸式晶體管。點接觸式晶體管成了人類打開晶體管大門的第一把鑰匙。而這扇大門推開后,迎來的是一場信息技術(shù)的大變革。今天的節(jié)目,我們就從晶體管開始說起。?
隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,晶體管已經(jīng)變得幾乎無處不在。它是一種固體半導體器件,科學家們把它當做磚瓦,搭建出一個個虛擬世界。以晶體管為基礎(chǔ)的集成電路,被人們長期依賴。?
晶體管誕生之前,已經(jīng)有了電子管,或者叫真空管。電子管具有信號放大作用,但是存在一些短板,例如,壽命短、體積大、可靠性也比較差。所以,科學家們希望找到一種器件替代電子管。這個探尋過程,我們需要先來了解一下美國的貝爾實驗室。?
貝爾實驗室在1925年創(chuàng)建。成立初期,它是世界上規(guī)模最大的工業(yè)實驗室。3600名工作人員中,有2000名是技術(shù)人員。?
20世紀四五十年代,為了適應(yīng)時代的發(fā)展環(huán)境,貝爾實驗室進行了各個研究部門的改組。這次改組中,物理部門成立了3個研究小組,其中之一就是固體物理研究組。這個組又分為半導體和冶金兩個小組,麻省理工大學博士肖克萊兼任半導體小組組長。他把小組的研究計劃,定為研制“半導體放大器”。半導體指的是常溫下導電性能介于導體和絕緣體之間的材料,比如硅和鍺,就是常見的半導體材料。?
貝爾實驗室對晶體管的構(gòu)思由來已久。晶體管的誕生,是長期積累的結(jié)果。在清華大學微電子所所長魏少軍看來,要理解晶體管的工作原理,可以想象一個大壩的水閘。當大壩閘門合上,沒有水流出,水力發(fā)電機就沒有辦法發(fā)電;當閘門打開,水流涌出,水力發(fā)電機就可以輸出電流。閘門的開合直接影響到了水力發(fā)電機的運轉(zhuǎn),這就是用一個弱信號,去控制了一個強信號。而晶體管的基本原理,就是“放大”,用小電流去控制大電流。?
在提到晶體管的重要性時,魏少軍這樣說道:“從移動計算到智能計算,當今時代的種種變化,都離不開電子信息系統(tǒng)。而晶體管,是其中最為基礎(chǔ)的器件。晶體管之于信息革命,如同鐵器之于農(nóng)業(yè)革命,如同蒸汽機之于工業(yè)革命,它的重要性怎么強調(diào)都不為過?!?/strong>?
在物理學家眼中,晶體管應(yīng)該被拿來做更多的事情。不過前提是,它要足夠小。所以,如何找到一種高效的晶體管、導線和其他器件的連接方法,是研究人員面臨的直接問題。?
大約在1958年左右,美國的兩名年輕人提供了自己的方案,也就是我們今天已經(jīng)熟知的集成電路。如果說,晶體管的誕生,是蝴蝶扇動了翅膀。那么,我國也敏銳地嗅到了技術(shù)風暴來襲的信號。?
事實上,我國集成電路的研發(fā),起步也并不算晚。?
20世紀50年代中期,也正是我國開始實施第一個五年計劃期間。半導體這門新興科學技術(shù)受到了高度重視。1956年,在沒有技術(shù)資料和完整設(shè)備的條件下,我國成功研制出了首批半導體器件——鍺合金晶體管。到1965年的時候,我國又擁有了集成電路。?
對于階段性的技術(shù)發(fā)展,中科院微電子研究所所長葉甜春感慨道:“說起我國第一代半導體人,那真是非常了不起。他們帶著知識歸國,自己研制設(shè)備,自己制備材料,自己培養(yǎng)了第一批學生,完全白手起家。前20年,我國集成電路和國際上的差距并不大;但在第二個20年,道路開始曲折。差的不在技術(shù),而是產(chǎn)業(yè)。這個時候,發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),可謂難上加難。產(chǎn)業(yè)發(fā)展不起來,技術(shù)研發(fā)也步履維艱,陷入惡性循環(huán)。我記得,1986年自己剛?cè)爰呻娐愤@一行時,整個行業(yè)都處在痛苦的轉(zhuǎn)型期。大家還在學習高質(zhì)量低成本地批量制造產(chǎn)品,在混沌中摸索。”?
在20世紀八九十年代,國際集成電路產(chǎn)業(yè)開始快速發(fā)展。而我國在這一領(lǐng)域真正的轉(zhuǎn)折點,發(fā)生在2008年。這一年,國家科技重大專項啟動。例如,“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”、“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”等專項,都指向了集成電路。5年后,我國在這一領(lǐng)域的技術(shù)儲備到了一定程度,加大產(chǎn)業(yè)投入,也就被提上議事日程。?
到了2014年,我國發(fā)布了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》,這時,還專門設(shè)立了國家產(chǎn)業(yè)投資基金。中科院微電子研究所所長葉甜春總結(jié)發(fā)展成果的時候,說出了自己的一些看法:“效果一下子就顯現(xiàn)出來了。為什么能這么快?因為技術(shù)體系已經(jīng)建立起來了,能支撐產(chǎn)業(yè)體系的快速發(fā)展了。這是一套組合拳,堪稱完美。”?
雖說我國集成電路的設(shè)計和制造,還處在起步發(fā)展階段。但是,畢竟集成電路的發(fā)展,需要全球化的產(chǎn)業(yè)環(huán)境,需要巨額投入,也需要大量技術(shù)人才。這些,都是沒有辦法一蹴而就的。?
從我國半導體行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計來看,2016年我國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額達4335.5億元,比上年增長20.1%,這一增長速度算得上“高歌猛進”。不過,清華大學微電子所所長魏少軍的看法是,這4000多億元的銷售額,還包括了在華外商的貢獻。我們自身的能力還有限。根據(jù)他的判斷,我國自己生產(chǎn)的集成電路,大約可以滿足國內(nèi)需求的1/4。?
如果從技術(shù)水平上來看,我國最新的集成電路技術(shù),跟國際上最新技術(shù)水平,還差了一代到兩代。但葉甜春所長認為,糾結(jié)在這個最新技術(shù)的代際差異上,其實是一種誤區(qū),并沒有太大意義。比如,如今依然在大量生產(chǎn)的55納米、40納米和28納米芯片,進入市場已近10年,但它們并沒有因為更小尺寸芯片的出現(xiàn),就退出歷史舞臺。?
根據(jù)葉甜春所長介紹,集成電路尺寸縮小速度確實很快,但并不是下一代對上一代的完全替代。每一代技術(shù)都有大約10年的生命周期。我國55、40、28納米三代成套工藝已研發(fā)成功并實現(xiàn)量產(chǎn),而更先進的22、14納米先導技術(shù)在研發(fā)上也取得了突破,形成了自主知識產(chǎn)權(quán)。所謂趕超,也無需要求在各個領(lǐng)域全面超越,只要我國的集成電路能夠支撐我國信息化和智能化的發(fā)展就可以。?
站在新時代,我們回望微電子技術(shù)的發(fā)展,可以肯定的是,這場由晶體管開啟的信息技術(shù)變革,將會更深、更廣地重塑人類社會。未來,芯片的重要性也將會呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。在集成電路技術(shù)領(lǐng)域,我們有了“戰(zhàn)”的能力,雖然能力有限,但和以前相比,大不一樣了。用葉甜春的一句話說,天時地利人和,沒有理由超不過別人,這只是時間早晚的問題。她常說到一個詞,叫做“傳承”。的確,正是因為一代又一代半導體科研人員的砥礪前行,才有了我國在微電子技術(shù)上的新局面。?
好了,今天的科學故事我們就先講到這里。獲取更多精彩內(nèi)容,您可以在手機微信客戶端搜索“feichangkexue”的拼音關(guān)注我們。下期節(jié)目再見。?
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