集成電路是如何被發(fā)明的？

▲ 最早期的集成電路
Andrw Burton/Staff/Getty Images

也許上天有意要人類發(fā)明出集成電路（IC：Integrated Circuit），幾乎在同時，兩組人在個不知曉對方發(fā)明工作的情況下，獨立設(shè)計出幾乎相同的集成電路。

Jack Kilby，有著豐富的陶瓷基地絲網(wǎng)印制電路板設(shè)計經(jīng)驗，從 1958 年開始在 TI 公司工作，設(shè)計晶體管助聽器電路。比他早一年，Robert Noyce 參與創(chuàng)辦了仙童半導(dǎo)體公司。這兩個人，從 1958 年到 1959 年期間都在琢磨一件事情：如何用最少的器件設(shè)計更多功能的電路？

“What we didn't realize then was that the integrated circuit would reduce the cost of electronic function by a factor of a million to one, nothing had ever done that for anything before" - Jack Kilby
那時對于集成電路可以將實現(xiàn)相同功能的電子線路的價格可以減少到百萬分之一的概念我們一無所知，之前還從未有人做過 - Jack Kilby

▲  Robert Noyce，在 41 歲創(chuàng)建了 Intel 公司

為什么需要集成電路？

在設(shè)計類似于計算機這樣的電子設(shè)備，我們總是需要在電路中增加更多的元器件來推動技術(shù)的進步。單晶體集成電路（從單個晶圓形成的集成電路）可以將原來屬于分離器件的晶體管、電阻、電容以及引線都集成在單一半導(dǎo)體晶圓（芯片）上。

最初 Kilby 使用半導(dǎo)體鍺材料， Noyce 使用了硅半導(dǎo)體材料制作集成芯片。

▲ 全球第一款基于鍺半導(dǎo)體集成芯片

集成芯片專利

在 1959 年，兩組研究人員都申請了集成電路專利。Jack Kilby 連同 TI 公司以 微型電子線路申請到美國專利（專利號#3,138,743）。Robert Noyce 和仙童半導(dǎo)體公司以基于硅材料的集成芯片獲得美國專利（專利號#2,981,877）。這兩家公司在經(jīng)過幾年關(guān)于專利所有權(quán)的法律爭斗之后，握手言和，決定將他們的專利合并成交叉許可，最終形成了當(dāng)今每年萬億美元的全球集成芯片市場。

商業(yè)發(fā)布

在 1961 年仙童半導(dǎo)體公司發(fā)布了第一款商用集成電路。此后，所有計算機都使用集成芯片來替代分離晶體管電路。TI 公司則在 1962 年將芯片應(yīng)用于美國空軍機載計算機中，以及民兵導(dǎo)彈中。

后來他們使用芯片制作了第一臺便攜式計算器。最初的集成芯片只包含一個晶體管、三個電阻以及一個電阻。大小相當(dāng)于人的小手指。現(xiàn)在一個硬幣大小的集成電路就會集成有 1.25 億個晶體管。

下圖是 TI 第一款開發(fā)的商用芯片 TI 502。芯片的內(nèi)部構(gòu)造如下圖所示：

▲ 第一款商用芯片 Ti 502，連線為金屬線

下圖為它的原理圖，可以看出，這個芯片的構(gòu)造非常簡單，包含兩個晶體管、四個二極管、六個電阻和兩個電容。

▲ 第一款集成芯片對應(yīng)的原理圖

不要看這個 Ti 502 的電路如此簡單，它當(dāng)時的售價比現(xiàn)在主流旗艦處理器的售價都要高。

在剛發(fā)布的時候售價高達 450 美元，但是在一年之后真正交付的時候價格卻還遠(yuǎn)高于這個價格。

這是因為當(dāng)時集成電路是給軍方、航天領(lǐng)域用的，一般小公司都買不起，如果能讓電路板上少一個電子元器件，那么將會有一定幾率降低事故的發(fā)生，還有就是在那個年代很少有競爭的對手，因為這個東西太先進（仙童算一個競爭對手）。

▲  Jack Kilby 以及他的集成芯片

Jack Kilby 總共申請超過六十個發(fā)明專利，并被公認(rèn)為便攜式計算器的發(fā)明者（1967 年發(fā)明計算器）。1970 年被授予美國科學(xué)獎?wù)隆obert Noyce，擁有超過 16 項發(fā)明專利，創(chuàng)建了 Intel 半導(dǎo)體公司，后來制造了第一個微處理器。他們所發(fā)明的集成芯片是人類歷史上最為重要的發(fā)明?，F(xiàn)在產(chǎn)品中幾乎無不包含著集成芯片。

看完這些、你能體會到半導(dǎo)體與電路集成的偉大了嗎？