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晶体管诞生70年,回首中国集成电路来时路

2017-12-15 10:50:24来源: 科技日报 关键字:晶体管

  “时间:1947年12月16日

  日记号:38139-7”

  70年前,当物理学家沃尔特·布拉顿像往常一样写下他的实验日记,他不曾预料,一个时代即将开启。

  这场实验的主角是一个比火柴棍短且粗的半导体放大器,后来,它被命名为点接触式晶体管

  点接触式晶体管成了人类打开晶体管大门的第一把钥匙。大门推开后,一场信息技术革命席卷全球。

  70年后,晶体管已经变得几乎无处不在。人类以其为砖瓦,搭建出一个个虚拟世界。我们至今仍未找到晶体管的替代品,以其为基础的集成电路,还将被人类长期依赖。

  晶体管的问世,人类微电子革命的先声

  晶体管诞生之前,人们已经有了电子管,或者叫真空管。

  电子管具有信号放大作用,但是毛病一箩筐——寿命低、体积大、可靠性差。

  所以,人们希望找到一种器件替代电子管。美国电话电报公司(AT&T)下属的贝尔实验室成了寻找路上的开路先锋。

  贝尔实验室创建于1925年。成立伊始,它就是世界上规模最大的工业实验室。3600名工作人员中,有2000名是技术人员。

  1945年7月,二战临近结束,为了适应战后研究方向的调整,贝尔实验室进行了各个研究部门的改组。

  这次改组中,物理部门成立了3个研究小组,其中之一就是固体物理研究组。该组又分为半导体和冶金两个小组,麻省理工大学博士肖克莱兼任半导体小组组长。他将小组的研究计划,定为研制“半导体放大器”。

  半导体是指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料,像硅和锗,就是常见的半导体材料。

  清华大学微电子所所长魏少军说,要理解晶体管的工作原理,可以想象一个大坝的水闸。

  当大坝闸门合上,无水流出,水力发电机就无法发电;当闸门打开,水流涌出,水力发电机就可以输出电流。“闸门的开合直接影响到了水力发电机的运转,这就是用一个弱信号,去控制了一个强信号。”而晶体管的基本原理,就是“放大”,用小电流去控制大电流。

  贝尔实验室对晶体管的构思由来已久。晶体管的诞生,是长期积累的结果。从诺贝尔奖的归属来看,荣誉最终给了3个人——肖克莱、布拉顿和巴丁。

  1947年12月16日,摆在布拉顿和巴丁面前的,是一个多次改进后的、构筑在锗晶体之上的器件。锗晶体表面,用一根弹簧压着一个两边包裹着金箔的三角形塑料楔子。这两边的金箔,就是信号的输入端和输出端。

  就是它,在那天的实验中,成功放大了30%的输出功率和15倍的输出电压。

  用现代标准来衡量,这点触式晶体管的原型实在太过质朴笨拙,但无可否认,它就是人类微电子革命的先声。

  在它之后,又有双极型、单极型晶体管和硅晶体管相继问世。

  “从移动计算到智能计算,当今时代的种种变化,都离不开电子信息系统。而晶体管,是其中最为基础的器件。”魏少军说,晶体管之于信息革命,如同铁器之于农业革命,如同蒸汽机之于工业革命,“它的重要性怎么强调都不为过。”

  起步不晚的中国,还是落后了

  晶体管应该被拿来做更多的事情,不过前提是,它要足够小。

  如何找到一种高效的晶体管、导线和其他器件的连接方法?1958年左右,美国两位30岁出头的年轻人,各自拿出了自己的解决方案——就是我们今天已经熟知的集成电路。

  如果说,晶体管的诞生,是蝴蝶扇动了翅膀,那么,远隔大洋的中国,也敏锐地嗅到了风暴来袭的信号。

  中国的起步并不晚。上世纪50年代中期,正值我国开始实施第一个五年计划。半导体这门新兴科学技术受到了党和政府的高度重视。1956年,在没有技术资料和完整设备的条件下,我国成功研制出了首批半导体器件——锗合金晶体管。1965年,我国又拥有了集成电路。

  “说起我国第一代半导体人,那真是非常了不起。”中科院微电子研究所所长叶甜春感慨,“他们带着知识归国,自己研制设备,自己制备材料,自己培养了第一批学生,完全白手起家。”

  头20年,我国集成电路和国际上的差距并不大;但在第二个20年,道路开始曲折。

  差的不在技术,而是产业。一个还没有完成工业化的国家,刚刚从计划经济时代走出,还不知道如何组织大规模商品生产。此时,还想更进一步,发展高新技术产业,更是难上加难。

  产业发展不起来,技术研发也步履维艰,陷入恶性循环。叶甜春记得,1986年自己刚入集成电路这一行时,整个行业都处在痛苦的转型期。大家还在学习高质量低成本地批量制造产品,在混沌中摸索。

  上世纪八九十年代,国际集成电路产业开始起飞。“这是国家发展阶段的差异,也没什么好埋怨的。”叶甜春坦言。

  真正的转折点,发生在2008年。

  那一年,国家科技重大专项启动。“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”等专项都指向了集成电路。5年后,技术储备到了一定程度,加大产业投入,也就被提上议事日程。

  2014年,国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》,设立国家产业投资基金。“效果一下子就显现出来了。为什么能这么快?因为技术体系已经建立起来了,能支撑产业体系的快速发展了。”叶甜春总结,“这是一套组合拳,堪称完美。”

  到了能打大战役的时候了

  2017年1月,晶体管诞生之国美国,在一份报告中将矛头对准了中国。

  美国总统科技顾问委员会称,中国的芯片业已经对美国的相关企业和国家安全造成了严重威胁,建议美国总统下令对中国的芯片产业进行更加严密的审查。

  为什么?我国集成电路产业规模在世界占比非常小,算是“小透明”,就算有一些跨国并购,但交易额也完全不够看,何至于引起这么高的警觉?

  “因为资本的背后,是我们自己真正的技术体系和产业体系在做支撑。”叶甜春说,“他们认为,一旦发展起来,就不可阻挡。我们有核心竞争力了,人家就害怕。”

  实际上,我国集成电路一直都在国际上的打压和遏制中求生存。产业还在起步阶段,就有“巴黎统筹协会”对我国所需的新技术、新设备进行封锁禁运。当上世纪80年代后期“巴黎统筹协会”解体之后,又有“瓦圣那协定组织”继续对我国新兴技术和新兴产业进行封锁限制,它们只允许放行比经济发达国家滞后两代的集成电路技术和设备。

  “西方国家有点神经过敏。”魏少军的看法略有不同,“中国打赢集成电路这场仗没那么容易。”集成电路产业的发展,需要全球化的产业环境,需要巨额投入,也需要大量人才。这都无法一蹴而就。

  从中国半导体行业协会的统计来看,2016年我国集成电路产业销售额达4335.5亿元,比上年增长20.1%,这一增长速度算得上“高歌猛进”。不过,魏少军提醒,这4000多亿元的销售额,还包括了在华外商的贡献。“其实我们自身的能力还相当有限。”他判断,我国自己生产的集成电路,大约可以满足国内需求的1/4。

  从技术上来看,我国最新的集成电路技术,跟国际上最新技术还差了一代到两代。不过,叶甜春认为,纠结于这个最新技术的代际差异,是一种误区,并没有太大意义。

  比如,如今依然在大量生产的55纳米、40纳米和28纳米芯片,进入市场已近10年,但它们并未因为更小尺寸芯片的出现就退出历史舞台。

  “集成电路尺寸缩小速度确实很快,但并不是下一代对上一代的完全替代。每一代技术都有大约10年的生命周期。”叶甜春表示,我国55、40、28纳米三代成套工艺已研发成功并实现量产,而更先进的22、14纳米先导技术在研发上也取得突破,形成了自主知识产权。“所谓赶超,也无需要求在各个领域全面超越,只要我国的集成电路能够支撑我国信息化和智能化的发展即可。”

  可以肯定的是,这场晶体管开启的信息革命,将更深、更广地重塑人类社会。“未来,芯片的重要性只增不减。”魏少军强调。

  而回首来路,叶甜春常说“传承”。一代一代半导体人的砥砺前行,才有中国今天的局面。

  今天是个怎样的局面?他抬起头,望向远方,带着笑意。“可以打大战役了。我们有了‘战’的能力,虽然能力有限,但和从前相比,大不一样了。天时地利人和,没有理由超不过别人,这只是时间早晚问题。”(记者 张盖伦)

关键字:晶体管

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/manufacture/article_2017121520674.html
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