59年前,Jack Kilby向少数几名聚集在德州仪器半导体实验室的同事展示的其实是一个并不复杂的装置——它仅仅是在一块锗片上嵌置了一只晶体管和一些其他的元件。当时在场的人员根本不会想到,Jack Kilby的发明,也就是尺寸7/16×1/16英寸的集成电路,将会在整个电子产业掀起一场革命。

问题的解答

Jack Kilby首次萌生发明集成电路的设想是在一个甚为冷清的实验室中,该实验室位于德州仪器新建成的半导体大楼内。1958年7月,当大部分员工都在享受德州仪器公司为期两周的传统假期时,初来乍到的Jack Kilby却无缘长假,只能待在车间里独自研究。

那么到底是什么让Jack Kilby开始一步步思考深究,并最终发明出集成电路呢?和其他许多发明家一样,Jack Kilby最初只是想要解决问题,而他当时要解决的问题就是“数字暴力”。

几乎整个20世纪上半叶,电子产业可以说是真空管技术一枝独秀的天下。但真空管却存在着固有的缺陷,它们易碎、笨重、可靠性低且功耗大,同时会产生相当多的热量。

直至1947年,贝尔电话实验室发明了晶体管,才解决了真空管存在的问题。晶体管的体积远远小于真空管,同时比真空管更加可靠、使用寿命更长、产生的热量更少,功耗也更小。借助晶体管,工程师得以设计出更加复杂的电子线路以及包含成千成万相互的独立元件,如晶体管、二极管、整流管和电容器等设备。即便如此,问题仍然存在,这些元件还是需要相互连接才能形成电子线路,而完全通过人工将成千上万个元件焊接到同样数量的电线上,这整个工序耗时耗力且成本高昂。又由于每个焊接接头都可能出现故障,所以实际上来看该装置也并不可靠。工程师们面临的挑战是寻找可靠的高成本效益方式来生产并将这些元件彼此相连。

美国通信兵团提出了一种尝试性的解决方案,即“微模块”计划。该计划的理念是将所有元件的尺寸和外形统一成一模一样,并将接线内嵌至元件中。之后将各个模块卡在一起,组成电路,从而省去了连接电线的需要。

走进Jack Kilby的世界

1958年,Jack Kilby加入德州仪器时,公司正在研究“微模块”计划。因为曾在密尔沃基的中心实验室做过研究,Jack Kilby对电子产业所面临的“数字暴力”问题并不陌生。但他并不认为“微模块”技术就是万全之策,因为它仍未解决复杂电路中存在着极大数量元件的这个最基本问题。

因此,Jack Kilby开始研究替代性解决方案,并在过程中发现唯一能够让半导体公司高效利用成本的技术就是半导体技术。“细想之后,我发现我们真正需要的其实就是半导体,具体来说,就是电阻器和电容器(无源元件)可以采用与有源元件(晶体管)相同的材料制造。我还意识到,既然所有元件都可以用同一块材料制造,那么这些元件也可以先在同一块材料上就地制造,再相互连接,最终形成完整的电路。” Jack Kilby在1976年发表的文章《集成电路的诞生》中写道。

1958年7月,Jack Kilby开始将所有想法整理记录下来,并绘制设计草图。到了9月份,他已经准备充分,打算演示自己的成果,即采用一整块半导体材料制成实际可用的集成电路。1958年9月12日,包括前德州仪器总裁Mark Shepherd在内的数名高管汇聚一堂,共同见证了Jack Kilby的伟大发明。他们所见到的是一块上面带有突出的电线,并粘在一块载玻片上的锗片。该装置相当粗略,但是当Jack Kilby按下开关,示波器显示屏上赫然出现了不间断的正弦波形。试验证明他的发明成功了,他彻底解决了此前一直悬而未决的问题。

早期成功

Jack Kilby的发明无疑是一项重大的突破,不过,虽然美国空军对德州仪器的集成电路技术抱有一些兴趣,但是整个行业仍持怀疑态度。实际上,集成电路及其特点“在接下来几年的大型技术大会上经常被当成笑料”,Jack Kilby如此写道。

然而,1961年与1962年,美国空军先后在计算机及民兵导弹中使用硅晶片,这些项目促使集成电路首次在军事市场占得一席之地。前德州仪器总裁Patrick E. Haggerty认识到要推进集成电路的广泛运用,必须开发一款“模范性产品”。因此,他要求Jack Kilby设计一种特殊的计算器,这种计算器的功能要丝毫不逊于当时普遍使用的大型机电桌面型计算器,同时尺寸小巧,能够放入大衣口袋中随身携带。最终Jack Kilby和其他工程师合作发明出了手持式电子计算器,成功将集成电路推向市场。

影响

Jack Kilby发明的微型芯片影响深远,没有这项发明,很多今日人们习以为常的电子产品就不会存在。可以说,芯片成就了现代计算机产业,使得昔日足有一间房那么大的计算机摇身一变成为今日我们所见的一系列主机、迷你电脑和个人电脑。

芯片重构了通信模式,使得人与人、企业与企业,甚至国家与国家之间得以通过各种全新的方式进行即时的信息交换。

  • 没有芯片,人类就无法探索太空,也不可能登上月球。
  • 芯片帮助失聪者重获听力,也是各种医疗诊断设备的“心脏”。
  • 芯片的影响力还延伸至教育、交通、制造和娱乐产业。

 

对于德州仪器而言,集成电路扮演着至关重要的角色。多年以来,德州仪器公司生产了数以十亿计的芯片。但集成电路的意义远不止于推动德州仪器的发展,它对整个行业都起到了带动作用。1961年至今,全球的电子市场产值从290亿美元增至近15000亿美元。

未来这种发展有赖于科学家不断研发出更新、更先进的技术——德州仪器带来的众多专利技术就是其中的代表。

未来展望

随着半导体技术不断进步,人们有望见识到更加不可思议的全新电子设备。也许有一天,你给日托中心打电话,就可以在手机屏幕上看到孩子的笑脸;也许有一天,工作结束之后,你来到停车场取车回家,通过车载电话就能让家中的烤箱运转起来,而当你到家的时候,晚饭已经差不多做好了;也许有一天,你可以把汽车设置成自动驾驶模式,然后在通勤回家的路上查看第二天的会议备注;也许有一天,你想看某部电影的时候,只需在网上订好票,几秒之后,你就可以在家里的电视上开始欣赏了。

这些听起来都好似天方夜谭,但借助德州仪器研发的技术,我们距离新的突破并不遥远,梦想很快就能变成现实。

 

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