必要性是發(fā)明之母，而這個必要性就是臭名昭著的“數(shù)字暴政”問題。

如果您從頭上拔出一根頭發(fā)并將其分成兩部分，則將看到橫截面區(qū)域，或者可能因為很小而看不到，因此該區(qū)域可以容納成千上萬個可以智能連接以構(gòu)建復雜電路的電子晶體管。這種制造規(guī)模非常敏感，以至于灰塵或細菌等微觀實體都可能破壞整個電路。電路集成的科學和工藝方面的進步確實令人難以置信，但對于世界各地成千上萬進行大量工作的工程師和集思廣益的半導體公司來說，這些都是“日常事務”。

圖1：過去計算機的圖像

半個世紀以前，現(xiàn)在的“日常事務”只是理論上的可能性。請記住，曾經(jīng)有一段時間，計算機只有一個大房間。計算機越復雜，容納真空管電路所需的空間就越大，電路的可靠性就越低。這些是電子行業(yè)每天都無法解決的問題。我們?nèi)绾蚊撾x厚重的真空管的復雜迷宮，如何實現(xiàn)當今的納米級集成，都離不開集成電路的發(fā)明。而這個發(fā)明遵循一條古老的格言：必要性是發(fā)明之母。

需要本發(fā)明的是臭名昭著的“數(shù)字暴政”問題。

數(shù)字暴政

貝爾實驗室早在1950年代就已經(jīng)開發(fā)出小型且可靠的晶體管。人們認為，如果減小電子元件的尺寸，則所有與體積有關的問題都將得到解決，并且創(chuàng)建復雜的電路將是輕而易舉的。然而，伴隨小型化存在未曾預料到的問題。

第一個問題是如何減少錯誤的電路連接。

電路不僅涉及其組件，還涉及其連接。為了使任何電路正常工作，連接必須穩(wěn)定——電子（電流）通過它們從一個組件流到另一個組件。連接是互動的渠道，容易出錯的通道會使整個電路失效。

那時，電路是手工制作的，勞動者用金屬線將不同的組件焊接到真空管上。當組件的尺寸減小時，很明顯，手動組裝微小的半導體組件會導致錯誤的連接。錯誤是不可避免的，并且沒有辦法進行質(zhì)量檢查。

第二個問題是尺寸。

復雜的電路依賴于速度。如果金屬線太長，電信號的移動速度將不夠快。這將使電路效率低下。

這兩個問題加在一起就是數(shù)字問題，即臭名昭著的數(shù)字暴君。簡而言之，該問題表明，任何高級電路都將具有如此多的零件和連接，以至于不可行。

解決方案的預言：沒有連接線

英國無線電工程師Geoffrey Dummer早在1942年就已經(jīng)樂觀地解決了這些問題。他說：“隨著晶體管的出現(xiàn)以及整個半導體領域的工作，現(xiàn)在看來可以將電子設備設計成沒有連接線的堅固塊。該模塊可以由絕緣，導電，整流和放大材料層組成，電氣功能通過切掉各個層的區(qū)域來連接?！?/p>

他是“集成電路的先知”——可以看到集成電路在不久的將來出現(xiàn)的人。他為這個明顯的問題提出了理論上的解決方案：無連接電路。但正是在兩位工程師的手中，他們同時在同一個國家的不同實驗室中工作，這一預言才開始成形。

杰克·基爾比的杰作–單片IC

1958年夏天，德州儀器（TI）關閉了整個公司的兩周假期。他們每年都這樣做。1958年，盡管他們有一個新員工，但他尚未獲得假期。杰克·基爾比（Jack Kilby）應該在工作。因此，為了充分利用自己的時間，他全神貫注于當今的核心問題，并開始尋找替代電路的實踐中小型化方法的方法。由于他先前在密爾沃基的Centralab的經(jīng)歷，Kilby熟悉“數(shù)字暴政”的問題。他意識到，公司能夠廉價制造的唯一商品是半導體。因此，他總結(jié)說，所有電路組件都應使用與制造半導體相同的材料制成，而這以前沒有人想到過。

圖2：世界上第一個集成電路（IC）的圖像

Kilby為此過程繪制了一些草圖。假期結(jié)束后，他將素描的照片展示給了他的經(jīng)理Willis Adcock。Adcock發(fā)現(xiàn)它們很棒，但是他不確定它們。他仍然要求Kilby繼續(xù)研究并建立硅工作電路。事實證明，這是一項重大的管理決定，1958年8月28日，基爾比向Adcock展示了一條成功運作的賽道，并立即為其項目贏得綠旗。在他的下一個電路中，他將所有電子和電氣組件集成在一根鍺棒上。

該設備已經(jīng)過測試，并且按Kilby的預期工作。因此，他解決了與小型化相關的最困惑的問題之一。

一旦他的發(fā)明被業(yè)界人士所接受，一切都將徹底改變電子技術(shù)。

“這種想法使我得出結(jié)論，即真正需要半導體，即電阻器和電容器（無源器件）尤其可以由與有源器件（晶體管）相同的材料制成。我還意識到，由于所有組件都可以由單一材料制成，所以它們也可以就地互連以形成完整的電路。”基爾比在1976年題為“集成電路發(fā)明”的文章中回憶道。

他補充說：“那時我們沒有意識到的是，集成電路會將電子功能的成本降低了百萬分之一。以前沒有任何事情可以做到?！?/p>

微電子學的三個問題

順便說一下，連接并不是唯一需要關注的領域。實際上，電子部件的小型化存在三個不同的基本問題。1958年，Torrek Wallmark將其描述為：

1.集成問題：1958年，由于合金化不適用于IC，因此無法將各種電子組件集成到一個半導體晶體中。您如何整合它們？

2.隔離問題：在原子級別上，如何確保不同的組件不會相互重疊？如何將它們電隔離在一個半導體晶體上？

3.連接問題：如何可靠地連接微電子組件？當時唯一可用的方法是使用金線的極其昂貴和費時的方法。

解決方案很快被發(fā)現(xiàn)。三個公司分別發(fā)明了它們，并針對這三個問題分別擁有關鍵專利。當Sprague Electric Company決定不開發(fā)IC時，Kilby工作的Texas Instruments似乎束手無策。然而，飛兆半導體結(jié)合了單片IC商業(yè)生產(chǎn)所需的不同技術(shù)，并繼續(xù)前進。在飛兆半導體公司，他是另一個天才，沒有他的開拓性努力，集成電路將在很長一段時間內(nèi)仍然是一種理論概念，一種可能性。這個天才是Fairchild的共同創(chuàng)始人，后來他又共同創(chuàng)立了電子巨頭Intel。

羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）的開拓性努力

羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）分別在基爾比（Kilby）之后僅六個月提出了他在飛兆半導體公司的集成電路構(gòu)想。Noyce解決了Kilby電路中存在的許多實際問題，特別是組件之間的互連問題。他添加了金屬作為最后一層，然后去除了其中的一部分，從而形成了導線。通過擺脫“飛線”連接，Noyce引入了批量生產(chǎn)Jack Kilby固態(tài)電路的實用方法。

1959年7月，諾伊斯（Noyce）申請了“半導體器件和引線結(jié)構(gòu)”專利，然后，一組仙童（Fairchild）專家工程師于1960年5月制造了第一批可工作的單片IC。

因此開始進行改進，使IC易于商業(yè)化生產(chǎn)。

微芯片的早期成功

像所有前沿技術(shù)一樣，集成電路首先在軍事領域找到了接受者。早在1961年，第一臺使用硅芯片的計算機就為空軍制造，并于1962年在民兵導彈中使用。由于需要一種產(chǎn)品，該產(chǎn)品可以使每個人都了解IC技術(shù)的重要性（并有助于使其流行起來） ），Kilby設計了一種計算器，該計算器與當時的大型機電臺式計算器一樣強大，但又足夠小，可以放在手掌上操作。尺寸的減小導致他的計算器取得了巨大的成功-集成電路技術(shù)的首批商業(yè)應用之一-并為制造技術(shù)中的集成技術(shù)開辟了道路。

集成電路專利

Kilby和Noyce都被認為是IC的發(fā)明者。如果其中一個提出了革命性的集成新想法，另一個人則確保與它們相關的實際問題不會妨礙該想法發(fā)揮其潛力。但是，在這些天才工程師所服務的兩家公司中，事情并不是完全無縫的。Fairchild和TI于1959年申請了專利。Jack Kilby和Texas Instruments的微型電子電路獲得了美國專利＃3,138,743，Robert Noyce和Fairchild Semiconductor Corporation的硅基集成電路獲得了美國專利＃2,981,877。其次是十年的專利訴訟。

在事情變得丑陋之前，雙方?jīng)Q定采用商業(yè)解決方案。兩位發(fā)明者應得的。Kilby和Noyce于1979年獲得了美國國家科學獎章。Noyce非常謙虛地說：“毫無疑問，如果這項發(fā)明不是在Fairchild上產(chǎn)生的，那么它將在不久的將來在其他地方產(chǎn)生。這是一個想法，它的時代已經(jīng)到來，技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可行的程度?！?/p>

圖3：Fairchild Semiconductor F型觸發(fā)器圖像

集成電路的發(fā)展

自杰克·基爾比（Jack Kilby）開發(fā)出第一款IC原型以來，我們已經(jīng)走了很長一段路。芯片上的晶體管現(xiàn)在大約在90 nm處：為了進一步說明這一成就，在單個紅細胞中可以插入數(shù)百個這樣的晶體管。英特爾的早期集成電路先驅(qū)和創(chuàng)始人之一戈登·摩爾曾經(jīng)說過：“如果汽車工業(yè)的發(fā)展速度與半導體產(chǎn)業(yè)一樣快，那么勞斯萊斯將獲得每加侖50萬英里的行駛里程，而且拋擲起來會更便宜而不是停放它?！?借助Kilby的第一個原型原型以及Noyce精明的實際改進，使微型化技術(shù)的迅速發(fā)展成為可能。

認識到這一點，諾貝爾委員會授予杰克·基爾比（Jack Kilby）2000年諾貝爾物理學獎，這是人類所能獲得的最高榮譽。羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）那時已經(jīng)去世，所以他不能分享這個獎項。盡管他的貢獻從未有過爭議。IC的發(fā)明功勞由兩位工程師共同承擔。

由于半導體技術(shù)的迅猛發(fā)展，我們作為一個文明正在迅速發(fā)展。每六個月，我們的計算機就會變得功能越來越強大，價格越來越便宜，并且計算領域每天都會發(fā)生數(shù)百項創(chuàng)新。毫無疑問，IC的發(fā)明改變了人類歷史的進程，因為IC是地球上每個現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心。