晶體管誕生70年，回首中國(guó)集成電路來(lái)時(shí)路

　　本報(bào)記者 張蓋倫

　　“時(shí)間：1947年12月16日

　　日記號(hào)：38139-7”

　　70年前，當(dāng)物理學(xué)家沃爾特·布拉頓像往常一樣寫(xiě)下他的實(shí)驗(yàn)日記，他不曾預(yù)料，一個(gè)時(shí)代即將開(kāi)啟。

　　這場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的主角是一個(gè)比火柴棍短且粗的半導(dǎo)體放大器，后來(lái)，它被命名為點(diǎn)接觸式晶體管。

　　點(diǎn)接觸式晶體管成了人類(lèi)打開(kāi)晶體管大門(mén)的第一把鑰匙。大門(mén)推開(kāi)后，一場(chǎng)信息技術(shù)革命席卷全球。

　　70年后，晶體管已經(jīng)變得幾乎無(wú)處不在。人類(lèi)以其為磚瓦，搭建出一個(gè)個(gè)虛擬世界。我們至今仍未找到晶體管的替代品，以其為基礎(chǔ)的集成電路，還將被人類(lèi)長(zhǎng)期依賴(lài)。

　　晶體管的問(wèn)世，人類(lèi)微電子革命的先聲

　　晶體管誕生之前，人們已經(jīng)有了電子管，或者叫真空管。

　　電子管具有信號(hào)放大作用，但是毛病一籮筐——壽命低、體積大、可靠性差。

　　所以，人們希望找到一種器件替代電子管。美國(guó)電話(huà)電報(bào)公司（AT&T）下屬的貝爾實(shí)驗(yàn)室成了尋找路上的開(kāi)路先鋒。

　　貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建于1925年。成立伊始，它就是世界上規(guī)模最大的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室。3600名工作人員中，有2000名是技術(shù)人員。

　　1945年7月，二戰(zhàn)臨近結(jié)束，為了適應(yīng)戰(zhàn)后研究方向的調(diào)整，貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了各個(gè)研究部門(mén)的改組。

　　這次改組中，物理部門(mén)成立了3個(gè)研究小組，其中之一就是固體物理研究組。該組又分為半導(dǎo)體和冶金兩個(gè)小組，麻省理工大學(xué)博士肖克萊兼任半導(dǎo)體小組組長(zhǎng)。他將小組的研究計(jì)劃，定為研制“半導(dǎo)體放大器”。

　　半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，像硅和鍺，就是常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料。

　　清華大學(xué)微電子所所長(zhǎng)魏少軍說(shuō)，要理解晶體管的工作原理，可以想象一個(gè)大壩的水閘。

　　當(dāng)大壩閘門(mén)合上，無(wú)水流出，水力發(fā)電機(jī)就無(wú)法發(fā)電；當(dāng)閘門(mén)打開(kāi)，水流涌出，水力發(fā)電機(jī)就可以輸出電流。“閘門(mén)的開(kāi)合直接影響到了水力發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，這就是用一個(gè)弱信號(hào)，去控制了一個(gè)強(qiáng)信號(hào)。”而晶體管的基本原理，就是“放大”，用小電流去控制大電流。

　　貝爾實(shí)驗(yàn)室對(duì)晶體管的構(gòu)思由來(lái)已久。晶體管的誕生，是長(zhǎng)期積累的結(jié)果。從諾貝爾獎(jiǎng)的歸屬來(lái)看，榮譽(yù)最終給了3個(gè)人——肖克萊、布拉頓和巴丁。

　　1947年12月16日，擺在布拉頓和巴丁面前的，是一個(gè)多次改進(jìn)后的、構(gòu)筑在鍺晶體之上的器件。鍺晶體表面，用一根彈簧壓著一個(gè)兩邊包裹著金箔的三角形塑料楔子。這兩邊的金箔，就是信號(hào)的輸入端和輸出端。

　　就是它，在那天的實(shí)驗(yàn)中，成功放大了30%的輸出功率和15倍的輸出電壓。

　　用現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，這點(diǎn)觸式晶體管的原型實(shí)在太過(guò)質(zhì)樸笨拙，但無(wú)可否認(rèn)，它就是人類(lèi)微電子革命的先聲。

　　在它之后，又有雙極型、單極型晶體管和硅晶體管相繼問(wèn)世。

　　“從移動(dòng)計(jì)算到智能計(jì)算，當(dāng)今時(shí)代的種種變化，都離不開(kāi)電子信息系統(tǒng)。而晶體管，是其中最為基礎(chǔ)的器件。”魏少軍說(shuō)，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(jī)之于工業(yè)革命，“它的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。”

　　起步不晚的中國(guó)，還是落后了

　　晶體管應(yīng)該被拿來(lái)做更多的事情，不過(guò)前提是，它要足夠小。

　　如何找到一種高效的晶體管、導(dǎo)線(xiàn)和其他器件的連接方法？1958年左右，美國(guó)兩位30歲出頭的年輕人，各自拿出了自己的解決方案——就是我們今天已經(jīng)熟知的集成電路。

　　如果說(shuō)，晶體管的誕生，是蝴蝶扇動(dòng)了翅膀，那么，遠(yuǎn)隔大洋的中國(guó)，也敏銳地嗅到了風(fēng)暴來(lái)襲的信號(hào)。

　　中國(guó)的起步并不晚。上世紀(jì)50年代中期，正值我國(guó)開(kāi)始實(shí)施第一個(gè)五年計(jì)劃。半導(dǎo)體這門(mén)新興科學(xué)技術(shù)受到了黨和政府的高度重視。1956年，在沒(méi)有技術(shù)資料和完整設(shè)備的條件下，我國(guó)成功研制出了首批半導(dǎo)體器件——鍺合金晶體管。1965年，我國(guó)又擁有了集成電路。

　　“說(shuō)起我國(guó)第一代半導(dǎo)體人，那真是非常了不起。”中科院微電子研究所所長(zhǎng)葉甜春感慨，“他們帶著知識(shí)歸國(guó)，自己研制設(shè)備，自己制備材料，自己培養(yǎng)了第一批學(xué)生，完全白手起家。”

　　頭20年，我國(guó)集成電路和國(guó)際上的差距并不大；但在第二個(gè)20年，道路開(kāi)始曲折。

　　差的不在技術(shù)，而是產(chǎn)業(yè)。一個(gè)還沒(méi)有完成工業(yè)化的國(guó)家，剛剛從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代走出，還不知道如何組織大規(guī)模商品生產(chǎn)。此時(shí)，還想更進(jìn)一步，發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，更是難上加難。

　　產(chǎn)業(yè)發(fā)展不起來(lái)，技術(shù)研發(fā)也步履維艱，陷入惡性循環(huán)。葉甜春記得，1986年自己剛?cè)爰呻娐愤@一行時(shí)，整個(gè)行業(yè)都處在痛苦的轉(zhuǎn)型期。大家還在學(xué)習(xí)高質(zhì)量低成本地批量制造產(chǎn)品，在混沌中摸索。

　　上世紀(jì)八九十年代，國(guó)際集成電路產(chǎn)業(yè)開(kāi)始起飛。“這是國(guó)家發(fā)展階段的差異，也沒(méi)什么好埋怨的。”葉甜春坦言。

　　真正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，發(fā)生在2008年。

　　那一年，國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)啟動(dòng)。“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(zhuān)項(xiàng)都指向了集成電路。5年后，技術(shù)儲(chǔ)備到了一定程度，加大產(chǎn)業(yè)投入，也就被提上議事日程。

　　2014年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，設(shè)立國(guó)家產(chǎn)業(yè)投資基金。“效果一下子就顯現(xiàn)出來(lái)了。為什么能這么快？因?yàn)榧夹g(shù)體系已經(jīng)建立起來(lái)了，能支撐產(chǎn)業(yè)體系的快速發(fā)展了。”葉甜春總結(jié)，“這是一套組合拳，堪稱(chēng)完美。”

　　到了能打大戰(zhàn)役的時(shí)候了

　　2017年1月，晶體管誕生之國(guó)美國(guó)，在一份報(bào)告中將矛頭對(duì)準(zhǔn)了中國(guó)。

　　美國(guó)總統(tǒng)科技顧問(wèn)委員會(huì)稱(chēng)，中國(guó)的芯片業(yè)已經(jīng)對(duì)美國(guó)的相關(guān)企業(yè)和國(guó)家安全造成了嚴(yán)重威脅，建議美國(guó)總統(tǒng)下令對(duì)中國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)行更加嚴(yán)密的審查。

　　為什么？我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模在世界占比非常小，算是“小透明”，就算有一些跨國(guó)并購(gòu)，但交易額也完全不夠看，何至于引起這么高的警覺(jué)？

　　“因?yàn)橘Y本的背后，是我們自己真正的技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系在做支撐。”葉甜春說(shuō)，“他們認(rèn)為，一旦發(fā)展起來(lái)，就不可阻擋。我們有核心競(jìng)爭(zhēng)力了，人家就害怕。”

　　實(shí)際上，我國(guó)集成電路一直都在國(guó)際上的打壓和遏制中求生存。產(chǎn)業(yè)還在起步階段，就有“巴黎統(tǒng)籌協(xié)會(huì)”對(duì)我國(guó)所需的新技術(shù)、新設(shè)備進(jìn)行封鎖禁運(yùn)。當(dāng)上世紀(jì)80年代后期“巴黎統(tǒng)籌協(xié)會(huì)”解體之后，又有“瓦圣那協(xié)定組織”繼續(xù)對(duì)我國(guó)新興技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)行封鎖限制，它們只允許放行比經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家滯后兩代的集成電路技術(shù)和設(shè)備。

　　“西方國(guó)家有點(diǎn)神經(jīng)過(guò)敏。”魏少軍的看法略有不同，“中國(guó)打贏(yíng)集成電路這場(chǎng)仗沒(méi)那么容易。”集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要全球化的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，需要巨額投入，也需要大量人才。這都無(wú)法一蹴而就。

　　從中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，2016年我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)銷(xiāo)售額達(dá)4335.5億元，比上年增長(zhǎng)20.1%，這一增長(zhǎng)速度算得上“高歌猛進(jìn)”。不過(guò)，魏少軍提醒，這4000多億元的銷(xiāo)售額，還包括了在華外商的貢獻(xiàn)。“其實(shí)我們自身的能力還相當(dāng)有限。”他判斷，我國(guó)自己生產(chǎn)的集成電路，大約可以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求的1/4。

　　從技術(shù)上來(lái)看，我國(guó)最新的集成電路技術(shù)，跟國(guó)際上最新技術(shù)還差了一代到兩代。不過(guò)，葉甜春認(rèn)為，糾結(jié)于這個(gè)最新技術(shù)的代際差異，是一種誤區(qū)，并沒(méi)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(jìn)入市場(chǎng)已近10年，但它們并未因?yàn)楦〕叽缧酒某霈F(xiàn)就退出歷史舞臺(tái)。

　　“集成電路尺寸縮小速度確實(shí)很快，但并不是下一代對(duì)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。”葉甜春表示，我國(guó)55、40、28納米三代成套工藝已研發(fā)成功并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而更先進(jìn)的22、14納米先導(dǎo)技術(shù)在研發(fā)上也取得突破，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。“所謂趕超，也無(wú)需要求在各個(gè)領(lǐng)域全面超越，只要我國(guó)的集成電路能夠支撐我國(guó)信息化和智能化的發(fā)展即可。”

　　可以肯定的是，這場(chǎng)晶體管開(kāi)啟的信息革命，將更深、更廣地重塑人類(lèi)社會(huì)。“未來(lái)，芯片的重要性只增不減。”魏少軍強(qiáng)調(diào)。

　　而回首來(lái)路，葉甜春常說(shuō)“傳承”。一代一代半導(dǎo)體人的砥礪前行，才有中國(guó)今天的局面。

　　今天是個(gè)怎樣的局面？他抬起頭，望向遠(yuǎn)方，帶著笑意。“可以打大戰(zhàn)役了。我們有了‘戰(zhàn)’的能力，雖然能力有限，但和從前相比，大不一樣了。天時(shí)地利人和，沒(méi)有理由超不過(guò)別人，這只是時(shí)間早晚問(wèn)題。”

　　（科技日?qǐng)?bào)北京12月14日電）