從電燈泡到集成電路--閒談半導體風雲

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上帝說:要有光!

於是愛迪生出現了。

1877年,托馬斯.愛迪生剛三十歲,這一年他發明了碳絲電燈,但是這種材料卻因無法承受長時間的高溫導致壽命很短。不得已,小愛只能繼續試驗尋找那個“意中人”。

這一去又是數年,在1883年的一次常規試驗中,小愛在碳絲附近安裝了一截銅絲試圖阻止碳“蒸發”,可惜又是一次“成功之母”。但是他卻發現一個現象:碳絲加熱後,銅線上存在微弱的電流,二者之間卻沒有任何連接?WHY?

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無奈百思不得其解,只好解釋為碳絲加熱後有熱電子發射,然後被陽極收集形成電流。名為:愛迪生效應。只是因為沒有發現該現象有何用處,沒有繼續深入研究,就此沉寂。但是,他卻不知道,這給未來的世界科技發展埋下了濃重的伏筆。

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在愛迪生髮現愛迪生效應的時候,有一個英國的小夥子正在愛迪生的光電公司裡做技術顧問,他叫約翰·安布羅斯·弗萊明1884年,這個二十多歲的小夥子去美國拜訪愛迪生,雙方就光電技術問題進行了友好的討論。在這裡,弗萊明知道了這個剛剛發現的物理現象,並對此產生了相當的興趣。

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時間走到1896年,意大利的物理學家馬可尼已經發明瞭無線電信息傳輸技術,併成立了無線電報公司,弗萊明又在這家公司做顧問,開始研究無線電報接收機中的檢波系統。

與此同時,同樣受馬可尼的影響,美國的一個物理學家德福雷斯特也在研究無線電接收系統。這位大哥在不知道愛迪生效應的背景下開始設想用改造的電燈做檢波器。

可惜啊,沒能站在巨人的肩膀上畢竟還是晚了一步,前輩弗萊明率先發明瞭電子二極管!

但是,德福雷斯特在電子管的基礎上繼續研究,果然,功夫不負有心人,他也有了新發現,增加一個新的電極,竟然可以實現小信號控制大信號,他發明了真空三極管!

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首批弗萊明管原型

可嘆的是這位三極管的發明者卻一直沒有受益於自己的聰明才智,一生中頻頻處在破產的邊緣,窮困潦倒,著實令人唏噓。

電子管二極管和三極管的發明真正的開啟了電子時代,開始出現了眾多的電子發明產品,如電視,收音機等等。但是受限於電子管的龐大體積,更復雜的產品開發難度太高,比如第一臺電子管計算機的發明用了1萬多個電子管,重數十噸!耗電巨大!

未來必然會有突破,只是,什麼時候?在哪裡?

半導體的發現其實早於愛迪生效應的發現。

1833年,大神法拉第發現了硫化銀的溫度變化特性與其他物質不同,不久法國的貝克萊爾又發現了半導體和電解質的結會在光照下產生電壓即光伏效應。但直到1911年,科學家們才開始使用半導體這一名詞。

德國的布勞恩

發現硫化物的導電性和所加電壓的方向有關,即具有單向性。因此,在電子管發明後,利用半導體制作固態放大器的想法一直在科學家的設想中。在20世紀30年代,一個利用溴化鉀晶體和鎢絲做成的柵極實現了真空管的特性,但是操作頻率只有1Hz,無法實用。

不搞出固態放大器,人類是不會罷休的!在戰亂的時代,技術研究依然如火如荼的進行著。

一說就到了二戰以後,赫赫有名的美國貝爾實驗室決定成立專門研究部門主攻固態放大器。這個部門的經理是麻省理工博士-肖克萊

肖克萊的同事們在二戰期間研究雷達時已經掌握了製造硅晶體的方法,製造出了摻雜型的P型和N型半導體,這成為固態放大器的重要研究基礎。但是,固態放大器還是沒有突破性進展。

當時的半導體實驗室聚集了實驗物理學家布拉頓皮爾遜,物理化學家吉布尼和電路專家穆爾

等人,還有精通固態物理的巴丁。這為未來的技術突破奠定了堅實的人才基礎。這夥人開始研究理論基礎試圖解釋一些猜想,如場效應放大的表面態效應。

終於在1947年,這幫大佬開始了真正的研製試驗,並獲得初步成功。

這個試驗證明了功能,卻在頻率和增益上遇到問題,因此還需要繼續打怪升級。

考慮到問題的原因可能在於電解質,研究者們嘗試製造了第一個點接觸型晶體管。

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新的試驗獲得了成功,並進行了音頻放大驗證,這是歷史上晶體管發明的重要時刻!

試驗和研究還在繼續,點接觸型晶體管發展到結型晶體管,進一步到結型場效應管,直到1953年新的晶體管技術已經能夠實現百兆赫茲的響應頻率,市場開始打開了。肖克萊和巴丁、布拉頓一起分享了1956年的諾貝爾物理獎。肖克萊領導的貝爾的半導體實驗室一時風光無兩。

但是,肖克萊在實驗室混的不算太好,因為他專注於研發而不擅長管理,導致與同事的關係緊張。他選擇了離開,在1955年創辦了自己的半導體實驗室,這讓他成為美國硅谷的奠基人,他利用自己的威望引來了眾多富有創造性的科學家,其中包括羅伯特·諾伊斯戈登·摩爾布蘭克克萊爾赫爾尼拉斯特羅伯茨

格里尼克,史稱“八大金剛”又稱“八叛逆”。

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半導體晶體管的發明開啟了創業新潮,其中包括美國一家做地球物理業務的公司也開始成立新的部門做晶體管業務,後來被麥克德莫特格林約翰遜三人買下,成立德州儀器(TI)。德州儀器的戈登.

蒂爾獨立研發出了商用硅晶體管,使得TI成為第一個大批量生產硅晶體管的公司,佔據了市場領頭羊的位置。

彼時話說有一家做照相機儀器的公司,它的老闆謝爾曼·費爾柴爾德對於技術非常感興趣,發明了許多照相設備,這或許還與他的父親曾資助過IBM有關,他也成為IBM的大股東,很有錢!

這位大老闆有一天在辦公室裡接見了一個叫洛克的人,他正在為新公司拉投資,新公司也是做技術開發的。老闆一聽就表現了特別的興趣,最後當即決定投資150萬美金,成立的新公司名字叫:仙童半導體公司!

大幕拉開了!

仙童半導體最初的員工就是肖克萊半導體實驗室的“八大金剛”!肖克萊口中的“叛逆八人幫”因為無法忍受他的獨斷性格而一起離職了,作為影響科技史的事件,這種叛逆也成了硅谷日後的精神旗幟之一!

新公司自然還是做晶體管業務,基於老闆的股東關係通過IBM的第一單站穩了腳跟。後續幾年每年的銷售額開始達到數

十萬美元。

1959年德州儀器的工程師基爾比申請了集成電路的發明專利,這讓“八人幫”的老大諾伊斯非常吃驚,但是TI的新發明在生產時卻面臨難題,諾伊斯提出的金屬沉積法解決了元器件焊接互聯的難題。兩家公司爭奪發明權,後來被法院承認為一項同時的發明,也算是佳話。

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基爾比和他製作的第一片集成電路

在“八大金剛”帶領下的仙童發展蒸蒸日上,僅僅落後於TI。但是後來母公司回購了八人幫的股權,並且在公司發展上開始頻繁干預,拿走了大部分的利潤,這就讓他們非常開始不爽了。

終於1961年赫爾尼、拉斯特和羅伯特出走,三人創辦了Amelco,就是後來的Teledyne(泰瑞達),從事半導體測試業務。

1962年,克萊納出走,創辦了Edex。1967年,他又創辦了Intersil公司。再後來,創辦了風投公司KPCB。

1968年,諾伊斯與摩爾一起辭職,還帶走了工藝開發專家安迪·格魯夫,他們三人創辦的公司,名叫英特爾。其中這個摩爾就是摩爾定律的摩爾。

格里尼克回到大學教書,布蘭科也離開成為投資家和創業顧問。至此,八人幫與其說是分道揚鑣,不如說是開枝散葉。

這場最著名的仙童離職潮還有銷售部主任桑德斯,他創立了AMD。

至於仙童本身於198

7年最後被賣給美國國家半導體公司(NSC),其老闆也是當年的仙童總經理查爾斯·斯波克,命運之輪充滿戲劇性。仙童可以說是美國信息時代的黃埔軍校,一大批高科技公司都脫胎於此,深刻影響了人類科技文明進程。

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直接或間接受到仙童影響的公司

作為半導體的發源地,美國最先受益於技術進步,各大公司也紛紛成長起來,帶動了整個國家的技術進步。摩托羅拉是最早的半導體公司之一,1955年就生產了大功率的晶體管,在無線電通信領域蓬勃發展,後來其半導體元器件事業部獨立出來成立了安森美半導體,其無線業務獨立出來成為飛思卡爾。

成立於1985年的高通則是全球無線通信的領導者,在通訊芯片領域具有領導地位。

另外還有博通、ADI、英偉達、鎂光、凌特等等。依靠這些公司,美國在戰後的信息技術革命中獲得絕對領先的優勢。

而隨著技術的發展和傳播,其他發達國家也紛紛成長起一批高科技公司。

20世紀七八十年代,半導體產業技術開始向日本轉移,在政府的牽頭下快速崛起,到1986年成為世界上最大的半導體生產國,如日立、NEC、東芝、羅姆等公司在市場上攻城拔地,發展迅猛。另外在半導體材料行業,日本則慢慢的牢牢佔據了領先地位,對整個市場的影響巨大。

韓國的三星電子1974年收購韓泰電子後進入半導體行業,由生產存儲器快速崛起,韓國的半導體業也在政府的強力扶持下強勢發展,包括LG、海力士等。

在歐洲,則有恩智浦、英飛凌和意法半導體等公司逐漸也成長為行業巨頭。其中NXP前身為飛利浦的半導體事業部,因為公司轉為專注醫療而賣給荷蘭人,於2006年成立。英飛凌是德國西門子的半導體事業部獨立出來的公司。意法半導體則早在1987年成立,是由意大利的SGS微電子公司和法國Thomson半導體公司合併而成,屬於跨國聯盟。

而在中國,早在20世紀五六十年代就有一些無線電廠生產一些簡單的集成電路產品,並開始發展,如國營東光電工廠,上海無線電19廠,中電24所等。尤其在1972年尼克松訪華後,中國開始小規模引進歐美技術,當時全國已有四十多家半導體企業,航天691廠就是侯為貴的前單位。而華為在九十年代末期也已經開始設計ASIC芯片了,並在2004年成立海思半導體。

八九十年代,中國電子工業開始走向引進路線,但各企業單位各自為戰,缺乏戰略發展的統一思路,無法形成突破的趨勢和合力。而韓國則因為政府主導的巨大投入和積累,並趁日本經濟危機,一舉超越日本成為存儲器行業第一。在九十年代,中國參考韓日模式開始實施908,909工程,但是因為政策因素和經驗缺乏,導致技術投產時間過長,始終遠遠落後,這在遵循摩爾定律的半導體行業,註定無法翻身。直到合資企業華虹NEC投產時才有了一點向好的跡象

進入新世紀的WTO使得國外不少技術企業開始進入國內,一方面佔領了應用市場,另一方面也帶來了新的經驗和技術,只是關鍵性的技術依然屬於高度被封鎖階段,而且半導體行業作為高投入長週期的高風險行業,限制了絕大部分企業進入的心思。這導致應用市場在中國蓬勃發展,利潤卻被髮達公司收割,國內企業鮮有進入前級佔據位置的。產業鏈的脖子一早就被摁住了。

最近十餘年來,隨著經濟的發展,中國電子行業才開始逐步全面進入半導體產業上游,隆基硅等原材料廠商開始崛起,中芯國際在製造領域慢慢起來,而封測領域的華天和長電則已經成長為行業第一梯隊,設計領域的企業則由仿製開始越來越多,中興,華為,紫光集團和華潤微電子,士蘭微電子等企業,以及眾多的中小規模公司,在中低端集成電路應用市場已經佔據了相當的份額。

以火熱的存儲器市場為例,DRAM存儲方面,長鑫存儲的 DDR4已經接近量產。閃存方面,長江存儲預計明年即將投產先進的128層堆棧3D閃存,另外在全國各地均有產業佈局,未來可達到每月上百萬片產能。這必將強力衝擊長期以來由美日韓控制的巨大市場。

而隨著華為海思在高端芯片領域的持續發力帶頭,各種大基金的助力,國內大批半導體企業必然也能看到希望。

最後閒談幾句中國半導體行業的未來

目前國內半導體行業趨勢可謂蓬勃,許多資金開始進入,人才也開始成長起來。但是在這個行業,即使不缺錢,其高密集技術門檻的特性決定了發展之路將會相當漫長,這漫長之路不僅僅是說芯片的設計水平,更包括上下游所有高端技術的積累和發展,從原材料的生產,到相關配套設備的設計製造,以及前沿理論的研究上。即使當前全球產業鏈講究分工合作,但是最近的貿易戰卻讓中國人不得不警惕這種思路,例如在工業檢測芯片領域,絕大部分的模擬芯片,高速高精度採集芯片等依然在國內沒有任何選擇。

何況,這是一個巨燒錢的行業!華為海思也是咬著牙持續燒了上千億才得來今天的局面,而後起的小米,澎湃還遙遙無期。門檻高到一次流片失敗就可以直接倒閉一家公司的地步。

不過以中國的龐大市場體量,任何有機會的市場,中國人不會放棄進入的可能。尤其是當前的電子產業面臨升級的選擇,曾經的套路已經沒法繼續賺快錢了。而且芯片領域越來越成熟化工業化,當前的發展藉助前人的基礎早就不是舊日可比。

如果,未來中國開始在整個半導體產業環節都出現哪怕一家第一梯隊的企業,曾經的那些行業巨頭估計將瑟瑟發抖了,參考過去那些年被華為擠垮的那些巨頭,被擠走的外企,這並不是不可能,畢竟中國是目前全球工業種類最完整的國家!

放眼未來,新的風雲必將再起,誰又是新的主角!

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