谁发明了集成电路?

2020年 5月 7日

1952 年,集成电路的概念一经提出,就彻底改变了现代电子学的核心……

微电子技术革命的起点

二十世纪四、五十年代,用于放大、控制或产生电信号的晶体管被认为是电子学的基础。然而,随着技术的进步,电子设备变得越来越小,而晶体管却不够紧凑,无法装入这些微型设备中。这个问题引起了当时一批发明家和工程师的兴趣,他们下定决心解决这个问题。

Geoffrey Dummer 就是这样一位工程师,他当时在英国的电信研究院,也就是现在的皇家雷达研究院从事雷达系统工作。在研究雷达的过程中,他对雷达的结构及其组件的可靠性有了深刻的认识。通过研究,他了解到电子产品中的许多故障是由于f连接电路中各个组件的连接线或焊点故障s造成的。

于是,Dummer 提出了一个创新性的想法:建立一个可以包含所有电路元件的电路板。基于此,他提出了集成电路或微芯片的概念。

Geoffrey Dummer, who first presented the idea of the integrated circuit.
Geoffrey Dummer 的照片。图片由 Robert Cathles 拍摄。通过 Wikimedia Commons 获得许可(CC BY-SA 2.5CC BY-SA 2.0CC BY-SA 1.0)。

Dummer 于 1952 年 5 月 7 日在华盛顿特区的技术会议上提出了这个概念。在介绍这个先进的概念时,Dummer道:

“随着晶体管的出现和半导体的发展,现在似乎可以把电子设备想象成一个没有连接线的模块。这个模块可能由绝缘层、导电层、整流和放大材料层组成,电子功能通过分割各层区域直接连接。”

随后,Dummer 开始将他的想法付诸实践,但当英国政府停止资助他的项目时,他的尝试也停止了。尽管他未能成功设计出可运行的集成电路,但 Dummer 的工作为微电子技术革命奠定了基础。

集成电路研究的突破

世界各地的工程师很快就接受了集成电路的概念,并试图构建一个功能强大又可以独立运行的集成电路。然而,设计第一个实用的集成电路被证明是一个极大的挑战,因为电路中的每个组件都必须完美地协同工作。

1958 年,工程师Jack Kilby发现集成电路的所有组件都可以用半导体材料制成,这是集成电路研究的一个里程碑。当时,Kilby 刚刚开始在德克萨斯州的德州仪器 (TI)工作,他想用一个创新的想法打动他的老板。他几乎不知道他的发现后来被称为“单片机思想”,这个概念可以在现在流行的各种教科书中找到。

同年,Kilby 将他的想法变成了第一个集成电路的原型,它由一块锗片上的几个电路元件组成。Kilby 的新器件尺寸为 1.6×11.1 毫米——比美国邮票还小!1959 年,他申请了一项专利,其中写道:“本发明涉及微型电子电路,更具体地说,涉及由半导体材料制成的独特集成电子电路。”

A group of engineers at Texas Instruments in Dallas circa 1960.
1960 年代初,德州仪器的工程师们。从左到右:Charles Phipps 和 Joe Weaver(站立)、James R. Biard、Jack Kilby 和 James Fischer(坐着)。图像由 James R. Biard 提供。通过Wikimedia Commons 获得许可CC BY-SA 4.0)。

与 Kilby 一样,工程师 Robert Noyce 也发现了在一块芯片上制造整个电路的重要性。虽然他们的工作相似,但并不完全相同。Kilby 试图完善集成电路中的组件,而 Noyce 则正在研究连接所有部件的最佳方式。Noyce在加利福尼亚的 Fairchild 半导体公司——他在 1957 年与他人共同创立的半导体公司,进行他的研究。

Noyce 为硅基集成电路编写了一份非常详细的专利,确保不会侵犯与 Kilby 的器件密切相关的专利。尽管 Noyce 是在 Kilby 之后编写他的集成电路专利,但实际上他于 1961 年获得授权(Kilby 于 1964 年获得授权)。

Robert Noyce, one of the first engineers to patent the integrated circuit.
Robert Noyce的照片。图片由英特尔自由出版社提供。通过Flickr Creative Commons 获得许可(CC BY-SA 2.0

今天,Kilby 和 Noyce 都因发明了第一个可运行的集成电路而广受赞誉。甚至有一本书介绍了他们的贡献,名为 The Chip: How Two Americans Invented the Microchip and Launched a Revolution(1984),作者是 TR Reid。在继 Fairchild 半导体的工作后,Noyce 与他人共同创立了另一家半导体制造公司 Intel(这两家公司在硅谷的建立过程中都发挥了重要作用)。Kilby 对创新的热情伴随着他一生,这促使他与他人共同发明了手持计算器和热敏打印机。2000 年,Kilby 因其在集成电路发明中的贡献而获得诺贝尔物理学奖

集成电路的持久遗产

60 多年后的今天,从智能手表到手机再到电视,几乎所有电子设备中都可以找到集成电路。与第一批售价 450 美元的商业化集成电路相比,今天的微芯片成本只有其百分之一——而且性能更优异。

正是像 Dummer、Kilby 和 Noyce 等具有前瞻性思维和大胆创新能力的人,塑造了我们今天所处的技术精湛且不断变化的世界。

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