计算机简史第四章 电子时代之集成电路与摩尔定律
大规模集成电路的到来
大规模集成电路的到来
集成电路：芯片时代的到来
1952 年，实用的晶体管问世不久，电子行业还盛行电子管之时，一家为石油行业提供地震勘探服务的公司以极其长远的眼光向贝尔实验室买下了专利许可，并斥资数百万美元押注晶体管市场，而它当时的年利润仅有 90 万，这无疑是一场没有后路的跨界豪赌，它就是如今的半导体巨头——德州仪器。
就在人们还对晶体管抱有迟疑态度时，德州仪器早已建成强大的晶体管生产线。1954 年 10 月，其首款商用晶体管收音机 Regency TR1 上市。当时美国普通家庭中的电子管收音机都像餐柜一样庞大，而晶体管收音机则袖珍到足以放进口袋里，这种革命性的差距在社会上引起了巨大轰动，晶体管的优越性从此深入人心。
世界范围内，包括贝尔实验室在内的各大高校和计算机公司纷纷开始研制晶体管计算机，这些计算机被称为第二代电子计算机（电子管计算机是第一代电子计算机）。
与此同时，晶体管本身也在实验室中不断进化。
先是成分上，从锗改换为硅，比起锗晶体管，硅晶体管可以承受更高的温度和电压。而且硅元素极其常见，广泛存在于岩石和沙砾中，如果地壳总重 100 斤，那么其中 28 斤都是硅，可谓取之不尽用之不竭。
再是体积上，由于 PN 结的实现与晶体管的大小无关，晶体管被越做越小。1952 年，一位名叫杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer）的英国人更是提出了取消导线，将电子元件紧凑在一块板上的想法，集成电路的概念横空出世。但这对制作工艺的要求很高，整个电子界翘首以盼，等了 6 年多时间，世界上第一块集成电路终于在 1958 年 9 月由德州仪器新聘的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）完成。这是一块长 11.1mm、宽 1.6mm 的锗半导体，上面集成了晶体管、电阻和电容等多种元件。在全人类的共同见证下，这项划时代的伟大发明被时间沉淀出不可估量的价值，基尔比因此获得了 2000 年的诺贝尔物理学奖。
杰克·基尔比肖像及第一块集成电路（图片来自维基百科）
除了德州仪器，还有一家实力雄厚的半导体公司在集成电路的早期发展中扮演着举足轻重的角色，那就是史上大名鼎鼎的仙童半导体公司。这家公司在 1959 年发明了关键性的平面工艺，随后，它的创始人之一罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在 1960 年用硅发明了更实用的集成电路。从上图可以看出，基尔比的集成电路并不完善，仍然用到了导线，诺伊斯的集成电路才是真正意义上的现代集成电路。结果是，两家公司在整个 60 年代都为集成电路的发明专利吵得不可开交，最终法院判定，两者的实现技术不同，基尔比和诺伊斯分别独立发明了集成电路，共享了“集成电路之父”的称号。
小历史：说到仙童半导体，这家公司的来历很有意思。当时，肖克利眼看着德州仪器靠自己发明的晶体管赚得盆满钵满，内心很不是滋味，于是在 1956 年，他回到家乡加州圣克拉拉山谷，创办起自己的公司。他招揽了八位能人（其中一位就是诺伊斯），对攻占市场充满信心。
起初，八位员工对他们的老板十分敬仰，可经过一段时间的相处却发现，这位技术上的巨人却是管理上的矮子，他那专横和偏执的作风令他们忍无可忍。更糟糕的是，在硅材料已经成趋势的大背景下，他仍死守着自己发明的锗半导体。八人终于在 1957 年选择集体离职，并成立了仙童半导体公司。肖克利痛骂他们是“八个叛徒”，他的发财梦破灭了，只好转卖公司，回归学术，受斯坦福大学之邀当了电气工程专业的教授。
虽然肖克利没能实现自己的宏图伟业，却无意间在圣克拉拉山谷播下了半导体的种子。“八个叛徒”在仙童之后又兵分几路创办了其他公司（比如 Intel），这些公司的雇员又很快创办自己的公司（比如 AMD）。短短几十年间，这些种子像蒲公英般飘散，繁衍出一片引领世界的茂密森林。这片森林，就是如今的电子王国——硅谷。
摩尔定律
相比分立的电子元件，集成电路有着更小的功耗和更高的稳定性，上面单个元件的平均成本也更低。
接下来的历史我们早已身处其中，集成电路的集成度越来越高，计算机的体积和能耗则越来越小，它最终获得了计算以外的能力，以不可思议的影响力改变着一切。
1965 年，“八个叛徒”之一，不久后将与诺伊斯联手创立英特尔的戈登·摩尔（Gordon Moore）无意中发现了集成电路的发展进程和时间的指数关系：每过一年，单个集成电路中的元件数量就会翻一番（而元件的平均单价会折一半）。他预言，接下来的十年内，这个规律依然有效。到了 1975 年，他根据实际情况，将预测修正为每两年翻一番。后来人们统计发现，翻番的周期更接近于 18 个月。这就是著名的摩尔定律，说不上有多少科学道理，却始终主宰着集成电路的发展轨迹。
摩尔定律早已从单纯的统计规律和预测手段，演变成芯片行业所默守的产品迭代规则，毕竟谁跟不上这“翻番”的节奏就意味着在市场上落后。为此，各大芯片厂商想方设法不断缩小 MOS 管的尺寸，我们常在有关报道中听到芯片制程的说法，其实就是指 MOS 管栅极的长度（也称线宽），栅极越短，导电沟道就越短，源极和漏极的工作效率就越高。如今，这个制程已经从 1971 年的 10 微米进化到 10 纳米以内。这意味着，把上千个 MOS 管并排在一起，才能赶上头发丝的粗细！
参考
- Wikipedia. Integrated circuit[EB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit
- Wikipedia. Moore's law[EB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Moore's_law
