▲ 最早期的集成电路
Andrw Burton/Staff/Getty Images

 

也许上天有意要人类发明出集成电路(IC:Integrated Circuit),几乎在同时,两组人在个不知晓对方发明工作的情况下,独立设计出几乎相同的集成电路。

 

Jack Kilby,有着丰富的陶瓷基地丝网印制电路板设计经验,从 1958 年开始在 TI 公司工作,设计晶体管助听器电路。比他早一年,Robert Noyce 参与创办了仙童半导体公司。这两个人,从 1958 年到 1959 年期间都在琢磨一件事情:如何用最少的器件设计更多功能的电路?

 

“What we didn't realize then was that the integrated circuit would reduce the cost of electronic function by a factor of a million to one, nothing had ever done that for anything before" - Jack Kilby
那时对于集成电路可以将实现相同功能的电子线路的价格可以减少到百万分之一的概念我们一无所知,之前还从未有人做过 - Jack Kilby

 

▲  Robert Noyce,在 41 岁创建了 Intel 公司

 

为什么需要集成电路?

在设计类似于计算机这样的电子设备,我们总是需要在电路中增加更多的元器件来推动技术的进步。单晶体集成电路(从单个晶圆形成的集成电路)可以将原来属于分离器件的晶体管、电阻、电容以及引线都集成在单一半导体晶圆(芯片)上。

 

最初 Kilby 使用半导体锗材料, Noyce 使用了硅半导体材料制作集成芯片。

 

▲ 全球第一款基于锗半导体集成芯片

 

集成芯片专利

在 1959 年,两组研究人员都申请了集成电路专利。Jack Kilby 连同 TI 公司以 微型电子线路申请到美国专利(专利号#3,138,743)。Robert Noyce 和仙童半导体公司以基于硅材料的集成芯片获得美国专利(专利号#2,981,877)。这两家公司在经过几年关于专利所有权的法律争斗之后,握手言和,决定将他们的专利合并成交叉许可,最终形成了当今每年万亿美元的全球集成芯片市场。

 

商业发布

在 1961 年仙童半导体公司发布了第一款商用集成电路。此后,所有计算机都使用集成芯片来替代分离晶体管电路。TI 公司则在 1962 年将芯片应用于美国空军机载计算机中,以及民兵导弹中。

 

后来他们使用芯片制作了第一台便携式计算器。最初的集成芯片只包含一个晶体管、三个电阻以及一个电阻。大小相当于人的小手指。现在一个硬币大小的集成电路就会集成有 1.25 亿个晶体管。

 

下图是 TI 第一款开发的商用芯片 TI 502。芯片的内部构造如下图所示:

 

▲ 第一款商用芯片 Ti 502,连线为金属线

 

下图为它的原理图,可以看出,这个芯片的构造非常简单,包含两个晶体管、四个二极管、六个电阻和两个电容。

 

▲ 第一款集成芯片对应的原理图

 

不要看这个 Ti 502 的电路如此简单,它当时的售价比现在主流旗舰处理器的售价都要高。

 

在刚发布的时候售价高达 450 美元,但是在一年之后真正交付的时候价格却还远高于这个价格。

 

这是因为当时集成电路是给军方、航天领域用的,一般小公司都买不起,如果能让电路板上少一个电子元器件,那么将会有一定几率降低事故的发生,还有就是在那个年代很少有竞争的对手,因为这个东西太先进(仙童算一个竞争对手)。

 

▲  Jack Kilby 以及他的集成芯片

 

Jack Kilby 总共申请超过六十个发明专利,并被公认为便携式计算器的发明者(1967 年发明计算器)。1970 年被授予美国科学奖章。Robert Noyce,拥有超过 16 项发明专利,创建了 Intel 半导体公司,后来制造了第一个微处理器。他们所发明的集成芯片是人类历史上最为重要的发明。现在产品中几乎无不包含着集成芯片。

 

看完这些、你能体会到半导体与电路集成的伟大了吗?