【物理科普】集成電路，到底是誰發明的？

1923年11月8日，在美國密蘇裡州傑斐遜城的一個普通家庭裡，誕生了一個男嬰。

男嬰的父親名叫赫伯特·基爾比（ Hubert Kilby），是一個電氣工程師，畢業于伊利諾伊大學香槟分校。男嬰的母親薇娜·基爾比（Vina Kilby），同樣也畢業于這所學校。

小兩口也許并沒有想到，他們迎來的這個小生命，将來會成為一個偉大的工程師、發明家，甚至是諾貝爾獎獲得者。他的發明貢獻，将開創一個龐大的産業，改變整個世界。

這個男嬰，就是集成電路的主要發明者之一，被譽為“芯片之父”的 傑克·基爾比（Jack St. Clair Kilby）。

傑克·基爾比

█ 一個工程師的成長之路

1927年，也就是基爾比四歲的時候，他們一家搬到了堪薩斯州的薩琳娜（Salina）。

基爾比的父親赫伯特·基爾比，是堪薩斯電力公司（Kansas Power Company）的經理。那時，基爾比經常和父親一起，巡視發電廠，觀看發電和輸電設備。時間一長，他就對這些電氣設備産生了濃厚的興趣，并立志也要成為一名電氣工程師。

1937年，基爾比一家又搬到了距離薩琳娜100多公裡的大本德（Great Bend）。在這裡，基爾比度過了自己的高中生涯。

年輕時的傑克·基爾比

高中畢業時，基爾比為了實現自己的工程師夢想，前往參加麻省理工學院的入學考試。很可惜，最終他以3分之差落選（分數線是500，他考了497）。

無奈之下，他隻能選擇就讀父母的母校——伊利諾伊大學香槟分校。（需要說明的是，伊利諾伊大學并不是一所二流學校，而是美國最優秀的公立大學之一。）

入學後不久，珍珠港事件爆發，美國正式加入二戰，傑克·基爾比也加入了美國陸軍。

當時，他是陸軍通信兵團（U.S.Army Signal Corps）的一名無線電通訊設備維修員，在印度東北的一個軍事基地工作，專門修理無線步話機。據稱，他還來到過中國，參加了幾個月的作戰（在史迪威将軍的領導下）。

參軍期間的傑克·基爾比

參戰的經曆，給基爾比的成長帶來巨大裨益。他事後回憶道：“學校外面的事情能讓你很快成熟。當問題發生時，你必須面對它們，想出辦法，解決它們，然後你就進步了。”

二戰結束後，基爾比回到伊利諾伊大學，繼續學業（學費由軍隊承擔）。

1947年，基爾比順利獲得了電子工程學士學位，并加入了中心實驗室（Centralab）工作。這個中心實驗室，是全球聯通公司（Globe Union）設在米爾沃基（Milwaukee，威斯康星州的最大城市）的一個研究機構。

工作期間，基爾比通過參加夜校，獲得了威斯康星大學米爾沃基分校的電子工程碩士學位。與此同時，他與 芭芭拉·安吉斯（Barbara Annegers）結婚，并生育了兩個女兒。

1947年，美國貝爾實驗室的威廉·肖克利、沃爾特·布拉頓、約翰·巴丁，共同發明了世界上第一個晶體管，轟動了整個科學界。

基爾比也關注到了這個事件。他現場聆聽了約翰·巴丁的演講（約翰·巴丁也畢業于威斯康星大學，兩人算是校友），對晶體管産生了濃厚的興趣。他表示：“（晶體管的出現），意味着我的電子管技術課程白學了。”

1952年，迫于美國反壟斷法的壓力，貝爾實驗室開始向全美38家公司低價授權晶體管的生産許可（授權費僅25000美金）。這其中，就包括了基爾比所在的全球聯通公司。

獲得授權後，基爾比被派到貝爾實驗室，參加為期兩周的晶體管技術研讨會。這期間，基爾比掌握了不少晶體管知識。

回到公司後，基爾比組建了一個三人研發小組。他們制造出了晶體管，并投放到市場，但并沒有獲得什麼利潤。

全球聯通公司雖然名字很牛，但實際隻是一個中小型公司。在利潤不高的情況下，他們不願意在晶體管上繼續追加投入。于是，基爾比開始考慮跳槽，選擇更好的發展平台。

經過一番對比，最終他加入了一家剛剛進入電子行業的公司。這家公司，就是後來的半導體巨頭—— 德州儀器（Texas Instruments，TI）。

和他同年入職的，還有另外一個大佬——台積電的創始人，張忠謀。

█ 從石油到電子，一個巨頭的崛起

德州儀器是一家曆史悠久的公司。它的前身，是1930年J·克萊倫斯·卡徹（J. Clarence Karcher）和尤金·麥克德莫特（Eugene McDermott）共同創立的“地球物理業務公司”（GSI，Geophysical Service）。

當時的公司logo

這家公司的主營業務，是地質勘探。其實說白了，就是找石油（德克薩斯州擁有豐富的石油資源）。

GSI成立後，碰上了美國經濟大蕭條，業務并不是很好。到了二戰時期， GSI開始轉型，為美國陸軍和海軍生産國防電子産品。他們的潛水艇探測設備，深受美國海軍的歡迎，帶來了大量的訂單。

1951年，GSI公司旗下實驗室和制造部門（專注電子産品）的業績迅速超越了地理部門，公司實際上已經轉型為電子産業公司。于是，公司改名為“通用儀器”（General Instrument）。同年，又改名為“德州儀器”，并沿用至今。

德州儀器 的logo演變

1952年，德州儀器同樣獲得了貝爾實驗室的專利許可。

這一年，原本在貝爾實驗室工作的 戈登·K·蒂爾（Gordon K. Teal）加入了德州儀器，擔任研究主任一職。兩年後，在他 的領導下，德州儀器成功研制出第一個商用矽晶體管，以及第一台晶體管收音機，從此奠定了自己的行業地位。

█ 集成電路的正式誕生

前面說到，基爾比在1958年加入德州儀器。

當時，德州儀器和美國通訊部隊正在合作一個名叫“Micro-Module program（微模塊）”的項目。項目的研究目标，是将晶體管、電阻、電容等電子零件的大小及形狀統一，以此實現互相連接制程的标準化，減小電路空間，降低焊接難度和錯誤率。

基爾比認為微模塊項目的思路并不合理，于是，他開始研究更好的解決方案。

一開始，基爾比設計了一個替代産品。結果，經過成本分析，發現成本過高，無法量産。于是，他陷入了研究困境。

1958年8月，事情的轉機出現了。

德州儀器公司所在的達拉斯（Dallas），一到夏天就會非常炎熱。所以，公司會給員工放假兩周，讓大家去度假避暑。

基爾比是新員工，并沒有資格享受假期待遇。于是，他隻能繼續憋在公司，研究自己的項目。也許正是因為無人打擾，基爾比很快就取得了突破。

基爾比想到，英國皇家雷達研究所的著名科學家 傑夫·達默（Geoffrey Dummer），在1952年的一次會議上，曾指出：“随着晶體管的出現和對半導體的全面研究，現在似乎可以想象，未來電子設備是一種沒有連接線的固體組件。”

在這個思路的引導下，他發現，由很多器件組成的極小的微型電路，是可以在一塊晶片上制作出來的。也就是說，可以在矽片上制作不同的電子器件（例如電阻、電容、二極管和三極管），再把它們用細線連接起來。

這一驚人想法，令他自己都感到十分興奮。那一天，他在自己的筆記本上，詳細記錄了自己的想法，甚至還構思了一個完整的電路工藝流程，寫了整整五頁。

基爾比的筆記（部分）

假期結束後，基爾比立刻向直屬領導 威利斯·阿德科克（Willis Adcock，當時是德州儀器開發部主管）彙報了自己的想法。他提出，自己可以做一個觸發電路，進行驗證。

威利斯·阿德科克的第一反應是覺得這個方案有點麻煩，不太靠譜。但是，考慮再三，他還是勉強同意了基爾比的建議。

于是，基爾比開始着手實施自己的方案。最初，基爾比準備采用“矽”作為襯底，制作電路。但是，當時的德州儀器并沒有合适的矽片。無奈之下，基爾比選擇了“鍺”。

不久後，1958年８月28日，基爾比做出了自己的觸發電路，效果非常不錯。

1958年9月12日，德州儀器公司高層齊聚實驗室。此時，基爾比自信地展示了集成在一塊長7/16英寸、寬1/16英寸的鍺片上的電路。

電路是一個帶有RC反饋的單晶體管振蕩器，整個是用膠水粘在玻璃載片上的，看上去非常簡陋。電路的器件，則是用零亂的細線相連。

在衆人的見證下，基爾比緊張地将十伏電壓接在了輸入端，再将一個示波器連在了輸出端。接通的一刹那，示波器上出現了頻率為1.2兆赫茲，振幅為0.2伏的震蕩波形。

現場沉靜了一會，才響起了熱烈的掌聲和歡呼聲。基爾比成功了，他創造了世界上第一個采用單一材料制成的 集成電路（Integrated Circuit）。從此，人類電子工業發展，進入了一個全新的時代。

基爾比和他的同事

1959年2月6日，德州儀器和基爾比向美國專利局申報專利。在申請中，基爾比将他的新設備描述為：“一種半導體材料……其中電子電路的所有組件都完全集成”。

1959年3月6日，美國無線電工程師學會（也就是後來的IEEE）在紐約召開年會。德州儀器在著名的華爾道夫酒店，高調召開了新聞發布會，正式對外展示了基爾比的發明。

時任德州儀器半導體部門負責人的 馬克.謝潑德（Mark Shepherd，後來擔任德州儀器總裁）在新聞發布會上稱：“這是德州儀器宣布進入晶體管市場以來，最重大的一項發明”。

█ 基爾比vs諾伊斯，誰是集成電路之父？

基爾比發明集成電路的同時，另一個人也在這個領域取得了突破。這個人，就是仙童半導體（Fairchild Semiconductor）的 羅伯特·諾伊斯（Robert Norton Noyce）。

羅伯特·諾伊斯

關于諾伊斯，我在之前仙童的文章（ 鍊接 ）裡詳細介紹過。他是威廉·肖克利嘴裡的“八叛徒”之首，是仙童的創始人之一，也是後來英特爾的創始人之一。

仙童是“八叛徒”聯合創立的公司，在半導體技術上擁有極強的實力。

“八叛徒”之一的 讓·阿梅德·霍爾尼（Jean Hoerni），發明了非常重要的平面工藝（Planner Process）。

這個工藝，就是在矽片上加上一層氧化矽作為絕緣層。然後，在這層絕緣氧化矽上打洞，用鋁薄膜将已用矽擴散技術做好的器件連接起來。

平面工藝的誕生，使得仙童能夠制造出極小尺寸的高性能矽晶體三極管，也使集成電路中器件間的連接成了可能。

1959年１月23日，諾伊斯在他的工作筆記上寫到：“将各種器件制作在同一矽晶片上，再用平面工藝将其連接起來，就能制造出多功能的電子線路。這一技術可以使電路的體積減小、重量減輕、并使成本下降。”

德州儀器公布基爾比的發明的消息，帶給諾伊斯很大的震動。諾伊斯十分懊悔自己的動作還不夠快，另一方面，他又發現，基爾比的發明，其實存在很大的缺陷。

基爾比的集成電路采用飛線連接，根本無法進行大規模生産，缺乏實用價值。

諾伊斯的設想是：将電子設備的所有電路和一個個元器件都制成底版，然後刻在一個矽片上， 這個矽片一旦刻好了，就是全部的電路，可以直接用于組裝産品。此外，采用蒸發沉積金屬的方式，可以代替熱焊接導線，徹底消滅飛線。

仙童的矽晶體集成電路

1959年7月30日，諾伊斯基于自己的想法，申請了一項專利：“半導體器件——導線結構” 。

嚴格來說，諾伊斯的發明更接近于現代意義上的集成電路。諾伊斯的設計基于 矽基底平面工藝，而基爾比的設計基于 鍺基底擴散工藝。諾伊斯依托仙童的矽工藝優勢，做出的電路确實比基爾比更先進。

但是，基爾比的混合型集成電路已經具備集成電路的特點，而且申請時間更早。

于是，基爾比所屬的德州儀器，與諾伊斯所屬的仙童半導體，展開了激烈的專利大戰。

對于這場官司，基爾比表示：“沒人會對我是第一個制造出集成電路的人發生疑問。諾伊斯博士是第一個做了我想做的事——用蒸發金屬來做器件之間的連線。諾伊斯博士的做法和我已經做過的相差很遠，他說他是同情我才把我當作共同發明人，但我不這樣認為。”

1966 年，法庭最終裁定将集成電路想法（混合型集成電路）的發明權授予了基爾比，将今天使用的封裝到一個芯片中的集成電路（真正意義上的集成電路），以及制造工藝的發明權授予了諾伊斯。

基爾比被譽為“第一塊集成電路的發明家”，而諾伊斯則是“提出了适合于工業生産的集成電路理論”的人。

這一年，德州儀器公司和仙童公司達成了交叉許可協議，共享集成電路的專利。

1969年，美國聯邦法院從法律上判定，二者申請的集成電路專利是并行獨立發明。

█ 芯片時代的到來

1960年3月，德州儀器依據傑克.基爾比的設計，正式推出了全球第一款商用化的集成電路産品——502型矽雙穩态多諧振二進制觸發器，銷售價格為450美金。

集成電路誕生之後，最先應用的是軍事領域（當時是冷戰最敏感的時期）。

1961年，美國空軍推出了第一台由集成電路驅動的計算機。1962年，美國人又将集成電路用于民兵彈道導彈 （Minuteman）的制導系統。

後來，著名的阿波羅登月計劃（Apollo Project），更是采購了上百萬片的集成電路，讓德州儀器和仙童公司賺得盆滿缽滿。

軍用市場的成功，帶動了民用市場的拓展。1964 年，Zenith公司将集成電路用到了助聽器上，算是集成電路在民用領域的首次落地。從那以後，集成電路的成本逐步下降，工藝不斷改進，逐漸為行業所接受。

1961年，德州儀器主席 帕特裡克.E.哈格蒂（ Patrick E.Haggerty）為了推動集成電路的普及，安排基爾比設計一款全新的、可以拿在手裡的微型計算器。

1967年，基爾比帶領的小組，成功完成了這款産品的研發，也就是世界首款電子手持計算器——Pocketronic。

基爾比和他的計算器（左手）

集成電路的更大意義，在于它為微處理器的問世鋪平了道路。

1970年，英特爾推出世界上第一款DRAM（動态随機存儲器）集成電路1103。次年，他們又推出世界上第一款包括運算器、控制器在内的可編程序運算芯片——Intel 4004。

Intel 4004，擁有2300個晶體管，是世界上第一款微處理器。它的誕生，揭開了微型計算機時代的序幕。

█ 遲到的諾貝爾獎

1971年，基爾比離開德州儀器，從事咨詢工作并繼續其發明創造，也曾在德州農業和機械大學（Texas AM University）當教授。

其間，基爾比曾在美國能源部的資助下，從事“清潔能源（太陽能）”的開發利用，建立了幾個大型系統。但由于石油價格的下跌，太陽能項目未被重視，因此成果未能商業化。

1999年，美國《洛杉矶時報》評選出“50名本世紀經濟最有影響力人物”，其中并列第一名的有三個人：威廉·肖克利、羅伯特·諾伊斯和傑克·基爾比。

2000年10月10日，瑞典皇家科學院宣布，俄羅斯科學家澤羅斯·阿爾費羅夫、美國科學家赫伯特·克勒默和傑克·基爾比，因在“信息技術方面的基礎性工作”而獲本年度諾貝爾物理學獎。

領獎現場（左為基爾比）

基爾比因為在發明集成電路中所作的貢獻，獲得了獎金總額（900萬瑞典克朗，約合100萬美元）的一半。

此時，距離基爾比發明集成電路，已經過去了42年。

不管怎麼說，遲到總比沒到好。諾伊斯就很可惜，他在1990年6月3日突發心髒病去世（享年62歲），與諾獎失之交臂。

2005年6月20日，傑克·基爾比因癌症在達拉斯的家中逝世，享年81歲。

█ 結語

基爾比的一生，擁有60多項發明專利。除了前面所說的集成電路、微型計算器和太陽能系統之外，他還發明過熱敏打印機。

毫無疑問，他是一個偉大的發明家。他所做出的貢獻，推動了社會的進步，值得我們永遠銘記。

最後，讓我們用德州儀器前董事會主席 湯姆·恩吉布斯（Tom Engibous）的評價來結束今天的文章——

＂我認為，有幾個人的工作改變了整個世界，以及我們的生活方式——亨利·福特、托馬斯·愛迪生、萊特兄弟，還有傑克·基爾比。如果說有一項發明不僅革新了我們的工業，并且改變了我們生活的世界，那就是傑克發明的集成電路。＂

—— The End ——

參考文獻：

1、《芯片戰争》，科技-産業研究；

2、《60年前，世界上第一塊集成電路誕生》；

3、《諾貝爾獎得主的發明故事》，上海交大圖書館；

4、《矽谷簡史》，錢綱，機械工業出版社；

5、維基百科。

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