60年前的今天，世界上第一块集成电路诞生
撰文 | 老钱
杰克·基尔比于1923年11月8日，出生于美国中西部堪萨斯（kansas）州的杰弗逊城（city of jefferson）。父亲赫伯特·基尔比（hubert kilby）和母亲薇娜·基尔比（vina kilby）都是伊利诺伊大学香槟分校（university of illinois at urbana-champaign）的毕业生。基尔比四岁时，他们一家搬到了萨琳娜（salina）。在那里，基尔比父亲是一位优秀的电气工程师，还拥有一家小型电力公司——堪萨斯电力公司（kansas power company）。基尔比从小就经常跟父亲一起去父亲公司的发电厂，经常看父亲和发电、输电设备打交道。从那时起，基尔比就立志成为一个和父亲一样的电气工程师。
基尔比十岁时，他父母带他参观了芝加哥（chicago）的世界博览会，基尔比对博览会记忆最深刻的是未来城市的那部分。那里展出了汽车、高速公路，还有一个侧面挡板被打开的火车头，孩子们可以看见火车是怎么工作的。一个悬索滑车，可以把人直接送到一个人工湖的对岸。基尔比知道，未来会和现在大大的不同，他要参与这种改变。
暑假期间，基尔比的父亲常常带他去公司。基尔比在那里看到了电气工程师的父亲是怎样工作的。同时也接受了父亲给工程师的定义：“一个能用一块钱完成一般人用两块钱完成的工作的人，就是工程师。”
基尔比对体育兴趣不大。他把业余时间花在拆卸家里的东西上，他拆过钟表、无线电、玩具。也修理家里的电器，如烤箱等。基尔比一家在萨琳娜住了十年后，他们搬到了great bend。基尔比父亲鼓励基尔比和他的妹妹读书，他为基尔比和妹妹订了好多杂志，其中的大众科学（popular science）和大众机械（popular mechanics），对基尔比的影响极大。
走上电子之路
1937年，基尔比的父亲在当地建立起了一个业余无线电通讯网络。基尔比第一次看见了如何架设天线，检测信号。在帮助父亲工作的同时，基尔比认识了两个比他大十几岁的业余无线电爱好者（ham）。这两个人教会了他莫尔斯码和发报技术，他们指导基尔比组装了一台发报机。还鼓励他去考ham执照。很快，基尔比就拿到执照了。他经常同世界各地的ham通话，最远到了古巴和夏威夷。
基尔比就读于great bend高中。此时的基尔比身高二米，戴着眼镜。他的功课并不是很好，平均成绩为b。教他理科的老师对他影响不大，是一位历史老师激发了他对学术的热情。她让他认识到了必须在生活中发掘出自己最大的能力，并以此为自己的生活目标。基尔比家不缺钱，但暑假期间，他还是去干农活或是在父亲的厂里当临时工。这些暑期工作对他的影响是，他决定今后绝不做体力劳动者。
高中期间，基尔比除了工程师外，从未想过会去做其他的工作。1941年，基尔比高中毕业，以三分之差未能进入当时美国最好的工学院——麻省理工学院，这件事让他一生耿耿于怀。基尔比来到他父母就读的伊利诺伊大学香槟分校就读本科。入学不久爆发了珍珠港事件，大二的基尔比加入了美军，成为一位无线电通讯设备维修员，来到了印缅战场。基尔比在那里一呆就是几年，他曾随史迪威将军在中国作战过六个月。基尔比后来说过：“学校外面的事情能让你很快成熟。当问题发生时，你必须面对它们，想出办法，解决它们，然后你就进步了。”
二战结束后，基尔比回到大学继续他的学习，学费由军队承担。当时的大学电机系，正在从传统的电力工程，转向电子工程。基尔比发现，好老师都是教传统的电力工程的教授。电子工程教授，则大多是来自军队，那些在的二战中使用过雷达和无线电的军人。
1947年，基尔比获得电子工程学士学位。毕业时，有三个公司给了基尔比工作。一家是有名的通用电气（general electric），一家是伊利诺伊贝尔（illinois bell），还有一家是全球联通（globe union）在米尔沃基（milwaukee）的中心实验室（centralab）。
基尔比选择了中心实验室，他一边工作一边在威斯康辛大学米尔沃基分校（university of wisconsin at milwaukee）攻读硕士学位。这一期间，基尔比和芭芭拉·安吉斯（barbara annegers）结婚，几年后，他们有了两个女儿。基尔比于1950年获硕士学位。
中心实验室一共有四十个工程师。基尔比在一个八个工程师的小组里工作。中心实验室的产品是当时最先进的电子产品，他们曾在二战期间第一个用印刷电路工艺来制造电路。如今，他们准备把各种不同材料的薄膜印在陶瓷上，再在上面插入真空管，目的是将电子线路小型化，并以此来制造助听器、无线电收音机、和电视。
基尔比大量阅读了当时有关微型化电路的论文。他很快就了解到了贝尔实验室发明的晶体管，他很清楚，晶体管是电子线路的最好器件。在听了晶体管发明人巴丁（john bardeen）在米尔沃基的一次演讲后，基尔比对晶体管的兴趣就更大了。1952年，他所在的公司从贝尔实验室取得了生产晶体管的专利许可，费用只有2万5千美金。基尔比被公司派到贝尔实验室参加为期两周的晶体管技术研讨会。与会期间，基尔比尽可能地学习各种晶体管制造工艺和晶体管理论。回到公司后，基尔比组建了一个三人研发小组。他们制造了一些晶体管制造设备，同时也长出了晶体，做出了晶体管。他们用晶体管和电阻、电容一起制造出了放大器，并投放了市场，但利润不大。当时晶体管最大的市场是国防工业，但国防工业需要的是硅管，不是锗管。
基尔比在中心实验室的十年里，获得了十几个专利。但他也发现，在中心实验室工作已经无法实现他心中的微型电路梦想了。对基尔比来说，晶体管是未来。硅才是通往未来的电子材料。但中心实验室对硅没有兴趣。
对集成电路的初步想法
科技进步总是由一连串梦想推动的，集成电路也不例外。有了固态电子器件晶体管之后，集成电路的出现是迟早的事。常用的电路一般由五种器件组成：具有放大作用的晶体三极管、具有整流作用的晶体二极管、电阻、电容和电感。电阻、电容和电感，人们在二十世纪之前就很熟悉了；晶体二极管早在19世纪下半叶，人们就会制造了；到了1948年，晶体三极管也被贝尔实验室的肖克利、巴丁和布莱顿（walter houser brattain）发明了。于是，怎么把这些器件做在一起，再按电路功能连接起来，就成了一件非常重要的事了。1952年，英国皇家雷达研究所（royal radar establishment）的杰夫·达默（geoff dummer）就提出了集成电路的想法：把一个电路所需的晶体管和其它器件制作在一块半导体上。但这是一个人人都能想到的想法，但没人能找出一种工艺来实现它。1950年代初期，尽管晶体管工艺还很粗糙，但只要对当时的流行的晶体管工艺进行深入思考，把这些已有的工艺整合起来，就有可能制造出这样一种新型的固体电子电路，即集成电路。这个百年一遇的机会，落到基尔比这个身高两米，性格温和稳重的工程师身上。
1956年初，基尔比在贝尔实验室的第三次晶体管研讨会上，学到了杂质扩散工艺。基尔比一直工作在晶体管和集成电路工艺的前沿上，但中心实验室并不想在硅上面投资。于是，基尔比开始向有晶体管科研能力的公司发个人简历，希望能在那些公司里实现自己的想法。基尔比面试了ibm、摩托罗拉（motorola）、德州仪器（ti）等公司。1958年5月，基尔比加盟了当时刚从海上石油钻探设备转行到电子设备上的德州仪器。ti从贝尔实验室取得了制造晶体管的专利许可，第一个制造出了硅晶体三极管。ti也是美国国防部的电子设备微型化计划的ag凯发真人的合作伙伴之一。ti是当时最大的硅晶体三极管的制造商。基尔比觉的ti的阿德考克研发小组，“已经准备好了做出一些与众不同的事情。”在基尔比眼里，威利斯·阿德考克（willis adcock）是一个非常严肃认真的工程师。
阿德考克小组正在为军方做一个叫“微型模块”（micro module）即平面电子器件的项目。基尔比对此没什么兴趣。但因为刚刚加盟ti，基尔比没有多少假期，ti位于极其炎热的德州达拉斯（dallas texas），暑假期间绝大部分员工会去度假。1958年暑假，基尔比因为是新员工没有多少假期，因此无法和其他员工一样去别处度假避暑。整个ti只有极少数人在工作。基尔比此时正好有时间静静地思考如何开发自己感兴趣的新工艺。基尔比有十年的制造印刷电路的经验，他很清楚ti的竞争力在于硅，但硅工艺的缺点是造价高。他很快就认识到了ti最好的电子产品将是在硅片上制作出各种不同的电子器件，再把它们连接起来。当时的形势是：每一种基本器件，都已有了制造它的最好材料。但基尔比的直觉告诉他，电路所需的所有器件都可以用硅一种材料来制作。
基尔比记录他集成电路想法的笔记
基尔比对当时的微型电路工艺非常清楚，在他的诺贝尔奖获奖感言中，他把它们归纳为三类：一种方法是把各种器件做成同样大小和形状，使电路连接变得很简单；第二种方法是用薄膜来制造各种器件，不能用薄膜做的器件后加上去；第三种方法更为彻底，就是在一种材料中，制造出一种全新的结构，并用它做出一个完整的电路。
在基尔比眼里，这些方法最大的问题是制造这样的电路需要不同的材料和工艺。基尔比早就知道除了电感之外，其他的电路基本器件：电阻、电容、二极管、三极管都能在一种材料上制作出来。所以在一种材料上做出所有电路需要的器件才是电路微型化的出路。
集成电路的面世
1958年7月24日，基尔比在工作笔记上写到：“由很多器件组成的极小的微型电路是可以在一块晶片上制作出来的。由电阻、电容、二极管和三极管组成的电路可以被集成在一块晶片上。”他在这一天记下了五页关于如何把这几种器件集成在一起的想法和实际应用，基尔比甚至构想了一个用这一方法生产一个具有完整功能的电路的工艺流程。基尔比的想法很简单，就是把这几种器件制作在同一块晶片上，然后将它们连成一个具有完整功能的电路。利用当时由贝尔实验室开发出的扩散（diffusion）技术和物理气相沉积（physical vapor deposition）技术在一块晶片上实现这几种器件，并非难事。
等到研究小组里的其他同事回来时，基尔比向阿德考克提出了用一种材料制作一个触发电路的方案。阿德考克同意了基尔比的想法说“这是好像挺麻烦的”，但阿德考克让他尝试一下。基尔比先用硅做出了分立的电阻、电容、二极管、和三极管，然后再把它们连成了一个触发电路。1958年8月28日，基尔比就完成了这一尝试。结果令人非常满意。
基尔比发明的第一个集成电路
既然能用单一材料硅制作这些分立器件，就能把这些器件做在一起。基尔比立即行动起来了。当时的ti，已有了几种锗器件。并能把把金属蒸发在锗管的发射极和基极上，再用蚀刻技术做成接触点，然后连接起来。基尔比得到了几张这样的锗晶片，他决定用它们做两个电路。他先在锗晶片上制造出三极管，然后在纯锗晶体中少量掺杂做成电阻，最后用反向二极管做出电容，再用金线将它们连成一个phase-shift oscillator。两个助手把制成的电路切割成0.12ｘ0.4英寸大小的成品。
基尔比一共做了三个这样的电路。1958年9月12日，基尔比和助手谢泼德（m shepherd）给阿德考克和组里的其他同事演示了他的实验。基尔比紧张地将十伏电压接在了输入端，再将一个示波器连在了输出端，接通的一刹那，示波器上出现了频率为1.2兆赫兹，振幅为0.2伏的震荡波形。现代电子工业的第一个用单一材料制成的集成电路诞生了。一周后，基尔比用同样的方法成功地做出了一个触发电路。基尔比的电路和后来在硅晶片上实现的集成电路相比，样子非常难看。但是，它们工作的非常好。它们告诉人们，将各种电子器件集成在一个晶片上是可行的。
1959年10月，基尔比小组准备用锗设计一个新的触发电路。这次他们要从头做一个触发电路。他们做出了电阻、电容、和三极管。第一个成功的触发电路是在1959年初完成的，该电路就是1959年3月向公众发布的“固体电路”。
专利上的争分夺秒
1959年1月28日，一个让人紧张的消息传来。美国无线电公司（rca）正准备将他们开发的集成电路上报专利局。这一消息使基尔比和ti的管理层大惊。他们迅速地为基尔比的发明准备好了专利申请材料。1959年2月6日，ti的专利代理人将一份内容广泛的“微型电子线路”的专利申请递交给了美国联邦专利局。该申请材料称：“与过去的微型电子线路相比，该发明是基于全新的、完全不同于以往任何微型电子线路的理念。根据这一全新的工艺来实现微型电子线路，只需要一种半导体材料就能将所有电子器件集成起来，并且其工艺步骤是有限的，易于生产的。”
实验室里的基尔比
1959年3月，在美国无线电工程学院（ieee的前身）年会上，ti向新闻界发布了他们的革命性发明——“固体微型电子线路”。基尔比的助手谢泼德宣布：“这是ti开发的最有意义的技术成果，因此我们宣布集成电路在商业上是可行的。”这一消息使得rca放弃了和ti争夺集成电路发明权的企图。
仙童也涉足集成电路
1959年1月底，仙童半导体（fairchild semiconductor）的诺伊斯也有了集成电路的想法。诺伊斯曾是肖克利公司的技术负责人，仙童半导体著名的“叛逆八人帮”领袖。他的想法基于仙童创始人霍尼（jean hoerni）的平面工艺（planner process）和硅晶片上的扩散技术。平面照相技术是在硅片上加上一层氧化硅作为绝缘层，然后，在这层绝缘氧化硅上打洞，用铝薄膜将已用硅扩散技术做好的器件连接起来。这样的话各器件之间就会有良好的电绝缘，而且绝缘氧化硅可以保护硅片上的器件。但是这一工艺只适用于硅晶体。
正是因为平面工艺，才使得仙童在硅晶体三极管技术领先于当时其他的半导体生产厂家。这一技术也使得仙童能够制造出小于千分之一英寸的高性能高可靠的硅晶体三极管。也使集成电路中器件间的连接成了可能。1959年1月23日，诺伊斯在他的工作笔记上写到：“将各种器件制作在同一硅晶片上，再用平面工艺将其连接起来，就能制造出多功能的电子线路。这一技术可以使电路的体积减小、重量减轻、并使成本下降。”
把器件制造在同一晶片上，基尔比和诺伊斯的想法相同，在器件的连接问题上，诺伊斯的想法领先于基尔比。这是因为仙童的霍尼此前已经发明了平面工艺，而ti则没有这一关键工艺。尽管，基尔比先于诺伊斯申请了集成电路的专利，但因为有了平面工艺来连接各个器件，诺伊斯的工艺领先于基尔比的工艺。
诺伊斯对集成电路的生产工艺进行了细致深入的思考，一个月后，在诺伊斯得知ti的发布会后，他才向仙童的同事们宣布了自己的想法。1959年春，诺伊斯起草了集成电路的专利申请书。他事先知道ti已向专利局递交了申请，但不知道ti专利的内容，因此他在自己的专利申请中强调仙童的工艺是以平面工艺来制造集成电路的。
实际上，仙童和ti的集成电路的制造工艺几乎是在同时出现的。诺伊斯和基尔比都是把当时已有的分立的工艺过程，为了同一目的连起来使用。其中大多数技术是贝尔实验室开发的。后来诺伊斯说：“即使我们没有这些想法，即使集成电路制造工艺专利不在仙童出现，那也一定会在别的地方出现，即使不再五十年代末出现，那也会在后来的某一个时间出现这一发明。只要晶体管制造工艺发展到一定程度，集成电路制造工艺的想法就会出现、这一技术就会被人发明。”
当时对集成电路的看法
当时对集成电路有三种反对意见：首先，集成电路的需求和产量都太小，无法获利，当时只有10%的晶体管厂家能在晶体管生产上获利；第二，集成电路并没有充分利用材料特性，比如半导体就不是最好的电阻材料；第三，很多人觉得晶体管这么好的器件不应和其他器件在一种材料上混用。这些都有一定道理。还有很多在大公司工作的人认为半导体集成电路的成功将导致很多电路设计工程师失业。不过，集成电路成功后，电路设计工程师不但没有失业，需求反而大大增加了，只是他们的工作性质稍有不同。
转折点来自军工产业。两个巨大的军工工程计划——阿波罗登月计划（apollo project）和“民兵”（minuteman）导弹开发计划，大大促进了集成电路的发展。阿德考克和ti非常支持集成电路的开发。ti宣布了它们的比火柴头还小的器件，并和空军分担研究费用。因为该器件能用在“民兵”导弹上的小型计算机中。
1964年，只有几家最先进的公司在生产集成电路，他们试图推广集成电路的应用。但很快集成电路就成了业界主流。集成电路取代了晶体管，为开发各种功能的电子产品铺平了道路，并且大幅降低了成本，第三代电子器件从此登上舞台。集成电路也使微处理器的出现成为可能，计算机终于有机会走进千千万万普通人家了。
不久，ti董事长让基尔比在三个难度很大的项目中选一个。基尔比选择了开发小型计算器。他领导一个三人小组，在1971年完成了该项目。该计算器重2.5磅，售价$200元，是当时的台式计算器售价的五分之一。几年后，世界上的计算器的年销售量就到了几亿个了。
功勋基尔的荣誉
基尔比在ti干了十二年，最后担任的两个职务是vp助理和技术总监。1970年，基尔比离开了ti，成为一名独立发明家和顾问。1970年代的能源危机来袭时，基尔比发明了一种用硅制造的放在屋顶上的太阳能装置。ti买下了该专利。因为石油在世界范围内的降价，ti放弃了该项目的生产。
1978年～1984年德克萨斯农工大学（texas a & m university）的电机工程系特聘基尔比为教授。
基尔比的妻子于1981年去世。此后，他说他开始孤独地思考、阅读，阅读、思考。基尔比很多年来一直不用计算机和计算器，他坚持用计算尺。他拒绝带数字电子表，一直带着传统手表。
基尔比一直认为他是一个解决问题的工程师，对他来说解决问题远比挣钱重要。他从来没很富有，他在ti的工作给了他非常舒适的生活，也能让他做他喜欢做的事。他曾有过一辆奔驰车，他把它一直开到十万多英里，然后留在车库里做备用车。他说，他对钱能做的事，缺乏想象力。
基尔比获得了无数的荣誉：国家科学奖、国家技术奖、美国国家工程学院奖章。基尔比还拥有六十多个专利。2000年，集成电路问世42年后，基尔比因“为信息时代奠定了基础”获诺贝尔物理学奖。他在获奖感言中提到，要是诺伊斯还活着的话，肯定会和他分享诺贝尔奖。
基尔比从瑞典国王手中接过诺贝尔奖
基尔比于2005年6月20日因癌症在达拉斯去世，身后留下了两个女儿和五个孙女。他的故乡great bend为他树立了一尊雕像。这一年，集成电路已经由基尔比在实验室展示的那块简陋的芯片，发展成为总销售额高达1900亿美元的全球最大的产业了，而由此而支撑起的全球电子终端设备市场更是达到了12750亿美元的巨大规模。
对基尔的评价
阿德考克对基尔比的评价是，基尔比的成功是因为他的创造性思维，及把数学应用到实际工作中的能力。基尔比认为他自己不是一位科学家，因为科学家是解释事物的，而他是解决问题的人。解决问题的人是工程师。基尔比说过。很多发明家认为自己是科学家而不是工程师。科学家有伟大的思想，而工程师创造工艺、制造产品，并让它们有用，同时还要赚钱。基尔比认为自己是工程师，他有一个现实的头脑，他要使事情变得更好、更便宜、更容易，而且要把技术创新的成果与大众分享，并从中获利。但是，发明并非易事，没有学校能教发明，只有刻苦努力才能有所成就。基尔比的方法并不复杂，他说，解决问题的技巧是要尽快地抓住问题的核心，如果没有抓住问题的核心就上马，你很快就会失败。不过解决问题并不是全部，你还要考虑到成本，创造一个赔本的产品，即使是奇迹，也没有用。作为一个工程师，基尔比只要能看见他的产品能在短时间内有市场，他就心安理得了。对于一个发明家来说，不能分散自己的注意力。一定要把主要精力集中在主要问题上。
在谁是集成电路的发明人的问题上，基尔比和诺伊斯打了十年官司。基尔比从来不认为诺伊斯是集成电路的共同发明人。基尔比说：“我认为这只是诺伊斯博士的说法。没人会对我是第一个制造出集成电路的人发生疑问。诺伊斯博士是第一个做了我想做的事——用蒸发金属来做器件之间的连线。诺伊斯博士的做法和我已经做过的相差很远，他说他是同情我才把我当作共同发明人，但我不这样认为。”
50年代由基尔比兴起的半导体工业，如今成了世界第一大产业。在半个世纪的历程中，基尔比的发明给我们的世界发生了巨大的变化。集成电路、微处理器、苹果电脑、ibm-pc、鼠标、视窗操作系统、计算机语言、互联网、流览器等一系列伟大的发明，不但彻底改变了我们的生活方式，也深刻地影响着我们社会组织的每一个角落。
有关基尔比获诺贝尔奖的新闻
我们这些随着晶体管和集成电路一起长大的人，目击了高科技的对我们生活方式的改变，也感受到了高科技对传统文化的冲击。现今世界和我们出生时的世界在很多方面已经完全不一样了，我们的父辈从报纸和电视获得新闻和信息，五十年后的今天，我们只要按一下鼠标就能看到上万个电视台的节目。今天是一个信息爆炸的年代，有了晶体管、集成电路、和电脑，我们只要用手指按一下鼠标就会被大量信息淹没。十九世纪，我们通过控制蒸汽产生了工业革命。今天，我们通过控制晶体中的杂质产生了信息革命。如今，任何人和社会组织都无法垄断或者控制信息。通过卫星通讯，世界上的每一个人都可以在他的房间里随时看到世界上每个角落里发生的事情。晶体管、集成电路、电脑、互联网打破了信息垄断，并通过面向大众的信息普及，增强了每个个体的权力，分散了社会组织的权力。现代高科技打破了社会组织对信息的垄断，这使得乔治·奥威尔（george orwell）在他著名的政治预言小说《一九八四》里描述的社会，几乎没有可能出现。但是，我们还是无法判定这个全新的信息时代，是否会给社会成员带来更多的自由和活力。这一场由晶体管和集成电路点燃的高科技之火让我们这个世界变化的飞快，没有人能预言十年后我们的电脑会是什么样子，没有人能预言十年后我们的汽车会是什么样子，更没有人能预言十年后我们的工作环境会是什么样子。只有一点是肯定的，我们所做的这一切是有代价的。那么这个代价会是什么，会对我们的生活、对我们的社会和社会组织造成怎样的影响，我们不得而知，我们无法预测，我们只能以乐观审慎的态度去拭目以待。
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