芯片破壁者：从电子管到晶体管“奇迹”寻踪
图片来源@全景视觉
文丨脑极体
1999年，美国《洛杉矶时报》评选出“50名本世纪经济最有影响力人物”，其中并列第一名的有三个人：美国发明家威廉·肖克利、罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比。肖克利是晶体管的发明人之一，诺伊斯和基尔比是集成电路的发明人。
排在第二至四位的分别是现代汽车工业奠基人的亨利·福特，连任四届美国总统的罗斯福，以及创办迪斯尼动画王国的沃尔特·迪斯尼。
回顾二十世纪，无论是科技、商业，还是政治、军事、娱乐生活，几乎每一个领域都发生了狂飙突进式的巨变，每个领域也都诞生出了足以彪炳史册的“关键”人物。在二十世纪的“群星闪耀”中，我们该如何理解三位发明家能够位列第一的殊荣呢？
要知道，晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”，而集成电路的出现又真正奠定了第三次产业革命的基石。如果这样说略显抽象，不如我们换一个说法。在我们今天的生活中，手机、电脑、电视、汽车等所有的电子设备中，都离不开一种最核心的硬件——芯片。而芯片正是由半导体集成电路来实现的，而集成电路最基本的物理单元就是晶体管。晶体管，就是我们从物理世界通向数字世界的“细胞”。
如果你认可电子信息技术以及由此带来的数字经济的巨大价值的话，那么你一定也会同意将“最具影响力”的殊荣送给他们三人。当然你也知道，排名不过是我们对历史的一种“简化”认知，真正的殊荣也要分给推动这一技术实现的每一个科学家、发明家以及商业家们。
回到历史现场，成为我们重新审视这场技术“奇迹”的基本方法。当我们一点点还原出构成这一技术链条中的重要人物和重要节点，可能又会发现一个这样的事实：技术“奇迹”并不存在，一切都有迹可循。
那么，在回到1947年12月23日位于美国新泽西贝尔实验室的第一个晶体三极管发明现场之前，我们必须将目光先投向更早的十九世纪末，来到爱迪生实验室，去瞥见那一束照亮电子世界的微弱电流。由此重新出发，我们首先将经历一段“电子管”半个世纪的传奇故事，找寻到技术突破和产业变革背后的内在动因，才能最终理解“晶体管”出现的真正意义。
序曲：捕捉电子的起点纷争
1883年，饱受碳丝灯泡寿命问题困扰的爱迪生突发奇想，他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发，但毫无悬念，碳丝再一次蒸发了。不过他却发现，那根没有连接到电路的铜丝竟然产生了微弱的电流。尽管当时他并没有特别重视这一现象，但这位敏感的发明家仍然为这一发现申请了专利。
此后，这一现象被称为“爱迪生效应”，而这一现象发生的原因就是热能使得物体上的电子克服束缚位能，通过热激发产生载流子。受此启发，英国物理学家约翰·弗莱明在1904年发明了世界上第一个电子管——真空二极管，并获得了这项发明的专利权。真空二极管也被视作开启电子时代的鼻祖。
（弗莱明发明的真空二极管）
1906年，美国工程师李·德·福雷斯特在弗莱明二极管的基础上又多加入了一个栅极，发明出新型的真空三极管，使得真空管在检波和整流功能之外，还具有了放大和震荡功能。福雷斯特于1908年2月18日拿到了这项专利。
（福雷斯特发明的真空三极管）
1911年，加入联邦电报公司的福雷斯特，再次改进了真空三极管的排列方式，发明了二十世纪最重要的一个电子器件——电子放大器，可以大幅改进电报信号的输出质量。也正是基于这些功能，真空三极管被人们认为是电子工业诞生的起点。
历史的吊诡之处就在于，两位发明人并未首先从这项发明中获益。由于弗莱明声称他拥有电子管的优先发明权，因此他所就职的英国马可尼公司就大张旗鼓地生产起真空三极管来，福雷斯特对此当然十分不满，将马可尼公司告上法庭。
直到1916年，经历十年的诉讼，法庭最后判决福雷斯特的三极管触犯了二极管的专利权，而马可尼生产的三极管也侵害了福雷斯特公司注册的三极管专利权。最终结果是两败俱伤，两家公司都不准许再继续生产三极管。
专利权的纷争尽管延缓了电子管的普及速度，但是我们更要记住的是，正是专利制度对于发明权的保护，才能成为这些技术公司和技术人员孜孜不倦地推动技术革新的动力之源。
此后三十多年，真空电子管技术和工艺得到多次改良，真空三极管技术也成为欧美几个大国重点争夺的“核心技术”。除了在无线电通信、广播领域的应用外，真空电子管带来了全新的电子技术和最早的电子计算机。
过渡：真空管的短暂“巅峰”时刻
二十世纪初，随着真空三极管的发明，人们已经意识到可以实现电子信号传递和放大的三极管可以用于模拟计算。
模拟计算的原理就是通过具体的电压值来表示物理世界的数量值，再通过真空三极管这一的电子器件组成的系统，按照加减乘除等数学运算法则来对电压进行变化，最终得到一个同样用电压值表示的运算结果，这样就使用电子器件完成了对物理世界的模拟和分析。这一器件被称为“运算放大器”，在此基础上，人们研制出了电子模拟计算机。
最早的真空三极管的信号放大作用，被贝尔实验室用于电话通信中，解决了弱信号的远距离传输问题，但是放大器的增益仍存在不稳定的问题。1927年，时年29岁的年轻工程师布莱克开始着手研究这一问题，提出了负反馈放大器的解决方案，并在1936年将负反馈放大器引用在电话机的放大线路中。
至此之后，负反馈放大器一直成为运算放大器的核心原理沿用至今，并且使得利用电子信号进行数学运算真正得以实现。
技术的突破带来硬件应用的加速。1941年，贝尔实验室的卡尔·施瓦茨尔在布莱克的专利技术基础上，设计出第一款商用的真空管运算放大器——加法器。同年，德国人康拉德·楚泽使用了大量真空管，制造出第一台可编程电子计算机，能够在每秒内执行3-4次加法运算。
1944年，哈佛大学研究人员霍华德·艾肯在IBM总经理托马斯·沃森的支持下，用机电方式研制出了MARK-1号计算机，可以实现每秒200次以上的运算。
二战时，由于像快速计算火炮弹道等需要，电子计算机有了非常现实的应用空间。1946年，宾夕法尼亚大学的工程师埃克特和物理学家毛希利等人共同研制出了真正意义上的第一台通用型电子计算机——埃尼阿克（ENIAC）。这台使用了18000多只电子管，重130多吨，占地面积170多平方米，每秒钟可作5000多次加法运算。之前的计算机需要2小时完成的40点弹道计算，ENIAC只需要3秒钟，在当时堪称奇迹。
（1946年，当时世界最先进的真空管电子计算机ENIAC）
ENIAC显示出电子计算机的巨大应用前景，成为这一时期真空管电子计算机的最先进代表。在此基础上，数学家冯·诺依曼对ENIAC作了关键改进，完善了现代计算机的模型，至今仍然是现代计算机的基础架构。
不过，ENIAC因其庞大的体积、巨额的功耗、短暂真空管寿命以及由此带来的高检修率，造成这一代真空管计算机难以实现获得快速升级和大规模普及。现实的需求呼唤技术的革新，半导体材料的出现让技术的革新成为可能。
出道即巅峰，巅峰即落幕，成为真空管电子计算机的宿命。很快，晶体管的出现让新一代电子计算机登上了历史舞台，并且一骑绝尘开启了我们熟知的“摩尔定律”的时代。
登场：晶体管的“奇迹”时刻
1947年的12月23日下午，圣诞节前两天，瓦尔特·布莱顿和希尔伯特·摩尔仍旧来到实验室，再次进行半导体放大实验。他们将这个装置的一端连接到一个麦克风，另一端连接到一副耳机。摩尔与布莱顿用麦克风讲话，其他人则从耳机里听到了他们被放大了18倍的声音。这一实验的成功标志着第一个具有放大功能的基于锗半导体的点接触式晶体三极管的诞生，这一天被视为晶体管的诞生日。
（贝尔实验室诞生的第一个锗半导体点接触式晶体管）
完成这一项目的正是贝尔实验室肖克利领导的固体物理研究小组。1945年，肖克利牵头成立了这一小组，并和化学家斯坦利·摩根、固体物理学家约翰·巴丁、实验物理学家瓦尔特·布莱特等人一起开始了对于半导体材料的研究。经过多次失败，他们尝试用锗和硅来制造半导体放大器。
12月15日，在布莱顿的精湛技术操作下，完成了这个由锗块、金线、弹簧、电池等组成的装置，并且观察到随着锗块上两个接触点的靠近而产生的电压放大作用。第二天，布莱顿在实验笔记中写下：“在锗表明上，用点接触方法加上两个电极，间隔400微米。此时1.3伏的直流电压被放大了15倍。”在这个实验数据下面，肖克利作为小组组长和见证人，签上了名字。这个装置在几个月之后被贝尔实验室称为“晶体管”（Transistor），由传导（Transfer）和电阻（Resistor）两个词合成。
不过，一个有趣的细节再次出现在晶体管专利的申请上面。尽管晶体管的诞生是基于肖克利的场效应理论，肖克利也直接参与了整个研究过程，但是这一晶体三极管的专利申请书上没有他的名字。专利代理律师给出的理由是肖克利的场效应理论与一项1925年生效的结型MOS专利冲突，另外，进行那项决定晶体管诞生的实验时，肖克利本人并不在场。这一结果自然让肖克利非常生气。
天才的愤怒就是用更高的成就来回应此事。一个月后，也就是1948年1月23日，肖克利提出了更先进的结型晶体管的构想。1950年，第一只结型晶体管问世，同年11月，肖克利发表了论述半导体器件原理的著作《半导体中的电子和空穴》，从理论上详细阐述了结型晶体管的原理。至此，肖克利再次证明了他在晶体管上面独一无二的贡献。
（巴丁、布拉顿 和肖克利）
1956年，因为在半导体的研究贡献和晶体管的发明，肖克利与巴丁和布拉顿分享了当年的诺贝尔物理学奖。
我们看到，晶体管的发明，并非一个天才一时的灵光乍现。即使是肖克利这样聪明又勤奋的科学家，也需要在团队的协助下实现技术的创新。而在此之前，更是需要长达一个世纪的理论准备和材料发现。
1833年，英国科学家法拉第在测试硫化银特性时，发现硫化银的电阻随着温度的上升而降低，这是人类首次发现的半导体现象。此后数十年间，半导体的光生伏特效应、光电导效应、半导体导电单向性的整流效应被陆续发现。进入二十世纪，关于半导体的整流理论、能带理论、势垒理论，才在众多科学家的努力下不断完成。而肖克利对半导体的整体理论构建其实是在前人的基础上完成的。而半导体理论的基础又离不开近代物理学，特别是量子力学理论的指导。
同样，半导体材料也是在对半导体理论的研究中逐渐成熟。最早科学家利用半导体材料的整流效应来制作检波器（点触式二极管）。从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，硒光伏电池研制成功。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器。
此后，四价元素锗和硅成为最常用的材料，而在肖克利发明锗半导体的晶体三极管的几年后，人们发现硅更适合生产晶体管。此后，硅成为应用最广泛的半导体材料。这也是美国北加州被称为“硅谷”而不是“锗谷”的原因。
总体来说，使用半导体材料而制成的晶体三极管，既具有了真空电子管的功率放大和开关作用，又避免了真空电子管高耗能、低寿命、低效率的致命缺陷。另外，利用晶体管可以不断缩小的工艺特点，为电子设备的微型化提供了可能。更小的体积、更快的速度、更可靠的稳定性，让晶体管真正成为现代信息技术革命的基石。
1954到1956年，全美国共销售了1700万个锗晶体管和1100万个硅晶体管，价值约5500万美元，而同期的真空管销售了13亿个，市场份额超过10亿美元。但这几乎是真空管落幕前最后的“荣光”了。此后，晶体管将一骑绝尘，带来电子计算机的指数级发展。
凡终章，皆序曲：“奇迹”背后的创新逻辑
当我们简要回顾完从电子管到晶体管的跃迁的若干关键历史现场和几乎主要的技术节点之后，我们可以再一次确认，晶体管，这一带给全人类信息技术革命的“奇迹”发明，其之所以能够出现的每一个要素都可以在之前百年的技术演化中得到还原。
真空电子管的发明，已经从原理上或者说结构上，通过对电子的控制完成了对数字信号的处理，真空管电子计算机的实现更是从实践上证明了数字计算的广阔前景。而晶体管只需要完成对真空管原有功能的一次“完美复制”。
（巴丁、布莱顿发明的点接触型三极管和肖克利发明的结型三极管结构图）
当然，这一突破并不容易。晶体管的出现同时还需要人类对于半导体材料和特性的真正掌握。而这一进程也花费了百年时间。最终，在肖克利、巴丁、布莱顿等人对半导体特性的熟练掌握和对半导体PN结结构的创造性试验中，才将可以替代电子管放大器的晶体三极管给“奇迹”般的创造出来。
如果我们能够回到弗莱明、福雷斯特、肖克利等人生活的年代，与其一起工作的话，我们还会深切地感受到这些科学家、发明家对于科学理论研究和新技术发明的巨大热情。同时，我们也还能感受到他们对于技术发明转化为商业成功的巨大渴望。
如果我们再把视野放大，审视这些发明天才所处的时代环境，就会发现像英美这样完成两次工业革命的同时，所建立起的一整套的自由竞争的市场体制、鼓励创新的公司研发机制以及国家信誉保证的专利保护制度。正是在竞争激烈但规则有序的市场环境当中，科学的研究和技术的发明获得了来自商业最大程度的投入，商业利益也因为技术成果的转化而得到最大化的实现。
在众多的科学家和发明家的背后，我们能够列举出一长串的知名企业的名单：马可尼无线电公司、通用电气、西屋电气、西门子、IBM、美国电话电报公司（AT&T），以及未来我们会看到的德州仪器、仙童、英特尔等等。
接下来，我们将回顾硅半导体的技术史，深入到硅晶体的演进现场，来见证硅晶体管的时代到来。至于这位伟大的物理天才肖克利，我们也将在更后面看到他极具争议的人生下半场，以及由他所开启的那个“硅谷时代”。
参考文献：
1.《芯片改变世界》，第一篇“半导体材料和半导体器件的前世今生”，2019年10月。
2.《电子科技》，“史蒂夫·乔布斯列‘50名本世纪经济最有影响力人物第五位’”，1999年12月20日。
3.《实用影音技术》，“胆机是怎样走过来的（上）”，2010年第10期。
量子计算机潜力巨大
科研人员在检查量子计算机低温处理设备。 人民视觉
说起颠覆性技术，量子计算机都是当下科技界的闪耀明星。
30多年前，物理学家提出了利用量子构建计算系统的设想，此后科技界就没有停止过探索。量子计算机究竟有何能耐，如今走到了哪一步？记者采访了相关专家。
“在量子计算机面前，传统的计算机就像‘算盘’”
近段时间，量子计算机领域频频传来重要进展：美国霍尼韦尔公司表示研发出64量子体积的量子计算机，性能是上一代的两倍；我国本源量子计算公司与中科院量子信息重点实验室等研究团队合作，在国际上首次发现一种控制、读取量子比特的新思路，为扩展量子比特提供了可能性……
何为量子计算机？简单地说，当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就属于量子计算机。
人们对量子计算机充满期待，与传统计算机遭遇瓶颈不无关系。近年来，传统计算机性能增长越来越困难，探索全新物理原理的高性能计算技术应运而生。
“量子计算机是芯片尺寸突破经典物理极限的必然产物，是后摩尔时代的标志性技术。”中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿说，在微观状态下，量子是一个不可再分割的基本单位。人们所熟知的电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。
传统计算机用0和1储存与处理数据，俗称经典比特。量子计算机的神奇之处在于，它的基本计算单元——量子比特可以同时是0和1，即允许“叠加态”共存，从而拥有更强大的并行能力。举个例子，假使在800万本书里找一个单词，经典计算机的方法是一本一本地搜索，提高速度要用多个处理器来协同求解。而量子的叠加性质，与二进制算法的运行逻辑不同，使得量子计算机可以分身为800万台计算机同时寻找。“在量子计算机面前，传统的计算机就像‘算盘’。”郭光灿表示。
据本源量子计算公司副总裁张辉介绍，在需要大规模计算的领域，量子计算机可一展拳脚，如助力先进材料制造和新能源开发等。在药物研发方面，量子计算机通过精准模拟各种分子、原子的自然演进，可帮助科研人员快速找到对付病毒的药物；在公共交通领域，量子计算能够迅速对复杂的交通状况进行分析预判，从而调度综合交通系统，最大限度避免道路拥堵。
量子计算应用走出实验室，得益于它的工程化推进。当前，不少国家都把量子计算当作未来技术制高点，国内外知名的企业纷纷涉足量子计算，全球量子计算创业公司超过百家。郭光灿表示，量子计算发展比想象的更快，许多停留在纸面上的想法逐渐变成了现实。
“如果以经典计算机发展进程来衡量，现在量子计算机处于早期的‘电子管时代’”
量子计算机虽然前景广阔，但落地应用仍是长路漫漫。郭光灿指出，做出量子计算机需要满足三个基本条件：量子芯片、量子编码和量子算法。它们分别是实现量子计算的物理系统、确保计算可靠性的处理系统和提高运算速度的关键。
“做量子计算机，首先要足够多的量子比特。”腾讯量子实验室高级研究员郑亚锐解释说。什么是量子比特？理论上，自然界中一切有量子效应的载体都可用作量子比特。经过长期探索，科学家发现，超导、离子阱、光子、超冷原子、半导体量子点等，都存在量子效应，意味着能够用于开发量子计算机。而这些不同的体系，造就了量子计算机不同的技术实现路线。
量子计算机走向实用，要控制多少个量子比特？郑亚锐说，一般认为要控制100万个量子比特。但眼下，工业界能控制的量子比特还不超过100个。
在宏观环境下，如何保持微观环境下的量子特性，是量子计算机落地应用的另一个重要障碍。实现这一点，要求较长的相干时间(量子系统衰退的时间常数)，以及非常高的保真度。“提高比特数量的同时，又不降低保真度，是学术界聚焦的难题。”郑亚锐说。
“每一个体系都有优缺点，到底哪条路线能实现量子计算，大家心里也不清楚。”张辉说。具体地说，半导体量子点路线操控性方便，但相干时间很短；光学或者离子阱路线相干时间长，但可扩展性差。清华大学量子信息中心副教授金奇奂表示，近年来，学界对离子阱路线的基础研究很多，但工业界关注不够，工程、工艺上细致的工作刚刚起步。
目前，多数开发者选择的是超导和半导体两条路线，两者的工程化、工艺化也快速推进。开发者希望，借助先进的半导体、集成电路工艺，在推进量子计算机研制的同时，为未来量子计算机与经典计算机的潜在融合做准备。
从电子管到晶体管，再到集成电路，随着材料和工艺的迭代，经典计算机性能不断提升。“如果以经典计算机发展进程来衡量，现在量子计算机处于早期的‘电子管时代’。”张辉说，现在量子计算机还很“笨”，比智能手机、手提电脑的速度要慢得多。量子计算机也要经历一个发展过程。
“量子计算技术是颠覆性技术，关系到未来发展的基础计算能力”
张辉认为，真正衡量量子计算能力，是用它来解决问题时，与经典计算相比谁消耗的资源更少。
“目前量子计算机还没有找到比较合适的应用场景。”金奇奂认为，真正意义的量子计算机，不能单单证明它能比经典计算机做得好，而是要做出更有价值的工作。如果只能处理某一个专门问题，量子计算机只是一个高效的“伐木工”，知道如何利用木头做家具，才是真正有用的量子计算机。
科学家预测，未来10至15年，科学界有可能操纵100量子比特，从而真正实现“量子优势”。郭光灿说，经典信息技术时代，我国是跟踪者、模仿者，量子计算是我国成为未来信息技术引领者的机遇。“量子计算技术是颠覆性技术，关系到未来发展的基础计算能力。谁先把量子计算机搞出来，谁就占据了量子信息时代的制高点。”
开发量子计算机门槛较高。成立2年来，本源量子计算公司仅在硬件上就投入数亿元。但科研人员表示，量子计算就像一个山洞，不知道里面有没有“宝藏”，但一定要有勇气冲进去，看看里面什么样。
5年前，中国科学院与阿里巴巴集团建立联合实验室，共同在量子信息科学领域开展前瞻性研究，这是国内较早在量子计算上的布局。近些年，在量子计算领域，我国科研人员发表了不少有影响力的研究成果。在张辉看来，我国与国际上的“领头羊”的差距主要不在科研上，而在工程、工艺方面。量子计算机是一个整体，芯片之外，测控、软件、算法等同样应高度重视。“哪怕几根导线之间微弱的干扰，都会影响整体计算性能。”
量子计算机与经典计算机不是对抗关系，不会全面替代经典计算机。“玩电脑游戏，我们永远用不着量子计算机。”张辉说，经典计算机发展至今，已经能处理日常中绝大部分任务，未来两者应该会相互融合。
郭光灿认为，掌握量子计算机的关键核心技术急不得，需要下真功夫。只有经过深入细致钻研，经过技术沉淀，才有可能实现突破。尤其是要重视解决工程上的问题，才有可能抓住量子计算机的发展机遇。
《 人民日报 》( 2020年07月20日 19 版)
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