半導體變遷史：站在巨人的肩膀上，半導體技術未來如何發展？

無可否認，不論是半導體技術還是其產業本身，都已經成為所有市場中最大的產業之一。全球媒體、企業和政府也紛紛把目光投向了半導體工廠的下一個建設地。而每一次的技術革新都會進一步增加對智能設備的需求，半導體芯片的重要性也隨之變得愈加突顯。

然而，人們對半導體的變遷史和崛起卻未必同樣熟悉。從家用電器到智能手機，半導體是驅動電子設備不可或缺的元件。本期文章就來追溯一下這一核心元件的起源，了解一下它是如何成為我們日常生活的重要組成部分的。

傳奇的開始：硅谷的誕生

1833年，被譽為“電學之父”的英國物理學家法拉第，在實驗中發現硫化銀這種材料的電阻隨著溫度上升而降低，即高溫更有助于導電，這是半導體特性的首次發現。此后的五十年里，光生伏特效應、整流效應、光電導效應也先后被歐洲科學家發現，這就是半導體的四大特性。

直到1947年，半導體上述的四大特性由美國貝爾實驗室總結完成；同年，貝爾實驗室也研制出一種點接觸型的鍺晶體管，實驗室三名人員肖克利、巴丁、布拉頓因此在1956年同時獲得諾貝爾物理學獎，其中，肖克利更被譽為“晶體管之父”。

取得此等成就的肖克利，已經不滿足于在貝爾實驗室沉寂，且半導體帶來的巨大商業變革，他看在眼里，急在心里。

1955年，肖克利回到了自己的家鄉圣塔克拉拉谷，創辦了屬于自己的半導體公司。這條位于舊金山灣區、坐擁地中海溫潤氣候、交通便利的狹長山谷即是后來名聲赫赫的“硅谷”。


第一次“背叛”：仙童的創立

肖克利在創辦了自己的公司后，依靠自身的威望，很快招到了一批學識淵博、技術過硬的人才。而當時追隨肖克利的有非常優秀（且名垂青史）的八名員工，也就是后來的“八大門徒（硅谷八叛將）”：諾伊斯（Robert Noyce）、摩爾（Gordon Moore）、布蘭克（Julius Blank）、克萊爾（Eugene Kleiner）、赫爾尼（Jean Hoerni）、拉斯特（Jay Last）、羅伯茨（Sheldon Roberts）、格利尼克（Victor Grinich）。

這八人的年齡都在30歲以下，風華正茂，學有所成，處在創造能力的巔峰。他們之中，有獲得過雙博士學位者，有來自大公司的工程師，有著名大學的研究員和教授，這是當年美國西部從未有過的英才大集合。

29歲的諾依斯是八人之中的長者，是“投奔”肖克利最堅定的一位。當他飛抵舊金山后所做的第一件事，就是傾囊為自己購下一所住所，決定永久性定居，根本就沒有考慮到工作環境、條件和待遇。其他七位青年，來硅谷的經歷與諾依斯大抵相似。

可惜，八人投奔的肖克利是天才的科學家，卻缺乏經營能力，而且性格上比較偏執，不善于管理企業，上述八人先后離職，在謝爾曼?菲爾柴爾德的投資下他們成立了半導體行業歷史上，具有傳奇意義的仙童（Fairchild）半導體公司。

有意思的是，投資人謝爾曼?菲爾柴爾德本來是搞攝影器材的。這也為后面發生的事情埋下了伏筆。

在八人的帶領下，仙童發展神速，盈利能力大幅展現，仙童的兩項發名專利，使其立于世界的半導體之巔，對后世半導體行業產生了非常重要的影響。

其一是平面工藝，一種制造半導體電路的工藝方法，現在平面工藝已經是制造各種半導體器件與集成電路的基本工藝技術，發明人為霍爾尼（上文八人之一）。

另一個發明專利便是集成電路。顧名思義，集成電路就是用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上。

1958-1959年，諾伊斯（上文八人之一）發明了硅集成電路。事實上，在早些時候，來自德州儀器（TI）的杰克?基爾比（Jack Kilby）發明了鍺集成電路。由于兩人在同一年獨立且不知情的情況下分別發明了集成電路，所以兩人共享集成電路發明者的榮譽。

現在，在我們眼里看來，把多個電路集成到一起而減少面積是個自然而然的事情，然而這個簡單的想法，卻改變了我們的世界。這就好像福特流水線模式的誕生，以及很多偉大的發明，往往源自一個很簡單的想法。也許，即使沒有這兩位，依然有人會想到這個點子，但是歷史只會記住最先吃螃蟹的人。歷史的車輪滾滾向前，到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？誰也說不清。


再一次“背叛”：仙童倒下，行業繁榮開始

此時的仙童半導體公司風光無限，而半導體行業在那時宛若一個巨大的金礦，任憑仙童肆意挖掘。而仙童的股權大部分都在投資人謝爾曼的手里，此時公司管理層做了一個錯誤的決定，仙童半導體公司的利潤被不斷轉移到東海岸，去支持仙童的攝影器材公司（上文提及的伏筆）。

八人帶領的仙童半導體憤憤不平：我們辛苦賺來的錢，你用來搞攝影？

……散了散了~

此時仙童的員工開始坐不住了，開始了新一輪的離職創業潮。

1968年，硅谷八叛將之首的諾依斯和“摩爾定律”的提出者摩爾離開仙童，創辦了更為風光、如今鼎鼎大名的英特爾。對后世半導體影響深遠的摩爾定律，就是這個摩爾提出的：“集成電路芯片上所集成的晶體管數目，每隔18個月就翻一倍。并在今后數十年內保持著這種增長趨勢?！?/span>

該定律雖然為摩爾的經驗總結，但被后世稱為計算機第一定律，摩爾所預言的定律和后來的行業發展驚人的一致，可謂“神之預言”。直到今天，英特爾、AMD、英偉達這三家國際芯片巨頭，也基本是1年至1年半的時間出一款新品，只不過技術突破越來越小，被戲稱為“擠牙膏”。

而八人的其他幾人，也分別創業，許多現在著名的半導體科技公司，追根溯源，都能追到當時仙童的離職潮，比如如今跟英特爾在全球領域兩強爭霸的另一家芯片巨頭AMD（超微半導體），就是仙童半導體前銷售部主管桑德斯單飛創辦。

還有許多我們所熟知的公司，比如美國國家半導體（現已被德州儀器TI收購），Altera（現已被英特爾收購）等的創始人都出自仙童半導體公司。

正如江湖流傳的蘋果公司創始人喬布斯形象比喻的那樣：“仙童半導體公司就像個成熟了的蒲公英，你一吹它，這種創業精神的種子就隨風四處飄揚了?！?/span>

所以仙童后來也成為眾多半導體巨頭誕生的“黃埔軍?！薄?/span>

有一個非常戲劇性的事件是，1969年硅谷的一次半導體峰會上，400多名參會者只有24名不是仙童的前雇員，簡直驚呆了！大家齊聚一堂，其樂融融，無一不感謝老東家仙童為硅谷帶來一片繁榮。

而在仙童之后，英特爾與AMD的時代來臨了。這是我們這一代人更為熟知的年代。


老二的視角：AMD為啥“仇恨”英特爾？

國內80后90后對于英特爾的初識，也許是上世紀末、本世紀初期“奔騰”時代（Pentium，英特爾奔騰處理器）的魔性廣告背景音樂“燈！等燈等燈~”（至少筆者是那時認識的英特爾）。20世紀末本世紀初，國內英特爾的廣告鋪天蓋地，作為芯片巨頭之一，當時國內很少有人知道AMD這家公司。即使后來知道了，國內的“玩家”也不太看好AMD的產品。

然而這幾年AMD在CEO蘇姿豐女士（蘇媽）的帶領下已逐漸超越了英特爾，逐漸擺脫了“陪太子讀書”的老二尷尬地位。

筆者這次以AMD的視角，來看看這家與英特爾相愛相殺幾十年的公司是如何成長的。AMD的發展過程，同樣是一個傳奇。

先來說英特爾。1968年，英特爾公司創立，羅伯特?諾伊斯任首席執行官（CEO），戈登?摩爾任首席運營官（COO），安迪?格魯夫隨后加入（見上文眾人從仙童離職創業）。1971年，英特爾推出世界上第一款商用計算機微處理器4004。1981年，英特爾8088處理器成就了世界上第一臺個人計算設備。2001年，英特爾首次針對數據中心推出至強處理器品牌，為數字世界奠定堅實基礎。2003年，英特爾推出迅馳，開創無線移動計算時代（迅馳是劃時代的，直到2009年酷睿架構推出后，迅馳才逐漸退出了歷史舞臺）。

從以上介紹就可以看到，在當今的半導體行業中，英特爾不斷的開創了劃時代的產品和理念，行業巨頭地位無可置疑。英特爾于今年10月21日發布了2021財年第三季度財報，更多信息請閱讀筆者文章《凈利增6成，股價竟下跌！總“擠牙膏”的英特爾，被投資者拋棄了？》。

而作為英特爾的老對手，AMD的“資歷”其實是和英特爾差不多的，而且AMD和英特爾同出一源。后來二者的相愛相殺，讓筆者想起一句特斯拉創始人馬斯克前不久在社交媒體上引用的中國古詩“本是同根生，相煎何太急”。

1969年，與英特爾成立僅僅相隔1年時間，同為仙童出身的桑德斯創辦了AMD（見上文眾人從仙童離職創業），公司的主營業務為提供生產計算機、通訊設備和電子產品的精密構成模塊，由于在技術上薄弱，也或許是當時的IBM太強大，桑德斯只希望AMD能夠成為這個行業的第二供應商。不知道是不是由于創始人一開始“心不太大”，只想當老二，AMD在此后幾十年一直跟隨著英特爾的腳步。

作為第二供應商，優先要求當然就不是技術領先和創新能力，而是學習和模仿以及生產制造的能力。公司成立之初，包括桑德斯僅僅只有8人，人員實在緊張，桑德斯一人就身兼總裁和普通推銷員的重任，為了說服投資人，他付出了巨大的努力。

盡管創業的初期困難重重，但是桑德斯和他的小伙伴們一開始就表現出了強烈的開拓精神以及極高的工作效率，所以很快，AMD的第一款自主研發的產品——AM2501邏輯計數器誕生了。當英特爾推出了8080處理器的時候，取得了市場的熱烈反響，AMD在這個時候也看到了微電子處理器市場的巨大潛力，于是決定投入研究微電子處理器并取得了成功，也成為了這個市場的第二供應商。

AMD迅速崛起讓英特爾十分警覺，當英特爾推出8086處理器的時候，英特爾直接撕毀了當時和AMD的合作協議，讓AMD一時間陷入了被動，好在后來IBM的出手相助，才讓AMD渡過難關。（小知識：英特爾的8086處理器是世界上首款16位處理器，是當今芯片x86架構處理器的奠基）。

順帶提一句，IBM幫助AMD的企圖也許并不“偉光正”，也許只是為了讓英特爾多一個競爭對手，讓英特爾的產品報價低些而已。因為IBM是英特爾與AMD競爭的直接獲益者。從后續產品路線看，英特爾的下一代處理器8088是由8086衍生而出的，而IBM的PC電腦選擇了8088。這次事件是劃時代的，8088在PC領域的成功商業化，讓英特爾奠定了在PC電腦上的芯片龍頭位置，而這個行業格局一直維持了幾十年。

1984年，AMD的全年收入達到了11億美元，不過在商業戰場里，從來都沒有所謂的規矩可言。1987年，英特爾再次單方面撕毀了AMD此前簽訂的5年技術交流協定。英特爾的出爾反爾算是徹底惹怒了桑德斯，并拿起了法律的武器捍衛自己的利益，官司足足打了五年，AMD最終獲得勝利，不過AMD也十分可惜的錯過了PC行業發展的黃金時期。而同時期（上世紀80年代末90年代初），軟件界的微軟和蘋果在操作系統領域開始嶄露頭角，這是題外話。

半導體技術的未來發展

1信息技術的革命

信息傳輸。信息量的爆炸式的增加，對信息通道的容量要求越來越大。在網上傳遞的不僅是文字、而且還有音樂、圖像、電視信號等；不僅是有線，還需要無線；不僅是洲際、國際、城際，而且需要局域網。為此需要發展新的通信系統，如綜合業務數字網絡（ISDN）以及多媒體技術等。

信息處理，包括文本處理、知識處理、圖像處理以及語言識別、圖像識別、智能化處理等。人工智能就是通過計算機實現了某些人的智能。例如：理解和發出語言、識別圖像、作數學證明、下棋、音樂作曲、進行專業鑒定、醫學診斷等。計算機將把人們從一部分日常的腦力勞動中解放出來，并且通過應用“思維工具”把人們的智慧擴大到以前不可想象的程度。


2更高的集成度

世界集成電路主流工藝將經過：2007年的65納米（集成電路線寬）、2010年的45納米、2013年的33納米、以及2016年的22納米工業化生產的4個發展階段。為此，就必須解決一系列的關鍵技術和專用設備，如：新型器件的研發（非傳統CMOS器件、新型存儲器、邏輯器件等），IC設計、封裝、和測試技術，新型光刻機、刻蝕機等配套設備等。

半導體器件的尺寸不能無限制地減小，如果器件尺寸小到電子的德波羅依波長（10納米），量子效應將會更加明顯，這時需要設計建立在量子力學原理基礎上的新型半導體器件。


3半導體光電器件

半導體光電器件向更長和更短波長、更大功率、更高工作頻率的方向發展

大功率激光器列陣分準連續(QCW)器件與連續(CW)器件，它們除了作固體激光器的泵浦源外，還可直接用作材料加工、醫療、儀器、敏感技術、印刷制版等，進入傳統中由非半導體激光器主宰的市場，代替氣體、固體激光器。AlGaN/GaN異質結雙極晶體管具有線性好、電流容量大、閾值電流均勻等優點，主要應用在線性度要求高、工作環境苛刻的大功率微波系統中，如軍用雷達、通信等；還可應用于在苛刻環境下工作的智能機器人等系統中。


4集成光學和集成光電子學

由集成在半導體薄膜上的激光器、調制器、波導、光柵、棱鏡和其它無源光學元件構成的系統叫做集成光學系統。集成光學系統用光互連代替電互連，在計算機和通信系統中具有通帶寬、信息量大、損耗小、速度快、能并行處理、抗電磁干擾等優點。硅材料的成本低廉、工藝成熟，在微電子器件中得到廣泛應用。但是由于它是間接帶隙材料，不能作發光器件。目前科學家們正在解決光源的問題，以便在硅材料上做到光電集成。


5半導體超晶格和量子線、量子點器件

半導體超晶格、量子線、量子點是低維結構，它們具有一些特殊的物理性質，如量子限制效應和電子運動的二維或一維特性，可以制成一些性能優異的器件，如：激光器、高電子遷移率器件、光雙穩器件、共振隧穿器件等。當器件的尺寸、維度進一步減小，使得電子運動的平均自由程大于器件的尺寸時，電子在運動過程中將不受雜質、晶格振動等的散射，而作一種相干波運動。

利用這些特點預計可制造出超高速、超低電能的電子器件。例如量子點單電子晶體管將使動態隨機存儲器（DRAM）的功耗大大降低。


6半導體量子信息器件

目前的工藝已經能在半導體量子點上產生和探測單個光子，使得半導體量子點成為實現量子信息處理（量子計算、量子通信）最有希望的固體器件。量子信息科學技術的迅速發展，為精密測量、量子計算和保密通訊等領域都提供了全新的革命性的理論和實驗方法。量子信息最關鍵的是利用光子的相干性。

光子作為量子理論中最基本的量子化實體，能夠很容易地實現收集、傳遞、復制、存儲和處理信息的全過程，具有作為量子通訊、量子計算載體的獨特的先天優勢。因此基于光子過程的量子信息處理器件是各種量子信息工程的基礎，它的基本原理研究和制備必將為計算科學和通訊能力帶來飛越式的發展。


7自旋電子器件

目前微電子器件是應用載流子電荷攜帶信息。如果一種材料能同時利用載流子的電荷和自旋屬性作為信息的載體，將可以制造出具有非揮發、低功耗、高速和高集成度的優點的器件，甚至有可能引起電子信息科學重大的變革。摻磁性離子的稀磁半導體及自旋電子學（Spintronics）即應此要求而生。

實驗發現，半導體中自旋相干時間已經達到ns量級，遠遠超過電荷的相干時間，預示著自旋電子學在未來量子計算和量子通信中的重要應用前景。實現自旋為基的量子計算機的主要困難是精確控制和保持自旋相干，因此如何產生自旋相干電子態，以及減小自旋退相干有許多物理問題需要研究和解決。


站在巨人的肩膀上

自硅谷創立后，半導體芯片的時代大幕已然拉開，而仙童的興起與衰落是半導體行業不得不說的標志性事件。天下大勢，合久必分，分久必合。在仙童奠定了后世半導體行業的基礎時，這家公司的發展也從頂峰走向衰落。從仙童出走的大佬們，先后成立了英特爾、AMD等后來的芯片巨頭，而這些公司對芯片行業的貢獻與影響力有目共睹。伴隨著無數傳奇的湮滅與誕生，半導體行業走過了快速發展的幾十年。

站在當下，我們已然走過PC時代、移動時代，隨著新能源、5G的快速興起，逐漸來到了“萬物互聯”的物聯網時代。近日IDC發布《2021年V2全球物聯網支出指南》顯示，2021年全球物聯網支出將達到7542.8億美元，并有望在2025年達到1.2萬億美元，五年(2021-2025)復合增長率(CAGR)11.4%。其中，中國市場規模將在2025年超過3000億美元，全球占比約26.1%。

5G的加速發展讓網速不在是制約，而大數據、云計算的發展也如火如荼，無論是從本季亞馬遜的財報，還是微軟或是谷歌的財報，筆者都看到了科技巨頭們在云計算上的押注。而11月30日，國內也出臺了大數據的相關規劃。元宇宙概念的提出，自動駕駛的前景，都讓本世紀的人們提前看到了科技造就的美好未來。