建立在沙上的产业:暨晶体管发明70周年

晶体管是互联网时代的无名英雄,但是半导体行业之外的人却很少注意到它们的存在。1947年12月16日,威廉·肖克利(下图中坐在布雷达实验室平台上)、约翰·巴丁(左)和沃尔特·布雷达(右)三位工程师在位于美国新泽西州的贝尔实验室发明了第一个晶体管。这可能是20世纪最重要的电子产品事件了,因为它后来使得集成电路(IC)和微处理器成为现代电子产品的基础。在晶体管之前只有真空管(热电子管)才能代替它的电流调节和开关功能,但它只能在一定程度上做到微型化,而且以发热的形式浪费掉了大部分能量。

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世界上第一个晶体管(1947)

晶体管在1947年12月23日第一次向世界展示,当时没有人真正知道如何利用这项发明,后来工程师意识到它可以有助于将产品做得更小、更可靠,消耗更少的电力,直到1952年12月美国Sonotone公司开发出一款助听器,使得它从一个实验室产品首次成为一个应用产品。

这是一个细分并且小型的市场,一些成熟的电子公司比如RCA、Sylvania和Philco仍然不愿意采用晶体管且不愿意与Regency(独立的合同电子设备制造商IDEA的产品专利部门)和TI(德州仪器,一家新兴的快速发展的晶体管开发商)展开联合合作。通过结合Regency的视觉和无线电技术、TI的技术以及雄厚的资金支持,世界上第一台晶体管收音机Regency TR-1于1955年12月正式推出。

晶体管的影响

便携袖珍式的Regency TR-1是世界上尺寸最小、价格最便宜的收音机,它引起了全球范围对于小型化和便携式电子产品的需求。这是第一个为当今个人电子产品培育的DNA级设备。

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世界上第一台晶体管收音机——Regency TR-1(1955)

从社会发展的角度来看当时正赶上好时机。1954年比尔·哈利的《日以继夜》(Rock Around the Clock)和猫王的第一张唱片(《这一切都好妈妈》)一起登上了排行榜。将收音机藏到口袋里,十几岁的孩子们可以听到父母们不喜欢的音乐,这是发明家们没有预料到的,当然也不是令他们高兴的事。当Regency的联合创始人约翰·派的孩子成为青少年时,经常也会在家庭聚会中听到父母咆哮“把音乐关掉”。而晶体管的共同发明人之一沃尔特·布尔达常常感叹,他唯一的遗憾就是刺激了摇滚音乐。

也许广播最重要的社会贡献是它在信息时代成为主流之前的几十年打开了全球信息闸门。它尺寸小巧、采用电池驱动、易携带,使得之前拒绝获得外部信息的人在处理外部事务时能早些获得消息。

日本的Tokyo Tsushin Kogyo (Totsuko)公司也意识到了晶体管收音机的潜力,1956年它凭借一款具有竞争性的产品进入这个市场,该产品迅速成为该公司第一个成功产品,最终使其成为全球消费电子主宰。1957年后,它陆续推出电子产品,现在这家公司更名为索尼(Sony)公司,这样美国人更容易发音,营销的宣传语是“世界上可放进T恤口袋的最小晶体管收音机”,该公司的销售人员因此都配备了大号口袋的衬衫。

TR-1的重要性对于IDM总裁托马斯·j·沃森(Thomas J. Watson)也是尤其明显,他曾用它来激励那些不情愿的工程师们接受新技术——使用晶体管制造计算机。然而还有另一个事件证明了计算机的引爆点,即苏联在1957年10月4日发射了世界上第一颗人造卫星(Sputnik)。美国政府决心赶上并超越苏联技术,转而向半导体产业发展以制造足够复杂的控制和制导计算机,使之可以应用于实际尺寸和重量的火箭。

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苏联在1957年发射了Sputnik,促使美国转向半导体工业帮助他们在太空竞赛中竞争

行业影响

第一批电子产品是由单个的晶体管制成的,但是不久之后,工程师就学会了如何同时集成多个电子产品,于1957年诞生了第一块集成电路(IC)。此后的工业发展主要是演化过程,IC上的晶体管数量每年都会呈指数增长,这个过程被称为摩尔定律(Moore Law)。

集成电路生产技术以硅(沙)为主,它成功地结合了包括物理、化学、力学、数学和计算机科学在内的几个学科的分支,从而制造出越来越复杂的产品。

TR-1使用了四个晶体管,1971年的一个微处理器具有2300个晶体管,1978年Intel 8086集成了29000个晶体管,2003年的Intel Pentium集成了4.55亿个晶体管,Intel最新推出的Skylake Xeon微处理器则集成了72亿个晶体管。最新的台式电脑则超过了100亿个,三星和镁光公司最先进的内存器件则集成了近400亿个晶体管。

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一款典型的智能手机,比如Meizo Pro 7 Plus集成了PowerVR系列7XTP GPU,包含约1000亿个晶体管

一款采用Imagination PowerVR GPU IP的尖端智能手机现在将集成约1000亿个晶体管,如果使用单个晶体管来实现那么将有60个足球场大小并且成本高达1500亿美元。如果同样的进展被应用到航空工业上,比如在1978年纽约到伦敦之间的商业航班费用是900美元,耗时7个小时,那么现在将花费不到一美分,而所需时间在只一秒钟之内。这个建立在沙上的产业还是不错的。

半导体硅产业70周年,生日快乐!

马尔科姆·佩恩(Malcolm Penn)

未来地平线(Future Horizons)网站的的创始人兼首席执行官:全球半导体行业分析师。

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