前沿科技•芯片起源：全球半导体发展历史

                                                               2022-05-21   青野云麓

什么是半导体？

半导体是导电性介于导体和绝缘体中间的一类物质。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。半导体主要由四个组成部分组成：集成电路，光电器件，分立器件，传感器，由于集成电路又占了器件80%以上的份额，因此通常将半导体和集成电路等价。集成电路按照产品种类又主要分为四大类：微处理器，存储器，逻辑器件，模拟器件。通常我们统称他们为芯片。

提起芯片，很多人可能见过，就是一块黑色类似于小盒子的东西，它是由晶体管组成的。什么是晶体管呢？严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。所以我们可以知道：由半导体材料制造出了晶体管，由晶体管组成了芯片。

晶体管的诞生

晶体管的发明，最早可以追溯到1929年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是，限于当时的技术水平，制造晶体管的材料达不到足够的纯度，而使其无法制造出来。1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。1956年，肖克利、巴丁、布拉顿三人，因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。肖克利也被誉为晶体管之父。芯片有如此强大的功能，为什么晶体管可以胜任呢？我们知道，对于数字电路来讲，逻辑是其精髓所在，所有的功能归根结底，都可以说是逻辑功能。而逻辑的基本构成元素是逻辑0和逻辑1。而晶体管恰好具备这种功能--通过电信号来控制自身开合，以开关的断开和闭合来代表0和1。

被誉为“晶体管之父”的肖克利，出生于伦敦，三岁时随父母漂洋过海来到加州。受父母对他科学思想的灌输，考入MIT，随后获得固体物理学博士，留校任教。后来，被位于新泽西州的贝尔实验室副主任凯利来麻省“挖墙角”，将肖克利挖走了。当晶体管发明成功后，肖克利并不满足，他依然进行着不断地尝试，希望发明性能更好的晶体管，并将其商品化。与此同时，高纯硅的工业提炼技术已成熟，用硅晶片生产的晶体管收音机也问世。在贝尔实验室工作的肖克利坐不住了，他看到了未来的商机，而现在只能看着贝尔实验室拿他的发明赚钱，并且晶体管的性能不稳定，有损个人声誉。最后，矛盾爆发了!当然最终还是因为利益。硅谷诞生1955年，肖克利回到了自己的家乡圣克拉拉（Santa Clara）谷，并得到了贝克曼的支持，创办了自己的公司。圣克拉拉位于旧金山湾区南部，与圣何塞（San Jose）、森尼韦尔（Sunnyvale）。地理位置优越环境优美；气候清新宜人；交通便利。从此，这一片狭长的山谷举世闻名。

肖克利在创办了自己的公司后，依靠自身的威望，很快招到了一批学识渊博，技术过硬的人才。此时，我们仿佛看到一家半导体商业巨头正要崛起，屹立于世界之巅，但是，总有意外发生。硅谷八叛将肖克利虽然是一个聪明绝顶的天才，但却不是一个好的管理者。在公司发展方向上，几乎由他一人掌控，专横独裁，而且他不知道自身的缺陷，也不接受同事的合理化建议，最终导致公司在很长一段时间里都没有产品做出来。在同事关系上，他忽略了最重要的两点--尊重与信任，肖克利通过各种办法，牢牢的将技术专利掌握在自己的手中，这种自私自利的管理方式，终将会让公司走向没落。1957年9月18日，以诺伊斯为首的八位年轻人愤然提出离职，肖克利得知后勃然大怒，骂其曰“八叛逆”（Traitorous Eig）

传奇的仙童

很快，这八个人就拿到了一笔风险投资，投资人是具有远见卓识的谢尔曼•菲尔柴尔德，成立了仙童半导体（Fairchild），公司便是以投资人命名。公司由谢尔曼•菲尔柴尔德控股，管理人为诺伊斯。在新型的管理模式下，仙童半导体快速发展，不到半年的时间里就已经开始盈利。与此同时，仙童的两项发名专利，更使其立于世界的半导体之巅。其一是平面工艺--一种制造半导体电路的工艺方法，发明人为约翰•霍尔尼（Jean Hoerni）。另一个发明专利便是集成电路。顾名思义，集成电路就是用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上。1958-1959年，来自仙童的罗伯特•诺伊斯（Robert Noyce）发明了硅集成电路。事实上，在早些时候，来自德州仪器的杰克•基尔比（Jack Kilby）发明了锗集成电路。由于两人在同一年独立且不知情的情况下分别发明了集成电路，所以两人共享集成电路发明者的荣誉。现在，在我们眼里看来，把多个电路集成到一起而减少面积是个自然而然的事情，然后这个简单的想法，却改变了我们的世界。很多伟大的发明，往往源自一个很简单的想法。也许，即使没有这两位，依然有人会想到这个点子，但是历史只会记住最先吃螃蟹的人。此时的仙童半导体公司风光无限，而半导体行业在那时宛若一个巨大的金矿，任凭仙童肆意挖掘。而仙童的股权大部分都在投资人谢尔曼 菲尔柴尔德的手里，与此同时，仙童半导体公司的利润被不断转移到东海岸，去支持Fairchild摄影器材公司，此时仙童的员工开始坐不住了，开始了新一轮的离职创业潮。

1968年，诺依斯（N. Noyce）和摩尔（R.Moore）从仙童离职后创办了我们所熟知的英特尔（Intel），这里的摩尔就是我们所熟知的摩尔定律的提出者。1969年，杰里•桑德斯（J. Sanders）当时在仙童担任销售部的主任，带着7位仙童员工创办AMD。还有许多我们所熟知的公司，比如美国国家半导体（现已被TI收购），Altera（现已被英特尔收购）等的创始人都出自仙童半导体公司。正如江湖流传的苹果公司乔布斯形象比喻的那样：“仙童半导体公司就像个成熟了的蒲公英，你一吹它，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”随后，英特尔， TI，三星等巨头开始在世界的舞台大放异彩。

日、韩、台湾半导体行业发展迅速

集成电路产品，从发展至今六十余年，主要集中在美国、欧洲、日本、韩国和台湾。

日本

20世纪60年代中期，日本开始发展半导体产业，不断从美国引进技术；日本政府还要求日本电气公司（NEC）将取得的技术和国内其它厂商分享。随后，NEC、三菱、京都电气都积极投入半导体行业发展。

由于日本在引进阶段特别注意消化吸收国外的精华，其产业紧随美国之后，成为世界第二半导体产业生产大国。东芝、日立公司、富士通也加入其中。1976至1979年，在政府引导下，日本开启超大规模集成电路的共同组合技术创新行动项目（VLSI），投资720亿日元，用于进行半导体产业核心共性技术的突破。

到80年代，日本在半导体记忆体方面已经取得了技术领先，又加上大规模生产技术、低价促销的竞争战略，迅速取代美国成为半导体记忆体主要供应国。到1989年，日本芯片在全球的市场占有率达53%，美国仅37%，欧洲占12%，韩国1%，其它地区1%。

韩国

韩国是从1978年才开始发展半导体产业。当时韩国电子技术研究所（KIET）从美国购买3英寸晶圆生产线，次年投产。三星创始人李秉喆在70年代就注意到芯片产业“点石成金”的优势，并下决心投入巨资。

80年代起，韩国政府调整政策，吸收在欧美发达国家学习这方面技术的韩国学子回国，并不断引进国际先进技术，韩国集成电路得到突飞猛进的发展。韩国的大财团也积极加入其中，引发许多上下游企业共同发展。

1983年，三星首个芯片工厂在京畿道器兴地区落成；仅时隔10年，三星的量产芯片市场份额直逼日本。21世纪，韩国政府仍旧不断投资此产业，培养芯片产业人才；并且将防止半导体技术的泄露、逮捕产业间谍、维护知识产权，作为韩国情报机构近年来最重要的任务之一。

台湾

1966年12月，美国通用仪器（GI）在台湾高雄设厂，从事晶体管装配，拉开了台湾电子代工业序幕。20世纪70年代，台湾电子研究院电子所成立，并在世界范围内招揽集成电路专家。

1975年，台湾政府耗资4.89亿元新台币，向美国无线电公司（RCA）购买3英寸晶圆生产线。同时，台湾政府派出40多名留学人员到美国无线电公司进行培训。1977年10月29日，台湾工业技术研究院的3英寸晶圆中试生产线落成，比韩国早1年。

1980年，台湾联华电子建立4英寸晶圆厂。1987年，台积电纯晶圆代工厂成立。1989年，台湾宏碁电脑与美国德州仪器合资，在新竹园区建设6英寸晶圆厂，成为台湾第一家专业DRAM生产厂。（本文综合自温戈、百度）