集成電路主要發(fā)明者之杰克·基爾比

1923年11月8日，在美國密蘇里州杰斐遜城的一個普通家庭里，誕生了一個男嬰。

男嬰的父親名叫赫伯特·基爾比（Hubert Kilby），是一個電氣工程師，畢業(yè)于伊利諾伊大學(xué)香檳分校。男嬰的母親薇娜·基爾比（Vina Kilby），同樣也畢業(yè)于這所學(xué)校。

小兩口也許并沒有想到，他們迎來的這個小生命，將來會成為一個偉大的工程師、發(fā)明家，甚至是諾貝爾獎獲得者。他的發(fā)明貢獻(xiàn)，將開創(chuàng)一個龐大的產(chǎn)業(yè)，改變整個世界。

這個男嬰，就是集成電路的主要發(fā)明者之一，被譽(yù)為“芯片之父”的杰克·基爾比（Jack St. Clair Kilby）。

█ 一個工程師的成長之路

1927年，也就是基爾比四歲的時候，他們一家搬到了堪薩斯州的薩琳娜（Salina）。

基爾比的父親赫伯特·基爾比，是堪薩斯電力公司（Kansas Power Company）的經(jīng)理。那時，基爾比經(jīng)常和父親一起，巡視發(fā)電廠，觀看發(fā)電和輸電設(shè)備。時間一長，他就對這些電氣設(shè)備產(chǎn)生了濃厚的興趣，并立志也要成為一名電氣工程師。

1937年，基爾比一家又搬到了距離薩琳娜100多公里的大本德（Great Bend）。在這里，基爾比度過了自己的高中生涯。

高中畢業(yè)時，基爾比為了實(shí)現(xiàn)自己的工程師夢想，前往參加麻省理工學(xué)院的入學(xué)考試。很可惜，最終他以3分之差落選（分?jǐn)?shù)線是500，他考了497）。

無奈之下，他只能選擇就讀父母的母校——伊利諾伊大學(xué)香檳分校。（需要說明的是，伊利諾伊大學(xué)并不是一所二流學(xué)校，而是美國最優(yōu)秀的公立大學(xué)之一。）

入學(xué)后不久，珍珠港事件爆發(fā)，美國正式加入二戰(zhàn)，杰克·基爾比也加入了美國陸軍。

當(dāng)時，他是陸軍通信兵團(tuán)（U.S.Army Signal Corps）的一名無線電通訊設(shè)備維修員，在印度東北的一個軍事基地工作，專門修理無線步話機(jī)。據(jù)稱，他還來到過中國，參加了幾個月的作戰(zhàn)（在史迪威將軍的領(lǐng)導(dǎo)下）。

參戰(zhàn)的經(jīng)歷，給基爾比的成長帶來巨大裨益。他事后回憶道：“學(xué)校外面的事情能讓你很快成熟。當(dāng)問題發(fā)生時，你必須面對它們，想出辦法，解決它們，然后你就進(jìn)步了?！?/p>

二戰(zhàn)結(jié)束后，基爾比回到伊利諾伊大學(xué)，繼續(xù)學(xué)業(yè)（學(xué)費(fèi)由軍隊(duì)承擔(dān)）。

1947年，基爾比順利獲得了電子工程學(xué)士學(xué)位，并加入了中心實(shí)驗(yàn)室（Centralab）工作。這個中心實(shí)驗(yàn)室，是全球聯(lián)通公司（Globe Union）設(shè)在米爾沃基（Milwaukee，威斯康星州的最大城市）的一個研究機(jī)構(gòu)。

工作期間，基爾比通過參加夜校，獲得了威斯康星大學(xué)米爾沃基分校的電子工程碩士學(xué)位。與此同時，他與芭芭拉·安吉斯（Barbara Annegers）結(jié)婚，并生育了兩個女兒。

1947年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的威廉·肖克利、沃爾特·布拉頓、約翰·巴丁，共同發(fā)明了世界上第一個晶體管，轟動了整個科學(xué)界。

基爾比也關(guān)注到了這個事件。他現(xiàn)場聆聽了約翰·巴丁的演講（約翰·巴丁也畢業(yè)于威斯康星大學(xué)，兩人算是校友），對晶體管產(chǎn)生了濃厚的興趣。他表示：“（晶體管的出現(xiàn)），意味著我的電子管技術(shù)課程白學(xué)了?！?/p>

1952年，迫于美國反壟斷法的壓力，貝爾實(shí)驗(yàn)室開始向全美38家公司低價授權(quán)晶體管的生產(chǎn)許可（授權(quán)費(fèi)僅25000美金）。這其中，就包括了基爾比所在的全球聯(lián)通公司。

獲得授權(quán)后，基爾比被派到貝爾實(shí)驗(yàn)室，參加為期兩周的晶體管技術(shù)研討會。這期間，基爾比掌握了不少晶體管知識。

回到公司后，基爾比組建了一個三人研發(fā)小組。他們制造出了晶體管，并投放到市場，但并沒有獲得什么利潤。

全球聯(lián)通公司雖然名字很牛，但實(shí)際只是一個中小型公司。在利潤不高的情況下，他們不愿意在晶體管上繼續(xù)追加投入。于是，基爾比開始考慮跳槽，選擇更好的發(fā)展平臺。

經(jīng)過一番對比，最終他加入了一家剛剛進(jìn)入電子行業(yè)的公司。這家公司，就是后來的半導(dǎo)體巨頭——德州儀器（Texas Instruments，TI）。

█ 從石油到電子，一個巨頭的崛起

德州儀器是一家歷史悠久的公司。它的前身，是1930年J·克萊倫斯·卡徹（J. Clarence Karcher）和尤金·麥克德莫特（Eugene McDermott）共同創(chuàng)立的“地球物理業(yè)務(wù)公司”（GSI，Geophysical Service）。

這家公司的主營業(yè)務(wù)，是地質(zhì)勘探。其實(shí)說白了，就是找石油（德克薩斯州擁有豐富的石油資源）。

GSI成立后，碰上了美國經(jīng)濟(jì)大蕭條，業(yè)務(wù)并不是很好。到了二戰(zhàn)時期，GSI開始轉(zhuǎn)型，為美國陸軍和海軍生產(chǎn)國防電子產(chǎn)品。他們的潛水艇探測設(shè)備，深受美國海軍的歡迎，帶來了大量的訂單。

1951年，GSI公司旗下實(shí)驗(yàn)室和制造部門（專注電子產(chǎn)品）的業(yè)績迅速超越了地理部門，公司實(shí)際上已經(jīng)轉(zhuǎn)型為電子產(chǎn)業(yè)公司。于是，公司改名為“通用儀器”（General Instrument）。同年，又改名為“德州儀器”，并沿用至今。

1952年，德州儀器同樣獲得了貝爾實(shí)驗(yàn)室的專利許可。

這一年，原本在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的戈登·K·蒂爾（Gordon K. Teal）加入了德州儀器，擔(dān)任研究主任一職。兩年后，在他的領(lǐng)導(dǎo)下，德州儀器成功研制出第一個商用硅晶體管，以及第一臺晶體管收音機(jī)，從此奠定了自己的行業(yè)地位。

█ 集成電路的正式誕生

前面說到，基爾比在1958年加入德州儀器。

當(dāng)時，德州儀器和美國通訊部隊(duì)正在合作一個名叫“Micro-Module program（微模塊）”的項(xiàng)目。項(xiàng)目的研究目標(biāo)，是將晶體管、電阻、電容等電子零件的大小及形狀統(tǒng)一，以此實(shí)現(xiàn)互相連接制程的標(biāo)準(zhǔn)化，減小電路空間，降低焊接難度和錯誤率。

基爾比認(rèn)為微模塊項(xiàng)目的思路并不合理，于是，他開始研究更好的解決方案。

一開始，基爾比設(shè)計(jì)了一個替代產(chǎn)品。結(jié)果，經(jīng)過成本分析，發(fā)現(xiàn)成本過高，無法量產(chǎn)。于是，他陷入了研究困境。

1958年8月，事情的轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)了。

德州儀器公司所在的達(dá)拉斯（Dallas），一到夏天就會非常炎熱。所以，公司會給員工放假兩周，讓大家去度假避暑。

基爾比是新員工，并沒有資格享受假期待遇。于是，他只能繼續(xù)憋在公司，研究自己的項(xiàng)目。也許正是因?yàn)闊o人打擾，基爾比很快就取得了突破。

基爾比想到，英國皇家雷達(dá)研究所的著名科學(xué)家杰夫·達(dá)默（Geoffrey Dummer），在1952年的一次會議上，曾指出：“隨著晶體管的出現(xiàn)和對半導(dǎo)體的全面研究，現(xiàn)在似乎可以想象，未來電子設(shè)備是一種沒有連接線的固體組件?！?/p>

在這個思路的引導(dǎo)下，他發(fā)現(xiàn)，由很多器件組成的極小的微型電路，是可以在一塊晶片上制作出來的。也就是說，可以在硅片上制作不同的電子器件（例如電阻、電容、二極管和三極管），再把它們用細(xì)線連接起來。

這一驚人想法，令他自己都感到十分興奮。那一天，他在自己的筆記本上，詳細(xì)記錄了自己的想法，甚至還構(gòu)思了一個完整的電路工藝流程，寫了整整五頁。

假期結(jié)束后，基爾比立刻向直屬領(lǐng)導(dǎo)威利斯·阿德科克（Willis Adcock，當(dāng)時是德州儀器開發(fā)部主管）匯報了自己的想法。他提出，自己可以做一個觸發(fā)電路，進(jìn)行驗(yàn)證。

威利斯·阿德科克的第一反應(yīng)是覺得這個方案有點(diǎn)麻煩，不太靠譜。但是，考慮再三，他還是勉強(qiáng)同意了基爾比的建議。

于是，基爾比開始著手實(shí)施自己的方案。最初，基爾比準(zhǔn)備采用“硅”作為襯底，制作電路。但是，當(dāng)時的德州儀器并沒有合適的硅片。無奈之下，基爾比選擇了“鍺”。

不久后，1958年８月28日，基爾比做出了自己的觸發(fā)電路，效果非常不錯。

1958年9月12日，德州儀器公司高層齊聚實(shí)驗(yàn)室。此時，基爾比自信地展示了集成在一塊長7/16英寸、寬1/16英寸的鍺片上的電路。

電路是一個帶有RC反饋的單晶體管振蕩器，整個是用膠水粘在玻璃載片上的，看上去非常簡陋。電路的器件，則是用零亂的細(xì)線相連。

在眾人的見證下，基爾比緊張地將十伏電壓接在了輸入端，再將一個示波器連在了輸出端。接通的一剎那，示波器上出現(xiàn)了頻率為1.2兆赫茲，振幅為0.2伏的震蕩波形。

現(xiàn)場沉靜了一會，才響起了熱烈的掌聲和歡呼聲?；鶢柋瘸晒α?，他創(chuàng)造了世界上第一個采用單一材料制成的集成電路（Integrated Circuit）。從此，人類電子工業(yè)發(fā)展，進(jìn)入了一個全新的時代。

1959年2月6日，德州儀器和基爾比向美國專利局申報專利。在申請中，基爾比將他的新設(shè)備描述為：“一種半導(dǎo)體材料……其中電子電路的所有組件都完全集成”。

1959年3月6日，美國無線電工程師學(xué)會（也就是后來的IEEE）在紐約召開年會。德州儀器在著名的華爾道夫酒店，高調(diào)召開了新聞發(fā)布會，正式對外展示了基爾比的發(fā)明。

時任德州儀器半導(dǎo)體部門負(fù)責(zé)人的馬克。謝潑德（Mark Shepherd，后來擔(dān)任德州儀器總裁）在新聞發(fā)布會上稱：“這是德州儀器宣布進(jìn)入晶體管市場以來，最重大的一項(xiàng)發(fā)明”。

█ 基爾比vs諾伊斯，誰是集成電路之父？

基爾比發(fā)明集成電路的同時，另一個人也在這個領(lǐng)域取得了突破。這個人，就是仙童半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）的羅伯特·諾伊斯（Robert Norton Noyce）。

關(guān)于諾伊斯，我在之前仙童的文章（鏈接）里詳細(xì)介紹過。他是威廉·肖克利嘴里的“八叛徒”之首，是仙童的創(chuàng)始人之一，也是后來英特爾的創(chuàng)始人之一。

仙童是“八叛徒”聯(lián)合創(chuàng)立的公司，在半導(dǎo)體技術(shù)上擁有極強(qiáng)的實(shí)力。

“八叛徒”之一的讓·阿梅德·霍爾尼（Jean Hoerni），發(fā)明了非常重要的平面工藝（Planner Process）。

這個工藝，就是在硅片上加上一層氧化硅作為絕緣層。然后，在這層絕緣氧化硅上打洞，用鋁薄膜將已用硅擴(kuò)散技術(shù)做好的器件連接起來。

平面工藝的誕生，使得仙童能夠制造出極小尺寸的高性能硅晶體三極管，也使集成電路中器件間的連接成了可能。

1959年１月23日，諾伊斯在他的工作筆記上寫到：“將各種器件制作在同一硅晶片上，再用平面工藝將其連接起來，就能制造出多功能的電子線路。這一技術(shù)可以使電路的體積減小、重量減輕、并使成本下降。”

德州儀器公布基爾比的發(fā)明的消息，帶給諾伊斯很大的震動。諾伊斯十分懊悔自己的動作還不夠快，另一方面，他又發(fā)現(xiàn)，基爾比的發(fā)明，其實(shí)存在很大的缺陷。

基爾比的集成電路采用飛線連接，根本無法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，缺乏實(shí)用價值。

諾伊斯的設(shè)想是：將電子設(shè)備的所有電路和一個個元器件都制成底版，然后刻在一個硅片上， 這個硅片一旦刻好了，就是全部的電路，可以直接用于組裝產(chǎn)品。此外，采用蒸發(fā)沉積金屬的方式，可以代替熱焊接導(dǎo)線，徹底消滅飛線。

仙童的硅晶體集成電路

1959年7月30日，諾伊斯基于自己的想法，申請了一項(xiàng)專利：“半導(dǎo)體器件——導(dǎo)線結(jié)構(gòu)” 。

嚴(yán)格來說，諾伊斯的發(fā)明更接近于現(xiàn)代意義上的集成電路。諾伊斯的設(shè)計(jì)基于硅基底平面工藝，而基爾比的設(shè)計(jì)基于鍺基底擴(kuò)散工藝。諾伊斯依托仙童的硅工藝優(yōu)勢，做出的電路確實(shí)比基爾比更先進(jìn)。

但是，基爾比的混合型集成電路已經(jīng)具備集成電路的特點(diǎn)，而且申請時間更早。

于是，基爾比所屬的德州儀器，與諾伊斯所屬的仙童半導(dǎo)體，展開了激烈的專利大戰(zhàn)。

對于這場官司，基爾比表示：“沒人會對我是第一個制造出集成電路的人發(fā)生疑問。諾伊斯博士是第一個做了我想做的事——用蒸發(fā)金屬來做器件之間的連線。諾伊斯博士的做法和我已經(jīng)做過的相差很遠(yuǎn)，他說他是同情我才把我當(dāng)作共同發(fā)明人，但我不這樣認(rèn)為?！?/p>

1966 年，法庭最終裁定將集成電路想法（混合型集成電路）的發(fā)明權(quán)授予了基爾比，將今天使用的封裝到一個芯片中的集成電路（真正意義上的集成電路），以及制造工藝的發(fā)明權(quán)授予了諾伊斯。

基爾比被譽(yù)為“第一塊集成電路的發(fā)明家”，而諾伊斯則是“提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論”的人。

這一年，德州儀器公司和仙童公司達(dá)成了交叉許可協(xié)議，共享集成電路的專利。

1969年，美國聯(lián)邦法院從法律上判定，二者申請的集成電路專利是并行獨(dú)立發(fā)明。

█ 芯片時代的到來

1960年3月，德州儀器依據(jù)杰克。基爾比的設(shè)計(jì)，正式推出了全球第一款商用化的集成電路產(chǎn)品——502型硅雙穩(wěn)態(tài)多諧振二進(jìn)制觸發(fā)器，銷售價格為450美金。

集成電路誕生之后，最先應(yīng)用的是軍事領(lǐng)域（當(dāng)時是冷戰(zhàn)最敏感的時期）。

1961年，美國空軍推出了第一臺由集成電路驅(qū)動的計(jì)算機(jī)。1962年，美國人又將集成電路用于民兵彈道導(dǎo)彈（Minuteman）的制導(dǎo)系統(tǒng)。

后來，著名的阿波羅登月計(jì)劃（Apollo Project），更是采購了上百萬片的集成電路，讓德州儀器和仙童公司賺得盆滿缽滿。

軍用市場的成功，帶動了民用市場的拓展。1964?年，Zenith公司將集成電路用到了助聽器上，算是集成電路在民用領(lǐng)域的首次落地。從那以后，集成電路的成本逐步下降，工藝不斷改進(jìn)，逐漸為行業(yè)所接受。

1961年，德州儀器主席帕特里克.E.哈格蒂（Patrick E.Haggerty）為了推動集成電路的普及，安排基爾比設(shè)計(jì)一款全新的、可以拿在手里的微型計(jì)算器。

1967年，基爾比帶領(lǐng)的小組，成功完成了這款產(chǎn)品的研發(fā)，也就是世界首款電子手持計(jì)算器——Pocketronic。

集成電路的更大意義，在于它為微處理器的問世鋪平了道路。

1970年，英特爾推出世界上第一款DRAM（動態(tài)隨機(jī)存儲器）集成電路1103。次年，他們又推出世界上第一款包括運(yùn)算器、控制器在內(nèi)的可編程序運(yùn)算芯片——Intel 4004。

Intel 4004，擁有2300個晶體管，是世界上第一款微處理器。它的誕生，揭開了微型計(jì)算機(jī)時代的序幕。

█ 遲到的諾貝爾獎

1971年，基爾比離開德州儀器，從事咨詢工作并繼續(xù)其發(fā)明創(chuàng)造，也曾在德州農(nóng)業(yè)和機(jī)械大學(xué)（Texas A&M University）當(dāng)教授。

其間，基爾比曾在美國能源部的資助下，從事“清潔能源（太陽能）”的開發(fā)利用，建立了幾個大型系統(tǒng)。但由于石油價格的下跌，太陽能項(xiàng)目未被重視，因此成果未能商業(yè)化。

1999年，美國《洛杉磯時報》評選出“50名本世紀(jì)經(jīng)濟(jì)最有影響力人物”，其中并列第一名的有三個人：威廉·肖克利、羅伯特·諾伊斯和杰克·基爾比。

2000年10月10日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，俄羅斯科學(xué)家澤羅斯·阿爾費(fèi)羅夫、美國科學(xué)家赫伯特·克勒默和杰克·基爾比，因在“信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)性工作”而獲本年度諾貝爾物理學(xué)獎。

基爾比因?yàn)樵诎l(fā)明集成電路中所作的貢獻(xiàn)，獲得了獎金總額（900萬瑞典克朗，約合100萬美元）的一半。

此時，距離基爾比發(fā)明集成電路，已經(jīng)過去了42年。

不管怎么說，遲到總比沒到好。諾伊斯就很可惜，他在1990年6月3日突發(fā)心臟病去世（享年62歲），與諾獎失之交臂。

2005年6月20日，杰克·基爾比因癌癥在達(dá)拉斯的家中逝世，享年81歲。

█ 結(jié)語

基爾比的一生，擁有60多項(xiàng)發(fā)明專利。除了前面所說的集成電路、微型計(jì)算器和太陽能系統(tǒng)之外，他還發(fā)明過熱敏打印機(jī)。

毫無疑問，他是一個偉大的發(fā)明家。他所做出的貢獻(xiàn)，推動了社會的進(jìn)步，值得我們永遠(yuǎn)銘記。

最后，讓我們用德州儀器前董事會主席湯姆·恩吉布斯（Tom Engibous）的評價來結(jié)束今天的文章——

＂我認(rèn)為，有幾個人的工作改變了整個世界，以及我們的生活方式——亨利·福特、托馬斯·愛迪生、萊特兄弟，還有杰克·基爾比。如果說有一項(xiàng)發(fā)明不僅革新了我們的工業(yè)，并且改變了我們生活的世界，那就是杰克發(fā)明的集成電路。＂

編輯：黃飛