晶体管诞生70年：回首中国集成电路来时路

张盖伦

“时间：1947年12月16日

日记号：38139-7”

70年前，当物理学家沃尔特·布拉顿像往常一样写下他的实验日记，他不曾预料，一个时代即将开启。

这场实验的主角是一个比火柴棍短且粗的半导体放大器，后来，它被命名为点接触式晶体管。

点接触式晶体管成了人类打开晶体管大门的第一把钥匙。大门推开后，一场信息技术革命席卷全球。

70年后，晶体管已经变得几乎无处不在。人类以其为砖瓦，搭建出一个个虚拟世界。我们至今仍未找到晶体管的替代品，以其为基础的集成电路，还将被人类长期依赖。

晶体管的问世，人类微电子革命的先声

晶体管诞生之前，人们已经有了电子管，或者叫真空管。

电子管具有信号放大作用，但是毛病一箩筐—寿命低、体积大、可靠性差。

所以，人们希望找到一种器件替代电子管。美国电话电报公司（AT&T）下属的贝尔实验室成了寻找路上的开路先锋。

贝尔实验室创建于1925年。成立伊始，它就是世界上规模最大的工业实验室。3600名工作人员中，有2000名是技术人员。

1945年7月，“二战”临近结束，为了适应战后研究方向的调整，贝尔实验室进行了各个研究部门的改组。

这次改组中，物理部门成立了3个研究小组，其中之一就是固体物理研究组。该组又分为半导体和冶金两个小组，麻省理工大学博士肖克莱兼任半导体小组组长。他将小组的研究计划定为研制“半导体放大器”。

半导体是指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，像硅和锗，就是常见的半导体材料。

清华大学微电子所所长魏少军说，要理解晶体管的工作原理，可以想象一个大坝的水闸。

当大坝闸门合上，无水流出，水力发电机就无法发电；当闸门打开，水流涌出，水力发电机就可以输出电流。“闸门的开合直接影响到了水力发电机的运转，这就是用一个弱信号，去控制了一个强信号。”而晶体管的基本原理就是“放大”，用小电流去控制大电流。

贝尔实验室对晶体管的构思由来已久。晶体管的诞生，是长期积累的结果。从诺贝尔奖的归属来看，荣誉最终给了3个人—肖克莱、布拉顿和巴丁。

1947年12月16日，摆在布拉顿和巴丁面前的是一个多次改进后的、构筑在锗晶体之上的器件。锗晶体表面，用一根弹簧压着一个两边包裹着金箔的三角形塑料楔子。这两边的金箔，就是信号的输入端和输出端。

就是它，在那天的实验中，成功放大了30%的输出功率和15倍的输出电压。

用现代标准来衡量，这点触式晶体管的原型实在太过质朴笨拙，但无可否认，它就是人类微电子革命的先声。

在它之后，又有双极型、单极型晶体管和硅晶体管相继问世。

“从移动计算到智能计算，当今时代的种种变化，都离不开电子信息系统。而晶体管，是其中最为基础的器件。”魏少军说，晶体管之于信息革命，如同铁器之于农业革命，如同蒸汽机之于工业革命，“它的重要性怎么强调都不为过。”

起步不晚的中国，还是落后了

晶体管应该被拿来做更多的事情，不过前提是，它要足够小。

如何找到一種高效的晶体管、导线和其他器件的连接方法？1958年左右，美国两位30岁出头的年轻人，各自拿出了自己的解决方案—就是我们今天已经熟知的集成电路。

如果说，晶体管的诞生，是蝴蝶扇动了翅膀，那么，远隔大洋的中国，也敏锐地嗅到了风暴来袭的信号。

中国的起步并不晚。20世纪50年代中期，正值我国开始实施第一个五年计划。半导体这门新兴科学技术受到了党和政府的高度重视。1956年，在没有技术资料和完整设备的条件下，我国成功研制出了首批半导体器件—锗合金晶体管。1965年，我国又拥有了集成电路。

“说起我国第一代半导体人，那真是非常了不起。”中科院微电子研究所所长叶甜春感慨，“他们带着知识归国，自己研制设备，自己制备材料，自己培养了第一批学生，完全白手起家。”

头20年，我国集成电路和国际上的差距并不大；但在第二个20年，道路开始曲折。

差的不在技术，而是产业。一个还没有完成工业化的国家，刚刚从计划经济时代走出，还不知道如何组织大规模商品生产。此时，还想更进一步，发展高新技术产业，更是难上加难。

产业发展不起来，技术研发也步履维艰，陷入恶性循环。叶甜春记得，1986年自己刚入集成电路这一行时，整个行业都处在痛苦的转型期。大家还在学习高质量低成本地批量制造产品，在混沌中摸索。

20世纪80、90年代，国际集成电路产业开始起飞。“这是国家发展阶段的差异，也没什么好埋怨的。”叶甜春坦言。

真正的转折点发生在2008年。

那一年，国家科技重大专项启动。“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”等专项都指向了集成电路。5年后，技术储备到了一定程度，加大产业投入也就被提上议事日程。

2014年，国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》，设立国家产业投资基金。“效果一下子就显现出来了。为什么能这么快？因为技术体系已经建立起来了，能支撑产业体系的快速发展了。”叶甜春总结，“这是一套组合拳，堪称完美。”

到了能打大战役的时候了

2017年1月，晶体管诞生之国美国，在一份报告中将矛头对准了中国。

美国总统科技顾问委员会称，中国的芯片业已经对美国的相关企业和国家安全造成了严重威胁，建议美国总统下令对中国的芯片产业进行更加严密的审查。

为什么？我国集成电路产业规模在世界占比非常小，算是“小透明”，就算有一些跨国并购，但交易额也完全不够看，何至于引起这么高的警觉？

“因为资本的背后，是我们自己真正的技术体系和产业体系在做支撑。”叶甜春说，“他们认为，一旦发展起来，就不可阻挡。我们有核心竞争力了，人家就害怕。”

实际上，我国集成电路一直都在国际上的打压和遏制中求生存。产业还在起步阶段，就有“巴黎统筹协会”对我国所需的新技术、新设备进行封锁禁运。当20世纪80年代后期“巴黎统筹协会”解体之后，又有“瓦圣那协定组织”继续对我国新兴技术和新兴产业进行封锁限制，它们只允许放行比经济发达国家滞后两代的集成电路技术和设备。

“西方国家有点神经过敏。”魏少军的看法略有不同，“中国打赢集成电路这场仗没那么容易。”集成电路产业的发展，需要全球化的产业环境，需要巨额投入，也需要大量人才。这都无法一蹴而就。

从中国半导体行业协会的统计来看，2016年我国集成电路产业销售额达4335.5亿元，比上年增长20.1%，这一增长速度算得上“高歌猛进”。不过，魏少军提醒，这4000多亿元的销售额还包括在华外商的贡献。“其实我们自身的能力还相当有限。”他判断，我国自己生产的集成电路，大约可以满足国内需求的1/4。

从技术上来看，我国最新的集成电路技术，跟国际上的最新技术还差了一代到两代。不过，叶甜春认为，纠结于这个最新技术的代际差异，是一种误区，并没有太大意义。

比如，如今依然在大量生产的55納米、40纳米和28纳米芯片，进入市场已近10年，但它们并未因为更小尺寸芯片的出现就退出历史舞台。

“集成电路尺寸缩小速度确实很快，但并不是下一代对上一代的完全替代。每一代技术都有大约10年的生命周期。”叶甜春表示，我国55纳米、40纳米、28纳米三代成套工艺已研发成功并实现量产，而更先进的22纳米、14纳米先导技术在研发上也取得突破，形成了自主知识产权。“所谓赶超，也无需要求在各个领域全面超越，只要我国的集成电路能够支撑我国信息化和智能化的发展即可。”

可以肯定的是，这场由晶体管开启的信息革命，将更深、更广地重塑人类社会。“未来，芯片的重要性只增不减。”魏少军强调。

而回首来路，叶甜春常说“传承”。一代一代半导体人的砥砺前行，才有中国今天的局面。

今天是个怎样的局面？他抬起头，望向远方，带着笑意。“可以打大战役了。我们有了‘战的能力，虽然能力有限，但和从前相比，大不一样了。天时地利人和，没有理由超不过别人，这只是时间早晚问题。”

（本文转自《科技日报》）