中兴被美国制裁,华为手机在美国被停售,怎样唤醒我的“中国芯”

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中美贸易之争,很多看客都在鼓励中国和美国对着干,认为采取和谈只是软弱,殊不知只要开打,就是伤敌一千自损超千的一场战争,商战从来都不是一言不合就开打,发展自己才是硬道理,希望有志之士能早日共同创造中国芯

1、量子力学横空出世,半导体理论得到发展

在20世纪20年代,法国的路易·德布罗意正在研究量子力学的新科学理论。他知道物理学家当时认为光波(通常被认为是一个持续波动的电磁波)既具有波动性也具有粒子性。他意识到也许反过来也成立:也许像电子这样的粒子类似于光波,同时具有波动性和粒子性。另一位科学家瑞士理论家埃尔温·薛定谔将这一数学运算方式纳入了一系列方程式。这些 “薛定谔方程式”可以最大精度来描述电子和其它原子粒子。

在20世纪30年代,随着科学界试图将它们应用于晶体和金属等复杂的原子体系,这些(薛定谔)方程式被完全接受。物理学家(通常是大学的教授和研究生)投入分析这些基本结构的任务。德国、英国、美国和前苏联等地都取得了研究的突破。

当科学家们开始将晶体中的电子视为波时,他们发现了令人着迷、并且常常令人惊讶的新运动模式,这是与经典粒子不同的行为。例如,假设晶体中通常是完美有序的原子,如果有一个单一的原子离开原来的位置,那么电子在移动时的运动将会发生翻天覆地的变化

这些关于电子的新规则的应用之一是在半导体中。 20世纪30年代,尤金·威格纳和他的学生弗雷德里·克塞茨在普林斯顿大学就这个问题长期努力工作。他们是第一个弄清楚这些电子波如何使不同种类的材料导电或不导电的。简单来说,他们制备了一些不同组成的(具有不同的势垒)原子尺度的材料,从经典物理的理论来看,无论哪种组成的材料,电子均无法在其中穿越,这样就无法形成电流,但是考虑到量子效应,电子可以在势垒较低的材料中穿越,在这些材料中便可以形成电流。事实上,没有人会知道金·威格纳的工作奠定了贝尔实验室十年后研究的基础,因为他的学生约翰·巴丁即将把半导体晶体转变为晶体管,也就是芯片中最基础的元器件

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2、贝尔实验室三结义,嫉妒手下分道扬镳

20世纪初,美国电信巨头AT&T启用其已经退休的前任总裁希罗多·韦尔,以帮助公司抵御亚历山大·格雷厄姆·贝尔的电话专利到期时引发的竞争。韦尔的解决方案:跨州电话服务,也就是要让客户能够从纽约到旧金山之间实现通话,然而长距离间电话信号的衰减在当时是一个无法解决的问题

1906年,古怪的美国发明家李·德森在真空管中开发出三极管,是一种可以放大信号的设备,AT&T希望这个发明能够使得电话在从全国各地从一个交换机转移到另一个交换机时放大信号,达到长距传输的目的。 AT&T收购了德森的专利并大大改进了管道,允许信号沿着线路有规律地放大,这意味着只要沿途有放大器,电话交谈就可以在任何距离进行

最简单的真空管(即二极管)仅包含加热器、加热的电子发射阴极(灯丝本身在一些二极管中用作阴极)和金属板(阳极)。由于阴极发射的电子穿过管并被阳极收集,电流只能在一个方向上流过两个电极之间。在管内添加一个或多个控制栅格允许阴极和阳极之间的电流由电网或电网上的电压控制。

但是,使放大成为可能的真空管性能极其不可靠,使用了大量的电能并产生了太多的热量。在20世纪30年代,贝尔实验室的研究主任马文·凯利认识到,电话业务需要更好的设备才能继续发展。觉得答案可能在于一类奇怪的、被称为“半导体”的材料

第二次世界大战结束后,凯利召集了一个科学家小组开发固态半导体开关来替代有问题的真空管。其中该团队将在战争期间利用半导体研究方面的一些进步,使雷达成为可能。一位年轻而出色的物理学家比尔·肖克利被选为团队负责人。

肖克利招募了贝尔实验室的沃尔特·布拉坦,一位实验物理学家,天才的他可以创建或维修几乎任何物件。肖克利还聘请来自明尼苏达大学的理论物理学家约翰·巴丁。肖克利瞬间拥有了一支由理论家、物理学家、化学家和工程师组成的强大团队。1951年加入团队的物理学家沃尔特·布朗回忆说,他们的实验室被称为“地狱的贝尔实验室”。

在1945年春天,肖克利设计了他所希望成为的世界第一个半导体放大器,其工作原理依靠所谓的“场效应”。他的装置是一个涂有晶体硅的薄圆柱体,并且安装在一个小金属板附近。正如伊利诺伊大学电气工程师尼克·浩伦亚克所说,这是一个疯狂的想法。事实上,该设备没有成功,肖克利把找出失败问题的任务分配了巴丁和布拉坦。据作者乔尔·舒金的说法,这两个人很大程度上工作无人监督,他们的直接老板肖克利大部分时间都在家里独自工作。

在贝尔实验室的默里山研发中心里,巴丁和布拉坦形成默契,开始了完美的合作关系。理论家巴丁提出实验并对结果进行解释,而布拉坦搭建并操作实验。技术人员菲尔·福伊回忆说,随着时间的推移,成功的实验几乎一个也没有,紧张局势开始在实验室组内加重。

在1947年圣诞节前不久,巴丁有了一个历史性的见解。贝尔实验室的每个物理学家都认为他们知道电子是如何在晶体中运动的,但巴丁发现他们错了,因为量子力学理论预测电子在半导体表面的行为和在晶体内部完全不同

。巴丁没有告诉肖克利二人对实验所做的修改,1947年12月16日,他们制造了由塑料三角形上的金箔条制成的点接触晶体管,与晶片锗板接触。

当巴丁和布拉坦打电话给肖克力告诉他这项发明时,肖克力不但对二人的结果没有感到满意,而且对他自己没有直接参与发明其中感到愤怒。他决定为了保持自己领导的地位,他必须做出比巴丁和布拉坦的发明更好的晶体管放大器。

所以,肖克力的设备,即PN结(三明治)晶体管(科学猫近期会对其原理进行科普,请关注),是在一阵创造力和愤怒中发展起来的。他的设备比巴丁和布拉坦的点接触晶体管更加坚固和实用,而且制造起来更容易,成为电子时代的中心神器,我们今天用的手机芯片中就有数十亿个这样的晶体管。

巴丁和布拉坦被肖克力“推到一边”,并且禁止他们继续研究晶体管,这种对二人的侮辱导致团队分裂,把曾经的合作环境变成了竞争激烈的环境。这些设备的专利名称应该是谁的问题、谁应该在宣传照片中出现问题导致更高的紧张氛围的出现。

3、贝尔“三圣”分享诺奖,英特尔索尼发大财

贝尔实验室决定在1948年6月30日发布这项发明。在工程师约翰·皮尔斯的帮助下,贝尔实验室把这个发明赋予了“晶体管”的名字。然而在当时,无论是在大众媒体还是在工业界,这项发明都很少受到关注,但肖克利发现了它的潜力。他离开贝尔实验室并且在加州的帕洛阿尔托(Palo Alto)成立了肖克力半导体公司(ShockleySemiconductor),这就是“硅谷”的开始。原因是晶体管大部分都选用硅作为主要材料。

肖克力聘请了一流的工程师和物理学家,但根据物理化学家哈里塞洛的说法,肖克利的个性迫使他最优秀和最聪明的八位员工选择离开公司(有点像黄老邪)。那些“叛徒八人组”成立了一家名为仙童半导体(FairchildSemiconductor)的新公司。 许多电脑史学家都认为,要想了解美国硅谷的发展史,就必须了解早期的仙童半导体公司,也译作飞兆半导体公司。这家公司,曾经是世界上最大、最富创新精神和最令人振奋的半导体生产企业,为硅谷的成长奠定了坚实的基础。更重要的是,这家公司还为硅谷孕育了成千上万的技术人才和管理人才,它不愧是电子、电脑业界的“西点军校”,是名副其实的“人才摇篮”。一批又一批精英人才从这里走出和创业,书写了硅谷一段辉煌的历史;然而,正因为人才的大量流失,也造成了这家公司历经坎坷的商海沉浮。

但是鲍勃·诺伊斯和戈登·摩尔(大家一定知道著名的“摩尔定律”),八人中的两人继续组建英特尔公司。这两个人(和德州仪器的其他人)共同发明了集成电路,就是在一块单晶硅片上通过整合电路集成亿万个微小的晶体管,这就是我们俗称的“芯片”。今天,英特尔每天在芯片上赚的盆钵满盈,但贝尔“三圣”从他们的研究中赚取的钱却少的可怜。

巴丁离开贝尔后去了伊利诺斯大学的实验室,在那里他因为超导研究获得了第二个诺贝尔奖,也是唯一一个获得两个诺奖的物理学家。布拉坦继续在贝尔呆了好几年,然后也离开公司去大学教物理。总是妒火中烧的肖克利的公司很快破产,他在斯坦福大学教了一段时间的物理,然后卷入了一场关于种族、遗传学和智力的臭名昭着的争议(请继续关注科学猫),这场争论很快破坏了他的声誉。

顺便提一下,当波尔和爱因斯坦还在为量子力学的解释问题争论的你死我活的时候,实用主义至上的美国人却已经利用量子力学的结果制造出了芯片,领先欧洲进入了电器革命

。但是在二十世纪五十年代和六十年代,大多数美国公司选择把注意力集中在生产晶体管产品的军事市场上。这为日本工程师井深大和盛田昭夫开了一扇大门,他们创立了一家名为索尼电子(Sony Electronics)的新公司,批量生产微型晶体管收音机。贝尔实验室的名誉主席伊恩·罗斯说,他们成功的一部分在于发展快速批量生产晶体管的能力。

晶体管收音机改变了世界,开放了信息时代,并且为音乐带来了变革。信息很快就会传播到地球的尽头,以至于历史学家查尔斯斯图尔特是在撒丁岛的贝都因部落成员听到了发生的暗杀马丁·路德·金的事件。

原来的三人在分道扬镳后遇到了几次:一次是在瑞典斯德哥尔摩,因为他们对物理学的贡献而获得1956年诺贝尔奖,另一次是1972年在贝尔实验室纪念他们发明晶体管25周年。这三个人本应该成为世界上最有钱的人,远超比尔盖茨和巴菲特。但是作为科学家的他们缺乏管理才能,最终使得研究成果开花别家,令人惋惜!另外我们可以看出,任何一次科技革命都是跟一门基础学科的发展相关,需要在学科中培养出大量的人才,没有长期的人才储备,难以造就辉煌的革命成果。

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