集成電路之父,基爾比,他是如何影響世界

1958年夏,德州儀器(Texas Instruments,簡稱TI)的一名新晉僱員Jack St. Clair Kilby還沒攢夠假期,他獨自在實驗室裡思考彼時的“數字暴政(tyranny of numbers)”問題:將極其大量的離散固態組件焊接起來的過程耗時且存在缺陷。短短几周之內,Kilby得出瞭解決方案——使用集成電路。正是這項革命性的發明(在同時期Robert Noyce也發明了集成電路,法院判定兩者的專利均有效)開啟了現代微電子學領域,以及超過半個世紀振聾發聵的科技發展進程。

Kilby的集成電路讓TI公司在冷戰大多時間中一直佔據著芯片製造商的領先位置,而且多年來,TI一直與Kilby緊密合作,通過他的發明來加強TI在高科技創新方面的名譽。因此很少有人發覺,Kilby在TI擔任全職員工的時間僅有12年——1970年,他離開了TI公司,繼而成為一名顧問兼獨立發明家。

離開TI之後,Kilby做了大量發明,但都是為了一個項目——一個可持續發電的家用太陽能燃料電池系統。Kilby對自己的想法寄予厚望,他相信這是一項具有革命性、可以改變社會的發明,就如集成電路那樣,因此他投入了十幾年來研究這個項目。但讓Kilby極其失望的是:他的技術沒能流行起來。人們對Kilby的集成電路印象更為深刻,但我們不應忘記他在另一項同樣重要且具有挑戰性的技術上所作出的貢獻。

在Kilby離開TI後,由於TI繼續給予他大量的支持,他也投桃報李,在各種國家委員會中代表TI公司出席,並按月向TI發送關於行業發展和自己項目的報告。官面上,TI對於給Kilby的發明頒發許可證有優先取捨權;私下而言,他也時常拜訪TI公司,並受到大家的歡迎。

離開TI公司之後,Kilby擁有了時間和自主權,得以成為優秀的美國發明家。事實上,在20世紀70年代,他也的確提交了一連串的專利申請,雖然無論在創造性或者商業價值方面,這些發明沒有一項能與集成電路,甚至與他離開TI前在手持計算機方面的成就相媲美。

在成為獨立發明家之後的頭些年裡,Kilby發明了可靠的手電筒、防止偷竊的收銀機以及電子支票打印機,還在個性化、交互式電子教學機器發明中投入了大量的時間、精力與金錢。儘管他曾向許多公司兜售這些發明,包括McGraw-Hill、Sony、Westinghouse、Xerox、TI等,但沒人願意將這些想法商業化。有趣的是,無論在美觀、操作與目標上,他的設備都與TI公司後來異常成功的產品——幫助兒童學習拼音與發音的益智玩具“Speak & Spell”非常相似。但“Speak & Spell”在數字信號處理以及電子語音合成方面開闢了新天地,而Kilby的機器則沒能做到。

Kilby對高等教育也很感興趣。20世紀70年代,他曾與德州農工大學(Texas A&M University)以及就職於Clemson University的前TI員工Jay Lathrop一同合作,開發了為本科生學習集成電路設計與製造實踐的新方法。

然而1973年底,Kilby與Lathrop突然不再討論教學大綱、教科書與課程需求之類的問題了,阿拉伯石油輸出國組織發佈了出口禁令,油價飆升的話題佔據了各種頭條,Kilby向Lathrop提議,思考一下如何應用硅電技術,減少世界經濟對石油的依賴。此時,美國不僅使用石油來供暖、提煉汽油,還在發電上大量應用。Lathrop欣然同意,為了實現想法,他們表現出了非凡的創造精神,兩人都投入了新領域,並進行了大量學習,最終成為了該領域的專家——包括物理學、化學、太陽能經濟學等。

沒過多久,他們獲得了第三位合作者,來自德州農工大學的W. Arthur Porter,他對住宅用的太陽能系統有一個大致思路。在他們討論的大多配置中,這個系統的核心在於一組很淺的管道,其中被液體溴化氫部分填滿,每個管道底部都嵌有包裹在透明矩陣中、數千枚BB彈大小的硅球,太陽能光子會撞擊這些硅球,讓電子脫出,形成電勢,並讓周圍的液體分離成為氫氣和液溴。這些成分會被抽離並分別存儲起來,直到需要電力的時候再重新結合成為燃料電池,循環到管道中。

在石油出口禁令後轉向太陽能發電的路上,Kilby、Lathrop和Porter並不孤獨。20世紀70年代,太陽能的使用出現了爆發式的增長。從1974年到1979年,美國聯邦用於可再生能源開發的資金從每年3200萬美元增長到13.6億美元。私營企業的利益反映了這種增長趨勢。到1976年,根據《太陽能工程雜誌》的報道,有88家太陽能相關的公司在紐約證交所上市,這些大型公司分別由小型公司、學術研究室和業餘愛好者組成。在20世紀70年代,石油、電子與軍工企業都與太陽能牽涉頗深,而身兼油田儀器公司、半導體生產商與國防供應商的TI公司,在這三個行業都有很深的根基。

Kilby的系統與大多其它的太陽能技術有所不同,它回答了這個亙古疑問:當太陽不發光時,我們該怎麼辦?由於這個系統會將化學物質分開存儲,再按需結合,因此我們可以暫時將太陽光子撞擊的瞬間與系統發電的瞬間獨立開來。Kilby等人也相信,在製造工藝上他們的系統會比其它基於硅的太陽能發電方案要簡單得多。

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圖1 硅電池:太陽能發電的核心——Kilby及其同事研究的太陽能發電系統,核心由鑲嵌在半透明材料中的小塊硅晶體組成。”

彼時,製造光電池所需的大型單晶硅薄片非常困難,也很昂貴。但Kilby的液體燃料系統使用了對品質要求不高的硅丸,這些小球可以通過18世紀末期製造子彈的方式獲得。這個技術非常簡單:將融化的鉛(或者硅)從制彈塔(shot tower)頂端傾入,所形成球狀的液滴在滴落時冷卻成型。

1975年春,Kilby已經做好準備向TI公司提出這個理念。這次,他獲得了積極的回應。TI公司同意為Kilby、Lathrop和Porter的發明向美國專利辦公室和數十個其它國家的專利辦公室申請專利。TI公司還為Kilby等人提供了大量研究資金,並組成了自己的開發團隊來協助這個被命名為Project Illinois的項目,但他們並不打算將這個項目公諸於世——這樣一來,Kilby就可以利用自己的名義參加太陽能會議,與聯邦資助機構交流,而無需透露他與TI的關係。

TI謹慎的原因之一在於,這個項目是一項未經檢驗的技術,存在著重大風險,這個系統的效果如何還不得而知。此外,氫溴化物的毒性和腐蝕性都很強,屋主不大可能將這種化學物質大量存放在屋頂上。另外,系統的關鍵組成之一就是燃料電池,這是一項眾所周知的精細技術。

圖2是基於TI公司一份報告中的草圖所作,顯示了TI太陽能系統可能的供熱、供給熱水和電能方式。發電時,太陽能電池會將溴化氫(HBr)分解成為氫氣(H2)和液溴(Br2)。系統將氫氣單另存儲起來,待需要的時候再與液溴結合進行發電。

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圖2 閉循環太陽能轉換系統

然而,這個項目中還存在一個更基本的問題,就是商業模式的問題。TI公司的首要需求是將這個系統以高價賣給富裕的屋主,在產生足夠的收入的同時,也收集足夠的相關知識和經濟利益,然後將產品推廣至中產階級家庭。

但很難想象高端用戶會願意在屋頂上安裝昂貴且不怎麼美觀的太陽能面板,要是有投資機構願意資助這項技術的開發,或有公司願意提供壟斷市場來降低開發成本,情況就好得多了。當然,的確有符合要求的機構存在,那就是美國政府。事實上,在TI公司的集成電路項目中,美國軍方在開發和商業化環節都提供了很大幫助。1973年,尼克松總統宣佈了《能源獨立計劃》,這是一個能源界的“阿波羅項目”,旨在幫助美國在1980年之前實現能源自給自足。TI公司的管理者認為,他們能在政府中找到願意幫助公司將太陽能推廣給大眾的合夥人。

TI公司的管理者與Kilby開始拜訪政府中的熟人,看是否能找到人願意協助該項目,答案就是新成立的能源部(DOE)。在1978年1月,在經過數年小規模的研發之後,新近參與到美國國防部先進研究項目局(DARPA)領導工作中的TI公司副總裁George Heilmeier與DOE的能源研究主管John Deutch就Project Illinois進行了討論。根據會議紀要,由於DOE在太陽能方面的經驗有限,Deutch表示願意資助該項目。之後不久,TI公司與DOE簽訂了協議,在四年中分攤1800萬美元的成本耗資,以加速該項目的開發,這個項目更常用的名稱是德州儀器太陽能系統(TISES)。有了資助之後,Kilby等人構建起了原型系統,提高了太陽能發電轉換過程的效率,增加了燃料電池的容量,並延長了各個組件的壽命。

但Kilby和TI公司仍舊面臨發掘市場和用戶的尷尬局面,他們非常樂觀,因為聯邦政府以及一些州已經開始為安裝該太陽能設施的住戶提供稅收減免政策,但這裡他們犯了一些致命的錯誤。

從Project Illinois項目的最開始,TI公司就是從軍隊借鑑研發模板的,在工業上非常複雜。Kilby等人所依賴的關係網可以在軍方與其供應商之間自由來去。TI公司強調,他們與DOE的合約包含知識產權,而Deutch明確認定TI公司會採用DARPA所喜愛的高風險、高回報的資助方式。TI公司甚至嘗試通過核戰遊戲技術為TISES的開發計算出策略。借鑑軍事實踐是有效的,TI公司在這方面有大量的經驗,此外,TI公司在集成電路上的成功也顯示了他們能夠借鑑軍事產品來創造大型的民用市場。

但這種方法有一個負面影響,他們不願意信任除軍方之外的太陽能專家,儘管按照Deutch的說法,DOE實際上在太陽能方面還是有很多人才的。事實上,DOE有整個一所太陽能研究機構。但Kilby等人並沒有重視這些專家的意見,甚至曾在1980年大選後,在回覆里根總統過渡團隊的信函中表示,DOE中太陽能項目相關的專家都可以撤掉了。

反之,Kilby轉向軍方尋求幫助,但軍方不大可能對這個項目提供支持。此時,美國國家安全機構對未來能源的構想是核能,而不是太陽能。在Kilby的論文中,並沒有痕跡透露他曾考慮與那些核能的反對者、太陽能的支持者合作,但這些支持者或許能給TISES提供諸如環境等社會輿論的支持。Kilby和TI公司對外的說法是在聲稱TISES對經濟與國家安全有益處,在中東形式混亂,油價高居不下時,這種說法還是很有說服力的。但到了1980年,油價開始下跌。很快,里根政府收回了對太陽能的政府支持,在20世紀80年代的新政策和經濟環境下,TISES的前景堪憂。到1982年末1983年初的時候,這個項目被判了死緩——TI公司表示會停止對該項目的資助,但若能找到合夥人的話,也會繼續該項目的研發。

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圖3 TISES原型

TI公司的決定是出於兩方面的考慮,一是該公司剛剛轉型失敗,沒能躋身領先的個人電腦製造商行列,決定重新著眼於擅長的行業;二是上級管理層對風險極高的新市場表示不滿,成本預測也顯示TISES過於龐大、難以消化,過去十年中在這個項目上的投資幾乎都是純消耗。

Kilby還沒準備放棄,在之後的9個多月中,他們努力尋找潛在的合夥人,包括石油化工公司、電力公司和設備供應商、建築材料公司甚至菸草公司等等,但時機太差了,RCA之類的其他微電子公司都在以超低的價格向石油公司兜售自己的太陽能分公司,Kilby等人找不到TISES的合作伙伴。1983年9月,TI公司耗盡了耐心,也耗盡了資金,最終TISES項目被取消了。

Kilby完全崩潰了。根據Kilby的朋友和傳記作家所述,TISES項目的取消剛好是在他母親和妻子去世之後不久,這給了他非常沉重的打擊。他在筆記本上記錄的與太陽能項目相關的發明完全停止,再也沒有啟動過。之後Project Illinois就消失了,如今幾乎已經被遺忘。但其背後的基礎理念仍舊時不時顯現。

在20世紀80年代,有很多太陽能項目被取消,但如果經過進一步發展,在今天或許會煥發出新的競爭力。特別是在美國,長期的高科技項目通常會經歷蕭條期和興旺期,那些倖存下來的項目都擁有長期的願景和投資。但Kilby和TI公司對於該項目的論點是建立在經濟環境上的,油價下跌自然就會打破這個說法,而美國國家安全社區更願意接受核能。類似環境保護或者能源多樣化之類這樣的更長期願景或許會更有吸引力,讓公眾和私人對項目投資,從而帶動項目雖遲緩卻穩定的發展。

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