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体育平台天博:苏联的卫星上天结果毁了自己的半导体产业
2022-09-11 17:14:02 | 来源:天博体育官网app 作者:天博体育官网welcome

  俄乌战争后被全方位制裁的俄罗斯,最近启动了新的半导体计划:准备投入488亿人民币,希望今年年底,芯片制造工艺能实现90nm(纳米),到2030年能实现28nm芯片的量产。

  90nm,这是英特尔2003年的水平;28nm,这是台积电2011年的水平。

  就在6月7日,苹果发布的M2芯片,采用的是台积电第二代5nm制程工艺,拥有200亿个晶体管。

  曾几何时,在半导体研发上,苏联与美国几乎是并驾齐驱的,后来都发生了什么呢?

  1957年10月4日,苏联人以每小时29,000公里的速度,把一颗83.6公斤的金属球发射到太空中。

  这个斯普特尼克1号,是人类向外层空间成功发射的第一颗人造卫星,也让美国人大为恐慌:这玩意儿飞过头顶时,会监听我们吗?而且对手有这能力,也能轻松地把核弹扔到美国本土任何地方吧,地缘优势在黑科技面前不堪一击。

  看热闹不嫌事大的英国科幻作家阿瑟·克拉克说,从苏联卫星绕地球转圈的那天开始,美国就沦为了二流国家。

  唯恐天下不乱的美国媒体又造了个新词:斯普特尼克时刻,指人们认识到自己受到威胁和挑战,必须加倍努力,迎头赶上的时刻。

  怎样赶上?电影《十月的天空》给出的方案很励志:矿工家庭出身的男孩Homer,第一次见到夜空中的苏联卫星,震惊之后开始了他的土法造火箭之路,在一次次失败后终获成功。

  在金属球飞天的半个月前,9月18日这一天,30岁的物理学博士罗伯特·诺伊斯,喊上7位同样觉得不受重用的年轻同事,集体给老板、晶体管的发明者肖克利交了辞职报告,准备另起炉灶。

  肖克利大怒,把他们称为“八叛徒”。但这八个家伙很快就拿到菲尔柴尔德家族的138万美元投资,在当时还不叫硅谷的圣塔克拉拉谷租下一间小屋,成立了一家名叫仙童的半导体公司。

  一边是卫星上天,一边是沙里淘金,这半个月的时间,不仅太空竞赛的帷幕拉开了,美苏的半导体探索道路,更是自此分道扬镳。

  这二者背后的半导体与电子工业,在接下来半个多世纪里,成为了人类科技发展的主动脉。

  等到晶体管和集成电路,几乎渗透到普通人生活的每个角落后,苏联人才幡然醒悟。这时候,对手早已绝尘而去。

  1946年情人节,历史第一台通用计算机ENIAC,诞生在美国宾夕法尼亚大学。这是个重达30吨、占地面积170平米的大家伙,一共用了18000个电子管。

  这家伙能耗巨大,一开机就能让周围居民的电灯暗了不少。但每分钟能执行5000次运算,可以让美军计算一条炮弹弹道的时间,从20多分钟缩短到30秒,还能用来计算核武器的爆炸范围。

  1950年,苏联自主研发的第一台通用计算机MESM也投入使用,用6000个电子管,做到每分钟约3000次运算。算力稍弱,但效率更高,找回了一点场子。

  不过,想让这样的大家伙更广泛应用,就得尽量缩小体积、提高算力、节省能耗。

  1947年12月,在一片锗晶体两个相距仅数十微米的接触式电极上,美国贝尔实验室的三名物理学家肖克利、巴丁和布拉顿,实现了对微弱电流的15倍放大作用,宣告晶体管的诞生。9年后,这三人一块获得了诺贝尔物理学奖。

  苏联人也没掉队。1948年,物理学家克拉斯洛夫有位22岁的研究生苏珊娜·玛多延,在基辅一个封闭研究所里,完成了题为“晶体三极管材料研究”的论文,并造出了苏联第一个晶体管的实验室样品。也因此,克拉斯洛夫拿到了当年的斯大林奖。

  晶体管能起到跟电子管一样的作用,且体积更小、能耗更低。但这时候,用锗造出来的晶体管也有致命短板,比如发挥水平很受电压和温度的限制,电压过大时,会导致击穿报废,温度变化较大时,性能也会发生剧烈变化,容易丢失参数。同时,晶体管的噪声要比电子管大,输出功率也比不上电子管。

  这样一个充满潜力、优缺点同样突出的新东西,在不同的应用场景下,开始走向了截然不同的命运。

  在美国,因为体积小巧能耗低,晶体管很受消费品市场欢迎,很快就成为助听器和收音机的核心部件。

  1952年,纽约声通公司推出全球第一款晶体管消费品,助听器SONOTONE 1010,售价229.50美元,采用了两个线个晶体管。其中那个半导体锗晶体管,是由贝尔实验室技术授权生产的。

  1954年,第一台晶体管收音机Regency TR-1上市,采用了德州仪器生产的4个NPN晶体管,售价49.95美元,上市第一年就卖了差不多10万台。

  商业应用的场景,倒逼着晶体管的技术不断迭代,就在几年后,由新成立的仙童公司完成了关键一跃。

  首先,生产晶体管这样的硬件,大公司有成本优势,初创公司想要赢得竞争,就得研发出一种革命性的、超低成本的新工艺。于是,诺伊斯把团队分成两个小组,让他们竞争研发最新工艺,几个月后,没日没夜加班的技术人员成功了,发明了一个叫 “平面处理” 的新工艺,能将硅加工成晶体管。使用这种工艺,可以制造出可靠的硅三极管,成本还能下降很多。

  其次,初创公司一开始能搞定一些标杆客户,就不用为后面找客户发愁。于是,在投资人的牵线下,诺伊斯成功拿到了IBM的订单,并顺利交付。果然,美国军方的晶体管订单也过来了。这让仙童创办不到一年的时间,就实现了盈利。

  更重要的是,在这个过程中,诺伊斯的技术灵感非但没落下,反而被商业竞争所激发。他从平面工艺中受到了启发,觉得与其把晶体管的硅片切割下来,用镊子在放大镜下装上导线,封装为成品,在制造电子设备时再一个个焊到电路板上,还不如把电子设备的所有电路和一个个元件都制成底版,然后一次性地刻在一个硅片上。

  二战后,在麻省理工大学工程学教授范内瓦的推动下,美国政府开始建立起国家科技体系,成立了美国国家科学基金会、美国国防部高级研究计划局等一系列科技决策机构,投入了巨额资金去推动科技进步。

  比如在研究上,国家科学基金会本身并不进行科学研究,而是在激烈的竞争、严格的挑选之后,把资金分配给大学研究人员,用基金会研究院在年度报告里的表述是,“每个想法,都必须与其他想法进行市场竞争。”

  在研发的“发”上,美军也会把设计、制造高科技武器的工作,外包给了私人电子与航空企业,同时,国防部的官员们会去说服国会,加大给电子制造厂的税收优惠力度,并为这些公司购买生产军用设备所需的昂贵机器。

  就这样跑出了仙童,跑出了德州仪器和英特尔,跑出了硅谷。用《硅谷密码》作者玛格丽特·奥马拉的话说:

  “这既不完全是一个大政府的故事,也不单纯是自由市场的故事,而是两者的结合。”

  在第一个采用晶体管的助听器投入到市场后,苏联人对晶体管的认识,出现了截然不同的两派。

  时任国防部副部长、苏联科学院院士А.И伯格认为,晶体管是电子产业未来发展方向;另一位苏联科学院院士约飞,则反对晶体管的产业化发展方向。

  双方各有一班拥趸,争执不下,结果到了1956年,在苏联部长会议的一次讨论上,作为苏联晶体管产业最大的甲方,军方最终做了裁定:“晶体管永远不会成为一个有用的东西,充其量就是做助听器,让社会保障机构去干吧!”

  苏联科学家费多托夫后来回忆说,军方高层对晶体管前景缺乏了解,给苏联的电子产业做出了一次凶残判决。

  但军方的理由,看着也很充分。他们认为美苏随时可能发生核武器大战,晶体管在核武器产生的EMP(电磁脉冲)下极为脆弱,皮实耐用、抗干扰能力强、可靠性高的电子管才是正道。

  在研发第一颗卫星的时候,苏联的航天部门也争论过,电路系统到底选什么方案,是小型真空管、锗晶体管,还是硅晶体管?

  当时苏联的硅料提纯技术有所欠缺,生产的硅晶体管良品率还不足20%,而锗晶体管还是老问题,需要在85℃以下才能良好运行,难以应付太空这样的恶劣环境,到最后,还是老朋友电子管可靠。

  何况在这个时候,苏联科学院院士瓦伦丁阿夫迪夫也在电子管小型化上取得了突破,能把电子管做到了米粒大小的体积。最终赫鲁晓夫大手一挥,作出重要批示:

  当时根据文化交流协定,双方会相互在对方国家举办展览会,不涉及任何跟政治沾边的东西。不过大家心照不宣,都把这当作秀肌肉的舞台。

  美国人显然做了精心布置,展出了他们心目中每个国民能拥有的一切,包括大量现代的、自动化的休闲娱乐设备,以显示美国规模巨大的商品经济和市场经济的繁荣。

  这些奇技淫巧,赫鲁晓夫自然不屑一顾。在一个美式别墅的厨房展台前,面对时任美国副总统尼克松对厨房和美式别墅的炫耀,他反击了:

  赫鲁晓夫:你们美国人造的房子只能用20年,所以开发商永远可以卖新房。我们盖房讲求坚固,我们的房子是为子孙后代盖的。

  尼克松:美国的房子可以用不止20年。再说了,即便如此,住了20年之后,许多美国人都会想换新房子,或者翻新厨房。过了那么久,厨房都陈旧过时了……美国的制度设计就是要利用新发明和新技术。

  赫鲁晓夫:这理论不成立。有些东西永远不会过时,比如房子。家具和装饰也许会过时,但房子不会。

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