60年前，科學(xué)家們?cè)谪悹枌?shí)驗(yàn)室證明了20世紀(jì)最重要的發(fā)明：第一只真正的晶體管。
很難說電子時(shí)代起源于何時(shí)，但是，William Sturgeon在1825年對(duì)電磁石的發(fā)展，為Joseph Henry在1830年發(fā)明粗糙的電報(bào)機(jī)播下了種子，那是第一個(gè)被用于遠(yuǎn)程通信(1英里)的電氣系統(tǒng)。僅僅過了14年，Samuel Morse通過連接華盛頓特區(qū)以及巴爾的摩之間的40英里鏈路發(fā)送了一則消息。
盡管那時(shí)候電報(bào)機(jī)的特性簡(jiǎn)單，令人驚訝的是需求增長(zhǎng)相當(dāng)快。到了1851年，西聯(lián)公司開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)，也就是在同一個(gè)十年內(nèi)，Cyrus Field通過一根易碎的電纜連接了新舊世界，盡管這根電纜在傳輸了第一條消息之后起碼中斷了三個(gè)星期。然而，后來的努力取得了成功。瞬間實(shí)現(xiàn)的跟大西洋彼岸的通信旋即使這種技術(shù)家喻戶曉。
盡管Alexander Graham Bell在1875年發(fā)明的電話現(xiàn)今仍然受到普遍的贊譽(yù)，但是，它成為實(shí)用器件還是在Thomas Edison兩年以后發(fā)明碳麥克風(fēng)之時(shí)。揚(yáng)聲器的語音通過一包碳顆粒進(jìn)行調(diào)制，通過改變電路的電阻，從而把信號(hào)發(fā)送到接收器。
不久之后，許多發(fā)明家提出了無線通信的設(shè)想，Guglielmo Marconi在1896年申請(qǐng)的專利以及后續(xù)的實(shí)證中進(jìn)行了整理。像電話以及電報(bào)機(jī)一樣，早期的無線電既沒有采用CPU、晶體管，也沒有采用真空管。Marconi在其它發(fā)明家—特別是Nikola Tesla—研究的基礎(chǔ)之上，利用高電壓和火花隙把電磁波引入一只線圈和天線。那個(gè)信號(hào)在整個(gè)頻譜上輻射，以現(xiàn)今的標(biāo)準(zhǔn)看是難以想像地吵雜，但是，它們管用。實(shí)際上，泰坦尼克著名的SOS信號(hào)就是利用馬可尼無線電報(bào)公司制造的5KW火花隙裝置廣播出去的。
電路與電有關(guān)，但不是電子電路。
盡管電話信號(hào)隨著距離的增加而快速退化，與此同時(shí)，那時(shí)候的無線電設(shè)備仍然簡(jiǎn)陋，通信距離有限。全世界特別強(qiáng)烈地需要能夠控制當(dāng)時(shí)新發(fā)現(xiàn)的電子的流動(dòng)的器件。大概就是在那個(gè)時(shí)候，Ambrose Fleming實(shí)現(xiàn)了電流在真空管中不可思議的流動(dòng)，Edison無意中發(fā)現(xiàn)它能夠調(diào)整交變的電流，這對(duì)于檢測(cè)無線電波恰到好處，因此，他發(fā)明了第一只簡(jiǎn)單的真空二極管。然而，因成本高且燈絲需要大電流，它并沒有取得大規(guī)模商業(yè)成功。
在新世紀(jì)的第一個(gè)十年，Lee de Forest往電子管的陽(yáng)極和陰極之間插入一層?xùn)鸥瘛＠眠@種新的元件，電路能夠?qū)崿F(xiàn)放大、振蕩和開關(guān)。那些就是任何二進(jìn)制電子電路的基本操作。利用電子管，工程師們認(rèn)識(shí)到他們能夠創(chuàng)建具有奇異靈敏度的無線電，通過幾千英里的電纜發(fā)送語音，并在幾毫秒內(nèi)切換“0”和“1”。在第一次世界大戰(zhàn)的四年期間，單單西電公司一家就為美國(guó)軍隊(duì)生產(chǎn)了500百萬只電子管。到了1918年，美國(guó)一年的電子管產(chǎn)品就超過了一百萬只，超過戰(zhàn)前該數(shù)字的五倍。
電子學(xué)的誕生
電子學(xué)被定義為“解決涉及電子在真空管、氣體介質(zhì)以及半導(dǎo)體中流動(dòng)的器件和系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用的科學(xué)，”這個(gè)定義幾乎與電子管的發(fā)明同時(shí)出現(xiàn)。然而，那是一個(gè)很糟的定義。我認(rèn)為，電氣和電子電路之間的差異在于，后者采用“有源”元件，即執(zhí)行調(diào)整、開關(guān)或放大的元器件。第一個(gè)真正的有源器件可能是觸須線晶體，其中，一點(diǎn)彈性線接觸到作為原始二極管的原質(zhì)方鉛礦厚片。但是，我找不到更多關(guān)于它們的起源的資料，看起來這些晶體第一次出現(xiàn)的時(shí)間應(yīng)該稍微早于Fleming所做的先驅(qū)電子管研究。具有諷刺意義的是，第一只有源元件—早于電子管—是半導(dǎo)體，但是，幾乎又花了半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，科學(xué)家才宣稱“發(fā)現(xiàn)”半導(dǎo)體。
無線電最初僅僅采用幾只電子管，但是，不久高端設(shè)備采用了一打電子管。在1960年代末，我有一臺(tái)軍用剩余的1940年代的RBC無線電接收機(jī)，其中，采用了19只電子管。據(jù)說，在1940年代它價(jià)值2400美元(超過現(xiàn)今的3.3萬美元)。
在那時(shí)候—現(xiàn)今一如既往—日益增加的性能導(dǎo)致人們不斷地迫切需要更多的特色、速度和功能。在第二次世界大戰(zhàn)中，雷達(dá)的發(fā)明對(duì)有源電子學(xué)產(chǎn)生了更為巨大的需求。一些雷達(dá)采用了幾百只電子管。或許，真空電子管技術(shù)的最高成就是1946年誕生的ENIAC，其中采用了大約1萬8000只電子管，這臺(tái)機(jī)器每隔兩天發(fā)生一次故障。顯然，數(shù)字技術(shù)的來臨已經(jīng)把電子管逼到了極限。人們需要新型的有源元件，這些器件產(chǎn)生的熱量更低、消耗的功率大為降低并且可靠性高。
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在1956年，John Bardeen和William Shockley贏得了與半導(dǎo)體工作相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)。正是在接下來的一年，Walter Brattain與John Bardeen發(fā)明了晶體管。雖然一些人聲稱，這是第一個(gè)“實(shí)用”的此類半導(dǎo)體器件，但是，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家實(shí)際上已經(jīng)構(gòu)建了一種點(diǎn)接觸晶體管，這是一種不再使用的、難以制造的器件，它從未獲得普遍應(yīng)用。
大概在1950年(來源變化)，Raytheon生產(chǎn)了他們的CK703，這是第一種可商用的器件，它的價(jià)格為18美元(相當(dāng)于現(xiàn)今通脹后的147美元)，而那時(shí)候真空電子管的典型價(jià)格為每只美元，這簡(jiǎn)直是無法競(jìng)爭(zhēng)的。盡管人們急于把點(diǎn)接觸晶體管制成為理想的有源元件，但是，人們需要一些更好的器件。
Shockley在1948年已獲專利的現(xiàn)代面結(jié)型晶體管上繼續(xù)進(jìn)行半導(dǎo)體器件的研究工作。三年以后，貝爾實(shí)驗(yàn)室展示了器件編號(hào)為M1752的器件，盡管它顯然僅僅以原型數(shù)量進(jìn)行的生產(chǎn)。
現(xiàn)代晶體管誕生了。它并沒有立即給電子行業(yè)帶來革命性的變化，那時(shí)電子行業(yè)與電子管的“蜜月期”依舊。到了1956年，日本出現(xiàn)了ETL Mark3，這可能是第一臺(tái)用晶體管實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)，但是，它采用了130只點(diǎn)接觸晶體管，而實(shí)際上它是一臺(tái)無法銷售的設(shè)備。接下來這一年，IBM開始銷售它的608機(jī)器，其中，采用了3,000只鍺晶體管，那是第一臺(tái)商用晶體管計(jì)算機(jī)。與采用電子管的計(jì)算機(jī)相比，608省電90%。它利用100 KHz的時(shí)鐘以及9條指令，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)9位BCD數(shù)平均11毫秒的乘法時(shí)間，此外，它擁有40字的核心存儲(chǔ)器，總量為2,400磅。
電話行業(yè)對(duì)放大器的需求加速了真空電子管的發(fā)展，科學(xué)家爭(zhēng)相研究半導(dǎo)體技術(shù)也就不足為奇了。早在1952年，貝爾電話公司就在新澤西安裝了第一臺(tái)晶體管中央局端設(shè)備，當(dāng)時(shí)采用的也是點(diǎn)接觸晶體管。
Ma Bell是由Alexander Graham Bell創(chuàng)辦的，當(dāng)然，他開始工作時(shí)曾任聾人教師，一生中大多數(shù)時(shí)間均從事為聽力弱的人群提供服務(wù)的事業(yè)。因此，貝爾公司大概在1953年就放棄了絕對(duì)領(lǐng)先的晶體管產(chǎn)品—一種助聽器—的所有專利權(quán)使用費(fèi)。
老前輩可能記得Raytheon的CK-722，那是第一種商用面結(jié)型晶體管。在1953年時(shí)，每只的價(jià)格大約為7美元，那時(shí)這是很昂貴的。我記得上世紀(jì)60年代從Radio Shack購(gòu)買許多晶體管時(shí)，常常就有CK-722，或許工廠支持這么做。我不記得價(jià)格是多少了，但是，這就是所有的折扣；對(duì)于一袋零件，它不可能給一兩個(gè)以上的最低級(jí)品。
到了1955年底，同樣的器件的價(jià)格下滑到了美元。摩爾定律那時(shí)候還沒有被發(fā)現(xiàn)，但是，電子元器件的無情降價(jià)已經(jīng)開始了，是新興的半導(dǎo)體技術(shù)使這一切成為可能。
最早在1954年，Regency Electronics才生產(chǎn)了第一只商用晶體管收音機(jī)(齊名地被稱為TR-1)。TI公司為了給它們的新型晶體管尋找市場(chǎng)，與美國(guó)國(guó)內(nèi)許多收音機(jī)制造商進(jìn)行了接洽，但是，除了Regency之外，均給予拒絕。一則關(guān)于TR-1的當(dāng)代TI新聞發(fā)布稿稱，這種新型的元器件是“n-p-n生長(zhǎng)的結(jié)，也就是鍺三極真空管。”這種三極真空管過去是—并且現(xiàn)在仍然是三元件真空管。
到1960年代初，消費(fèi)者迷戀上了小型收音機(jī)(1959年就賣出了500萬臺(tái)晶體管收音機(jī))。那時(shí)市場(chǎng)商人—像現(xiàn)在的商人一樣—就渴望實(shí)現(xiàn)他們的產(chǎn)品的差異化，于是，開始利用收音機(jī)中晶體管的數(shù)量來促銷產(chǎn)品。盡管至少有一家供應(yīng)商試圖構(gòu)建僅僅采用兩管的收音機(jī)—實(shí)際上很少采用8只以上的晶體管，但是，常常有多達(dá)16只晶體管被焊接在電路板上，當(dāng)然，大多數(shù)未被連接。那可能類似于當(dāng)今的GB之戰(zhàn)。有多少iPod所有者接近填滿他們的40GB驅(qū)動(dòng)器呢?
現(xiàn)今，分立晶體管似乎幾乎像時(shí)代錯(cuò)誤，盡管它們?nèi)匀粡V泛地用于許多迫切需要的應(yīng)用之中。成本范圍幾乎從零到針對(duì)某些專用器件的幾十美元。與值得尊敬的CK-722相比，相同尺寸的IC可能具有幾百萬只三極管，每一只三極管花費(fèi)買家僅僅幾毫美分(microcent)。
具有諷刺意味的是，一些困擾真空電子管并導(dǎo)致其接近死亡的問題，現(xiàn)在在晶體管產(chǎn)品中卻揮之不去。在1946年，全球所有計(jì)算機(jī)的容量消耗的功率僅僅為幾百千瓦。現(xiàn)今，一座服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)就吸取幾兆瓦的功率。在2005年，全球的服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)需要相當(dāng)于14座十億瓦特的電廠供電。據(jù)說，谷歌在美國(guó)俄勒岡州Dalles的數(shù)據(jù)中心建設(shè)了四層樓高的冷卻塔。
晶體管有許多變種，其中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)是最重要的。FET在1960年由John Atalla在Shockley工作的基礎(chǔ)上發(fā)明的，它最初是一種新奇的事物。RCA利用FET技術(shù)推出了一系列邏輯芯片，但是，因?yàn)樗鼈兊乃俣嚷瑑H僅被用于專門的低功率應(yīng)用中。每一個(gè)人均了解該技術(shù)永遠(yuǎn)取代不了更為有用的面結(jié)型晶體管。
現(xiàn)在—當(dāng)然—FET是數(shù)字革命的基礎(chǔ)。速度問題得到了解決，而它們的極低功率要求使之可能被成百萬地集成到一顆IC之中。
三只電子管的收音機(jī)不會(huì)產(chǎn)生很多熱量，但是，把1萬8000只電子管構(gòu)成計(jì)算機(jī)，空調(diào)系統(tǒng)就會(huì)成為一個(gè)嚴(yán)重的問題。對(duì)于所有類型的晶體管也一樣：一顆集成了幾百萬低功耗FET的IC將會(huì)因過熱而燒毀。因此，再次具有諷刺意味的是，供應(yīng)商正在利用像多核這樣的不同技術(shù)來獲得更好的MIPs/mW比率。
與此同時(shí)，摩爾完善了第一臺(tái)真正的電氣系統(tǒng)—電報(bào)機(jī)，Rudolf Clausius把熱動(dòng)力學(xué)的第二定律編成了基本思想的法典，它折磨著整個(gè)電子學(xué)的發(fā)展歷史。多核可能是、也可能不是現(xiàn)今MIPs/mW問題的解決方案，但是，把大量的低功耗CPU集成到單核上，那么，Clasius定律將再次揭示問題所在。我在晶體管100周年誕辰以前早就懷疑，整個(gè)新的低熵技術(shù)將被發(fā)明。而那些也將開始無情的熱調(diào)節(jié)問題。
