60年前,科學家們在貝爾實驗室證明了20世紀最重要的發(fā)明:第一只真正的晶體管。
很難說電子時代起源于何時,但是,William Sturgeon在1825年對電磁石的發(fā)展,為Joseph Henry在1830年發(fā)明粗糙的電報機播下了種子,那是第一個被用于遠程通信(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。
盡管那時候電報機的特性簡單,令人驚訝的是需求增長相當快。到了1851年,西聯(lián)公司開始商業(yè)運營,也就是在同一個十年內(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星期。然而,后來的努力取得了成功。瞬間實現(xiàn)的跟大西洋彼岸的通信旋即使這種技術家喻戶曉。
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,但是,它成為實用器件還是在Thomas Edison兩年以后發(fā)明碳麥克風之時。揚聲器的語音通過一包碳顆粒進行調(diào)制,通過改變電路的電阻,從而把信號發(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想,Guglielmo Marconi在1896年申請的專利以及后續(xù)的實證中進行了整理。像電話以及電報機一樣,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。那個信號在整個頻譜上輻射,以現(xiàn)今的標準看是難以想像地吵雜,但是,它們管用。實際上,泰坦尼克著名的SOS信號就是利用馬可尼無線電報公司制造的5KW火花隙裝置廣播出去的。
電路與電有關,但不是電子電路。
盡管電話信號隨著距離的增加而快速退化,與此同時,那時候的無線電設備仍然簡陋,通信距離有限。全世界特別強烈地需要能夠控制當時新發(fā)現(xiàn)的電子的流動的器件。大概就是在那個時候,Ambrose Fleming實現(xiàn)了電流在真空管中不可思議的流動,Edison無意中發(fā)現(xiàn)它能夠調(diào)整交變的電流,這對于檢測無線電波恰到好處,因此,他發(fā)明了第一只簡單的真空二極管。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。
在新世紀的第一個十年,Lee de Forest往電子管的陽極和陰極之間插入一層柵格。利用這種新的元件,電路能夠?qū)崿F(xiàn)放大、振蕩和開關。那些就是任何二進制電子電路的基本操作。利用電子管,工程師們認識到他們能夠創(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軍隊生產(chǎn)了500百萬只電子管。到了1918年,美國一年的電子管產(chǎn)品就超過了一百萬只,超過戰(zhàn)前該數(shù)字的五倍。
電子學的誕生
電子學被定義為“解決涉及電子在真空管、氣體介質(zhì)以及半導體中流動的器件和系統(tǒng)的開發(fā)及應用的科學,”這個定義幾乎與電子管的發(fā)明同時出現(xiàn)。然而,那是一個很糟的定義。我認為,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、開關或放大的元器件。第一個真正的有源器件可能是觸須線晶體,其中,一點彈性線接觸到作為原始二極管的原質(zhì)方鉛礦厚片。但是,我找不到更多關于它們的起源的資料,看起來這些晶體第一次出現(xiàn)的時間應該稍微早于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—是半導體,但是,幾乎又花了半個世紀的時間,科學家才宣稱“發(fā)現(xiàn)”半導體。
無線電最初僅僅采用幾只電子管,但是,不久高端設備采用了一打電子管。在1960年代末,我有一臺軍用剩余的1940年代的RBC無線電接收機,其中,采用了19只電子管。據(jù)說,在1940年代它價值2400美元(超過現(xiàn)今的3.3萬美元)。
在那時候—現(xiàn)今一如既往—日益增加的性能導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,雷達的發(fā)明對有源電子學產(chǎn)生了更為巨大的需求。一些雷達采用了幾百只電子管。或許,真空電子管技術的最高成就是1946年誕生的ENIAC,其中采用了大約1萬8000只電子管,這臺機器每隔兩天發(fā)生一次故障。顯然,數(shù)字技術的來臨已經(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。
在1956年,John Bardeen和William Shockley贏得了與半導體工作相關的諾貝爾獎。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“實用”的此類半導體器件,但是,貝爾實驗室的科學家實際上已經(jīng)構建了一種點接觸晶體管,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,它的價格為18美元(相當于現(xiàn)今通脹后的147美元),而那時候真空電子管的典型價格為每只美元,這簡直是無法競爭的。盡管人們急于把點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)代面結型晶體管上繼續(xù)進行半導體器件的研究工作。三年以后,貝爾實驗室展示了器件編號為M1752的器件,盡管它顯然僅僅以原型數(shù)量進行的生產(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,這可能是第一臺用晶體管實現(xiàn)的計算機,但是,它采用了130只點接觸晶體管,而實際上它是一臺無法銷售的設備。接下來這一年,IBM開始銷售它的608機器,其中,采用了3,000只鍺晶體管,那是第一臺商用晶體管計算機。與采用電子管的計算機相比,608省電90%。它利用100 KHz的時鐘以及9條指令,實現(xiàn)了兩個9位BCD數(shù)平均11毫秒的乘法時間,此外,它擁有40字的核心存儲器,總量為2,400磅。
電話行業(yè)對放大器的需求加速了真空電子管的發(fā)展,科學家爭相研究半導體技術也就不足為奇了。早在1952年,貝爾電話公司就在新澤西安裝了第一臺晶體管中央局端設備,當時采用的也是點接觸晶體管。
Ma Bell是由Alexander Graham Bell創(chuàng)辦的,當然,他開始工作時曾任聾人教師,一生中大多數(shù)時間均從事為聽力弱的人群提供服務的事業(yè)。因此,貝爾公司大概在1953年就放棄了絕對領先的晶體管產(chǎn)品—一種助聽器—的所有專利權使用費。
老前輩可能記得Raytheon的CK-722,那是第一種商用面結型晶體管。在1953年時,每只的價格大約為7美元,那時這是很昂貴的。我記得上世紀60年代從Radio Shack購買許多晶體管時,常常就有CK-722,或許工廠支持這么做。我不記得價格是多少了,但是,這就是所有的折扣；對于一袋零件,它不可能給一兩個以上的最低級品。
到了1955年底,同樣的器件的價格下滑到了美元。摩爾定律那時候還沒有被發(fā)現(xiàn),但是,電子元器件的無情降價已經(jīng)開始了,是新興的半導體技術使這一切成為可能。
最早在1954年,Regency Electronics才生產(chǎn)了第一只商用晶體管收音機(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,與美國國內(nèi)許多收音機制造商進行了接洽,但是,除了Regency之外,均給予拒絕。一則關于TR-1的當代TI新聞發(fā)布稿稱,這種新型的元器件是“n-p-n生長的結,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,消費者迷戀上了小型收音機(1959年就賣出了500萬臺晶體管收音機)。那時市場商人—像現(xiàn)在的商人一樣—就渴望實現(xiàn)他們的產(chǎn)品的差異化,于是,開始利用收音機中晶體管的數(shù)量來促銷產(chǎn)品。盡管至少有一家供應商試圖構建僅僅采用兩管的收音機—實際上很少采用8只以上的晶體管,但是,常常有多達16只晶體管被焊接在電路板上,當然,大多數(shù)未被連接。那可能類似于當今的GB之戰(zhàn)。有多少iPod所有者接近填滿他們的40GB驅(qū)動器呢?
現(xiàn)今,分立晶體管似乎幾乎像時代錯誤,盡管它們?nèi)匀粡V泛地用于許多迫切需要的應用之中。成本范圍幾乎從零到針對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,全球所有計算機的容量消耗的功率僅僅為幾百千瓦?，F(xiàn)今,一座服務器農(nóng)場就吸取幾兆瓦的功率。在2005年,全球的服務器農(nóng)場需要相當于14座十億瓦特的電廠供電。據(jù)說,谷歌在美國俄勒岡州Dalles的數(shù)據(jù)中心建設了四層樓高的冷卻塔。
晶體管有許多變種,其中,場效應晶體管(FET)是最重要的。FET在1960年由John Atalla在Shockley工作的基礎上發(fā)明的,它最初是一種新奇的事物。RCA利用FET技術推出了一系列邏輯芯片,但是,因為它們的速度慢,僅僅被用于專門的低功率應用中。每一個人均了解該技術永遠取代不了更為有用的面結型晶體管。
現(xiàn)在—當然—FET是數(shù)字革命的基礎。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不會產(chǎn)生很多熱量,但是,把1萬8000只電子管構成計算機,空調(diào)系統(tǒng)就會成為一個嚴重的問題。對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將會因過熱而燒毀。因此,再次具有諷刺意味的是,供應商正在利用像多核這樣的不同技術來獲得更好的MIPs/mW比率。
與此同時,摩爾完善了第一臺真正的電氣系統(tǒng)—電報機,Rudolf Clausius把熱動力學的第二定律編成了基本思想的法典,它折磨著整個電子學的發(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,整個新的低熵技術將被發(fā)明。而那些也將開始無情的熱調(diào)節(jié)問題。
