《芯片戰(zhàn)爭(zhēng)：世界最關(guān)鍵技術(shù)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)》第一部分：開關(guān)

《芯片戰(zhàn)爭(zhēng)：世界最關(guān)鍵技術(shù)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)》是美國經(jīng)濟(jì)史學(xué)家克里斯·米勒撰寫、蔡樹軍翻譯的科技類著作。該書以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全球分工為主線，追溯從冷戰(zhàn)至今的芯片技術(shù)發(fā)展歷程，闡釋芯片在現(xiàn)代軍事、經(jīng)濟(jì)和地緣政治中的戰(zhàn)略地位。全書涵蓋美國通過技術(shù)博弈確立主導(dǎo)地位、臺(tái)灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起、華為5G技術(shù)受限等案例，分析全球芯片短缺與供應(yīng)鏈危機(jī)背后的國家競(jìng)爭(zhēng)。書中提及美國《芯片法案》補(bǔ)貼政策、EUV光刻機(jī)研發(fā)困境等議題，揭示大國在人工智能與軍事技術(shù)領(lǐng)域的核心博弈。

第一部分 冷戰(zhàn)時(shí)期的籌碼

2 開關(guān)

威廉·肖克利（William Shockley）很早就認(rèn)為，如果要實(shí)現(xiàn)更好的“開關(guān)”，那就需要借助一種叫作半導(dǎo)體的材料。 肖克利出生于英國倫敦一個(gè)滿世界跑的采礦工程師家庭，他在美國加利福尼亞州的寧靜小鎮(zhèn)帕洛阿爾托（Palo Alto）的果樹林中長(zhǎng)大。作為獨(dú)生子，他相信自己比周圍任何人都優(yōu)越——而且他讓每個(gè)人都知道這一點(diǎn)。他在南加州的加州理工學(xué)院上了大學(xué)，在麻省理工學(xué)院取得物理學(xué)博士學(xué)位，之后在新澤西州的貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）工作。該實(shí)驗(yàn)室是當(dāng)時(shí)領(lǐng)先世界的科學(xué)和工程中心之一。肖克利的所有同事都覺得他令人討厭，但他們也承認(rèn)他是一位杰出的理論物理學(xué)家。他的直覺是如此準(zhǔn)確，以至于肖克利的一位同事說，他似乎真的能看見金屬中嗖嗖飛行的、或把原子鍵合在一起的電子。

肖克利的專業(yè)是半導(dǎo)體，這是一種獨(dú)特的材料。大多數(shù)材料要么導(dǎo)電（如銅線）要么絕緣（如玻璃），半導(dǎo)體則不同。硅和鍺等半導(dǎo)體材料本身就像絕緣體，幾乎不導(dǎo)電。但當(dāng)加入某些材料并施加電場(chǎng)時(shí)，電子就會(huì)開始流動(dòng)。例如，硅或鍺等半導(dǎo)體材料添加磷或硼后就可以導(dǎo)電。

用其他元素“摻雜”半導(dǎo)體材料來調(diào)節(jié)其導(dǎo)電性，為新型器件的誕生提供了可能，這些器件的電流可以被控制。但只要它們的電特性仍然神秘且無法解釋，掌握電子在硅或鍺等半導(dǎo)體材料中的流動(dòng)就會(huì)是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想。直到20世紀(jì)40年代末，貝爾實(shí)驗(yàn)室所有的物理學(xué)家也沒能解釋清楚半導(dǎo)體材料這種怪異的特性。

1945年，肖克利首次提出了他所謂的“固態(tài)閥門”的理論 ，在他的筆記本上畫出了一塊連接在90伏電池上的硅。他假設(shè)，如果在硅這樣的半導(dǎo)體材料上施加電場(chǎng)，就可以吸引其內(nèi)部的“自由電子”聚集在半導(dǎo)體邊緣附近。如果電場(chǎng)吸引了足夠多的電子，半導(dǎo)體的邊緣就會(huì)變成導(dǎo)電材料（如同存在大量自由電子的金屬一樣），這樣電流就可以流經(jīng)之前根本不導(dǎo)電的材料。肖克利很快就搭建了這樣一個(gè)裝置，他希望在硅片上施加和移除電場(chǎng)，打開和關(guān)閉硅片上的電子流，使其可以像閥門一樣工作。但在進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，他無法檢測(cè)到結(jié)果?！笆裁炊紱]有測(cè)到，”他解釋道，“相當(dāng)怪異?！睂?shí)際上，其原因是20世紀(jì)40年代的簡(jiǎn)單儀器不夠精確，無法測(cè)量出微小電流。

這篇關(guān)于晶體管的文章大量引用了里奧丹和霍德森所著的《晶體之火》，以及德里克·張和埃里克·布拉奇所著的《征服電子》。

兩年后，肖克利的兩位貝爾實(shí)驗(yàn)室同事設(shè)計(jì)了另一種裝置，進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)。與肖克利的自傲和令人厭惡不同，他的同事沃爾特·布喇頓（Walter Brattain）和約翰·巴丁（John Bardeen）很謙虛溫和。前者是來自華盛頓農(nóng)村牧場(chǎng)的杰出實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家；后者是普林斯頓大學(xué)畢業(yè)的科學(xué)家，后來成為唯一一位獲得兩次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的人。受肖克利理論的啟發(fā)，布喇頓和巴丁制造了一種裝置，將連接電源的兩條細(xì)金箔線設(shè)法放到鍺材料上，與鍺接觸的兩條金箔線的間距不到一毫米，并在鍺片的底面接上電極。1947年12月16日下午，在貝爾實(shí)驗(yàn)室總部，布喇頓和巴丁打開電源，觀測(cè)到了流過鍺的電流可以被控制并放大，從而證明了肖克利關(guān)于半導(dǎo)體材料的理論是正確的。

擁有貝爾實(shí)驗(yàn)室的美國電話電報(bào)公司（AT&T）從事的是電話業(yè)務(wù)，而不是計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)，因而很快將這種器件命名為“晶體管”，因?yàn)樗梢杂糜诜糯髠鬏旊娫挼男盘?hào)。由于晶體管可以放大電流，人們很快就意識(shí)到晶體管可以用于助聽器和收音機(jī)等產(chǎn)品，從而取代不太可靠的真空管。貝爾實(shí)驗(yàn)室很快就開始為這種新器件安排專利申請(qǐng)。

肖克利卻對(duì)他的同事們發(fā)明了實(shí)驗(yàn)來證明他的理論感到不快，他下定決心要超越他們。在圣誕節(jié)期間的兩周，他把自己關(guān)在芝加哥一家酒店的房間里，根據(jù)對(duì)半導(dǎo)體物理無與倫比的理解，開始設(shè)計(jì)不同的晶體管結(jié)構(gòu)。到1948年1月，他構(gòu)想出一種由三塊摻有不同雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料組成的新型結(jié)構(gòu)：外部?jī)蓧K有多余的電子，夾在中間的那塊缺少電子。如果將一個(gè)微小的電流施加到“三明治”的中間層，它就會(huì)使流過整個(gè)器件的電流增大很多。這種將小電流轉(zhuǎn)換為大電流的過程與布喇頓和巴丁的晶體管所展示的放大原理相同。但肖克利開始意識(shí)到其他的用途，就像他之前的理論“固態(tài)閥門”所設(shè)想的一樣，他可以通過操縱施加在晶體管“三明治”中間的小電流來打開和關(guān)閉較大的電流。肖克利成功設(shè)計(jì)了一個(gè)開關(guān)。

當(dāng)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1948年6月舉行新聞發(fā)布會(huì)宣布其科學(xué)家發(fā)明了晶體管時(shí)，人們很難理解這連了幾根線的鍺塊有什么值得特別宣傳的。

（Little Brain Cell）為題報(bào)道了這項(xiàng)發(fā)明。 但即使是從不低估自己重要性的肖克利，也無法想象，未來很快就會(huì)有成千上萬、數(shù)十億這樣的晶體管在微觀尺度上取代人腦來完成計(jì)算任務(wù)。