你知道中国大陆第一大进口商品是什么吗？是石油？错了，是芯片！
很多人都知道，最早的计算机可以占满整整一间房，计算能力甚至不及现在AppleWatch手表的百万分之一。而创造了这个“大变小”奇迹，并构成当代信息社会生活基础的，就是芯片。
值得欣慰的是，中国人在这个领域上也正在奋起直追，并有超越的机会。
理工男的假期小发明
今天，我们所说的芯片是一种技术成熟的集成电路设备。而当这项技术刚被发明出来的时候，却没有后来的那些精致细腻。
最早开发出集成电路技术的是美国人杰克·基尔比。基尔比生于1923年，他的父亲是个电气工程师，后来升任堪萨斯电力公司总裁，这让小基尔比从小就对电器设备产生了浓厚的兴趣。1947年，杰克·基尔比毕业于美国伊利诺伊大学电气工程系，随后便投身于当时在美国方兴未艾的电子信息产业。
在世人眼中，基尔比是一个典型的理工男，一米九八的大个子，长着一张和善的脸和一头地中海卷发，说话时语速出奇地慢，仿佛是怕自己的思维无法完全掌控嘴巴而说错话。尽管如此，基尔比的动手能力却是一流的，与很多喜欢自誉为科学家的IT精英不同，基尔比从始至终都以工程师自居，这正是他对自己动手能力的一种自信表现。
1958年春，34岁的基尔比正式加盟位于达拉斯的德州仪器公司。此时，正值美苏冷战的第一次高潮时期。一年前，苏联人成功使用运载火箭发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。美国舆论一片惊恐之声，美国政府尤其是军方压力巨大。此时，作为军方合作企业的德州仪器公司，被要求研制小型计算机设备。因而，德州仪器聘用基尔比，就是希望让他参与当时公司正在全力推进的旨在实现计算机设备小型化的“微模型”项目。但基尔比对此兴趣索然，因为他觉得自己有更好的解决方案。他认为，与其像公司现在计划的那样将生产好的所有元件整合到一起，不如一开始就将它们做到同一个芯片中，避免复杂的连接。为了验证自己的构想，杰克·基尔比利用其他员工外出度假的机会，独自留在半导体实验室中展开研究。
经过两个多月的努力，1958年9月12日，基尔比用全手工的方式完成了自己——当然也是人类历史上第一块集成电路样品，有半英寸长，由做在一块锗片上的两个电路组成。随后，基尔比向他的同事们展示了这个样品。当他紧张地检查好连接，推上开关，一条浅绿色的模型线横穿示波器的屏幕，画出一条完美的正弦波形，实验成功了！
这次成功，让杰克·基尔比当之无愧地获得了“集成电路之父”的称号。2000年10月10日，瑞典皇家科学院宣布，杰克·基尔比与另外两位科学家若尔斯·阿尔费罗夫、赫伯特·克勒默共同分享当年的诺贝尔物理学奖，以表彰他们为信息技术所做出的基础性贡献。然而，基尔比的成功很大程度上仰仗着他堪比外科医生的过人手艺，手工将元件用细金属线与芯片连接起来，但距离能在工厂流水线上进行实用化生产还有相当的距离。
让集成电路成为商品
事实上，集成电路芯片的发明专利是由两个人共同持有的，除了杰克·基尔比外，另外一个专利持有人就是在IT界有着响当当名头的罗伯特·诺伊斯。
罗伯特·诺伊斯是英特尔共同创始人之一。生于被认为是美国最为动荡的大萧条时期，成长在中西部的普通乡村，没有显赫的家世背景，靠着自己的聪颖和勤奋，罗伯特·诺伊斯用奋斗谱写了自己的人生传奇。
1955年，“晶体管之父”肖克利博士，离开贝尔实验室返回故乡圣克拉拉，创建“肖克利半导体实验室”。肖克利博士是业界一个传奇人物，他在贝尔实验室期间发明了晶体管，将人类的电子信息技术带入了半导体时代。由于晶体管在物理层面更容易实现小型甚至微型化，从而在客观上为集成电路技术的出现打下了基础。
肖克利博士下海创业的消息，在业内引起了轰动，众多青年才俊慕名而来，罗伯特·诺伊斯便是其中之一。然而，这些年轻人很快发现，肖克利博士虽然精于研究，但拙于经营，而且很难共事。于是，包括罗伯特·诺伊斯在内的八个年轻人决定自立门户，于1957年创建了被后世称为“硅谷黄埔军校”的仙童公司。
与基尔比所在的德州仪器公司一样，刚刚成立的仙童公司也试图攻克计算机设备小型化的难题。为此，以诺伊斯为首的科研团队需要解决大量难题，其中核心的一点是电路中电线越多，电子脉冲就绕得越远，由于无法使脉冲通过得更快（它不可能快于光速），制造快速计算机的最好办法就是靠缩小电路板来减少脉冲穿行的距离。为了解决这个世界性的难题，诺伊斯的团队花费了两年多的时间。直到1959年7月，诺伊斯研究出一种二氧化硅的扩散技术和PN结的隔离技术，并创造性地在氧化膜上制作出铝条连线，使元件和导线合成一体，创造出了半导体集成电路的平面制作工艺，为工业大批量生产奠定了坚实的基础。与基尔比在锗晶片上研制集成电路不同，诺伊斯把眼光直接盯住硅晶片，因为硅的商业性前景要远远超出锗。
但诺伊斯很快发现，他面临的最大问题不在技术上，而是在法律上。此前，杰克·基尔比已经以“微型电路”的名义申请了专利。经过研究，诺伊斯等人发现，虽然基尔比为集成电路申请了专利，却没有提出有效的大规模生产方法。于是，诺伊斯决定为他研究出的“用平面处理技术制造的集成电路”的方法申请专利，并获得了美国专利局的认可。但这也引发了德州仪器公司与仙童公司之间旷日持久的专利权诉讼。
1966年，基尔比和诺伊斯同时被富兰克林学会授予巴兰丁奖章，基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”，而诺伊斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。1969年，法院最后的判决下达，将集成电路的发明专利授予了基尔比，而将关键的内部连接技术专利授予了诺伊斯。
一张订单引发的革命
仙童公司的鼎盛时期，几乎就是硅谷的同义词。但是，由于资方与研发团队之间的矛盾越发激烈，仙童公司最终走向分崩离析。当年参与创业的八个年轻人也各奔东西。诺伊斯和摩尔是八人中最后离开仙童公司的两位，与他们一同出走的，还有一个名叫格鲁夫的年轻人，他们三个人共同创办了日后享誉世界的英特尔（Intel）公司。
1969年4月，日本的计算器制造商Busicom公司找到英特尔，希望他们为其即将推出的五款计算器开发专用处理器。此前，英特尔公司的主要业务还只集中在存储器领域，而这次他们必须同时研发只读存储器、随机访问存储器和输出设备芯片等三个核心元件。“为什么不把它们都集成在一起呢？”负责这个项目设计工作的马西里安·霍夫提出了这个在当时看来非常惊人的构想。
起初，公司管理层对霍夫的建议并不太感兴趣，因为在此之前还从来没有人这么干过，是否可行还是个未知数。但霍夫等人最终用他们的实际行动说服管理层支持了他们的想法。就这样，世界上第一块集成电路芯片——Intel4004正式进入研发阶段。研制过程自然充满了艰辛，交货期也一再推迟。Busicom公司甚至一度威胁要中止合约。但不管怎么说，Intel4004终于还是被制造出来了。当时的Intel4004集成了2250个晶体管，每个晶体管的距离是10微米，它能够处理4位的数据，每秒运算6万次，成本不到100美元。
到了1971年，随着计算器领域的竞争日益激烈，当英特尔彻底完成Intel4004芯片的设计和样品生产之后，Busicom公司要求英特尔降低供货价格。反复权衡之后，英特尔同意了。但作为交换条件，英特尔公司要求Busicom公司允许英特尔在除计算器芯片市场之外的其他市场上自由出售该款芯片。新协议虽然在表面上使英特尔公司的利润大幅下降，但却给公司向其他前景广阔的应用领域进军开辟了道路。
就在英特尔公司踌躇满志地向市场推出Intel4004之时，市场对这款标新立异的产品却反应冷淡。因为作为一款计算机用微处理器，原本为计算器量身打造的Intel4004的数据处理能力实在是太有限了。为此，英特尔公司在加紧研制新产品的同时，加大了宣传和营销力度。也就是在这个时期，英特尔推出了极具个性的广告语：“IntelDelivers”（英特尔说到做到），后来又修改为：“IntelInside”（英特尔在里面）。今天，这句广告语俨然就是高性能计算机产品的代名词。
1972年，英特尔公司推出了Intel4004的后续产品——Intel8008芯片。与4004相比，8008芯片的频率提到200KHz，晶体管集成总数达到3500个，而且Intel8008是真正意义上的8位芯片，这让8008更具实用价值。
虽然Intel8008已经是一款具有完整结构的微处理器，但它的稳定性和可靠性还有待提高。于是，英特尔公司在1974年推出了8008芯片的升级版——Intel8080芯片。毫无疑问，这是一款划时代的芯片产品，其性能是8008的十倍，每秒能执行29万条指令。
Intel8080的推出宣告了一个新时代——微型计算机和个人电脑时代的到来。正是由于微处理器的发明，电子计算机产品的体积才得以大大缩小，价格不断走低，性能却大大提升。普通大众的工作、生活、娱乐方式也因此而发生了革命性的变化。
冷战结局因它而不同
从某种意义上来说，冷战初期，苏联在太空竞赛中的全面领先，是催生出集成电路芯片的直接诱因。但在铁幕背后，志得意满的苏联人在电子技术的发展上，却并未着眼于更为先进的晶体管及集成电路技术，而在很长一段时期内仍然对相对老旧的电子管技术情有独钟，并一直致力于通过电子管小型化来提升自身的电子技术水平。
二战后的苏联，电子行业一直被作为军用高科技领域受到国家的高度重视和严格管理。同时出于武器装备应尽量简单、成熟、可靠，便于生产的研制思路，苏联认为电子管技术成熟，易于做出大功率元件，所以把主要精力都集中在电子管的小型化上。而在模拟电路和数字电路的选择中，苏联专家同样认为模拟电路更成熟，更适合电子管的工作特性，所以大力发展以运算放大器为核心的模拟电路。
曾任苏共中央总书记的赫鲁晓夫也曾经表示：“真空电子管在核电磁脉冲下的生存性能比晶体管要强，苏联以后不要搞晶体管，集中力量搞电子管小型化。”在当时苏联的体制下，赫鲁晓夫的这句话，等于是宣判了晶体管死刑。当然，从纯技术的角度看，电子管与晶体管相比，也绝非一无是处。晶体管的工作受电压和环境温度限制，电压过大会导致击穿报废，当环境温度变化较大时，晶体管的性能也会发生剧烈变化。同时，晶体管的噪声要比真空管大，输出功率也远远比不上电子管。
然而，到了20世纪70年代中期，苏联工程人员终于发现，真空管小型化的路已经走到尽头，如果再使真空管的体积减小一个数量级，其耗费将是天文数字。而此时西方国家研制的集成电路，可在0.5平方厘米的硅片上集成14万个晶体管。苏联用十年时间证明了电子管小型化方面无法和晶体管集成电路相比。而这十年的时间，正是苏美两大阵营力量此消彼长的关键时刻。
美国因为在集成电路芯片领域的技术领先，抢得了信息产业革命的先机，在军用和民用电子技术领域将苏联远远甩开。依靠信息技术产业创造出的旺盛需求，美国逐渐摆脱了滞胀危机，实现了产业结构的升级换代。反观苏联，因为失去了电子信息技术的领先优势，产业升级失去了技术支撑，最终沦为靠油气输出勉强维持国际收支的资源输出国。这成为了后来苏联解体的一个重要经济因素。
前景展望
芯片的未来
在过去的三四十年间，以集成电路芯片为硬件基础的信息技术革命彻底改变了人类社会的面貌，那些原本只存在于科幻小说中的场景成为了人们日常生活的一部分。而在未来，各种神奇的芯片将把人类带入一个更加神奇的美丽新世界。
纳米芯片
纳米是微观世界的长度单位，1纳米=10-9米。形象地说，纳米与米相比，如同网球与地球相比。纳米结构是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米技术可以说是一项直接操纵原子的尖端技术。
纳米技术从20世纪90年代开始广泛应用于半导体芯片的生产，从而大幅度提高了计算机产品的技术性能，降低了功耗。目前，最尖端的纳米芯片生产技术已经降低到了10纳米级。毫无疑问，纳米芯片在相当长的时间内，依然会是人类信息社会的重要骨干。
光子芯片
光子芯片无疑是当今世界科技领域最热门的话题之一。这是一种利用量子力学中的光子纠缠态原理，实现光量子通信的重要技术。
由于对计算机性能的不断追求，传统半导体集成电路芯片的设计和制造已经逼近物理极限，电子逻辑芯片的量子尺寸限制和功耗问题，已经成为这一领域持续发展的瓶颈。因而人们希望光子能够成为新的信息载体，光子芯片将成为未来超高速运算的主要信息处理器件，而光子计算将成为信息技术发展所追求的新的主角。
目前，中国在这一领域的基础研究已经接近世界先进水平，产业化开发也已经提上了议事日程。甚至可以说，一场由中国人和中国企业引领的光子技术革命即将到来。
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