《芯片战争》这本书是美国经济历史学家克里斯·米勒编写的，书中描述了各国为控制芯片技术而进行的长达数十年的斗争历程，解释了半导体在现代生活中发挥的关键作用，以及美国是如何在芯片设计和制造中占据主导地位，并将这种技术应用于军事系统的。

目前这本书还未看完，这里大致的介绍下芯片的发展过程，它是如何被发明出来的。大部分引用原文内容，以免造成误解。

战争对计算能力的追求

在第二次世界大战之前，资金就投入生产更强大的机械计算机项目上，几个国家的空军开发了机械炸弹瞄准镜，以帮助飞行员击中目标。轰炸机机组人员通过转动旋钮来输入风速和高度，旋钮则可以移动调整玻璃镜的金属杠杆。在飞机瞄准目标时将视野聚焦，这些旋钮和杠杆比任何飞行员都能更精确地“计算”高度和角度。但局限是显而易见的，这样的炸弹瞄准器只考虑了几个输入，只提供了一个输出，即何时投掷炸弹。在完美的测试条件下，美国的炸弹瞄准器比飞行员的目测更准确。但当部署在德国上空时，只有20%的美国炸弹落在目标1000英尺以内。那场战争不是由试图引导炸弹但通常都失败的机械计算机上的旋钮决定的，而是由投掷的炸弹和发射的炮弹数量决定的。

真空管

早期的电子计算机使用真空管。真空管是一种将金属丝密封在真空玻璃中的灯泡状器件。流经真空管的电流通过控制电极可以打开和关闭，这与珠子在木棒上来回移动的功能没有什么不同。打开的真空管编码为1，而关闭的真空管编码为0。这两个数字可以使用二进制计数系统产生任意数字，因此理论上可以执行多种类型的计算。

世界上第一台现代电子计算机于1946年2月14日诞生在美国宾夕法尼亚大学，并称为“埃尼阿克”(ENIAC，全称为Electronic Numerical Integrator And Computer)。但它的体积庞大，有2.4米高，占地170多平方米，重约30吨，它由17000个电子管，70000个电阻，10000个电容，1500个继电器和60000个开关等组成， 耗电近100千瓦。

因为真空管像灯泡一样发光，会吸引昆虫，需要工程师定期“清理昆虫”(debugging)，这就是计算机程序中bug一词的来源

显然，真空管技术太烦琐、太慢、太不可靠。只要计算机是会被飞蛾缠身的怪物，它们就只能用于破解代码等少数应用，除非科学家能找到更小、更快、更便宜的开关。

晶体管

威廉·肖克利(William Shockley)很早就认为，如果要实现更好的“开关”，那就需要借助一种叫作半导体的材料。

1945年，肖克利首次提出了他所谓的“固态阀门”的理论，在他的笔记本上画出了一块连接在90伏电池上的硅。他假设，如果在硅这样的半导体材料上施加电场，就可以吸引其内部的“自由电子”聚集在半导体边缘附近。如果电场吸引了足够多的电子，半导体的边缘就会变成导电材料（如同存在大量自由电子的金属一样），这样电流就可以流经之前根本不导电的材料。肖克利很快就搭建了这样一个装置，他希望在硅片上施加和移除电场，打开和关闭硅片上的电子流，使其可以像阀门一样工作。但在进行这个实验时，他无法检测到结果。“什么都没有测到，”他解释道，“相当怪异。”实际上，其原因是20世纪40年代的简单仪器不够精确，无法测量出微小电流。

受肖克利理论的启发，布喇顿和巴丁制造了一种装置，将连接电源的两条细金箔线设法放到锗材料上，与锗接触的两条金箔线的间距不到一毫米，并在锗片的底面接上电极。1947年12月16日下午，在贝尔实验室总部，布喇顿和巴丁打开电源，观测到了流过锗的电流可以被控制并放大，从而证明了肖克利关于半导体材料的理论是正确的，并很快将这种器件命名为“晶体管”

到1948年1月，他构想出一种由三块掺有不同杂质的半导体材料组成的新型结构：外部两块有多余的电子，夹在中间的那块缺少电子。如果将一个微小的电流施加到“三明治”的中间层，它就会使流过整个器件的电流增大很多。这种将小电流转换为大电流的过程与布喇顿和巴丁的晶体管所展示的放大原理相同。但肖克利开始意识到其他的用途，就像他之前的理论“固态阀门”所设想的一样，他可以通过操纵施加在晶体管“三明治”中间的小电流来打开和关闭较大的电流。肖克利成功设计了一个开关。

集成电路

德州仪器

1958年，TI(Texas Instruments 德州仪器)工程师杰克·基尔比在他的得克萨斯州实验室一直琢磨如何减少将不同晶体管串在一起所需的导线数量。他没有用一块单独的硅或锗来制造每个晶体管，而是想到在同一块半导体材料上制造多个元器件。多个晶体管可以内置在同一块硅或锗板中。基尔比称他的发明为“集成电路”，但它被通俗地称为“芯片”，因为每个集成电路都是由一块从圆形硅片上“切”下来的硅制成的。

仙童半导体

晶体管如果能够简化并大规模销售，就能取代真空管。1955年，肖克利在加利福尼亚州旧金山郊区山景城创办了肖克利半导体公司。肖克利很快就因为他的 半导体理论而获得了诺贝尔奖，但如何使晶体管变得更加实用是一个工程难题，而不是理论物理问题。1957年肖克利半导体公司雇用的八名工程离开肖克利半导体公司，用东海岸一位百万富翁的种子资金创办自己的公司——仙童半导体，这八名叛逆者被普遍认为是硅谷的创始人。

• 尤金·克莱纳(Eugene Kleiner)，后来成立了世界上最大的风险投资公司之一克莱纳·珀金斯(Kleiner Perkins)。
• 戈登·摩尔负责仙童的研发，后来提出了摩尔定律的概念，以描述计算能力的指数级增长。
• 罗伯特·诺伊斯，他是“八叛逆”中的领袖，对微电子有着超凡的热情和远见卓识，他直观地意识到需要哪些进步技术才能使晶体管变得更小、廉价和可靠。将新发明与商业机会相匹配

到仙童成立时，晶体管的科学已经基本清晰，但可靠地制造晶体管是一项巨大的挑战。第一个商业化的晶体管是由锗制成的，上面有多层不同的材料，呈亚利桑那沙漠般的台面形状。台面是通过用一滴黑色蜡覆盖一部分锗制成的：使用化学物质蚀刻掉未被蜡覆盖的部分，去除蜡后，锗上就形成了台面形状。

诺伊斯的同事简·霍尔尼(Jean Hoerni)是一位瑞士物理学家，也是一位狂热的登山者，他意识到如果整个晶体管内置在锗中而不是在其上，台面就没有必要存在了。他发明了一种制造晶体管的方法：在一块硅片上沉积一层保护性二氧化硅，然后在需要的地方蚀刻孔并沉积额外的材料。沉积保护层避免了材料暴露在会导致缺陷的空气和杂质中，这是可靠性方面的一大进步。

几个月后，诺伊斯意识到霍尔尼的“平面工艺”可以用于在同一块硅材料上制备多个晶体管。诺伊斯并不知道基尔比，那时，基尔比在一块锗基片上制作台面晶体管并使用了键合线连接。诺伊斯在同一硅片上使用霍尔尼的平面工艺制作出了多个晶体管。由于平面工艺在晶体管上覆盖了一层二氧化硅绝缘层，诺伊斯可以通过在上面沉积金属线，将“导线”直接放在硅片上实现晶体管之间的连接。

和基尔比一样，诺伊斯制造了一种集成电路：在一块半导体材料上放置多个电子元器件。但诺伊斯的版本完全没有键合线，晶体管和导线被制造在同一块材料上面。不久，基尔比和诺伊斯基于半导体材料开发的“集成电路”被简称为“半导体”，或者被更简单地称为“芯片”。

光刻

1958年9月1日，杰伊·莱思罗普负责设计一种近炸引信，使81毫米迫击炮弹能够在目标上方自动引爆。和仙童的工程师一样，他也在努力研制台面晶体管，但事实证明，这种晶体管很难小型化。现有的制造工艺包括在半导体材料的某些部位放置特殊形状的蜡球，然后使用专用化学品腐蚀未覆盖的部分。制造更小的晶体管需要更小的蜡球，但控制这些蜡球的形状很困难。

在通过显微镜观察其中一个晶体管时，莱思罗普和他的助手——化学家詹姆斯·纳尔(James Nall)有了一个想法：显微镜镜头可以拍摄一些小东西，让它们看起来更大。如果把显微镜颠倒过来，这些小东西看起来就更小。他们能用镜头把一个大图案“印”到锗上，从而在锗块上制作微型台面吗？相机公司柯达(Kodak)出售了一种叫作光致抗蚀剂的化学物质（俗称“光刻胶”），这种物质在受到光照时会发生化学变化。

莱思罗普用柯达的光刻胶涂在一块锗上。接下来，他将显微镜颠倒过来，用一个矩形图案覆盖目镜，这样光线就只能穿过一个矩形区域。光线通过目镜照射矩形图案，当光线通过物镜聚焦到光刻胶涂层的锗上时，倒置的显微镜缩小了矩形图案的尺寸，形成了完美的微缩版。当光线照射到光刻胶层时，化学结构发生了改变，使其显影时能被溶解，留下一个比任何一团手工蜡都要小得多的矩形小孔，其形状也更精确。很快，莱思罗普发现他也可以通过添加一层超薄的铝，将锗与外部电源连接起来，从而印出“电线”。莱思罗普称这一过程为光刻。他生产的晶体管比以前小得多，直径只有0.1英寸，高度只有0.000 5英寸。光刻技术使人们可以构想大规模生产微型晶体管。因此，TI也开始自己生产硅片。

掩膜

柯达的光刻胶纯度不足以保证大规模生产，因此TI自己购买了离心机，并对柯达提供的化学品进行再加工。莱思罗普乘坐火车在美国各地寻找“掩模”，这种掩模用于将精确的图案投射到覆盖光刻胶的半导体晶圆上。他最终得出结论，现有掩模公司的产品都没有足够的精度，因此TI决定自己制造掩模。基尔比的集成电路所需的硅片必须是超纯的，超出任何公司的销售品质范围。

规模化

化学品中含有当时无法检测到的杂质，温度和压力的细微变化可能会引起意外的化学反应，投射光线的掩模可能被灰尘颗粒污染，一点点杂质就可能使整批产品报废。唯一的改进方法是反复试验，TI组织了数千次实验来评估不同温度与化学物质组合对生产工艺的影响。

1958年，张忠谋与莱思罗普同期来到TI，负责晶体管的生产线。当时这种晶体管太不可靠了，TI的成品率几 乎为零。几乎所有产品都有缺陷，会导致电路短路或故障，因而不得不被扔掉。到达TI后，张忠谋开始系统地调整不同化学物质组合的温度和压力，以确定哪种组合最有效，几个月内，他的晶体管生产线的成品率跃升至25%，很快，他被任命为TI整个集成电路业务的负责人。

军用

引导阿波罗飞船和“民兵II号”导弹的计算机助力了美国集成电路工业的腾飞。到了20世纪60年代中期，从卫星到声呐，从鱼雷到遥测系统，美国军方在各种武器中采用了芯片。罗伯特·诺伊斯知道，军事和太空计划对仙童的早期成功至关重要，他在1965年承认，军事和航天应用将使用“今年生产的95%以上的电路”。

供应链策略

20世纪70年代末，美国的半导体公司在国际上雇用了数万名工人，主要在韩国、中国台湾和东南亚等国家和地区。得克萨斯州和加利福尼亚州的芯片制造商，以及在亚洲许多半导体装配厂工作的华裔工人，形成了一个新的国际联盟。

半导体重塑了美国在该地区的盟友们的经济和政治。曾经滋生政治激进主义的城市被勤劳的装配线工人改造，他们乐于用放弃非固定职业或自给农业来争取工厂里的高薪工作。到20世纪80年代初，电子行业占新加坡GNP（国民生产总值）的7%，占制造业就业的25%。在电子产品生产中，60%的产品是半导体，其余大部分是没有半导体就无法工作的产品。

在中国香港，电子制造业创造的就业机会比纺织业以外的任何行业都多。在马来西亚，槟榔屿、吉隆坡和马六甲的半导体生产蓬勃发展，新的制造业岗位为1970—1980年离开农场搬到城市的15%的马来西亚工人提供了工作。如此大规模的移民往往会在政治上造成不稳定，但马来西亚保持了低失业率，且拥有许多相对高薪的电子组装工作。

从韩国到中国台湾，从新加坡到菲律宾，美国在亚洲形成了半导体组装工厂的工业布局，即使在美国最终承认在越南战败并撤回其在该地区的军事力量后，这些跨太平洋供应链仍然存在。到了20世纪70年代末，美国与亚洲的结合更加紧密。

最后

发明晶体管的诺贝尔奖授予了肖克利、巴丁和布喇顿。基尔比后来因发明了第一个集成电路而获得诺贝尔奖。如果诺伊斯没有在62岁时去世，那么他会与基尔比分享这个奖项。这些发明是至关重要的，但光靠科学还不足以建立芯片产业。半导体的传播既得益于学术物理，也得益于巧妙的制造技术。

麻省理工学院和斯坦福大学等学校在发展半导体知识方面发挥了关键作用，但芯片产业之所以起飞，是因为这些院校的毕业生花了多年时间优化生产流程，使大规模生产成为可能。正是工程和直觉，以及科学理论，使贝尔实验室的专利变成了一个改变世界的行业。