DPZ - 電的旅程

「第十六章：晶片技術的飛躍」
1960年，快捷半導體用平面製程成功製成第一個正反器時，晶片技術開始走上了一條正確發展的通道。但早期的晶片產品沒有市場，因為價格高、又缺乏在各種應用上的「可靠度」數據，設計者不敢把晶片貿然用在產品上。當時唯一極端需要用晶片產品的是尖端軍事和太空設備，包括「義勇兵洲際彈道飛彈」、潛艇發射的「北極星導彈」，及登陸月球的「阿波羅計畫」，這些晶片主要應用在導彈或火箭上精確的導航系統中。
從1961到1964年三年中，幾乎所有公司生產的晶片都用在軍事及航太設備上。軍方也大量投資改進晶片製造與封裝技術，解決了很多產品可靠度的問題，各家公司因而積聚了大量寶貴的生產經驗。無論是快捷、德州儀器或摩托羅拉，在這過程中都得益不少。
從1964年開始，電腦工業開始採用簡單的邏輯晶片取代大量單一的電晶體，大規模的商業晶片市場終於來臨。從此，每片晶片上所包含的電晶體數量開始以指數增長的速度增加，一直維持到今天。

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜摩爾定律 ( 1 )＞
早期晶片上的電晶體用的是蕭克萊的接面設計，雖然性能很好，但製造技術較複雜、耗電量也較高。當晶片上密密的排滿很多電晶體時，運作時會產生很多熱量，使得整個晶片溫度增高，減低了晶片的性能及可靠度。
1958年，貝爾實驗室的阿泰拉（M. M. Atalla）仔細研究了矽與二氧化矽接面的性質，發現可以用附在二氧化矽表面上電閘的電壓，來控制閘極下矽的導電性，原理和蕭克萊在1938年提出來的場效電晶體相似，但性能更優越。用這個原理，阿泰拉在1960年製成了第一個「金氧半導體，metal-oxide-semiconductor，簡稱MOS」場效電晶體。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜摩爾定律 ( 2 )＞……續上
MOS場效電晶體（以下簡稱MOS）導電是由在矽與二氧化矽接面的「能槽」（channel）中的自由電子（n型）或電洞（p型）所導致，非常靈敏。MOS的好處是製造方法簡單，耗能量低，適合於製造大型的晶片。RCA實驗室在1962年成功製成了含12枚MOS的晶片，開創了晶片技術的新時代。很快的，MOS技術主導了晶片工業。
1963年，快捷半導體的溫拉斯（Frank Wanlass）與薩支唐（C. T. Sah）認識到，如果把n型及p型的MOS技術在同一晶片中結合起來，設計出來的邏輯晶片耗能量更可以減少到極低境界。這個技術稱為「互補金氧半導體」（complementary MOS，簡稱CMOS）。RCA實驗室在1967年成功示範了CMOS製造技術。從此，用平面製程製造的CMOS電晶體，成為晶片工業的主流技術，直至今日。…… (待續)

快捷和德州儀器早期的晶片產品是供電腦用的簡單邏輯基組，每片晶片包括幾個或十幾個電晶體。隨著電腦市場的需要，更多的功能加入了晶片中。每片晶片容納的電晶體也由十幾個增加到幾百個、或幾千個。在一片同樣面積的晶片上，怎麼來增加元件的數目呢？最有效的辦法是把每一個電晶體的面積縮小。本來一枚100微米乘100微米大小的電晶體，若把尺寸縮小一半，變成50微米乘50微米，同樣大小的晶片就可容納4倍的元件，而生產成本卻沒有增加。縮小元件的尺寸還會帶來很多其他好處，包括每一個電晶體的耗能量減少、速度增高，因而可設計出更複雜、更先進的電路系統。從1960年代中期開始，晶片技術的進步重點，就在不停的縮小電晶體面積。
1965年，快捷半導體的摩爾留意到從1962年到1965年間，晶片新產品上電晶體的數量每年約增加一倍。他發表了一篇文章，預測晶片技術的進展完全有可能沿這個趨勢繼續下去（晶片上電晶體的數量每12至18個月翻倍）。他的先見後來稱為「摩爾定律」（Moore’s Law）。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜摩爾定律 ( 4 )＞……續上
其實這並非定律，而是一個理性和具有前瞻性的晶片工業發展「路徑圖」。摩爾曾謙虛的說，當時這篇文章有做廣告的味道，他要說服客戶，表明快捷半導體的產品隨著時間會愈來愈先進。五十年來，全世界千千萬萬的技術人才就沿著摩爾定律的目標，埋頭苦幹，攀登高峰。
開始的時候，主要技術挑戰是光刻的解析度，後來，每一步驟都需增加控制的精確性。「氣態擴散」（gas phase diffusion）技術走到了極限，新的「離子植入」（ion implantation）技術就取而代之；用液態酸來蝕刻矽及二氧化矽的精確度到頂了，新的「電漿助長乾蝕」（plasma-assisted dry etch）技術又應運而生。每一種新技術的發展及快速應用，都是了不得的事。可貴的是所有技術都整合在一起，組成一股巨大的力量，推動著晶片技術沿著摩爾定律向前發展。在1961年，諾宜斯設計的第一個正反器晶片上有3枚電晶體，到了今天，同樣大小的晶片上可容納超過30億枚電晶體。在五十年不到的時間裡，增加了10億倍，而晶片基本的價格卻沒有增加！
這個技術的進步是過去四十年中，世界經濟成長及人類生產效率大幅提高的重要原動力之一。大家可以反思一下，在購買電子產品時，我們知道再過一年半載，同樣產品一定會更便宜，性能會更優越，這就是摩爾定律在發揮作用了。…… (完)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜晶片記憶體 ( 1 )＞
摩爾定律五十年來一直驅動著晶片技術的進步。在今天，每塊晶片上已可容納幾十億枚CMOS電晶體。元件尺寸大小的控制已進入奈米（10億分之一公尺）境界。
晶片上這麼多電晶體用來做什麼？早期的晶片極大部分應用在電腦的邏輯和計算部分。漸漸的，更多邏輯功能可以集積到一個晶片上去，使得電腦體積減小、性能增強、可靠度提高，同時價錢反而降低。設計電腦硬體的工程師，在這個過程中對於應用晶片更熟悉了，也更有信心。到了1960年代晚期，很多商業電腦已大規模採用晶片，不再用單獨的電晶體。電腦和晶片工業兩者之間，存在著獨特的互生關係。由於晶片功能的增加，使得電腦的性能及市場不斷發展，而電腦工業的發展，也為晶片帶來無限商機。IBM等有前瞻性的電腦公司，在1950年代初已經開始投資內部對晶片的研究。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜晶片記憶體 ( 2 )＞……續上
除了邏輯及計算部分外，電腦的結構中還有一部分是非常適宜由晶片來做的，那就是高速的記憶體。這些記憶體運算時和邏輯部分互動，存入及輸出的速度必須很快。在1960年代初，這些快速記憶體都用美籍華人工程師王安發明的磁心（magnetic core）技術。王安也充分把握了這個機會，創立了王安電腦公司（Wang Lab）。
IBM的工程師鄧納德（Robert Dennard）在1967年設計了用電晶體及電容組成的記憶體電路，每一個可儲存1或0的電路，只需用一枚電晶體及晶片上一枚很小的電容器。這種記憶體名為DRAM（dynamic random access memory），中文意思是「動態隨機存取記憶體」。阿塔那索夫在1939年就在他的計算機上，用真空三極管電路示範了基本概念。這些記憶體在電腦中需求量非常大。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜晶片記憶體 ( 3 )＞……續上
用晶片來做記憶體，比磁心技術優越得多，體積小、耗電低、速度快、成本低。在1960年代末期，快捷、德儀、IBM等公司都開始發展晶片記憶體技術。由於電腦是用二進制，記憶體的儲存量都是「2」的指數，即是2、4、8、16、32、64、128等，在1968年，每個晶片含有128及256位元記憶素的示範品，已成功製成。諾宜斯及摩爾認為時機已到，在1968年離開快捷半導體，設立英特爾，專門集中力量發展晶片記憶體產品，第二年就推出了1,024位元（1K）容量的DRAM晶片，領先群倫。王安的磁心技術很快從舞台上消失，被晶片徹底淘汰。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜晶片記憶體 ( 4 )＞……續上
電腦對高速記憶體的需求量是無盡無窮的，有了更多記憶容量，就可以發展出性能更高的電腦，產生更多及更好的應用。英特爾在隨後幾年的高速成長過程中，陸續推出了一系列的記憶體晶片，從開始時的1K增加到了256K，甚至開始設計100萬位元（1M）的晶片。到今天，一枚DRAM晶片已可超過百億位元的容量（Giga Byte，或GB）。
除了DRAM外，電腦還需要很多其他專門性的晶片記憶體，如SRAM、flash、EPROM、EEPROM等，其中flash（快閃記憶晶片）的應用在近年更趨重要。我們日常用在數位相機或MP3中小小的一片記憶體，用的就是這個技術，基本原理在1967年，貝爾實驗室的韓裔科學家江大原（Dawon Kahng）及華裔科學家施敏（S. M. Sze）就已提出。全世界的快閃記憶體在2009年共賣出了150億枚，銷量仍在每年高速增長。…… (完)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜晶片上的電腦 ( 1 )＞
德州儀器的海格提在1954年發展了電晶體口袋型收音機，想把德儀帶進巨大的消費電子終端市場，結果不算成功。他在1968年又捲土重來，這次目標是用晶片製成的小型掌上型計算機，來取代用電晶體製成的桌上型計算機。這個計畫的技術由德儀王牌工程師基爾比負責。產品推出後得到一片好評，同時震撼了全世界生產桌上型計算機的廠商，大家急著找應對之策。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜晶片上的電腦 ( 2 )＞……續上
Busicom是日本一家中型桌上計算機公司，本名叫日本計算機公司，Busicom是品牌名稱。在1969年他們找上了英特爾，希望英特爾能幫他們詳細設計並生產一組CMOS晶片，用在新一代的掌上型產品，以便和德儀競爭。Busicom初步設計一共要用12枚不同的晶片。其實在Busicom的背後，有日本新興電子公司Sharp的支持。Sharp早期已和美國的洛克威爾公司有了合約，不便直接和英特爾接觸，所以就通過Busicom來間接進行這個計畫。在設計及經費方面，Sharp都在幕後深切介入。英特爾當時還在創業階段，全副精力都在發展記憶體晶片業務上，對這些「代工設計」的服務型生意興趣不大。不過，這些生意對公司日常營運上需要的現金流是很有助益的，所以最後還是決定接了這筆生意，並派資深設計師赫夫（Ted Hoff）負責。
赫夫看了Busicom的設計後，向日方提出了一個新想法。他提議把12枚晶片組合減少到4片，其中一枚核心的晶片基本上就是一架微型的電腦，把邏輯、運算及少量高速記憶體功能結合在一起。計算機上各種不同功用，可由外界輸入的軟體來控制。他初步估計，用當時英特爾的晶片生產技術水平，有能力製造出這枚「晶片上的電腦」。由於這個想法太新，風險很高，日方猶豫不決，不能作出決定。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜晶片上的電腦 ( 3 )＞……續上
隨著時間的過去，英特爾對這個計畫的興趣不斷減退。Busicom沒有其他辦法，只好冒險同意一試。當時赫夫還有很多其他產品發展項目在身，自己可以花在這個計畫上的時間不多，所以進展很慢。Busicom產品計畫受到嚴重拖延，日方焦急無比，不斷施壓給英特爾管理階層。但是要有效的執行這樣一個計畫，最需要的是一流設計人才，並且必須能獨當一面，可是當時英特爾並沒有理想的人選。
就在這時，人還在快捷半導體的義大利籍工程師費金，決定跳槽到英特爾。費金在技術上的優秀在業界夙負盛名，但他的難以合作、獨斷獨行也是出了名的。費金到了英特爾後，對這個公司業務主流外的項目很有興趣，英特爾管理階層當然也非常樂意由費金來執行這個計畫，一方面可以減少日本客戶的壓力，另一方面費金獨立執行，不必擔心和其他人可能引起衝突。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜晶片上的電腦 ( 4 )＞……續上
費金執管之後，全力以赴。赫夫當初只有一些系統性結構的概念，詳細的設計還沒有開始。後來的發展都是費金和他很小的團隊，包括Busicom的技術人員，一起艱苦奮鬥而來的。他們日以繼夜的工作，樣樣事都從最細小的關節做起，直到完美為止。這枚晶片在1971年完成，冠名「4004」，是世界上第一枚晶片上的電腦，或稱「微處理器」（microprocessor）。4004上有約2,300枚電晶體，耗電1.2瓦特。計算的能力和速度，與1946年的ENIAC電腦相若！還記得嗎？ENIAC重30噸，耗電130千瓦！電子工業在這二十五年中，因為電晶體及晶片技術的飛躍發展，對各種應用產生了巨大的衝擊，從ENIAC到4004晶片就是最貼切的寫照。其實4004還只是一個開端，現代微處理器晶片上有幾十億枚電晶體，所含的電腦功能是ENIAC時代的電腦專家無法想像的。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜晶片上的電腦 ( 5 )＞……續上
4004雖然成功了，但因長期的延誤，Busicom要用在新產品上已太遲。雖然英特爾最後生產了六萬枚4004，但Busicom的產品在市場上不成功。由於這個項目的經費是由Busicom支付的，所以他們擁有晶片設計的智慧財產權。英特爾對這個電腦微處理器的價值，在當時還沒有深刻的認識，但也知道對公司前途可能有影響。
趁著Busicom在生意上處於困境時，諾宜斯去了一次日本，用六萬美元就買回了這個設計權利。有了智慧財產權後，費金極力主張把4004當產品來賣，但公司決策階層對這個產品的前途仍沒有充分信心，也擔心分散了公司集中發展晶片記憶體的基本策略。不過最後，在新來的行銷副總裁極力推薦下，決定一試。理由是希望用這個產品來帶動銷售更多的記憶體晶片！…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜晶片上的電腦 ( 6 )＞……續上
費金得到公司經費後，重新設計了一系列更先進的八位元微處理器（4004是四位元設計），包括「8008」與「8080」，在市場上一炮而紅，開啟了英特爾在微處理器上的業務，引發了以後不斷改良發展的產品系列。這些微處理器晶片把電腦的功能帶進了普通電子產品中，創始了各種數位化的智慧型產品，更直接引發了1970年代中期的個人電腦革命。IBM在發展個人電腦時，選用了英特爾的微處理器晶片，為英特爾開創了無限商機。
英特爾早期微處理器晶片都由費金負責設計，後來他獨行俠的性格作祟，離開了英特爾，創始Zilog公司，發展出Z-80等名震一時的產品和英特爾競爭，可惜後繼乏力，無法長期和英特爾抗爭。德州儀器、快捷、摩托羅拉和AMD等雖先後進入過這個市場，但始終無法和英特爾匹敵。今日只有AMD還支撐著，帶給英特爾一些必要的競爭。…… (完)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 1 )＞
矽與二氧化矽的完美組合，再加上平面製程技術及CMOS元件設計，促成了晶片技術的高速發展。早期半導體工業發展了用在電腦中的邏輯型晶片，然後又推出了記憶體晶片。在1971年，英特爾把邏輯及記憶的功能在同一個晶片上結合起來，創造了微處理器這個重要產品。邏輯及記憶體都是數位型晶片，輸入及輸出的訊號都是0或1，充分利用了電晶體高速「開關」功能。
除了數位型晶片，矽晶片的種類與功能琳琅滿目，還包括類比型（analog）、混合訊號型（mixed signal）、高功率（power IC）、感光顯像（imager chip），甚至於微機電系統（MEMS）。
人和自然界接觸（聽覺、視覺、觸覺等）用的訊號都是類比型的。在電晶體發明後，一個主要市場就是用電晶體取代真空三極管在收音機、電視機及儀器中訊號放大的類比型功能。快捷半導體和National等公司很早就發展了類比型晶片產品，包括各種訊號放大器、調頻器、可調頻過濾器等。在類比型晶片技術上，集積的元件數量不需要像數位型那麼多，但對每一個元件性能的要求更嚴格。所以數位和類比技術在晶片工藝上相輔互助。數位型市場較大，但類比型晶片產品市場仍舊可觀，不過產品的種類較分散。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 2 )＞ ……續上
在英特爾發展了微處理器後，電腦的功能開始鑲嵌到很多智慧型產品中去。為了應用電腦獨特的訊息處理功能，各種輸入的類比訊號必須先「數位化」（digitize），就是用二進制的0和1來代表訊號中的所有訊息。所以無論輸入的訊息是達文西的畫或貝多芬的音樂，在數位世界中都不過是0與1的組合而已。電腦將輸入的數位訊號，照軟體指示的方法與程序處理好後，再把0與1的新組合轉換成類比訊號式的答案輸出。將訊號在類比與數位之間互相轉換的電路，統稱「數據轉換器」（data converter），是電腦和外面世界的橋樑。
英特爾微處理器的出現，使高性能的數據轉換器成了迫切的需要。於是各公司開始把類比及數位技術結合起來，開發了「混合訊號」技術，很多數據轉換器晶片產品應運而生，競相把數據轉換的功能達到快速而準確。有了數據轉換器在其兩端，微處理器的價值如虎添翼，加速了各種數位型智慧產品的誕生。現代的微處理器已將數據轉換功能集積在同一塊晶片上，數位和類比兩個世界已天衣無縫的合而為一。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 3 )＞ ……續上
隨著摩爾定律的進展，電晶體愈做愈小，運轉速度也愈來愈快，漸漸的，類比型電路及數據轉換器的速度都到達了無線電波通訊頻率，微處理器的運算速度也達到了同樣的水平。因此，整架複雜的數位型無線收發器已可廉價的集積在單一晶片上。這個新發展引發了近年各種無線通訊市場的大規模發展與普及，包括便宜又輕巧的多功能手機、WiFi及藍牙等產品。
類比型晶片在1970年代還因市場的需要，發展出了獨具一格的高功率電晶體。電晶體在有些應用中，需要承受高電壓及高電流；譬如說，早期電視機中CRT的電子掃描控制電路裡，電晶體需承受一千多伏特的電壓，而在高功率的喇叭擴音器應用中，電晶體必須能控制幾十個安培的電流，在這些產品的發展過程中，高功率電晶體及晶片形成了一套獨特的元件技術。現代的高功率矽電晶體及晶片，大規模應用在電網分布、電氣化火車和電動車上，新發明的高功率電晶體技術，更把數位技術帶進了電氣工業，直接促成了先進的「變頻馬達」，在節能減碳運動中起了重要作用。半導體電子元件不斷的發展，最後衝擊了已有百年歷史的電氣與電機工業。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 4 )＞ ……續上
矽晶片還有一個重要的應用，就是感光成像。矽可以高效吸收陽光中的可見光。1969年，貝爾實驗室的鮑義爾（Willard Boyle）及史密斯（George Smith）在研究p型矽與二氧化矽的接面性質時，發現加了正電壓後，可在電極下面的矽與二氧化矽接面的「能槽」中儲存自由電子，然後用連續性變壓方法，可把這些電子一組一組有順序的移動及測示。這個元件名為「電荷藕合器」（charged coupled device），簡稱CCD。
鮑義爾與史密斯原來研究的目的，是想用CCD做成一種新的記憶體，但是後來發現，CCD無論在儲存資料的密度及耗電量上都無法跟DRAM競爭。CCD的特色更適宜應用在顯像上。
如果把一張圖片投射在一枚二維的CCD晶片上，因矽吸收光而產生的電子，會被儲存在該位置（像素）電極之下的矽與二氧化矽接面的「能槽」中，每一電極下電子的多寡，與吸收光的強度成正比，所以在感光週期內，在CCD的各個像素下，光的明暗圖形轉換成了一個電子數量分佈的圖形，這個二維的電子分佈圖像，可以極快的轉變成一維的串性電流訊號輸出，再用顯示器或印表機，又可重顯原來的圖像。CCD擁有卓越的顯像功能：靈敏度高、噪音低、速度快，又不需掃描。CCD的基本生產技術與其他晶片相同，可以一起生產，優點甚多。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」
＜琳琅滿目的應用 ( 5 )＞ ……續上
隨著摩爾定律的發展及元件性能進步，CCD的像素數目及感光靈敏度不斷提高，今日一千萬像素以上的CCD晶片已相當普遍，取代了傳統的照相底片。用新的高靈敏度CCD數位相機，在灰暗的室內不用閃光燈，也能拍攝出清晰的照片。
2009年，鮑義爾及史密斯因為CCD的發明，獲得諾貝爾物理獎。
在產業方面，日本的Sony公司自1970年代開始，一直大力開發CCD產品，發展出一系列高性能電視攝影機，進一步強化了Sony在消費電子業的地位。近年來除CCD外，業界又發展出CMOS顯像技術，生產成本及耗能更低，已大規模應用在手機裡的照相機中。
晶片的製造技術高度精確，在1990年代研究員利用光刻、乾蝕及薄膜材料等技術，在晶片上製造了會「動」的各類微型機械部件及系統，甚至示範了可高速轉動的超微型馬達，開啟了晶片功能的一個新領域。這種技術稱為微機電系統（micro-electro-mechanical system），簡稱MEMS。MEMS已成功應用在微型的加速測示器、羅盤、影像投射、麥克風及記憶體等產品上。…… (待續)