熱點好書《晶片戰爭》全書精華（1）- 超政經好書選#6

前言: 本書已經有電機博士出身的知名分析師楊應超寫過不錯的介紹和評論，但楊文所討論的重點應該是本書的後半部分內容。對於沒有專門產業知識的一般讀者來說，作者Chris Miller以非常淺顯的語言把最早期半導體製作的原理、應用還有關鍵人物與業內重要玩家都寫得非常生動又深入，這部分中文媒體上目前還沒有任何評論家對這塊有所著墨，因此本文預計以三篇的篇幅把這本和當下最熱門的科技戰話題相關的好書的精華內容介紹給政經智庫的讀者，雖然預計明年上半年這本書就會有中文版，但自己看完中文版想要手邊有個簡明的精華版供參考的，本系列文章還會是你的最佳選擇。 《CHIP WAR (晶片戰爭)》書籍介紹

一、現代電腦發明前的替代工具

電腦和計算機出現前是用紙、筆 或是齒輪箱做四則運算。用人力把薪水、銷售、普查做成圖表。還從各種水災、火災的資料中抽取資訊來訂定理賠政策。在大蕭條時美國的工人進步機構雇用了很多失業的白領進行了編制數學表的計畫 ，幾百個人力計算機，建立了指數、對數表。這個計畫一共出版了28冊的複雜函數解答本，例如從十萬到二十萬九千的倒數表等，這種計畫預告了計算的潛力。

二戰前就有資金投入發展電腦的計畫，但二戰加速了這類的計畫。幾個國家發展出機械的炸彈瞄準器來幫助轟炸機瞄準目標。機組員靠轉把手輸入風速 、高度 ，然後把手會移動桿子去調整鏡子的角度。這些把手、桿子會比人工調整 高度、角度更精確來幫助機組員對焦。但這樣機械裝置只考慮太少的參數，只輸出一種結果 :何時投彈。結果是只有兩成的子彈 落在目標的一千英尺範圍內

後來這種機械裝置被電流取代。最好的電子計算機是用真空管：電流通過管子，讓管子開(代表1的訊號)或關(代表0)，這類似像是算盤上的珠子上下移動，讓進行各種計算變成可行。真空管還讓數位電腦可以寫入程式，真空管的連結方式可以改變讓電腦進行不同的運算。這代電腦的極品叫做ENIAC，讓陸軍可以計算彈道，一共用了一萬八千個真空管。這台可以把每秒幾百個數字相乘，但需要一整個房間放置電腦，因為每個真空管都是拳頭大小。直到威廉、蕭克利在想能否發明一種更好的開關，這一定要靠一種叫做半導體的東西幫忙才行。

二、發明半導體的祖師爺們與基本原理

蕭克利是一個 全球跑的礦業工程師之子，在倫敦出生，在Palo Alto長大。他設想中的半導體像是矽或是鍺，平常像玻璃一樣不導電，但添加某些物質，然後對其施加電場後，電流就能通過，例如在矽和鍺中加上磷或是銻便能通負電流。

把半導體加入其他材質，就有機會造出新物件來創造或是控制電流。在1945年蕭克利建立固態閥的理論：他推斷把半導體置入電場中，會吸引其中儲存的自由電子聚集到半導體的某端 ，如果聚集的電子夠多，該端就會變成像是金屬的導體。

他很快設計出一種裝置，並預期對其加上或是移除電場後，會讓半導體像是一個閥一樣開開關，但他什麼都沒有測量到。 要等到兩年後他在貝爾實驗室的兩個同事Walter Brattain 一位實驗物理學家和史上唯一贏過兩次物理學獎的John Bardeen，他們以蕭克利的理論為基礎，想出一種裝置：有兩條連結到電源和金屬的金細線，放到一塊鍺上，兩條金線的距離不到一公分。在1947年12月16日 ，他們兩人操作開關，便可以控制鍺上的電流運作。當時貝爾實驗室的東家 AT &T 把這個後來命名為電晶體的東西，看成可以用來放大電話訊號的東西。

後來蕭克利1948又想出另一種新的電晶體， 由三層半導體組成，上下兩層有過多的電子，中間那層是電子不足。只要對中間那層施加微小的電流，就會產生更大的電流流過整塊電晶體。他靠對中間那層施加小量電流來，一開一關釋放更大的電流，設計出他要的開關來。但電晶體要取代真空管，需要簡化才能大量銷售。但另外兩個當初證明他理論的物理學家對商業化這東西沒興趣。

三、半導體工業的萌芽

蕭克利 於1955年創立在舊金山的蕭克力半導體，因為AT &T同意以兩萬五千美金代價，授權電晶體專利。雖然電晶體取代了真空管 但如何把幾千個電晶體接在一起是非常複雜的，一個在德州儀器的工程師Jack Kilby 於1958年在實驗室中想出如何簡化。

德州儀器最早是生產力用地震波探測石油儀器的公司，後來被美國海軍徵招去建造聲納，探測敵軍潛水艇。二戰後該公司高管，發現他們在電子學上的技術可以用其他軍事系統，Jack Kilby就是被雇來建造這類武器系統。他想到把不同的原件都放在同一個半導體材料上，而不是每次用一片矽或是鍺去弄出一個電晶體。他把這個東西取名為積體電路，但口語就稱為晶 因為每一個積體電路都是一片從圓形矽晶切(英文字是chipped)下來的矽。

但在一年前有八個工程師，選擇離開蕭克利的半導體公司，創立了仙童半導體。他們八個人可以有建立矽谷之功 ，其中一位Eugene Kleiner 後來建立了 Kleiner Perkins 全世界最強大的私募基金公司。另一位重要人物Gordon Moore是負責仙童半導體的研發。其中最重要的則是Bob Noyce，他最有眼光，知道什麼樣的科技進展能把電晶體弄得更小、更便宜、更可靠。

在他們創立仙童半導體時，電晶體的相關科學原理已經搞得很清楚。但要製造電晶體挑戰還很大。第一個商業化的電晶體 是一塊鍺上面堆了很多層各種物質 ，像是亞利桑那州沙漠的台地(mesa)。 這個有很多層的東西 是把鍺的一部分塗上一滴黑蠟，然後用化學劑在沒有塗蠟的鍺上面進行蝕刻，然後再把蠟去掉，在鍺上弄出台地般地層狀物，但這過程中容易有不純的物質、微粒跑進去。

後來有個Noyce的同事Joe Hoerni，一個瑞士科學家，發現這個像台地的層狀物不需要弄在鍺的上面，可以弄在鍺的裡面。他發展出一種方法來製造電晶體：先在矽上塗上一層保護性的二氧化矽，然後在需要的地方蝕刻出小洞。再放上其他的物質，這樣能防止雜質滲入，增加了電晶體的可靠性。後來Noyce發現，這套被稱為平板法(planer method)的方法，能在同一塊矽上製造多個電晶體。他用這個平板法 在同一塊矽上放了很多個電晶體，所以他也創造出了積體電路: 一個半導體上有很多電子零件。他和同事知道機體電路比其他靠一堆線連結的電子裝置可靠。

而且要把仙童半導體這種平版法為基礎的設計微型化，要比其他標準的台地行型導體容易多了 ，更小的電路需要消耗的電力較少。Noyce和Moore了解到 微型化和電子效率會是非常強力的組合: 越小的電晶體和越少的電力消耗可以增加電晶體的用途。一開始Noyce設想出來的製程比市面上其他簡單用電線連結起來的半導體要貴五十倍。

四、半導體業的第一個大客戶：軍方和太空總署

雖然應用新發展出來的製程成本很高，但只要有市場就不是問題。其實在它們創立仙童半導體三天後，蘇聯發射了人造衛星史普尼克號，在美國引發恐慌。甘迺迪宣布要把送人上月球，Noyce的東西馬上有了市場：火箭。

仙童的第一個訂單從美國太空總署NASA來，NASA在六零年代預算充足。當時MIT的工具化 (Instrumentation) 實驗室被委託設計出一個導引電腦給阿波羅飛行器，但要裝在阿波羅號上的電腦，竟然有一個冰箱大小，會耗費的電力比阿波羅本身還大。 而這實驗室在1959 年從德州儀器就買到第一批積體電路，花了一千美金買了64個，來當作海軍飛彈計畫的測試。雖然最後沒有採用，該實驗室的人覺得積體電路很有趣。

差不多同時間，仙童半導體也在推他們的微邏輯晶片(micrologic chips)，於是在1962年 MIT實驗室的工程師叫同事去買一批來測試。最後在1962年11月該實驗室的主持人，知名的科學家 Charles Stark Draper 決定用仙童的半導體 用在阿波羅計畫： 因為用該公司的電晶體能讓阿波羅飛行器上的電腦體積縮小三分之一，並且比上面只用有很多單一電晶體的半導體的電腦輕，耗電量也較小。

這台電腦最後成功把阿波羅十一號帶上月球。它的重量只有七十磅 體積只有一立方英尺， 不到前面提到的ENIAC電腦體積的千分之一。仙童半導體因為賣積體電路給阿波蘿計畫從一個新創變成有一千名員工的公司。銷售量從58年的五十萬美元跳到兩年後的兩千一百萬美元。而且它們證明了晶片太空中都能好好使用，沒什麼故障。

知道這個消息的德儀Jack Kilby和德州儀器總裁 Pat Haggerty 也開始為它們的電積體電路找買家。而在六零年代初期 美蘇因為柏林危機引發核子對峙和古巴飛彈危機時，Haggerty找到一個最好的客戶：國防部。在Kilby弄出積體電路幾個月後，Haggerty便曾對國防部簡報。第二年空軍的飛行電子設備實驗室就同意資助德州儀器的晶片研究，後來又有好幾個小的軍方合約 但Haggerty想要抓更大的魚！

在1962年秋天，空軍需要新的電腦來導引義勇兵二型飛彈，這是一種帶者核子彈頭先飛上太空以打擊蘇聯的飛彈。但它的電腦導引系統非常笨重，是靠很多個別的電晶體運作，瞄準的程式透過打洞的耐燃膠帶輸入導引的電腦中。

Haggerty告訴空軍，用Kilby發明的積體電路可以讓電腦運算速度加倍，重量還只剩原來的一半。他預計要用上22種不同的積體電路。他靠在腦中推演，便算出這台電腦九成五的功能 靠刻在矽裡面的積體電路就能執行，但這部分的總重量只有 2.2 盎司 ，但電腦的剩下其他百分之五功能，重量就高達36磅 但還不知道如何把這些功能放在晶片上。

拿下義勇兵飛彈的合約改變了德州儀器。之前德儀積體電路的銷售是以打計來算，現在變成是以千為單位在銷售。一年內，他們賣給空軍的金額就占了當時所有積體電路銷售額的六成。到了1964年尾聲，德州儀器供應了十萬個積體電路給義勇兵計畫。次年所有生產出來的積體電路的兩成都是義勇兵計畫在用。所以這個計畫是非常成功的。問題是，如何大量生產積體電路。

五、半導體工業的製造技藝繼續升級

Jay Lathrop在 1958年9月1號加入德州儀器，和仙童半導體的工程師一樣 他也對台地狀的電晶體感到很頭痛，畢竟很難加以微型化：當時製程是把某種特定形狀的蠟，滴在半導體的特定位置上。然後用特別的化學藥劑 清洗沒有塗蠟的部位。 如果要把電晶體弄小，就需要更小滴的蠟，但要維持同樣的形狀 非常困難。

當時Lathrop和他的助理 James Nall， 一個化學家，有了個主意: 顯微鏡是把小東西放大。如果把顯微鏡的鏡片倒過來用 那就可以把大的東西看起來變小，那就能用鏡片把一個比較大的形狀投射到到半導體鍺上面去，在這塊鍺上做出一個微型的台地層狀物 。

當時的柯達有賣叫做光刻膠的化學藥劑，這種藥劑接觸到光時會有反應。於是Lathrop把一塊鍺塗上遇到光就會不見的光阻膠，然後他把顯微鏡反過來用，用留下一個正方形空隙的東西蓋住鏡片，於是光只會從一個正方形的區塊透過去。從鏡片穿越的光透過這塊形狀 便被倒過來的鏡片縮小了面積。

因為鏡片只對準塗上光阻劑的鍺，而這道正方形的光，就弄出一個更小的正方形。當光接觸到光祖劑時，膠中的化學物質改變，讓它能被沖掉，留下一個正方形小洞，比之前滴下去的一小滴蠟，更小而且位置更準。

很快Lathrop又發現它能在半導體上面印出線路來: 靠加上一層很薄的鋁 來把鍺和外面的電源連結一起，他把這過程稱為微影製程：用光來刻印。他因此做出更小的電晶體，直徑只有一英寸的十分之一，高度只有0.0005 英吋。 有了微影製程技術之後，大量生產微小的電晶體便不再是空想。

Lathrop在1957年對此申請專利，結果美國陸軍在軍樂隊伴奏下，頒給了他兩萬五千美金獎金。德儀的Pat Haggerty和Jack Kilby馬上意識到Lathrop的微影製程比陸軍給他的兩萬五千塊美金有價值的多。當時的義勇軍飛彈需要好幾千個積體電路，阿波羅飛行器還需要多好幾萬個積體電路。他們兩人意識到光束和光阻劑能解決大量生產電晶體的問題，讓晶片製造變成之前用手焊接電線做不到的機械化、微型化。

但要在德儀應用這個新技術需要新材料和製程，柯達的光阻劑供應量太少於是他們自己買離心機來生產。Lathrop還自己搭火車全國到處找，找可以把形狀精確的光投射到塗滿光刻膠的半導體上來刻畫電路的光罩。但沒有人能做出這種光罩，於是他決定自己做。而Kilby發明的積體電路需要非常純的矽，也沒有人在賣，於是德儀只好自己做晶圓。但在生產過程中有雜質就會讓產品報廢，所以只能不斷的透過試錯來改進：德儀進行了幾千次實驗來評估不同的溫度、不同組合的化學藥劑，還有不同製程的影響。Kilby每周六都在公司走道上走來走去評估工程師做的實驗。

六、張忠謀登場與半導體業把目光放在商用市場

同一年張忠謀也進入德儀，他被派去負責電晶體的生產線。他本來在哈佛唸文學，但看到周圍的亞裔人士的社經地位都不高，他開始思考要如何獲得受人尊重的社會地位，只有成為專業人士一途，於是他決定轉到麻省理工學院去唸機械。他畢業後一開始被Sylvania 雇用，這是一家波士頓郊外的一個大電子公司。他負責改善生產良率，也就是能用的電晶體的比率。

他白天調適Sylvania的製程，晚上苦讀蕭克利的專書《電子與半導體上的洞》。三年後他轉職到德州儀器，他負責管理生產給IBM專用電晶體的生產線， 當時的良率是否接近零！ 所有的成品都因製程中都有瑕疵造成短路或是故障。

他處理這些問題的方法像他玩橋牌一樣，他開始有系統地調整溫度、壓力，同時添加不同組合的化學藥劑來決定那種組合最好，然後用他讓同事嚇到的厲害直覺分析資料。有個他的同事說”和他工作要很小心，他坐在那邊抽菸斗。然後透過煙霧看者你，他就像尊佛像，對固態物理的知識無人能出其右”。但他是以難搞的主管出名，要是沒有被他刮過，根本不算待過德儀。

而當NOYCE 發現他的研究所同學 Lathrop發明一種改變電晶體製造的新技術時，他很快從Lathrop德儀實驗室挖了一個人，就是化學家Jame Nall 來到仙童發展微影製程。後來安迪葛洛夫也在一九六三年加入仙童，他和Noyce、 Moore三個人 一起建立了晶片工業。 前面提到的很多人後來都得諾貝爾獎，除了1990年六十歲不幸早逝的Noyce 不然他會和Kilby一起獲獎。不過光是純科學不足以建立起晶片工業，半導體能有廣泛應用得益於高明的製程和得益於科學一樣多。

但德州儀器和仙童在六零年代中期後，開始有了另一個新目標：讓晶片變成市場上的大量生產產品。到了一九六五年，軍方和太空總署還是用了超過九成五的積體電路。在Noyce的設想中，機會更大的商用市場當時還不存在，

他需要自己創造出市場來。要做到這點首先他要和軍方保持距離才不會被綁住。在他看來，軍方會影響仙童半導體研究的負責人素質不夠好，他也不想浪費時間寫報告給軍方。既然他現在背後有信託基金繼承人注資，他要把軍方只當成顧客而不是指手畫腳的老闆。

第一個積體電路的商業應用是增你智的助聽器，而用上的積體電路。原本是用在 NASA的人造衛星上的。 但當時在Palo Alto都是一堆作軍方生意的公司 從航太、彈藥、 收音機到雷達都有。而且軍方習慣大公司打交道 而不是像仙童這種新創公司。在50年代末期，軍方自己的評估是像 RCA這樣的公司擁有最具野心的晶片微小化計畫，評估中還狠輕蔑地說仙童只有兩個科學家在弄 晶片計畫，反觀洛克希德馬丁 就有五十多個科學家在微系統電子部門。

但只有仙童在Moore帶領下的研發部門，不只發展出新科技還開發出新的商用市場。1965年MOORE 受電子雜誌邀請 =寫一篇短文談積體電路的未來，他預測至少下一個十年中的每一年，仙童都能把放在矽片上的零組件增加一倍。如果這個預測成真，到1975年，一個積體電路上會有六萬五千個很小的電晶體刻在上面，這不只是增加更大的運算力，還能降低每個電晶體的價格。

只要成本降低，使用者就會增加，這種對晶片運算力指數型成長的預測後來就被稱為摩爾定律，是上一個世紀最偉大的科技預測。如果這定律成真，積體電路的應用將遠遠超過火箭和雷達，在1965年，還是有72%的積體電路是用在國防上。只是後來國防部長麥可拉瑪，開始在六零年代削減成本，被稱為麥可拉馬不景氣，但那時仙童已經供應各種通用的商用積體電路，而且六零年代中期 每個積體電路的價格從二十降到兩塊。(未完待續)