創造現代世界的15個半導體里程碑_風聞

來源：內容編譯自「designnews」，謝謝。

電子半導體世界有着豐富的歷史，下面展示的僅突出顯示了這個改變世界的行業中很少的重要里程碑。

第一個晶體管

1947年，位於新澤西州默裏山的貝爾實驗室展示了一種鍺（Ge）點接觸晶體管。在威廉·肖克利（William Shockley）的領導下工作的三個人是晶體管的發明者約翰·巴爾丁（John Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）。他們共同分享了1956年諾貝爾物理學獎。

首款IC芯片

羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）於1959年發明了第一塊單片硅（Si）集成芯片（IC）。該芯片是使用讓·霍尼（Jean Hoerni）的平面工藝和穆罕默德·阿塔拉（Mohamed M. Atalla）的表面鈍化工藝製造的。一年前的1958年，傑克·基爾比（Jack Kilby）用鍺（Ge）創建了第一款混合集成電路。

儘管Morris Tanenbaum在Bell Labs製造了第一個硅晶體管，但第一個商用硅器件是由Texas Instruments工程師製造的。

1957年，諾伊斯（Noyce）與威廉·肖克利（William Shockley）的半導體實驗室的其他7人共同組成了仙童公司（Fairchild）-朱利葉斯·布蘭克，維克多·格林尼奇，讓·霍爾尼，尤金·克萊納，傑伊·拉斯特，戈登·摩爾，羅伯特·諾伊斯和謝爾頓·羅伯茨。在亞瑟·羅克（Arthur Rock）的協助下，後者後來成立了第一批西海岸風險投資公司，由諾伊斯（Noyce）領導的八個人籌集了138萬美元，成立了飛兆半導體（Fairchild）。1968年，Noyce與Gordon Moore共同創立了英特爾公司。

MOS技術

大多數現代IC芯片都是由金屬氧化物硅場效應晶體管（MOSFET）構成的，也稱為MOS晶體管。這些器件是由Mohamed Atalla與Bell Labs的Dawon Kahng於1959年發明的。MOSFET是第一個真正的緊湊型晶體管，可以進行微型化並批量生產，可用於多種用途。

第一個存儲芯片

在英特爾1103是第一個商業的一個 DRAM IC芯片，在1970年十月推出它是由羅伯特·丹納德博士在IBM於1966年發明了丹納德還開發了IC，可後來的特點是摩爾定律的比例原則。

據Mentor Graphics的名譽首席執行官Wally Rhines博士説，在引入DRAM芯片之前，MOS移位寄存器已經在市場上。存儲器的MOS實際序列從移位寄存器開始。但是第一個實現的是採用1K DRAM的1103英特爾。一些觀察家指出，AMD在市場上實際上比英特爾先於DRAM，但它對市場的影響似乎有限。許多人同意Intel 1103是第一個真正的大容量存儲芯片。英特爾隨後採用了EPROM。

硅谷

硅谷位於北加利福尼亞州舊金山灣區的南部，長期以來一直是全球高科技，創新，風險投資和社交媒體的中心。硅谷的“硅”一詞指的是該地區大量專注於硅基MOS晶體管和集成電路芯片的創新者和製造商。山谷中第一家重要的公司是惠普（HP），由兩名斯坦福工程師於1939年成立。惠普成長為硅谷最大的僱主之一。1956年，諾貝爾物理學獎獲得者威廉·肖克利（William Shockley）創立了肖克利半導體公司（Shockley Semiconductor）製造晶體管。如前所述，飛兆半導體國際公司成立於1957年，是飛兆相機與儀器事業部的一個部門。

芯片封裝

許多公司為封裝集成電路的塑料包裝的發展做出了貢獻。但是，IC封裝技術歷史上的確切日期很難找到。最早的單功能，分立電路被包裝在陶瓷扁平包裝中，多年來由於其可靠性和小尺寸而繼續被軍方使用。商業多功能集成電路封裝迅速轉移到雙列直插式封裝（DIP），首先是陶瓷，然後是塑料。

由於易受潮和可靠性問題，塑料包裝大大降低了以前以陶瓷密封包裝出售的半導體組件的成本。塑料封裝的開發與外塗層技術（主要是氮化硅）結合在一起，後者在芯片上提供了近乎氣密的密封。

早期DIP芯片的一個示例是可擦可編程只讀存儲器（EPROM）集成電路。這些包裝有一個透明的窗口，顯示了內部模具。該窗口用於通過將芯片暴露在紫外線下來擦除內存。

光刻

光刻是半導體芯片製造中的關鍵製造技術。它可以使電子電路小型化。

1957年，美國陸軍鑽石彈藥保險絲實驗室的Jay Lathrop和James Nall獲得了光刻技術的專利，該技術用於沉積薄膜金屬條，以在陶瓷基板上連接分立晶體管。1959年，拉斯洛普（Lathrop）加入了德州儀器（Texas Instruments），納爾（Nall）去了飛兆半導體公司（Fairchild Semiconductor）。傑伊·拉斯特（Jay Last）和羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）於1958年在飛兆半導體公司製造了第一批“步進重複”相機，使用光刻技術在單個晶片上製造了許多硅相同的晶體管。

1961年，GCA Corporation的David W. Mann部門是第一家生產商業化的台階式和重複式掩模減少設備（光中繼器）的公司。伯特·惠勒（Burt Wheeler）是開發用於掩模製造的曼恩光電中繼器的三名關鍵工程師之一。為此，他在1981年獲得了SEMI獎。奧布里·比爾·託比（Aubrey C.“ Bill” Tobey）第一個預見到該光中繼器可以改裝為晶圓步進機。Griffith“ Grif” Resor是其首席開發工程師，其團隊得以實現，為此他於1992年獲得了SEMI獎。

MEMS技術

微機電系統或MEMS最初是在1960年代提出的，但直到1980年代才完全商業化。MEMS是用IC製造技術開發的，以形成微型機械設備和系統，可以連接到同一芯片上的電子電路。這樣，可以將MEMS與控制它們的電路一起組裝在硅芯片上。現在，插入層疊式晶圓管芯的問世，這種功能已不再像以前那麼重要。

MEMS器件的早期示例是諧振門晶體管，它是MOSFET的改型，由Harvey C. Nathanson於1965年開發。另一個著名的示例是數字微鏡器件（DMD），它是一種基於MEMS的快速陣列。反射型數字光開關與數字地址電路集成在硅芯片上。DMD由Larry J. Hornbeck在1987年初開發。

微處理器的創建

微處理器是微處理單元（MPU）的縮寫，構成了現代計算和嵌入式世界的基礎。它是一種軟件編程的硅設備，可以執行所有基本的邏輯計算任務。

MOS工藝技術可創建包含數百個邏輯門的大規模集成（LSI）芯片。1965年，計算器製造商Victor Comptometer與General Microelectronics（GMe）簽約，為其第一款基於MOS的電子計算器設計定製IC。到1969年，羅克韋爾微電子公司為夏普的第一台便攜式機器生產了設備。Mostek和TI於1971年推出了單芯片解決方案。同年，英特爾為日本計算器製造商Busicom推出了MCS-4微型計算機套件。英特爾芯片組基於4位微處理器4004。

片上系統（SoC）

顧名思義，芯片上的系統將通常在計算機或其他電子系統上找到的所有或大多數組件集成到一個單片芯片上。這些組件包括中央處理器（CPU），內存，輸入/輸出端口和輔助存儲。它可能包含數字，模擬，混合信號以及通常的射頻信號處理功能。

1990年代初引入了第一批SoC，半導體工藝技術達到了350至250納米（即0.35和0.25微米）。例如，在1992年，Acorn Computers使用ARM250 SoC生產了一系列個人計算機。它將原始的Acorn ARM2處理器與內存控制器（MEMC），視頻控制器（VIDC）和I / O控制器（IOC）相結合。

發光二極管（LED）

發光二極管（LED）是一種半導體光源，當電流流過時會發光。1962年，美國專利局為TI的James R. Biard和Gary Pittman頒發了GaAs紅外發光二極管的專利。這是第一個實用的LED。最早的LED發出低強度紅外（IR）紅光。

後來出現了其他顏色的LED。例如，中村，天野浩和赤崎勇因發明藍色LED榮獲2014年諾貝爾物理學獎。中村於1993年展示了一種高亮度藍色LED。

有趣的旁註：在斯坦福大學期間，Wally Rhines（後來成為Mentor Graphics的首席執行官）與他人共同發明了摻雜鎂的氮化鎵藍色發光二極管，他，Herb Maruska和David Stevenson為此獲得了美國專利。1974年。赤崎勇（Isamu Akasaki）直接基於這項氮化鎵研究，最終與天野弘（Hiroshi Amano）和中村修二（Shuji Nakamura）一起榮獲2014年諾貝爾物理學獎。

無工廠商業模式

半導體生產的無晶圓廠製造模式極大地推動了芯片行業的大規模增長。無晶圓廠製造使半導體芯片的設計和銷售可以在一個行業中進行，而實際的製造（或晶圓廠）則外包給半導體代工廠。無晶圓廠公司可以從較低的資本設備製造成本中受益，同時可以集中精力進行芯片設計和銷售。現在，大多數鑄造廠都位於亞洲。

Gordon A. Campbell與Dado Banatao一起於1984年成立了Chips and Technologies（C＆T），這是一家早期的無晶圓廠半導體公司。坎貝爾因創建無晶圓廠業務模型而倍受讚譽。

幾個月後，伯尼·馮·施密特（Bernie Vonderschmitt）使用無晶圓廠半導體業務模型為Xilinx生產FPGA。馮·施密特（Vonderschmitt）會見了草間山（Kusama-san），同時將RCA CMOS技術授權給了精工（Seiko）進行手錶業務。

由於無晶圓廠模式的發展，越來越多的公司開始開發和購買半導體知識產權（IP）。EDA軟件工具芯片設計領域的大部分收入來自IP許可。

現場可編程門陣列（FPGA）

與ASIC半導體芯片不同，FPGA是可以在製造後由用户配置或重新配置的IC。Altera成立於1983年，並於1984年提供了一種可重新編程的邏輯器件，該器件的包裝中帶有一個石英窗口，允許用户使用紫外線對EPROM單元進行重新編程。

1985年，Xilinx聯合創始人Ross Freeman和Bernard Vonderschmitt發明了第一個可行的現場可編程門陣列。他們的技術具有可編程門和門之間的可編程互連，以及帶有兩個三輸入查找表（LUT）的可配置邏輯塊（CLB）。

如前所述，Bernie Vonderschmitt於1985年成為無晶圓廠（知識產權IP）半導體業務模型的創始人。與此同時（並非偶然），Vonderschmitt利用了他與精工公司的Saburo Kusama的關係，希望精工公司願意為Xilinx生產FPGA。馮·施密特（Vonderschmitt）會見了草間山（Kusama-san），同時將RCA CMOS技術授權給了精工（Seiko）進行手錶業務。

寄存器傳輸級（RTL）

寄存器傳輸級（RTL）抽象用於根據硬件寄存器之間的數字信號流以及對這些信號執行的邏輯運算來對同步數字電路建模。

Clive“ Max” Maxfield和Kuhoo Goyal Edson 在他的書“ EDA- 電子從何而來”中這樣説：）：“因此，與使用原理圖相反，高端集成電路的功能現在可以通過使用文本硬件描述語言（HDL）–通常是Verilog或VHDL。最初，此功能是在稱為RTL的較高抽象級別上進行描述的。在描述功能時，設計工程師可以決定重用先前設計中的RTL描述或功能塊。而且，他們可能決定從第三方設計公司購買等效的知識產權（IP）塊。”

有很多專家為Verilog和VHDL的芯片開發RTL設計語言做出了貢獻。其中包括Verilog的Phil Morby和Prabu Goel，以及此前的VHDL的IBM和TI。2005年，Phil Morby因發明和推廣Verilog硬件描述語言而獲得了電子系統設計聯盟（ESDA）的Phil Kaufman獎。

RTL，Verilog和VHDL推動了EDA芯片開發軟件工具市場的建立，這極大地促進了電子設計，測試和製造的生產力。

半導體與量子計算

量子計算有望帶來更快，更高效的計算機。由於量子計算基於物理材料，因此材料的選擇非常重要-就像在半導體芯片開發過程中一樣。在進展原子工程和先進的半導體制造技術在量子計算系統的發展有很大的幫助。甚至有人試圖將量子發展等同於半導體著名的摩爾定律。現在，每年的性能成倍增長成為量子計算機的基準，因為設計人員希望EDA供應商提供新的自動化工具。

半導體和EDA芯片設計工具市場上的任何人都非常熟悉“每年翻一番”這個詞。正如IBM在最近的新聞發佈中所引用的那樣 ，戈登·摩爾（Gordon Moore）在1965年提出的假設是，對於半導體計算機，每個集成功能的組件數量將成倍增長。

自2017年以來，IBM量子技術的進步顯示出與摩爾定律有關的晶體管定標相似的早期增長模式，從而支持了量子體積（QV）每年也需要翻倍的前提。這種加倍可以作為實現量子優勢的路線圖。