自力更生，“從0到1”——中國第一塊集成電路誕生記

王守覺12歲那年，抗日戰爭全面爆發。他親眼目睹盤旋在蘇州上空的日本飛機飛得很低，用機槍向下掃射。由於當時製造技術落後，我方高射炮極度短缺，也沒有飛機，只能乾着急。

王守覺在調試設備。

那是他第一次真切體會到“落後就要捱打”的滋味。

“產業報國、自力更生！”從小萌發的志向和抱負，讓王守覺在我國集成電路事業的初創期披荊斬棘，成為中國半導體器件與微電子技術研究的開拓者之一。

20世紀60年代，在剛剛起步的中國科學院半導體研究所（以下簡稱半導體所），王守覺和他的哥哥王守武等人帶領團隊製成中國第一隻（批）硅平面型晶體管和中國第一塊（批）集成電路，直接支撐了服務“兩彈一星”功勳計算機“109丙機”的研製。

順着這具有歷史性意義的一步回望，可以清楚地看到，中國科學家從一開始就為祖國事業發展注入了自立自強的基因。

那是一段“風霜雪雨搏激流”的崢嶸歲月。

中國半導體科學技術的“原始積累”

1950年，剛成立不久的新中國，百業待興。此時，我國在半導體科學技術領域的積累幾乎為零。

這一年，25歲的王守覺沒有跟隨暫設上海的研究單位遷回北京，開始找工作。而大他6歲的三哥、剛剛在美國普渡大學獲得博士學位並留校任教的王守武，攜妻帶女搭乘“威爾遜總統號”郵輪，從舊金山出發經香港回到祖國。

1950年底，王守武受聘於中國科學院應用物理研究所（以下簡稱應用物理所，後改名中國科學院物理研究所），並從一次偶然的修理氧化亞銅整流器開始，逐漸進入半導體研究領域。

在王守武之後，黃昆、湯定元、洪朝生、謝希德、成眾志、高鼎三、林蘭英、黃敞、吳錫九……一大批海外科學家陸續回國。正是他們的接續奉獻，奏響了我國半導體器件與微電子技術事業自力更生的序曲。

半導體研究室早期研製的硅平面晶體管（芝麻管，左一），右一為普通電子管。

他們之中，黃昆、王守武、湯定元、洪朝生4人回國時間較早且時間接近，都在1950至1951年前後。他們也是最早關注並身體力行從事半導體科學技術研究的。

自1953年起，4人在半導體研究方面的討論逐漸多了起來。當時，國外的半導體研究有了較快發展。1954年商品晶體管出現，而當時以“巴黎統籌委員會”成員為首的西方國家對我國嚴密封鎖，我們無法直接進口這些產品或相應的材料。

在4人看來，如果不改變這種局面，就很可能耽誤我國半導體事業的發展。1954年下半年，黃昆、王守武、湯定元、洪朝生每週抽出一個下午的時間，專門研討如何發展我國的半導體科學技術。因王守武、湯定元、洪朝生3人都在中國科學院，當時在北京大學的黃昆每次都得騎着自行車從中關村到東皇城根。

他們一起合作翻譯了蘇聯半導體權威學者A.F.約飛的《近代物理學中的半導體》一書，並於1955年由科學出版社出版。1955年上半年，北京大學物理系開設“半導體物理學”課程，由他們4人合作講課。

為了引起國內對半導體的重視，他們還籌劃召開一次“全國半導體物理學討論會”。出於各種原因，這次會議直到1956年1月30日至2月4日才在北京舉行。沒想到，會期推遲也為此次會議產生更為重大的影響埋下了伏筆。

“四項緊急措施”之一

1956年，新中國吹響了“向科學進軍”的號角。

應用物理所半導體研究室一角。

“要在第三個五年計劃期末，使我國最急需的科學部門接近世界先進水平。”當年1月，周恩來總理在作《關於知識分子問題的報告》時這樣疾呼。烈火中淬鍊出的新中國，第一次如此迫切地擁抱前沿科學。

不到3個月的時間裏，全國上千位科學家在北京集結，共同制定1956—1967年國家十二年科學技術發展遠景規劃（以下簡稱十二年遠景規劃）。8月，《1956—1967年科學技術發展遠景規劃綱要（修正草案）》編定，提出“發展計算技術、半導體技術、無線電電子學、自動學和遠距離操縱技術的緊急措施方案”，這“四大緊急措施”的具體任務均由中國科學院承擔。

中國科學院經過和有關部門協商，決定籌建專門的研究機構，分別開展4個新科學技術領域的研究，其中包括在應用物理所成立半導體研究室（半導體所的前身）。

籌建計劃上報一週後，時任國務院副總理陳毅就作出批示：“同意辦。”

“向科學進軍”的號召發出後，全國上下對半導體事業的發展倍加重視和關注。王守武等人發起的“全國半導體物理學討論會”，吸引了產業界代表、高校學者以及無線電和電子學等方面的科學工作者，影響遠遠超出預期。

來自不同領域的專家學者通過廣泛接觸，建立了聯繫、交流了想法，為日後的合作創造了條件。

在這次會上，王守武作了題為《半導體整流器》的報告。會議籌備期間，兩位旅美科學家——高鼎三和成眾志回國。他們在美國從事半導體相關研究，對半導體科學技術的應用更是洞若觀火。他們在大會上報告了半導體相關器件和技術在海外的研究及應用情況，這對於剛剛起步、正在摸索中的中國半導體科學研究來説十分寶貴。

“這次半導體物理學討論會的召開是甚為及時的。”時任中國物理學會理事長周培源在會議報告的《序言》中寫道，“半導體物理學討論會的舉行，正好為制定這項任務（指十二年遠景規劃中有關半導體技術的建立的任務）的規劃做好準備工作。”

1956年8月，我國第一個專門的半導體研究機構——應用物理所半導體研究室成立，負責人是王守武。

不可或缺的一塊“拼圖”

1956年底，中國科學院派出以嚴濟慈為團長的赴蘇考察團，前往蘇聯考察學習半導體方面的工作。蘇聯的半導體研究工作始於1930年左右，當時已在多個方面處於世界領先地位。

此次考察十分順利。王守武、洪朝生、成眾志等9人分成4個小組，深入各部學習，收穫頗豐。他們不僅有了對半導體材料和器件製作的初步認識，還在我國發展半導體科學技術方面形成了切實的計劃。

在考察中，大家雖然看到了蘇聯在半導體科學技術各方面的成果，但並沒有轉向完全依賴蘇聯的技術支持，並否決了蘇聯專家提出的“中國可以不必做半導體材料”“不要把硅材料和器件的研製列入規劃”等建議。

王守覺沒有參加這次考察。1956年，他剛剛從上海一機部第二設計分局調回中國科學院，來到應用物理所半導體研究室。

基於以往的工作經歷和成績，應用物理所給他定職高級工程師，級別與副研究員相當。

1949至1956年間，王守覺從同濟大學畢業後的幾年裏兩易工作，從做研究到在生產單位做設計，已然成長為一個視野開闊、經驗豐富的傑出工程技術人員。他先後被評為上海市勞動模範和全國先進工作者。

多次工作調動的經歷，對王守覺來説並非壞事。

“每次工作調動過程中，我都付出極大努力適應新工作的需要。這些努力是否都白白浪費了呢？不，幾次調動在知識面廣度上打下的基礎，都為我深入後來的研究工作創造了非常有利的條件。”在他看來，對一個科學問題的深入研究，涉及的知識面往往越來越廣，而科學知識面的廣度往往是保證深度的必要條件。

實踐證明了他的觀點。王守覺正是憑藉廣闊的知識面與注重獨立思考和創新、注重動手實踐的特點，在中國第一塊集成電路上刻下了自己的名字，成為了我國半導體器件與微電子技術發展事業中“一塊不可或缺的拼圖”。

在“學科帶任務”中大放異彩

被調入應用物理所半導體研究室的王守覺，在中國科學院對半導體技術“原始積累”的基礎之上，逐步“武裝”自己。

不久後，王守覺加入到半導體器件研製的主攻方向中，任半導體高頻晶體管課題組組長。那時的他，只有31歲。

王守覺有其過人之處。半導體器件物理學家陳星弼曾在半導體研究室進修，當時就在王守覺手下工作。據他回憶，王守覺的實驗經驗、動手能力“不是一般人能想象的”。他還記得，當時辦公室的門打開後總是關不好，王守覺一出手就關好了；一塊錫，王守覺用牙“嘎巴”一咬，聽聲音就能判斷是不是純錫。

在王守覺的學生石寅眼中，老師“超級睿智，有極強的學習能力、超強的記憶力和極強的自信心”，而且“比常人要聰明得多，很多知識是王先生自學的，王先生較少記筆記，聽過看過就記住了”。

1957年9月，王守覺接到赴蘇聯科學院學習的任務。在赴蘇的短短半年裏，他輾轉位於不同城市的4個研究所，白天虛心請教，晚上消化吸收，很快就對半導體電子學器件的設計、製作和性能測試有了深刻認識。其間，他還因提出關鍵性建議被列為一篇論文的第二作者。

結束學習回國後，有了一定半導體知識積累的王守覺，逐漸在研究室“學科帶任務”的科研工作中大放異彩。

1958年，一項與我國第二代電子計算機息息相關的重要任務落在了王守覺肩上。

當時，半導體研究室已在王守武等人的組織下，成功拉制出我國首根鍺單晶、成功製備我國第一隻（批）鍺合金結晶體管。但這種晶體管的性能，還不能滿足當時國家研製晶體管化電子計算機的需要。

王守覺受命研製“合金擴散晶體管”，這是一款比合金結晶體管優越得多的半導體器件，截止頻率比後者提高100倍，能夠滿足當時國家研製晶體管化電子計算機“109乙機”的急需。

僅用不到半年時間，王守覺就帶領團隊破解了新型鍺晶體管制備熱處理過程中的精確調控、多元金屬均勻性與配比控制等一系列難題，並於1958年9月成功研製出我國第一隻鍺合金擴散高頻晶體管。

然而，更難的是這類晶體管的批量生產。為了配合“109乙機”的研製需要，應用物理所於當年組建了“109廠”（109廠是中國科學院微電子研究所的前身），專門生產109機所需的晶體管。但在建廠初期，技術工人很少、批量生產設備缺乏。王守覺就帶領研究人員手把手地教工人每一個生產環節的工藝，在109廠試產。

由於初期完全依靠手工操作，晶體管的生產進度緩慢。王守覺在帶領工人試產的過程中，研製出用於批量生產晶體管的設備，解了燃眉之急。

他的動手能力和勇於創新的優勢，在這套設備的研製中得到充分體現。與王守覺在半導體研究室共事過的吳錫九在《迴歸》一書中寫道：“在當時國內技術基礎十分薄弱的狀況下，能夠研製出設備，保證高效能晶體管的生產，確實是非常不易和甚為及時的。在這方面，是王守覺帶領着團隊，為109機的研製作出了重大貢獻。”

1965年，“109乙機”通過國家鑑定，成為我國第一台全部採用國產元件的大型晶體管通用數字計算機，為我國國防事業發展提供了有力的計算工具。

在封鎖和禁運中，用雙手創造一切

1960年初，美國研製出“硅平面型晶體管”的消息傳來。

在此之前，半導體材料科學家、“賓夕法尼亞大學第一位女博士”林蘭英於1957年4月衝破阻撓回國並加入中國科學院，我國硅單晶拉制的研究工作大大加快。1958年國慶前夜，中國第一根硅單晶在應用物理所拉制成功。後來在中國科學院的安排下，半導體研究室擴建為半導體研究所，並將硅工藝的研究與硅晶體管的試製作為新的攻關方向。

在這個節骨眼上，國際形勢風雲突變，我國科技、經濟等多個領域同時陷入中蘇交惡與西方禁運的雙重封鎖和衝擊之中。

彼時，我國科技人員只能從公開發表的學術論文中瞭解國際上在開展哪些研究，至於相關研究達到了什麼水平、具體工藝如何則不得而知。

自力更生、艱苦創業，成為我國半導體和電子科學事業開拓者們唯一的道路。

美國在硅晶體管方面的進展很快引起了王守覺的關注。此刻他已從鍺器件研製轉入硅工藝研究，但他領導的小組還是沿襲過去研究鍺工藝的方案，採用“雙擴散枱面工藝方案”研製硅器件。然而，這種工藝的固有缺陷，導致小組苦戰一年未能取得實質性突破。

“要立即集中研究室力量投入對硅平面工藝的探索！”有着敏鋭觀察力的王守覺果斷捨棄已取得一定成果的硅枱面工藝，帶領團隊轉攻硅平面工藝，向高性能、小型化的硅器件發起“衝鋒”。

此時，我國相關單位正因研製“兩彈一星”所需的計算機，希望能尋找到更高性能的半導體元器件。

王守覺深感，這正是團隊要啃下的“硬骨頭”，他毅然向這項重大任務發起了挑戰。

“當時是簽了合同的。半導體所必須按照人家給定的要求，研製各類硅器件。”石寅覺得，在那種“必須成功”的情況下敢於“揭榜掛帥”，需要超出十分的膽氣和擔當，但王守覺就是這樣的人。

硅平面型晶體管的研製，成了半導體所的“一號任務”。當時主抓全所業務的副所長王守武也經常深入研究一線，遇到技術難關時，大家常會看到“大王小王齊上陣”“全組上下一起幹”的場面。

1961—1962年，國家給半導體所二室分配了40多名留學生和國內高校畢業生，補充新鮮血液。在王守覺等人的組織下，他們建立了橫向、縱向結合的研究隊伍，橫向小組主攻工藝問題、縱向小組主攻器件設計。

後來證明，這種縱橫交叉、密切配合的組織形式十分有效。

“當時全體同志在王守覺先生領導下日夜團結奮戰的情景，至今歷歷在目，記憶猶新。”吳德馨是清華大學第一批半導體專業高材生，畢業後被分配至半導體所，跟隨王守覺從事高速開關晶體管研製。

儘管已經過去半個多世紀，但每每回憶起那段時光，她總是感慨萬千。

她説：“當年，我們一無資料，二無圖紙，實驗設備也是一窮二白，國家物質供應極度匱乏，但人們的精神卻非常充實。”

在她的記憶中，面對重重難關，王守覺都能以他的勇氣和智慧創造性地攻克，帶領大家披荊斬棘、一步步走向成功。比如，在攻克“光刻”這一難關時，當時國內根本沒有光刻機，王守覺因陋就簡，巧妙地用兩台顯微鏡再加上一個紫外曝光燈，搭建了一台“土光刻機”。

就這樣闖過一個又一個難關，1963年底，研究團隊研製出第一批超小型硅平面高速開關管和高頻晶體管的樣管，體積只有火柴頭那麼大。1964年進一步改進後，其更是小如芝麻，俗稱“芝麻管”。

中國人自己的硅平面工藝晶體管，研製成功了。

硅平面晶體管的成功振奮了國內產業界。國產光刻膠、器件封裝材料、擴散爐、光刻機、壓焊機、真空鍍膜設備、晶體管測量儀等材料設備如雨後春筍般湧現出來，為硅產業服務的材料和設備製造業隨之興起。

1964年4月，半導體所提交的5種硅平面器件通過鑑定順利驗收。1967年7月，已調整為半導體所下屬機構的109廠完成了“兩彈一星”任務功勳計算機“109丙機”（由中國科學院計算技術研究所設計）所需所有硅晶體管的生產任務。

時任中國科學院黨組書記張勁夫後來在《請歷史記住他們》的文章中寫道：“第二代計算機出來了，晶體管的，科學院半導體所搞的。從美國回來搞半導體材料的林蘭英和科學家王守武、工程師王守覺兩兄弟，是他們做的工作。第二代計算機，每秒數十萬次，為氫彈的研製作了貢獻。”

黃昆、王守武、林蘭英、成眾志等人後來撰寫文章認為，硅平面晶體管的研製成功是“我國電子工業真正大發展和半導體事業發展的轉機”“為我國半導體器件從小型化進入集成化鋪平了道路”。

補上集成電路“臨門一腳”

硅平面晶體管技術實現突破後，集成電路只差“臨門一腳”。

據參與109機研製的吳錫九回憶，在研製109機的過程中，調試計算機的運算器、存儲器時，總會遇到可靠性和穩定性問題。

原來，在組裝計算機時，需要把大量晶體管、電阻、電容等元器件裝在插件板上，之後再將一個個插件板組成運算器和存儲器。而經常出現的情況是，單個組件檢測沒什麼問題，但組裝成機後卻不一定能調試成功，即便調試成功也不穩定。

大家想，如果能用先進的工藝把浩繁的部件集成為一個整體，就能既減少接點，又縮小體積，計算機也能在獲得更高的可靠性和穩定性的同時提高性能。

這正是“集成電路”的思路。只是，更早起步的美國捷足先登了。

1958年9月，美國德州儀器公司研究人員傑克·基爾比將5個元器件組成的振盪電路焊接在一塊微晶體基板上，製成世界上第一塊集成電路。數月後，美國仙童半導體公司製成集硅晶體管、硅電阻、硅電容於一體的單片硅集成電路。

集成電路的發明是革命性的。很快，國內也掀起了研究的熱潮。

當硅集成電路樣品傳到王守覺手中，他便在已掌握的硅平面工藝基礎上，進行半導體集成電路的研製。

1964年11月9日，一封不對外公開的“研究工作簡報”被送至中國科學院。這份材料顯示，半導體所在研製出超小型硅平面晶體管的基礎上，於1964年11月製成一塊具有6只晶體管、7個電阻、6個電容共19個元件的固體電路樣品，大小“比最小的西瓜子還小”，集成規模超過國際上第一塊集成電路，與當時的主流商用集成電路相當，並驗證了技術可靠性。

不久後，上海冶金所（中國科學院上海微系統與信息技術研究所的前身）和電子部第13研究所等單位也相繼在硅集成電路研製上取得突破。

只是，上述內部材料直到2005年1月13日才予以公開。這也意味着，王守覺等人的我國第一塊集成電路的發明人身份，時隔40餘年才公之於眾。

據半導體所一些科學家回憶，隔年，也就是1965年，王守武、王守覺等人的集成電路研究成果受到國家科委高度重視，後者撥款100萬元人民幣在半導體所修建實驗樓（即後來的“固體樓”），並增配200人開展後續的技術研發。

集成電路的出現是劃時代的，其技術發展到今天，已經深入生產生活的方方面面。而我國硅平面晶體管和集成電路的研製成功，使得國產電子計算機採用集成電路的時間僅比國外晚了兩年。

“落後就要捱打”的教訓，讓王守武、王守覺這一代有志科學家勇於穿越戰火、隱姓埋名，擔負起強國的責任和使命。

王守覺常説，中國是發展中國家，只有自力更生才能發展自己、強大祖國。“我們聰明智慧的中華民族，為什麼科學上總是在學外國的東西？我的夢想就是什麼時候能翻身，什麼時候能讓外國中小學生念中國人寫的書。我覺得到那個時候，中國的科學就可以和發達國家平起平坐了。”