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你有没有想过,每天都在用的 CPU,为什么非用硅做不可

图片:ColiN00B / CC0

为何 CPU 只用硅而不用能耗更低的锗制作?

鲁超,赛先生

ag环亚集团官网 www.jljusheng.com 1883 年,大发明家爱迪生正在绞尽脑汁改进他之前发明的碳丝电灯,因为碳丝太容易蒸发了。有一天,他忽发奇想:在灯泡内放入一根铜线,也许可以阻止碳丝蒸发,延长灯泡寿命。结果实验又一次失败了,碳丝依旧蒸发的一干二净。但他却从这次失败的试验中发现了一个稀奇现象,铜线上竟有微弱的电流通过。真是奇怪!铜线与碳丝并不联接,哪里来的电流?当时的物理学还解释不了这个问题,有商业头脑的爱迪生立刻申请了专利,命名为“爱迪生效应”,然后继续去改进他的电灯了。

后来人们知道,这是由于热能激发出了电子,英国物理学家弗莱明根据“爱迪生效应”发明了世界上第一只二极电子管,由于一般管内要抽真空,所以也叫真空管。后来,贫困潦倒的美国发明家德福雷斯特,在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板,从而发明了第一只真空三极管。这种有魔力的电子管可以放大电子信号,防止微弱的信号流失,它更像是一扇门,只允许电流单向流动,这样电子就不会回流到电路中。你可以把它想象为一个抽水马桶,如果下水道不是单向的,我们该如何生活?

这一下子开辟了电子学的春天,德福雷斯特自嗨道:“我发现了一个看不见的空中帝国!”最早,电子管的发展带动了无线电通讯,一大批无线电台野火春风般迅速出现在了世界各地。然而,这还只是开始!

在美国新泽西州,距爱迪生的发明工厂只有几英里远的一个地方,有一座世界上最有名(没有之一)的实验室——贝尔实验室,那里诞生了八个诺贝尔奖得主。

1945 年,二战结束后,贝尔实验室里的物理学家肖克利打算用硅制造一种代替电子管的放大器。在当时,所有的工程师都不得不用电子管,但都无比讨厌电子管,因为电子管的玻璃壳又长又脆,体积庞大,还容易过热。

肖克利很清楚,半导体是解决问题的关键,只有半导体才能达到工程师所期望的平衡,一方面允许足够的电子通过形成回路,另一方面也不会失去控制。事后证明,他是非常有远见的,他选择了硅做电子管,可惜几次实验都失败了。

两年过去了,还是没有太大进展,肖克利还有更重要的事情要做,他把新型晶体管项目丢给了两位下属:巴丁和布拉顿。

巴丁和布拉顿是一对好搭档,巴丁的动手能力较差,而布拉顿是一个极好的工程师,很多时候,都是巴丁出点子,而布拉顿冲向第一线执行。

接到这个项目,两人很快找到了肖克利的症结所在:硅太脆了,而且难以提纯。于是他们拿出了元素周期表,看看还有什么元素跟硅比较类似,一眼就看到了锗。相对于硅,锗的外层电子能级较高,所以外层电子更容易贡献出来,导电能力更好。很快,1947 年,世界上第一只晶体管诞生了,用锗做的哦。

这时候肖克利才从法国出差归来,回归到此项目中,让他看起来像个领导。1956 年,他们三人一起获得了诺贝尔物理学奖,这件事情意义非常,要知道,诺贝尔物理学奖由瑞典皇家科学院负责评选,他们的口味更倾向于纯粹的科学研究而非技术开发。1956 年针对晶体管发明的诺奖,代表着他们对应用科学的认可,事实也证明,他们的眼光很厉害,晶体管后来确实改变了世界。

巴丁和布拉顿是顶级的研发工程师,但是他俩太腼腆了,据说在诺奖颁奖典礼上,他俩紧张到胃部痉挛,在面对瑞典国王时竟然说不出话来。相反,肖克利则是一个为目的不择手段的上司。他将巴丁驱赶到另一个项目,自己则将锗晶体管的成果据为己有。贝尔实验室的这个团队就这样走到了头,再也没有什么新的发明。

贝尔实验室完成了技术可行性,而工业化则由“德州仪器”公司完成。在当时,锗晶体管研制成功,计算机的处理能力比电子管时代提升了好几个数量级,收音机等日用电器也用上了锗晶体管。但锗毕竟太稀有了,昂贵的价格让所有的工程师都将眼光重新向硅看去。锗确实导电性很好,但也会产生不必要的热量,导致晶体管过热?;?,更重要的还是硅的廉价。

1954 年,在美国的一次展会上,一位来自“德州仪器”公司的工程师戈登 * 蒂尔上台变了个戏法。他将一台连在电唱机的锗晶体管扔进一桶热油,电唱机立即禁声了。然后他又拆下锗晶体管,换上自己的硅晶体管,也扔进油桶里,电唱机的音乐依然继续。他的广告大获成功,当场签下无数订单。

从此,锗被晶体管抛弃了。

1958 年,“德州仪器”公司迎来了一位新员工,他说话很慢,总是不苟言笑。他发现他的新公司里有一大群低收入的女工,每天干的都是穿着防护服汗流浃背,一边看着显微镜,一边发着牢骚,一边将极小的硅元件焊接到一起。有时候,纤细的电线不小心断掉,前面的工作就白费了。工程师对此也无能为力,因为计算机硬件发展越来越快,他们总是得将硬件做的更复杂,也就需要更多的晶体管。

一个炎热的夏天,公司所有的员工都出去休假了,基尔比一个人来到工作台前,难得的宁静让基尔比开始沉思?;ǚ押眉盖死春附泳骞苁翟谑翘薮懒?,为什么不能把所有的部件都刻在一张半导体上呢?

基尔比马上就开始行动起来,他盘算了一下,觉得硅的纯度不足以制造他所需要的电阻和电容,所以还是选择了锗。

很快,他成功了,他这样描述自己的发明:“在一个半导体材料的体内,所有的组成电路看似各自独立,却都是高度集成的!”因此他的新玩意儿被称为:“集成电路”。

和上次一样,锗元素再次为人作嫁,仅仅半年之后,美国仙童公司的诺伊斯就发明了基于硅的集成电路,基尔比的锗集成电路只能躺在博物馆里。在竞争激烈的市场上,资本家想也不想就会选择便宜的硅。

好在基尔比没有被人遗忘,在计算机硬件领域,很多后来者依然视他为第一偶像,直到现在,我们使用的 CPU 仍然以他的设计为基础。2000 年,他终于得到了他的回报:诺贝尔物理学奖。

可怜的是,锗似乎被人彻底遗忘了,全球信息产业人才的集中地是硅谷,而不会有人提“锗谷”。虽然锗元素在两次技术开发时期都起到了开创性的作用,但都把荣耀给了硅,堪称脸最黑的元素。难道只是因为它稀少,这也是它的错吗?

原文在这里:

鲁超:【元素家族——连载 154】脸最黑的元素——锗

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