新技术革命和集成电路大胆的设想——集成化

人类的追求总是无止境的，在通往科学和真理以及追求进步的征程上更是如此。古人因为感觉到步行负载的不便而发明了可以滚动而行的各种小车。到了近代，马达的发明使人们有了汽车，然后有了火车有了飞机。每一次的进步都极大地改变了人们的生活，电子领域的进展同样是令人瞠目结舌的。

晶体管的发明是为了取代体积庞大的真空三级管，它的体积因此缩小了数百倍而大获成功。不过我们也看到在本质上两者是一致的，每一只电子管都需要一个甚至更多的晶体三极管来替代。1955 年，IBM 销售的一种计算机中，以往用了 1250 只电子管，采用晶体管后还需要 2 200 只。随着电子设备功能逐渐增加，整个结构和体积也随之庞大，在先前看来是那样小巧可爱的三极管似乎一下都变得大得不能忍受了。自从 ENIAC 诞生后，由于科学运算和国防的需要，计算机工业得到了很大发展，到 60 年代时，一台中型电子计算机需要上百万只晶体管。同时代的轰炸机上所需要的电子元件的数量则比 40 年代增加了 200 倍以上。当年电子管面临的困境如今又戏剧性地摆在了晶体管面前。

怎么解决这个矛盾呢？最简单直接也是最容易想到的办法就是减小晶体管的体积。所以这才有了从合金晶体管再到扩散晶体管最后发展成为平面晶体管的过程，现在世界上最小的平面晶体管已仅有小米粒大小了。

50 年代末期，美国的电气工程师们提出了一种新的设计思想，这种设计被命名为“微模组件系统”。在了解这种思想之前，我们可以先回忆小时候玩的搭积木的游戏。积木是一些形状各异的彩色木块，方的，半圆的，镂空的，各式各样，凭着自己的想象，我们可以设计出风格迥异的宫殿、宝塔等许多建筑。在电路中有很多类似的情况：首先是所有的电路都是由电阻、电容、二极管、三极管等元器件构成，这就相当于积木游戏中最小的积木模块了；其次是电路中经常包含一些通用的模块，比如放大器、振荡器、分频器等等，这些功能模块实际上更像是由小积木模块组装成的大积木块，选用不同的大积木块就可以实现多种多样的电路以满足不同应用的需要。现在，如果我们把小积木模块尽量做小些，这带来的好处当然是减小体积，并且把小积木模块拼装在一起组成各种标准的大积木模块，这样会使电路设计师们的工作变得更为简单。实际上，这两点最后也成了集成电路带给用户和电气工程师们的最大好处。

1957 年，美国无线电公司最先开始制造这些“积木玩具”。小积木玩具都是 310 密耳（1000 密耳=1 英寸=2.54 厘米）的薄片。这些薄片或者是小型晶体管、或者是小型及超小型的电阻、电容等。然后将这些组装起来的组件封在一起，这就是大积木模块，也就是术语上被称为“微模组件系统”的东西。采用这种微模组件，最高封装密度能够达到每立方米 100～150 万个，这几乎已是封装密度的极限值了。看来仅仅通过器件小型化的道路而不是彻底变革思想是不能解决问题的。

要什么样的思想才有可能实现器件的又一次革命呢？

1952 年，也就是在晶体管发明仅仅 4 年后，一个新的预言出现了，英国

科学家达默在华盛顿召开的一次座谈会上说：“在现阶段，预示将来，随着晶体管和一般半导体的发展，现在似乎可以想象：电子设备可以在一个固体块上实现，而不需要连接线。这种固体可以由绝缘体、导体、整流、放大等材料组成，可以由各层切出一块块面积直接联接起来而获得各种电气功能。” 这是人类第一次提出集成电路的思想，正是这个全新的想法引发了电子器件的又一次革命。

事实上，在一块晶体管管芯晶片上，一个晶体管实际占用的真正工作面积是非常小的。因为工艺的限制，晶片无法做得太小，故而有 99％的晶片面积是被浪费掉了。设想，如果我们将一个大积木模块所具备的功能用一块大晶片来实现，把晶体管、电阻与电容都在这一块晶片上实现，那么晶片的利用率不就变得高了吗？晶片与其被分割成无数效率很低的小块去封装成三极管，然后又让电气工程师们将这些三极管重新根据各种要求连接起来，还不如在一块晶片上都连接好，再作为商品出售，这样使设计变得简单而且体积能大幅度减小，真可谓有百利而无一弊。

梦想能变为现实吗？