书城科普人类发明之谜
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第8章 精英智慧的结晶——集成电路

你可知道,1946年2月由美国莫尔学院研制成功的第一台电子计算机——ENIAC是一个庞然大物。它由18000个电子管组成,占地150平方米,重30多吨。但它的运行速度只有每秒5000次,储存量只有千位。面对如此笨重的“机器”当时曾经有人认为,世界上只要有四台这样的计算机就够了。我们可以想像这样的计算机能普及到公司、企业、家庭吗?但是现在,全世界不包括微型机在内的大型电子计算机就有几百万台,计算机早已登堂入室进入千家万户。这其中以集成电路为标志的微电子技术起了决定性作用。

传统的电子技术是以电子管为基础元件,在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、仪表、自动化技术和第一代电子计算机。而现代微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。集成电路的特点是体积小、重量轻、可靠性高、运算速度快。有了集成电路,以往笨重的电子计算机立刻“缩小”。所以,它是第三代电子计算机的基础。现在,集成电路越来越和电子计算机相融合、衔接。已经能够将一台计算机制作在一片硅片上,它既是集成电路又是计算机。

集成电路的主要原料是硅,是地球上除氧以外含量最丰富的元素。许多人把集成电路称作“硅片。”这样一种黑褐色小块,外观朴实无华,没有任何特别之处,却在默默而又深刻地改变着人们的生产方式和生活方式。同时也改变了现代战争的模式。它不仅成为当今电子科学技术的基础,而且正在创造着代表信息时代的“硅文化”。因此有人认为,集成电路诞生的1958年是继石器时代、铁器时代之后把人类现在所上的时代划分为“硅石时代”的开端。

集成电路的发明,是与现代物理学的一系列重大发明密不可分的,例如1895年德国科学家伦琴发现X射线,1897年英国科学家汤姆逊发现电子,1898年居里夫人对镭的发现,1900年普朗克量子论的建立,1905年~1915年狭义相对论、广义相对论的提出。通过几代科学家的不懈努力,为我们揭示了微观世界的基本规律。30年代建立的微观物理学成为现代电子信息技术革命的理论基础,同样也成为微电子技术革命的理论基础。

1952年英国科学家达默在一次电子元件会议上提出:“随着晶体管的发明和半导体研究的进展,目前看来,我们有足够的理由预期将电子设备制作在一个不用导线的固体半导体模块中。这种固体模块将由若干个绝缘的、导电的、整流的以及放大的材料层构成,各层彼此分割的区域彼此相连,可以实现某种功能”。

1958年美国德克萨斯仪器公司的经理,年轻的科学家杰克·基尔比在设计“微型组件”的过程中以达默的设想为蓝本,努力尝试把包括电阻、电容在内的一切元件都用半导体元件制作,形成一块结构完整、功能齐全的微型电路。

9月12日世界上第一批平行集成电路——相移振荡器制成了。集成电路制成后,很快被用于电子计算机领域,研制成了第三代电子计算机。

集成电路随着制作工艺水平的提高,逐步升级换代。60年代初单块集成电路包含的元件个数只有200~300个;70年代一块5平方毫米的硅片上可容纳27000多个元件;到80年代提升到可容纳200万个元件以上。

集成电路今后的发展趋势是向大规模、超大规模集成电路发展,密集程度将越来越高,功能越来越强,应用也越来越广。由于电子元件的变革,电子产品的价格性能比急剧下降,达到了空前的普及,使人类进入了电子化时代。以晶体管、集成电路为标志的微电子技术革命广泛深刻的影响着人们的生活。人们日常用的收音机、收录机、录像机是微电子技术产品;全自动洗衣机、电熨斗、电风扇、空调等各种电器都有硅片的影子。硅片同时是CT机、心脏起搏器等医疗用具的关键部件。

微电子技术发展到现今,不仅可以将电子子系统或整个电子系统“集成”到一个硅芯片上,完成信息加工与处理功能,而且随着微电子技术的不断成熟,可以将各种物理的、化学的敏感器与执行器集成在一起从而完成信息获取、处理、执行的全过程。