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回顾美日DRAM芯片之争
2018-4-30 1:53:00           作者:综合

  1973年石油危机爆发后,欧美经济停滞,电脑需求放缓,影响了半导体产业。而英特尔在DRAM存储芯片领域的份额也快速下降。因为他们引来了竞争对手,主要有德州仪器(TI)、莫斯泰克(Mostek)和日本NEC。而日本电子企业、汽车企业的凶猛攻势,最终引爆了美日两国的经济战争。

  

  1931年,美国IBM公司生产的KeyPunch 031型打孔卡数据记录装置。打孔卡(霍列瑞斯式卡)利用卡纸上打孔来记录信息。1928年,IBM推出新版打孔卡,这种卡采用长方孔,共有80列。1932年IBM发明了磁鼓存储。但是直到1950年代,打孔卡机销量巨大,依然占据IBM公司净利润的30%。1952年IBM推出磁带式数据存储器,后来发展出磁盘式机械硬盘。1956年IBM购买王安的磁芯存储器专利,1966年开发出晶体管DRAM内存技术。照片拍摄自IBM博物馆。

  美国电子产业孵化期

  现代计算机械的起源,最早可追溯至1830年代,英国人巴贝奇研制的机械式数据分析机。该机采用在硬纸卡片上打孔的方式输入数据,相当于只读存储器,容量只有可怜的675个字节(1K=1024字节),也就是记录差不多六百多个字母的数据符号。穿孔卡片在19世纪后期用于政府人口统计等领域。美国IBM公司最早就是靠生产打孔卡数据机起家。到1930年代,IBM公司希望用新技术来取代打孔卡,便投资研制磁性数据记录装置。

  1932年,美国IBM公司的奥地利裔工程师古斯塔夫·陶斯切克(Gustav Tauschek),发明了第一种被广泛使用的计算机存储器,称为“磁鼓存储器”,采用电磁感应原理进行数据记录。磁鼓非常笨重,像个两三米长的巨型滚筒,内部安装磁性介质的高速旋转圆筒(每分钟1万转),和一排固定读/写磁头,用来读取、写出数据。虽然块头挺大,但磁鼓的存储容量也只有几K而已,售价却极其昂贵。

  到第二次世界大战期间,美国陆军为了提高火炮弹道计算速度,出资研制电子计算机。1946年2月,世界第一台大型电子计算机ENIAC,在宾夕法尼亚大学诞生。这台重达30吨的计算机,最初采用埃克特(J.P.Eckert)设计的水银延迟线存储器,容量约17K。但是该机并不具备存储程序的能力,程序要通过外接电路板输入。对于每种类型的题目,都要设计相应的外接插板,要改变程序必须切换相应的电路板,因此操作起来非常麻烦。直到1954年在该机加装了磁鼓存储器。

  美国早期电子工业发展,主要依靠军事工业项目投资。而且为了争夺军费预算,三大军种相互攀比。1947年,刚刚成立的美国空军,便花费巨资,以每年100万美元的巨额预算(ENIAC的总经费才10万美元),资助麻省理工学院林肯实验室,研制旋风(Whirlwind)计算机,用于飞行模拟器训练。由于处理飞机稳定性需要运算2000条以上指令,而传统的串行计算机,只能对指令逐一执行,速度很慢。麻省研究人员因此改用并行运算结构。1951年4月问世的旋风计算机,也因此成为世界第一台具备程序存储功能的并行计算机。旋风采用新发明的阴极射线管磁芯存储器作为内存,速度提高2倍。

  1949年,麻省理工学院主持研制旋风计算机的福里斯特教授(Jay Forrester),提出磁芯存储器设想。但是,磁芯存储器的专利拥有者,却是个中国人。当时,在哈佛大学计算机实验室工作的王安博士(上海人,公派留学生),研制出了磁芯存储器,并于1949年10月申请专利。

  1951年,王安离开哈佛大学,以仅有的600美元,创办了名为王安实验室的电脑公司,开始出售磁芯存储器,单价4美元一个。王安的生意并不好,但嗅觉敏锐的IBM公司闻风而来,邀请他担任技术顾问,并购买磁芯器件。到1956年,王安将磁芯存储器的专利权,以50万美元卖给IBM公司。王安电脑公司由此扩张为美国电脑巨头之一,直至1992年破产。

  磁芯存储器是继磁鼓之后,现代计算机存储器发展的第二个里程碑。直至1970年代初,世界90%以上的电脑,还在采用磁芯存储器,其后被英特尔批量生产的半导体晶体管DRAM内存取代。DRAM内存能够问世,主要是基于半导体晶体管和集成电路技术。

  

  1959年2月,美国德州仪器(TI)工程师杰克·基尔比(Jack Kilby),制成世界第一块集成电路。在资本力量推动下,集成电路产业迅速改变了人们的生活方式,并形成了以万亿美元计算的庞大产业链体系。

  仙童与德州仪器的战争

  1947年12月,美国新泽西州贝尔实验室,研制出世界第一个锗晶体管。到1955年,高纯硅的工业提炼技术已成熟,可以用来替代昂贵的锗材料。1956年,为了实现晶体管商用化,威廉·肖克利博士(生于英国)离开贝尔实验室,回到家乡——加州圣克拉拉,创建半导体实验室。

  恐怕连他自己也想不到,半个世纪后,他那个儿时的家乡,会成为名震世界的“加州硅谷”,并从他的实验室里,走出了仙童、英特尔、AMD、国家半导体(NS),等一大批美国电子巨头,烧起了硅谷战火。而在当时,硅谷只有一家名叫惠普的小公司。

  1956年,肖克利因参与发明晶体管,获得了诺贝尔物理学奖。然而到了1957年,因为难以忍受肖克利的粗暴脾气,诺伊斯、摩尔等八名技术精英,离开了肖克利实验室;在仙童照相器材公司老板的投资下,获得3600美元创业基金,租了一间小屋,创建了仙童半导体(Fairchild)公司。

  仙童创业初期主要研制台面型双扩散晶体管,用硅来取代成本昂贵的锗材料。1958年1月,IBM公司给仙童下了第一张订单,以150美元订购100个新研制的硅晶体管。凭借硅晶体管的成本性能优势,到1958年底,仙童公司已经拥有50万美元销售额和100名员工。

  IBM向仙童订购硅晶体管,主要是由于北美人航空公司中标的XB-70战略轰炸机,IBM为导航计算机采购高压硅晶体管。IBM希望与仙童签订1-3年的长期军事供货合同。除此之外,仙童的硅晶体管,还可用于民兵(Minuteman)洲际弹道导弹的导航控制计算机。巨额军工订单,是美国电子巨头发展的重要资金来源。

  1959年2月,美国老牌电子巨头德州仪器(TI),开发出集成电路。工程师杰克·基尔比(Jack Kilby),为了解决将大量孤立的电子器件,整合成电路的困难,于是构思出集成电路。他在一块半个回形针大小的,银色半导体锗衬底上,用几根零乱的黄金膜导线,将1只晶体管、4只电阻、3只电容等分立元件焊接在一起,制成世界上第一片集成电路。

  但是,这种焊接方法难以投入工业批量生产。仙童公司闻讯后,创始人诺依斯提出:可以用蒸发沉积金属的方法,取代焊接导线,用于批量制造集成电路。1959年7月仙童申请了集成电路专利。而为了争夺集成电路发明权,德州仪器与仙童开始了旷日持久的争执。双方在集成电路产品上,也是竞争对手。(2000年基尔比拿到了诺贝尔物理学奖)

  

  1960年,美国仙童公司半导体工厂的扩散区。

  平面制造工艺

  现代芯片制造,主要采用光刻法和蚀刻法工艺。光刻法最早的构想,源自印刷行业的照相曝光制版工艺,美国贝尔实验室在1954年开始采用光刻法工艺。

  1970年代后,光刻法发展为重复步进曝光,电子束掩模等新工艺,制造精度大为提高。仙童公司在光刻法应用初期,进行了大量技术改进。

  1958年仙童向IBM供货后,便出现了问题。民兵洲际导弹发射时,巨大的震动会导致一些金属粉尘颗粒脱离,可能会使硅晶体管暴露的接头处出现短路。仙童公司需要对此改进工艺。

  1959年1月,仙童公司为了向IBM稳定供货,对硅晶体管工艺进行攻关。主要成员包括罗伯特·诺伊斯博士、杰·拉斯特博士,吉恩·赫尔尼博士、戈登·摩尔博士。其中,拉斯特和诺伊斯主要开发使用16毫米电影镜头的光刻掩模技术,对掩模板、光致抗蚀剂(光刻胶)进行改进。

  他们首先把具有半导体性质的杂质,扩散到高纯度硅片上,然后在掩模板上绘好晶体管结构,用照相制版的方法缩小,将晶体管结构显影在硅片表面氧化层,再用光刻法去掉不需要的部分。扩散、掩模、照相、光刻,显影,整个过程叫做平面处理技术。

  1959年1月23日,诺伊斯在日记中提出一个技术设想:既然能用光刻法制造单个晶体管,那为什么不能用光刻法来批量制造晶体管呢?他们首先面对的是密集电路的短路问题。赫尔尼提出在硅片表面形成二氧化硅绝缘层,解决短路问题。

  1959年8月,仙童公司组建由拉斯特博士领导的晶体管集成电路研制团队。

  1960年9月,成功开发出世界第一代晶体管集成电路。然而由于集成电路项目耗费巨大,仙童副总裁Tom Bay建议结束研发项目,专注于二极型晶体管生产。在此情况下,拉斯特博士选择辞职离开仙童公司。

  Lionel Kattner接管了研发团队,最终在摩尔的全力支持下,仙童决定将晶体管集成电路投入批量生产。1961年,Lionel Kattner也辞职离开了仙童公司,创办了西格尼蒂克(Signetics)半导体公司(1975年被荷兰飞利浦收购)。仙童公司如同蒲公英一般,将人才散布到硅谷的每个地方,推动硅谷集成电路产业迅速兴起。

  1962年,仙童公司在缅因州南波特兰,创建了世界第一家晶体管生产、测试及封装工厂。并以收取技术授权费的方式,向其他企业传播平面制造工艺。嗅觉敏感的日本企业,迅速通过仙童公司,掌握了这一核心技术。同一年,美国开发出MOSFET——金属-氧化物半导体场效应晶体管,成为世界电子产业发展史上的重要里程碑。为半导体存储器的问世,奠定了技术基础。

  

  1966年,美国IBM公司托马斯·沃森研究中心的罗伯特·登纳德(Robert H. Dennard)博士,发明DRAM原理。老头在IBM公司工作了半个世纪,现在八十多岁了。2009年获得IEEE荣誉勋章。这是电子电气领域的最高荣誉。

  DRAM内存之父

  1960年代早期,美国电子产业,主要由IBM、摩托罗拉、德州仪器、美国无线电公司(RCA)等老牌企业控制。他们依靠二战时期,美国政府的巨额军工订单,发展成为产业巨无霸。二战后主要生产电视机、收音机等新兴的家用电器,并为美军武器提供电子装备。

  电子计算机也是新的产业热点,IBM具有领先优势。

  IBM公司在1956年,花费巨资从王安手里,购买磁芯存储器专利,主要是为了解决大型计算机存储数据问题。磁芯存储器并不完美,不但磁芯容易损坏,而且价格昂贵,运行速度也慢。然而,磁芯存储器比磁鼓有个重要优点:电脑断电后,磁芯保存的数据不会消失。为解决磁芯存储器存在的不足,IBM进行了长达十几年的研究。

  1961年,IBM在纽约州成立了以半导体为方向的托马斯·沃森研究中心。仙童当时是IBM的半导体器件供应商,并且发展非常迅速。1965年,仙童公司的戈登·摩尔,在《电子学》杂志发表文章预言:当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数量,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。这个预言后来被称为“摩尔定律”。

  1966年,IBM托马斯·沃森研究中心,34岁的罗伯特·登纳德(Robert H. Dennard)博士,提出了用金属氧化物半导体(MOS)晶体管,来制作存储器芯片的设想。原理是利用电容内,存储电荷的多寡,来代表一个二进制比特(bit)是1还是0。每一个bit只需要一个晶体管加一个电容(1T/1C结构)。1968年6月,IBM注册了晶体管DRAM专利(3387286号专利)。但是由于IBM正在遭受美国司法部的反垄断调查,拖延了DRAM项目商业化进度,这给其他公司带来了机会。

  此时,晶体管集成电路已经成为产业热潮,大批美国公司投入这一领域。1969年,加州桑尼维尔的Advanced Memory system公司,最早生产出1K容量的DRAM,并出售给计算机厂商霍尼韦尔。但是由于存在DRAM工艺上的缺陷,霍尼韦尔后来向新成立的英特尔公司寻求帮助。

  

  1972年前后,英特尔公司为美国Prime电脑公司,生产的微型电脑主板上,焊接了128颗1K存储容量的C1103 DRAM内存,组成128K容量的内存,以便运行类似DOS的操作系统。1GB=1048576KB,如今一根最普通的4G内存,容量等于这块老古董的3.2万倍。最大的单根内存容量达到128G,是这家伙的100万倍。

  英特尔DRAM内存商业化大获成功

  1967年,仙童半导体成立十年时,公司营业额已接近2亿美元(作为对比1967年中国外汇储备为2.15亿美元)。但是随着德州仪器、摩托罗拉、国家半导体在晶体管市场的崛起,仙童的利润迅速下滑,加之巨额研发投入,企业内部矛盾严重。仙童的行业第一地位,迅速被德州仪器取代。

  1968年8月,仙童总经理鲍勃·诺伊斯,拉着研发部门负责人戈登·摩尔辞职。从风险投资家阿瑟·洛克那里拉来250万美元投资,正式成立了英特尔(Intel)公司,洛克出任董事长。Intel在英文中含有智慧和集成电路的意思,商标是花1.5万美元,从一家酒店手里买的。当时公司只有诺伊斯和摩尔两个员工,他们招兵买马时,又从仙童公司挖来了工艺开发专家安迪·格鲁夫,担任运营总监。

  英特尔成立之初,继承了仙童的技术能力。公司制定的发展方向是研制晶体管存储器芯片,这是一个全新的市场。当时的半导体工艺主要有双极型晶体管,和场效应(MOS)晶体管。这两项工艺都是仙童的长项。但是哪一种工艺用来生产的芯片更好,他们并不清楚。于是公司成立了两个研发小组。1969年4月,双极型小组推出了64bit容量的静态随机存储器(SRAM)芯片C3101,只能存储8个英文字母。这是英特尔的第一个产品,客户是霍尼韦尔。

  此时在美国电脑市场上,IBM已经成为无可争议的霸主,被称为蓝色巨人,其他电脑厂商在重压下苦不堪言。霍尼韦尔公司为了提高其计算机性能,正在寻找SRAM存储器,这为英特尔带来了市场机会。与此同时,仙童公司的市场主管杰里·桑德斯,又拉走了一批人,成立了AMD公司。由于融资困难,桑德斯找到

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