芯片战争-90：贝尔实验室如何完美的踏空集成电路时代

编者按：本文转载自微信公众号：科技红利及方向型资产研究(ID：gh_d2acfa1c0b4b)

中国半导体产业的思考—随笔之《芯片战争——亮剑！国运之战》

芯片战争90—贝尔实验室如何完美的踏空集成电路时代

（曙光初现，1960-1964年）

莫顿对于集成电路芯片技术的偏见和错误认识，使得贝尔实验室，一家发明晶体管，创造早期各种半导体基础技术、开创硅文明时代的伟大企业，完美的踏空了集成电路时代。

正文：

第三章曙光初现

第三十一节：贝尔实验室如何完美的踏空集成电路时代

1961年，贝尔实验室技术负责人莫顿宣布放弃MOS集成电路的技术方向，这个决定成为了贝尔实验室在集成电路领域快速衰败的致命伤，也使得贝尔实验室最终从硅周期历史上逐步被淘汰。

这是全球半导体硅文明发展历史上的一个分水岭，贝尔实验室——半导体晶体管的发明诞生地，美国半导体产业的鼻祖，但是，令人非常遗憾的是它自己从未意识到它所发明的晶体管之全部商业潜力和巨大的历史力量。

1962年7月10日，第一个商业通信卫星和第一个私人卫星—Telstar成功发射。这颗卫星重量为77公斤，从卡纳维拉尔角发射，但可惜的是它的寿命很短。因为美国核试验和太阳光的辐射烧坏了电路，次年2月宣告失败。

图：贝尔实验室工作人员在检测Telstar卫星 

这颗卫星Telstar，由贝尔实验室的吉恩.费尔克领导并参与于美国NASA的通讯卫星的研制工作。具体请见随笔前文。

这一年，1961年，贝尔实验室的技术人责任——莫顿，正式宣布决定，不再开发MOS器件，原因是集成电路的可靠性较差，不能在高频下工作。

20世纪50年代和60年代，贝尔实验室的黄金时代，莫顿扮演着开发团队的四分卫的角色。他是一个大胆、有决断力、果断的领导者，他能给清晰的判断出那些是关键的技术、那些技术可以实现，那些技术可以放弃。。。除了MOS集成电路。

贝尔实验室的科学家安德森曾经对此事件回忆说：“莫顿一直警惕发现技术的失败者和赢家，他完全相信表面器件固有的不可靠性，以及。。。场效应（MOS）设备将只是限于低频率工作应用中。”

那么，贝尔实验室又是如何错失了整个集成电路时代的呢？这不得不从ESS系统开始谈起。。。

ESS（Electronic Switching System）系统，电子开关系统，这是通讯技术发展历史上一个具有划时代意义的通讯产品系列——程控交换机。

1965年，美国贝尔成功生产了世界上第一台商用存储程式控制交换机，也是世界上第一部开通使用的程控电话交换机，型号为ESS—1（电子开关系统，ElectronicSwitching System）。

这是全球通讯领域第一台存储程序控制（SPC）的本地交换系统。由于采用了软件控制技术，使用户呼叫业务（快速呼叫、呼叫等待、呼叫转移和三方通话等）的实现成为可能。ESS—1交换系统的第一套软件程序约为10万条指令，当然，今天的交换系统则已经突破了数千万条指令。

图：贝尔电话系统的ESS—1，模拟程控交换机

当时的ESS—1的交换机话路部分还保留了机械触点，以“空分”方式工作。因此，也被称为空分交换机，当然，它只能够交换的只是模拟信号。

早在1954年，Morris Tanenbaum（塔尼巴恩）在贝尔实验室制造了第一个硅晶体管（具体请见随笔前文）。这个消息促使了美国电话电报公司（AT&T）的高管们决定开发首个基于半导体器件而非机电式纵横开关的电子交换系统ESS-1。

此刻的莫顿面临着一个关键的决定：是采用当时已经成熟的锗技术，还是把主要的研发兵力押在硅上，毕竟，硅在研发上还有很长的路要走，没有人能够知道未来潜在的风险有多大。

1955年3月，Tanenbaum进一步改进了他早期的发明，将杂质扩散到硅中（具体请见随笔前文）。这一过程使他能够在一个只有一微米厚的半导体三明治中形成一个狭窄的底层“馅饼”。

这种装置后来被称为扩散基极晶体管，它可以将100兆赫以上的信号放大和转换到调频收音机和电视的范围内。最重要的是，如此高的开关速度，大约是以前硅晶体管的10倍，这意味着它可以应用于电子开关中。

听到这个消息时，正在欧洲happy的莫顿，立马做出了决定，他立即取消了旅行计划，赶回公司。安德森回忆说：“那一天是一个下着暴雪，令人难忘的日子，”莫顿颁布了一项法令，“硅将作为一种新的材料，扩散将作为一种必不可少的重要之技术，未来的晶体管和二极管的发展将在贝尔系统中获得广泛的应用。”

在全球半导体硅周期的历史上，这应该是莫顿所作出的最重要的一个贡献。历史最终证明了，他的这项大胆的决定是无比正确的。

贝尔实验室的研究人员很快解决了提纯硅和生长硅晶体的困难，然后，他们发现了如何在硅表面形成一个玻璃状的保护性氧化层，可以用来模拟杂质的扩散。

最终，贝尔实验室工程师们采用外延沉积技术和扩散技术成功的研制了硅晶体管，进而实现了贝尔电话设备系统中首次应用半导体器件的目标。

图：贝尔实验室，采用外延沉积技术制造的硅晶体管，被应用于贝尔电话设备系统的ESS开关中 

此刻，仙童半导体吸收了贝尔实验室的扩散工艺技术，创造性的发展了平面工艺技术，并在1961年生产出第一批商用化的平面工艺技术的扩散的晶体管（具体请见随笔前文）。此刻，贝尔实验室下属的西方电气（Western Electric）反过来也利用了仙童半导体的平面工艺技术专利，并成功的制造了扩散硅基极硅晶体管，并成功的将其应用在贝尔系统的ESS—1中。

但是，在迈出集成电路第一步之后，贝尔实验室突然就像一个高速行驶的赛车被拉下了紧急制动闸。贝尔实验室几乎是开发了所有早期半导体领域的基础技术，但是，贝尔实验室为什么没有最终参与集成电路芯片的发明呢？这是一个值得反思的历史，今天的人们把这种令人费解的失败之原因归因于市场之力量或缺乏市场之力量。

正如贝尔实验室前总裁伊恩.罗斯（Ian Ross）在一次采访中所解释的那样，这些实验室致力于开发那些成熟的、独立的器件，在贝尔系统设备中可以安全使用40年的是这些器件，而不是集成电路。事实上，集成电路芯片的主要客户是国防军工，特别是在人造卫星发射后，美国国防部愿意为这种超轻电路支付超过100美元一片的费用。但是，这家电话公司对这种所谓的“异国情调的新技术”几乎没有需求。

“中枢交换机的重量在AT&T公司并不是一个大问题，”罗斯自嘲的说道。更有意思的是，罗斯本人早在1956年就为贝尔实验室设计了最早的一个集成电路芯片。

但历史最终证明，贝尔实验室必须需要集成电路。把贝尔系统看作是世界上最大的计算机，它具有模拟和数字功能。它的数据中枢对内存和处理能力提出了巨大的要求，而这两者最好的提供者就是集成电路芯片。

在20世纪70年代，由数字信号驱动的集成电路芯片最终使电子交换取得了真正的成功，但到那时，AT&T在这一关键技术上正玩着一个越来越令人绝望的追赶游戏。

人世间最悲哀的就是，从一个技术创造者、领导者沦落为一个被领导者；就如同一个经常在舞台上享受着鲜花和掌声的人，突然成为了一个只能为别人去鼓掌喝彩的人。

贝尔实验室完美的踏空了几乎后来所有的集成电路芯片领域的创新，作为负责人的莫顿在这里要承担主要责任，他对集成电路芯片和大规模集成的潜力几乎是九窍通了八窍。

莫顿一直认为“随着芯片上元件数量的增长，集成电路的制造产量将变得不可接受的低”。他推理说，即使每个芯片元件（通常是晶体管）的成功率可能达到99%，这个数字也必须乘以自身很多次，从而产生令人讨厌的产量。

贝尔实验室科学家坦纳鲍姆这样总结了莫顿的态度：“你放在筹码篮里的鸡蛋越多，你就越可能有一个坏鸡蛋。”

集成度越高，可靠性也会受到影响，莫顿固执的这样认为。早在1958年，莫顿就成为了贝尔的一名副总裁，因为他在公司内部的地位和影响力，他的这一论点在20世纪60年代早期主导了贝尔实验室的研发思想。

“莫顿是一位如此强大、令人生畏的领导人，”当时为他工作的助手—尤金.戈登评论道，“他可以做出错误的决定，并且因为他的激进风格而保持不受质疑。”莫顿固执的认为，他以前的一系列成功的经历，使得他能够绝对正确下去。有时候，固执和偏执似乎没有区别。

但是，他的固执偏见被打脸了，集成电路芯片元件的失效率是整个硅片表面的平均值。每一块晶圆都有异常糟糕的区域，使平均值显著下降，而其他更好区域的芯片有着更高的成功率，这就导致了一个令莫顿尴尬的局面：总体上，他曾经所认为的令人望而生畏的生产总量似乎是一个可以接受的产量。

从20世纪60年代，在硅基芯片技术的问题上，莫顿就一直进退维谷，尽管越来越多的证据表明这项技术的前景。但是，他并不认为这是一种具有足够“普遍性”的技术，他指的是能够轻松响应电话系统不断变化的需求，并在新材料和新技术出现时逐渐融入其中的技术。

电话公司不能使用一种破坏性太大的技术，因为AT&T的系统工程师总是必须确保极端的可靠性、与现有子系统的兼容性以及电话服务的连续性。“这种系统的创新，”莫顿宣称，“就像在跑4分钟英里的时候进行心脏移植一样！”

这简直就像为了否定而找理由，莫顿对于MOS集成电路的这种犹豫和不果决，对于贝尔实验室而言就是致命伤。

莫顿的这种认识，不仅令他的助手尤金.戈登，也使得他所在部门的其他人万分沮丧，更令人灰心丧意的是，莫顿还粗鲁的压制了贝尔实验室所有研发人员的共同的努力，他们一直在追求被后来的半导体行业开始称之为大规模集成（LSI）的目标，LSI生产了含有1000多个元件的单晶硅芯片。

一位贝尔实验室的同事说，他甚至嘲笑从事大规模集成电路（LSI）研发人是“大白痴”。相反，莫顿提出了混合技术的想法，将可以以更高产量生产的小尺寸微芯片集成到以钽等金属为基础的“薄膜”电路中，在这种电路中电阻和电容可以比硅更精确地蚀刻。莫顿将这种方法称为“正确的集成规模”，简称为RSI，这是由他所创造的，也是他最喜欢的一个术语。

事实证明这是一个错误的决定，但莫顿坚持己见，固执的令人发指。后来担任贝尔实验室副总裁的塔尼巴恩（Tanenbaum）曾经沮丧的估计，莫顿的做法将使得美国电话电报公司（AT&T）的版本升级出现隐患，在将集成电路芯片装入贝尔系统（Bell系统）以备日后版本升级时，这一时间要拖延两三年。即使在那时，AT&T电话公司也不得不从其他公司购买大部分芯片，而不是在西方电气公司内部生产。

图：贝尔的ESS-5系统，数字程控交换机，只能外购友商的集成电路芯片

莫顿认为分立器件是强大的，并给与了过分之关注，他几乎不关心包括集成电路在内的任何其他芯片，可以毫不夸张的说，这导致了在20世纪60年代末开始，作为美国半导体产业之鼻祖的贝尔实验室就开始退出了全球硅周期之竞争的赛道。

虽然，贝尔实验室的其他工程师们依旧在努力，他们开始重新研究金属氧化物半导体（或MOS）场效应晶体管。在一个MOS场效应晶体管中，电流流过氧化层下面的一个狭窄通道，并可以通过上面金属条上的电压进行调制。随着每个微芯片的元件数量的增加，MOS晶体管的简单几何结构和操作使其成为比结型晶体管更好的选择。

尽管贝尔实验室在20世纪50年代率先开发了这种技术，但是，非常不幸的是，最终MOS和CMOS技术的话语权也逐渐被仙童半导体、美国无线电（RCA）公司等其他公司所掌握。

仙童半导体的工程师们在20世纪60年代中期已经解决了MOS技术的大部分具有挑战性的可靠性问题，因此，当这些器件开始进入半导体存储器时，这使得该公司享有巨大的技术优势。反过来，友商们的技术领先优势，又进一步使得莫顿再次陷入了某种不可言明的情绪中。

莫顿在1961年决定不再开发MOS器件，部分原因是它们最初的可靠性较差，不能在高频下工作。安德森回忆说，“莫顿一直警惕发现技术的失败者和赢家，他完全相信表面设备固有的不可靠性，以及。。。场效应（MOS）设备将限于低频率。”

在20世纪60年代初，对于一家已经高度致力于基于分立器件的电子开关的公司来说，这确实毫无意义。一直到十多年后，贝尔实验室和AT&T再次追赶潮流，广泛的采用MOS晶体管技术从事集成电路的生产，但是，已经为时已晚。

令人讽刺的是，从20世纪60年代中期开始，莫顿对集成电路芯片的错误看法并没有阻止莫顿受到产业界和协会的高度赞誉。

1965年，他因“在固态电子器件的开发和理解方面的杰出领导和贡献”获得了著名的IEEE的大卫.萨尔诺夫奖章。两年后，莫顿成为首批入选美国国家工程院的院士之一。

1971年，莫顿出版了一本自己非常满意的书，叫做《组织创新》，在这本书中，莫顿提出了一个很重要的术语—“生态”，他认为要用一种生态系统的方法来管理像贝尔实验室这样的高科技研发企业。在这本书中，他还详细阐述了他关于自适应技术和正确的集成规模的想法。

莫顿想不到的是，生态，这一词语，在他之后的数十年时间里，一度大放异彩，从太平洋东岸的硅谷到太平洋西岸的亚太地区。那些年，互联网时代，从投资人到创业者，人人必谈“生态”，甚至，还有人“创造性”的制造了一个所谓“生态化反”的概念。

60年代到70年，莫顿经常出席各种产业会议，并经常被请求在各类产业会议上作主旨演讲，还担任了各类产业组织的顾问，尤其是在新兴的国家和地区，特别是日本之新兴的电子和半导体公司，在那里，莫顿的意见备受极度之尊重。

无论如何，莫顿，一位曾经的英雄，曾经的全球半导体产业界的领导者，一位口齿伶俐、远见卓识的工程师，他把一个有前途的科学变成了一个极为有用、可靠的并且深刻影响着人类社会的产品。在他去世之前，这些产品已经开始改变了我们的生活并直到今天。

在莫顿作为贝尔实验室电子技术主管的领导下，许多其他创新技术被发明出来，如今它们在日常生活中无处不在，包括闪存和电荷耦合设备（CCD），这两种电子产品都是从MOS技术衍生而来。但是，就像集成电路芯片和MOS晶体管一样，这些技术和产品也将成为了其他公司在硅周期之历史大舞台上的表演工具。

1971年12月11日凌晨4点15分，在新泽西内夏尼克车站附近的一个小村庄发生了一场汽车火灾，消防队员震惊地发现一具烧焦严重的尸体，并且脸部朝下而倒在汽车的后座上。

经过警察的调查，发现这具尸体是新泽西州茉莉山贝尔电话实验室（Bell Telephone Laboratories）的电子技术副总裁—杰克.A.莫顿（JackA.Morton），他最后一次被人看到的时候是在凌晨2点前，在附近的内沙尼克旅馆（Neshanic Inn），醉酒熏熏的莫顿与两名男子发生了撕扯。

莫顿的死忙，正式宣告了贝尔实验室在半导体领域辉煌的结束。完美的错失集成电路芯片时代的贝尔实验室，一个发明晶体管，开创硅文明时代的伟大企业，美国半导体产业的鼻祖，开始走向了最终的衰落。

即使在贝尔最骄傲的通讯领域，数十年后，贝尔实验室（后来的朗讯科技，阿尔卡特-朗讯，再后来的诺基亚-西门子）也早早的被来自一家来自中国的企业——华为技术彻底击败。

杰克.A.莫顿领导下的贝尔实验室成功地将晶体管从一种令人好奇的新技术完美的转变为一种推进历史文明进程的商业化产品，但是，他对集成电路芯片的偏见和无知最终使得AT&T付出了巨大的、沉痛的历史代价。

一项革命性的新技术的发明是非常的困难的，但是，更加困难的是如何保持新技术创新的持续的长跑能力。莫顿领导下的贝尔实验室，在全球硅周期的历史上并非孤立的个例，成为警醒后来者的一面镜子。