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見證電子產業誕生成長 六十歲電晶體寶刀未老

上網時間: 2007年12月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電晶體  貝爾實驗室  電報機 

60年前的十一月,美國貝爾實驗室(Bell Labs)的科學家們展示了20世紀最重要的發明──第一顆真正的電晶體(transistor)。

很難說電子時代起源於何時,但William Sturgeon在1825年的電磁體(electromagnet)研究成果,為Joseph Henry在1830年發明的電報機雛型播下了種子,那是第一個被用於遠端通訊(距離1哩)的電氣系統。而14年之後,Samuel Morse透過連結美國華盛頓特區(Washington)以及巴爾的摩(Baltimore)間40哩(mile)的電報機線路發送了一個訊息。

雖然當時的電報機功能簡單,但需求卻令人驚訝地成長迅速。1851年,West Union開始營運;在同一個十年內,Cyrus Field則透一根在首則訊息傳出之後就中斷了快三星期的脆弱電纜,連接了新舊世界(即東西半球);不過最後他的嘗試還是取得了成功。而這種橫跨大西洋的通訊技術瞬間就家喻戶曉。

儘管Alexander Graham Bell在1875年所發明的電話被稱頌至今,不過它成為實用性設備還是在兩年後Thomas Edison發明碳麥克風(carbon microphone)之時。電話的揚聲器語音透過一包碳顆粒進行調變,改變了電路的電阻,因而把訊號發送到接收器。

接下來有不少發明家提出了無線傳輸的想法,而Guglielmo Marconi把這些構想匯整在1896年申請的專利以及後續的實證中。像電話以及電報機一樣,早期的無線電既沒有採用微處理器(CPU)、電晶體,也沒有採用真空管(vacuum tubes);Marconi在其他發明家──特別是Nikola Tesla的研究基礎上,利用高電壓和火花間隙(spark gap)把電磁波導入一只線圈和天線。

當時在整個頻譜上輻射的訊號,以目前的標準來看真是難以想像地吵雜,但卻是有效的。事實上,著名的鐵達尼號(Titanic)所發出的SOS求救訊號,就是利用Marconi無線電報公司所製造的5KW火花間隙裝置傳送出去的。

不過當時的電路是電氣性(electrical)的,而非電子式(electronic)的。

電子時代來臨

由於無線電技術仍然粗糙且傳輸距離有限,當時的電話訊號會隨著距離的增加快速衰減,而且全世界都對能控制當時新發現的電子(electron)之流動(flow)的元件有強烈需求。

在那個時候,有一種由Edison在無意之間發現的、在真空狀態中的奇怪電流,能夠調整交流電,而Ambrose Fleming發現這對於偵測無線電波恰到好處,因此發明了第一顆簡易真空管二極體(vacuum tube diode);不過因為該元件成本高且需要燈絲來傳遞電流,因此並沒有取得大規模商業化成功。

在二十世紀的第一個十年,Lee de Forest在真空管的陽極和陰極之間插入網柵(grid);利用這種新裝置,電路能被放大、振盪和開關。而那也就是現今之電子元件的基本作業形式。透過這種真空管,工程師們學會如何製造具備神奇靈敏度的無線電,透過幾萬哩的電纜傳送語音,並在微秒(microsecond)內切換“0”與“1”。

在第一次世界大戰的四年期間,單只Western Electric一家公司,就為美軍生產了50萬顆真空管;到了1918年,美國一年的真空管產量就超過了100萬顆,超過戰前數量的五倍。而電子學(electronics)也就在這個時候誕生。

電子學被定義為:「一種關於用以處理在真空狀態、氣體介質以及半導體中流動的電子之元件或系統的開發及應用的科學。」這個名詞幾乎與真空管的發明同時出現,不過以上的定義卻很糟。筆者認為,電氣和電子電路之間的差異在於後者採用能整流、開關或放大的“主動(active)”裝置或零組件。

第一個真正的主動元件可能是觸鬚晶體(cats whisker crystals),一種用金屬彈性線與未加工的方鉛礦厚塊接觸,以做為原始二極體(primitive diode)應用。有關其起源的資料能找到的不多,不過看起來這些晶體第一次出現的時間,應該稍微早於Fleming具開創性的真空管研究。

而這其實有點諷刺,第一個主動元件—─比真空管誕生得早─是一種半導體,但幾乎又過了半個世紀,科學家才宣稱“發現”了半導體。

收音機一開始只有幾個真空管,但之後有一些高階產品使用了數十個。在1960年代末期,筆者有一台軍用剩餘的1940年代RBC無線電接收機,採用了19個真空管;據說當時它價值2,400美元(約是目前的3.3萬美元)。這樣看起來一個600美元的馬桶座也沒什麼稀奇。

就如同今日一樣,新技術日益增加的性能,使人們不斷地要求更多的特色、速度和功能。在第二次世界大戰中,雷達(radar)的發明使主動電子學的需求暴漲。有些裝置甚至採用了上百個真空管。

或許真空電子管技術的極致是1946年誕生的ENIAC,該裝置採用了大約1萬8,000個電子管,不過它每隔兩天就故障一次。顯然,數位技術的來臨已經把真空管逼到了極限,人們需要新型主動元件,即發熱量更低、低功耗且高可靠性的新技術。

電晶體的誕生

1956年,William Shockley因半導體相關研究獲得諾貝爾獎;次年,Walter Brattain與John Bardeen發明了電晶體。雖然有人認為這是第一個“實際”的此類半導體元件,但貝爾實驗室(Bell Labs)的科學家實際上已經建構了一種點接觸(point-contact)電晶體,這是一種很難製造且已經不再使用的元件,它從未獲得普遍應用。

大約在1950年(有許多種說法),Raytheon生產了CK703,第一款商用化電晶體元件,它的價格為18美元(相當於目前的147美元),當時真空管的典型價格為每個0.75美元,兩者簡直無法相提並論。雖然點接觸電晶體非常急切地想成為理想的主動元件,但人們需要更好的。

Shockley在1948年以現代接面(modern junction)電晶體取得專利,並繼續其半導體研究。三年後,貝爾實驗室展示了元件編號為M1752的元件;不過該元件顯然僅以原型數量進行生產。

現代電晶體誕生了,不過它並沒有立刻給電子產業帶來革命性的變化,那時電子產業與真空管仍處於“蜜月期”。直到1956年,日本出現了ETL Mark3,可能是第一台採用電晶體的電腦,不過它採用了130個點接觸電晶體,而且是無法實際應用或出售的設備。

接下來這一年,IBM開始銷售它的608產品,採用了3,000顆鍺電晶體;那是第一台商用電晶體電腦。與採用真空管的電腦相較,608可節省90%的電力,它利用100 KHz的時脈以及9條指令,實現了兩個9位元BCD數平均11毫秒(msec)的乘法時間;此外該產品擁有40字元的核心記憶體,重量為2,400磅。

電話產業對放大器的需求加速了真空管的發展,因此科學家爭相研究半導體技術也就不足為奇了。早在1952年,貝爾電話公司(Bell Corporation)就在美國紐澤西(New Jersey)安裝了第一台電晶體中央局端設備(central office equipment),當時採用的也是點接觸電晶體。

Ma Bell是由Alexander Graham Bell創辦的,他曾擔任聾啞教師,一生中大多數時間均從事為聽障人士提供服務的事業。因此,貝爾公司大概在1953年,就放棄了其絕對領先的電晶體消費性產品─—即一種助聽器的所有專利權使用費。

業界老前輩可能還記得Raytheon的CK-722,那是第一款商用接面電晶體。在1953年時,每個價格大約為7美元,在當時是很昂貴的。筆者記得曾在1960年代從Radio Shack購買許多規格不一的電晶體時,裡面就有CK-722,也許是工廠的次級品;那時的價格多少已經不記得了,但那些特價品大概就是1~2美元一袋。

到了1955年底,同樣的元件的價格下滑到了0.99美元。摩爾定律(Moore’s Law)那時候還沒有被發現,但電子零組件的無情降價已經開始了,是新興的半導體技術使這一切成為可能。

最早在1954年,Regency Electronics才生產了第一台商用電晶體收音機(統稱為TR-1)。當時德州儀器(TI)為了給它們的新型電晶體尋找市場,與美國國內許多收音機製造商進行了接洽,但除了Regency之外都碰了釘子。

一則有關TR-1的TI新聞稿,將這種新型的零組件稱為“n-p-n成熟接面(grown junction),也就是鍺三極管(germanium triodes)。”這種三極管從過去到現在仍然是三元件(three element)真空管。

到1960年代初,消費者迷戀上了小型收音機(1959年就賣出了500萬台電晶體收音機)。那時候的商人就像現在一樣,渴望實現他們的產品差異化,於是開始利用收音機中電晶體的數量來促銷產品。

儘管至少有一家供應商試圖建構僅採用兩個電晶體的收音機─—實際上很少採用8個以上的電晶體,但常常有多達16個電晶體被焊接在電路板上,當然大多數都未被連接。那可能有一點類似目前的GB之戰;而到底有多少iPod使用者會把40GB的硬碟塞滿呢?

電晶體仍寶刀未老

現在市面上的離散式電晶體有點像是時空錯亂,不過它們仍然廣泛存在於許多對它們迫切需要的應用之中;價格從幾乎零到針對某些特殊應用的幾十美元都有。一顆與值得尊敬的CK-722尺寸相當的IC可能包含幾百萬個電晶體,而且每個電晶體的價格大概只值幾毫美分(microcent)。

諷刺的是,一些困擾真空管並導致其接近滅亡的問題,現在也在電晶體產品中揮之不去。在1946年,全球所有電腦的容量消耗的功率僅僅為幾百千瓦(kilowatt)。目前一座資料中心(server farm)就吸取幾兆瓦(megawatts)的功率。

在2005年,全球的資料中心需要相當於14座十億瓦特(gigawatt)的電廠供電。據說,Google在美國奧勒岡州Dalles的資料中心,就設置了四層樓高的冷卻塔(cooling towers)。

電晶體出現了許多變種,其中最重要的是場效電晶體(FET)。FET是在1960年由John Atalla在Shockley的研究基礎上發明的,一開始是種新奇的事物,而RCA利用FET技術推出了一系列邏輯晶片;但是因為它們的速度慢,僅被用於特殊的低功率應用,大家都了解該技術永遠取代不了更有用的接面電晶體。

現在,當然,FET成為數位革命的基礎,速度問題已得到了解決,而它們的極低功率要求使之可能被成千上百萬地整合在一顆IC之中。

三真空管收音機不會產生很多熱量,但把1萬8,000個真空管放進電腦,其空調系統就會成為一個嚴重的問題。這對於所有類型的電晶體也一樣,一顆整合了幾百萬個低功耗FET的IC將會因過熱而燒毀。因此,同樣具有諷刺意味的是,供應商正利用像多核心這樣的不同技術來獲得更好的MIPs/mW比例。

在Morse完善了第一台真正的電氣系統——電報機的同時,Rudolf Clausius把熱動力學(thermodynamics)的第二定律編成了基本概念的法典,它折磨著整個電子學的發展歷史。

多核心可能是、也可能不是目前MIPs/mW問題的解決方案,但把大量的低功耗CPU整合在單核心上,Clasius定律將再次揭示問題所在。筆者懷疑在電晶體100歲生日以前,將會有全新的低發熱(low-entropy)技術將被發明;而那也將帶來無情的熱調節問題。

(參考原文:The transistor: 60 years old and still switching)

(Jack Ganssle)




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