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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。

 

 

 

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。

 

 

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。

 

 

 

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。

 

 

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，桑德斯找到了英特尔公司的诺伊斯寻求帮助，最后拉来了155万美元投资。此后的半个世纪里，英特尔和AMD成为一对难分难解的竞争对手。

 

1969年7月，场效应管小组推出了256bit容量的静态随机存储器芯片C1101。这是世界第一个大容量SRAM存储器。霍尼韦尔很快下达了订单。随后，英特尔研究小组不断解决生产工艺中的缺陷，于1970年10月，推出了第一个动态随机存储器（DRAM）芯片C1103，有18个针脚。容量有1Kbit，售价仅有10美元，它标志着DRAM内存时代的到来。

 

当时的大中型计算机上，还在使用笨重昂贵的磁芯存储器。为了向客户宣传DRAM的性能优势，英特尔开展全国范围的营销活动，向计算机用户宣传DRAM比磁芯更便宜（1比特仅需1美分）的概念。由于企业客户出于安全考虑，不会购买独家供货的产品，必须要有可替代的第二供货源。于是英特尔选择了加拿大的一家小公司，微系统国际公司（MIL）合作，授权他们用1英寸晶圆生产线进行生产，每年收取100万美元的授权费用。C1103的用户主要包括惠普电脑的HP9800系列，和DEC公司的PDP-11计算机，产量有几十万颗。

 

1972年，凭借1K DRAM取得的巨大成功，英特尔已经成为一家拥有1000名员工，年收入超过2300万美元的产业新贵。C1103也被业界称为磁芯存储器杀手，成为全球最畅销的半导体芯片。同年IBM在新推出的S370/158大型计算机上，也开始使用DRAM内存。到1974年，英特尔占据了全球82.9%的DRAM市场份额。

 

东京国立博物馆藏品，照片左边是1976年日本NEC研制的TK-80系统，采用仿制英特尔8080的兼容处理器（型号μPD8080A），当年售价88500日元，卖了1.7万台。中间是英特尔为日本厂商开发的MCS-4系统，采用4004处理器，右侧是日本Busicom电子计算器。多数人不知道，美国英特尔最早开发CPU，是为了日本人。

 

 

英特尔介入微处理器（CPU）领域则很偶然。1969年，日本最大的电子计算器公司Busicom，找到美国英特尔，希望能帮他们研制计算器用的ROM、RAM和运算处理器（CPU）等12枚芯片组成的系统。针对日本方面的要求，Intel研究团队的特德·霍夫（Ted Hoff），创新性地提出一个设想——用1颗移位寄存器、1颗ROM芯片、1颗RAM芯片、1颗CPU处理器芯片，由四颗芯片完成原来需要12颗芯片组成的系统。这样可以简化结构，降低生产成本。

 

1970年2月6日，双方签订了合同，三年内订货六万套MCS-4计算器系统，日方预付6万美元。到年底，英特尔相继拿出了4001（动态内存DRAM）、4002（只读存储器ROM）、4003（寄存器）、4004（微处理器CPU）等四颗芯片。但是由于量产过程中出现延期，让日本公司颇为恼怒，要求在价格上打折扣。英特尔同意了，但是附带要求，可在除计算器之外的其它市场，自由出售4004芯片——至此，世界首款商用计算机微处理器4004正式诞生了。

 

4004需要与另外三颗芯片协同工作，只要改变4002中保存的用户指令，就可以实现不同的功能。4004采用10微米的生产工艺，内含2250个晶体管，时钟频率为74KHz，每秒可执行6万次运算，售价200美元。

 

英特尔恐怕想不到，15年后，它会被日本电子企业逼得差点破产倒闭，而后靠CPU芯片绝地反击成功。日本人也绝不会想到，这个为他们提供零部件的美国小公司，三十年后会称霸世界电子市场，打垮日本电子企业。到1972年，英特尔推出了基于8008处理器的微型主机。为其配套研制操作系统的加里·基尔代尔（Gary Kildall）博士，后来发明了CP/M操作系统，微软靠着抄袭基尔代尔的软件，推出MS-DOS操作系统。

 

而在当时，世界计算机市场规模极为有限。美国市场的大型计算年销量约有2万台，主要被IBM和七个小矮人（指GE、NCR、CDC、RCA、UNIVAC、Burroughs及Honeywell七家电脑制造商）控制。小型电脑市场则由DEC和惠普等十几家公司控制。英特尔当时还是小公司，很难抢到主机市场份额，于是把重心放在存储芯片方面。

 

1979年，美国苹果公司生产的Apple II Plus电脑主板，采用莫斯泰克MK4116内存芯片。CPU是莫斯泰克6502，最大支持64K内存。整机售价1200美元。1978年，苹果公司的Apple II卖了2万台，使苹果迅速成为年销售额，突破3000万美元的产业新贵。

 

 

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。

 

早在1970年英特尔发布C1103后，德州仪器便对其进行拆解仿制，通过逆向工程，研究DRAM存储器工艺结构。1971年德州仪器采用重新设计的3T1C结构，推出了2K产品。1973年德州仪器推出成本更低，采用1T1C结构的4K DRAM（型号TMS4030），成为英特尔的强劲对手。

 

莫斯泰克则是一家小公司，1969年，德州仪器半导体中心的首席工程师L.J.Sevin（MOS场效应管专家），拉着一帮同事辞职，在马萨诸塞州成立了莫斯泰克（Mostek）公司，工厂设在德州卡罗尔顿，主要为计算机企业配套生产存储器件。Mostek开发的第一个DRAM产品MK1001，只有1K容量。1973年，Mostek采用公司创始人Robert Proebsting设计的地址复用技术，研制出16针脚的MK4096芯片，容量提高到4K。16针脚的好处是制造成本低，当时德州仪器、英特尔和摩托罗拉制造的内存是22针脚。

 

凭借低成本，莫斯泰克逐渐在内存市场取得优势。而英特尔此时将精力放在开发8080处理器上，在微型计算机市场取得巨大成功。1976年莫斯泰克推出了采用双层多晶硅栅工艺的MK4116，容量提高到16K。这一产品帮助莫斯泰克击败英特尔，占据了全球75%的市场份额。

 

其后莫斯泰克又开发了64K容量的MK4164，到70年代后期，一度占据了全球DRAM市场85%的份额。但是随着日本厂商廉价芯片的疯狂冲击，短短几年时间，美国厂商就撑不住了。1979年，陷入困境的莫斯泰克，被美国联合技术公司（UTC），以3.45亿美元收购。后来又转卖给了意法半导体。

 

1978年，从莫斯泰克离职的三名设计工程师，拉来风险投资后，在爱达荷州一家牙科诊所的地下室，创办了镁光科技（Micron）。镁光签订的第一份合约是为莫斯泰克设计64K存储芯片。后来，镁光从爱达荷州亿万富翁，靠生猪养殖起家的J.R.Simplot那里拉来了投资，开始建设第一座DRAM工厂。为了节省投资费用，工厂建设在一家废弃的超市建筑里，肉类冷库被改造成净化车间，生产设备也是二手的。到1981年晶圆厂投产，只花了700万美元，而新建一座同类工厂的投资额，一般是1亿美元。镁光的第一批产品是64K DRAM，主要供应给正在飞速崛起的个人电脑制造商。像当时销量很高的Commodore 64电脑，就是采用镁光64K内存。到1984年，镁光推出了世界最小的256K DRAM。

 

与莫斯泰克类似，镁光的敌人来自日本。1980年，日本研制的DRAM产品，只占全球销量的30%，美国公司占到60%。到了1985年局势已经完全倒转。由于日本廉价DRAM的大量倾销，镁光被迫裁员一半，1400名工人失业。镁光只得向美国政府寻求帮助。从1985年至1986年，英特尔连续亏损六个季度。DRAM市场份额仅剩下1%。当时，英特尔的年销售额为15亿美元，亏损总额却高达2.6亿美元，被迫关闭了7座工厂，并裁减员工。濒临死亡的英特尔，被迫全面退出DRAM市场，转型发展CPU，由此获得新生。

 

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。