1958年夏天，美国得克萨斯州，德州仪器公司。
大多数员工都去度假了，办公室空荡荡的。但有一个新来的工程师还坐在实验室里，思考着一个问题。
他是杰克·基尔比，几个月前刚加入公司。因为资历浅，他没有假期，只能留在实验室。
“既然有时间，“他想，“不如试试那个想法。”
那个想法是：能不能把整个电路做在一块材料上？
当时的电路由晶体管、电阻、电容等元件组成，每个元件单独制造，然后用导线连接。元件本身很小，但封装和连线占了大部分空间。
基尔比想：如果把所有元件都做在同一块半导体材料上，不就可以省掉封装和连线了吗？
他开始动手实验。
基尔比的实验 #
基尔比用一块锗晶片，在上面制作了晶体管、电阻和电容。然后用细金线把它们连接起来。
1958年9月12日，他向公司高层演示了这个装置。
“这是什么？“有人问。
“这是一个相移振荡器，“基尔比说，“它把所有电路元件都集成在一块锗片上。”
接通电源，示波器上出现了完美的正弦波。
世界上第一块集成电路诞生了。
它只有半英寸长，上面有5个元件。但它的意义是革命性的：证明了"把整个电路做在一块材料上"是可行的。
诺伊斯的改进 #
与此同时，在加州的仙童半导体，另一个人也在思考同样的问题。
他叫罗伯特·诺伊斯，是"叛逆八人帮"之一，仙童半导体的联合创始人。
诺伊斯听说了基尔比的发明，但他发现了一个问题：基尔比的集成电路用金线连接各个元件，这仍然不够可靠。
诺伊斯想出了更好的办法：用平面工艺，把连线也做在硅片上。
他利用仙童半导体开发的平面工艺，在硅片表面制作金属导线，连接各个元件。这样，整个电路——晶体管、电阻、电容、连线——都在同一块硅片上，不需要任何外部连线。
1959年，诺伊斯申请了集成电路专利。
谁是真正的发明者？ #
基尔比和诺伊斯，谁是集成电路的真正发明者？
这个问题引发了长达十年的专利争夺战。
最终，法院裁定：两人都是独立发明者，共享集成电路的发明权。
基尔比发明了第一块工作的集成电路，证明了概念的可行性。诺伊斯发明了可大规模生产的集成电路，解决了制造问题。
2000年，基尔比获得诺贝尔物理学奖。诺伊斯已于1990年去世，无法获奖（诺贝尔奖不追授逝者）。
基尔比在获奖感言中说：“如果诺伊斯还活着，他会和我一起站在这里。”
集成电路的优势 #
集成电路为什么重要？
第一，体积小。 以前需要一整块电路板的元件，现在可以塞进指甲盖大小的芯片里。
第二，成本低。 集成电路可以批量生产，一次光刻就能制作成百上千个晶体管。成本比单独制造和组装元件低得多。
第三，可靠性高。 没有外部连线，就没有连线故障。集成电路的故障率比分立元件电路低几个数量级。
第四，速度快。 元件之间的距离更近，信号传输更快。集成电路的运算速度比传统电路快得多。
第五，功耗低。 更小的元件、更短的距离，意味着更低的功耗。
这些优势叠加起来，使集成电路成为电子设备的核心。
从小规模到超大规模 #
集成电路的发展，经历了几个阶段：
SSI（小规模集成）：每个芯片上几个到几十个晶体管（1960年代）
MSI（中规模集成）：每个芯片上几百个晶体管（1970年代初）
LSI（大规模集成）：每个芯片上几千到几万个晶体管（1970年代中后期）
VLSI（超大规模集成）：每个芯片上几十万到几百万个晶体管（1980年代）
ULSI（特大规模集成）：每个芯片上几千万到几十亿个晶体管（1990年代至今）
今天，最先进的芯片上有数百亿个晶体管。苹果的M3 Ultra芯片有1340亿个晶体管，英伟达的B200有2080亿个晶体管。
从基尔比的5个晶体管，到今天的上千亿个，增长了200亿倍。
英特尔与微处理器 #
1968年，诺伊斯和戈登·摩尔离开仙童，创办了英特尔（Intel）。
1971年，英特尔推出了4004——世界上第一个商用微处理器。它是一块完整的CPU，集成在一片芯片上。
4004有2300个晶体管，时钟频率740kHz，可以执行4位运算。它的性能不如ENIAC，但体积只有ENIAC的百万分之一。
微处理器的诞生，让计算机从房间大小变成桌面大小，最终变成口袋大小。
芯片制造：人类最精密的工艺 #
芯片制造是世界上最精密的制造工艺。
光刻是核心步骤：用光把电路图案"印"在硅片上。
电路图案越小，芯片上的晶体管越多，性能越强。今天的先进芯片，晶体管之间的距离只有几纳米——相当于头发丝直径的万分之一。
为了制造这么小的图案，光刻机使用极紫外光（EUV），波长只有13.5纳米。一台EUV光刻机有一辆公交车那么大，造价超过1.5亿美元。
目前，只有荷兰的ASML公司能制造EUV光刻机。这是人类工业皇冠上的明珠。
集成电路的影响 #
集成电路改变了世界：
计算机：从房间大小变成桌面大小，再变成笔记本电脑、平板、手机。
通信：手机、基站、卫星，都依赖集成电路。
医疗：心脏起搏器、医学影像设备、基因测序仪。
交通：汽车电子系统、飞机控制系统、自动驾驶。
娱乐：游戏机、智能电视、VR设备。
基础设施：电网控制、金融系统、互联网。
今天，世界上几乎每个行业都依赖集成电路。没有芯片，现代生活将停止运转。
下一步：摩尔定律 #
集成电路的发展速度，可以用一条定律来描述。
1965年，戈登·摩尔观察到：集成电路上的晶体管数量，每18-24个月翻一番。
这个观察后来被称为摩尔定律。
它预测了计算机性能的指数级增长，指导了半导体行业几十年的发展。
摩尔定律的故事，我们明天继续。
今日知识点 #
集成电路（Integrated Circuit，IC） 把多个电子元件（晶体管、电阻、电容等）集成在一块半导体基片上的电路。也叫"芯片”。集成电路大大缩小了电子设备的体积，提高了可靠性和性能，降低了成本。
光刻（Photolithography） 芯片制造的核心工艺。用光把电路图案投影到涂有光刻胶的硅片上，然后用化学方法蚀刻出电路结构。光刻的精度决定了芯片上晶体管的大小和数量。
微处理器（Microprocessor） 将CPU的所有功能集成在一块芯片上。1971年英特尔推出4004，是世界上第一个商用微处理器。微处理器的诞生标志着计算机进入个人化时代。
思考题 #
- 集成电路让电子设备变得更小、更便宜、更可靠。你觉得这三个优势中，哪一个对普通人生活影响最大？
- 今天的芯片上有上千亿个晶体管。你能想象这么小的东西是怎么制造出来的吗？
明天预告：摩尔定律——英特尔创始人如何预测计算机性能的指数级增长？