Category Archives: 電的旅程

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜晶片上的電腦 ( 5 )＞……續上

        4004雖然成功了，但因長期的延誤，Busicom要用在新產品上已太遲。雖然英特爾最後生產了六萬枚4004，但Busicom的產品在市場上不成功。由於這個項目的經費是由Busicom支付的，所以他們擁有晶片設計的智慧財產權。英特爾對這個電腦微處理器的價值，在當時還沒有深刻的認識，但也知道對公司前途可能有影響。

        趁著Busicom在生意上處於困境時，諾宜斯去了一次日本，用六萬美元就買回了這個設計權利。有了智慧財產權後，費金極力主張把4004當產品來賣，但公司決策階層對這個產品的前途仍沒有充分信心，也擔心分散了公司集中發展晶片記憶體的基本策略。不過最後，在新來的行銷副總裁極力推薦下，決定一試。理由是希望用這個產品來帶動銷售更多的記憶體晶片！…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜晶片上的電腦 ( 4 )＞……續上

        費金執管之後，全力以赴。赫夫當初只有一些系統性結構的概念，詳細的設計還沒有開始。後來的發展都是費金和他很小的團隊，包括Busicom的技術人員，一起艱苦奮鬥而來的。他們日以繼夜的工作，樣樣事都從最細小的關節做起，直到完美為止。這枚晶片在1971年完成，冠名「4004」，是世界上第一枚晶片上的電腦，或稱「微處理器」（microprocessor）。4004上有約2,300枚電晶體，耗電1.2瓦特。計算的能力和速度，與1946年的ENIAC電腦相若！還記得嗎？ENIAC重30噸，耗電130千瓦！電子工業在這二十五年中，因為電晶體及晶片技術的飛躍發展，對各種應用產生了巨大的衝擊，從ENIAC到4004晶片就是最貼切的寫照。其實4004還只是一個開端，現代微處理器晶片上有幾十億枚電晶體，所含的電腦功能是ENIAC時代的電腦專家無法想像的。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜晶片上的電腦 ( 3 )＞……續上

        隨著時間的過去，英特爾對這個計畫的興趣不斷減退。Busicom沒有其他辦法，只好冒險同意一試。當時赫夫還有很多其他產品發展項目在身，自己可以花在這個計畫上的時間不多，所以進展很慢。Busicom產品計畫受到嚴重拖延，日方焦急無比，不斷施壓給英特爾管理階層。但是要有效的執行這樣一個計畫，最需要的是一流設計人才，並且必須能獨當一面，可是當時英特爾並沒有理想的人選。

        就在這時，人還在快捷半導體的義大利籍工程師費金，決定跳槽到英特爾。費金在技術上的優秀在業界夙負盛名，但他的難以合作、獨斷獨行也是出了名的。費金到了英特爾後，對這個公司業務主流外的項目很有興趣，英特爾管理階層當然也非常樂意由費金來執行這個計畫，一方面可以減少日本客戶的壓力，另一方面費金獨立執行，不必擔心和其他人可能引起衝突。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜晶片上的電腦 ( 2 )＞……續上

        Busicom是日本一家中型桌上計算機公司，本名叫日本計算機公司，Busicom是品牌名稱。在1969年他們找上了英特爾，希望英特爾能幫他們詳細設計並生產一組CMOS晶片，用在新一代的掌上型產品，以便和德儀競爭。Busicom初步設計一共要用12枚不同的晶片。其實在Busicom的背後，有日本新興電子公司Sharp的支持。Sharp早期已和美國的洛克威爾公司有了合約，不便直接和英特爾接觸，所以就通過Busicom來間接進行這個計畫。在設計及經費方面，Sharp都在幕後深切介入。英特爾當時還在創業階段，全副精力都在發展記憶體晶片業務上，對這些「代工設計」的服務型生意興趣不大。不過，這些生意對公司日常營運上需要的現金流是很有助益的，所以最後還是決定接了這筆生意，並派資深設計師赫夫（Ted Hoff）負責。

        赫夫看了Busicom的設計後，向日方提出了一個新想法。他提議把12枚晶片組合減少到4片，其中一枚核心的晶片基本上就是一架微型的電腦，把邏輯、運算及少量高速記憶體功能結合在一起。計算機上各種不同功用，可由外界輸入的軟體來控制。他初步估計，用當時英特爾的晶片生產技術水平，有能力製造出這枚「晶片上的電腦」。由於這個想法太新，風險很高，日方猶豫不決，不能作出決定。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜晶片上的電腦 ( 1 )＞

        德州儀器的海格提在1954年發展了電晶體口袋型收音機，想把德儀帶進巨大的消費電子終端市場，結果不算成功。他在1968年又捲土重來，這次目標是用晶片製成的小型掌上型計算機，來取代用電晶體製成的桌上型計算機。這個計畫的技術由德儀王牌工程師基爾比負責。產品推出後得到一片好評，同時震撼了全世界生產桌上型計算機的廠商，大家急著找應對之策。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜晶片記憶體 ( 4 )＞……續上

        電腦對高速記憶體的需求量是無盡無窮的，有了更多記憶容量，就可以發展出性能更高的電腦，產生更多及更好的應用。英特爾在隨後幾年的高速成長過程中，陸續推出了一系列的記憶體晶片，從開始時的1K增加到了256K，甚至開始設計100萬位元（1M）的晶片。到今天，一枚DRAM晶片已可超過百億位元的容量（Giga Byte，或GB）。

        除了DRAM外，電腦還需要很多其他專門性的晶片記憶體，如SRAM、flash、EPROM、EEPROM等，其中flash（快閃記憶晶片）的應用在近年更趨重要。我們日常用在數位相機或MP3中小小的一片記憶體，用的就是這個技術，基本原理在1967年，貝爾實驗室的韓裔科學家江大原（Dawon Kahng）及華裔科學家施敏（S. M. Sze）就已提出。全世界的快閃記憶體在2009年共賣出了150億枚，銷量仍在每年高速增長。…… (完)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜晶片記憶體 ( 3 )＞……續上

        用晶片來做記憶體，比磁心技術優越得多，體積小、耗電低、速度快、成本低。在1960年代末期，快捷、德儀、IBM等公司都開始發展晶片記憶體技術。由於電腦是用二進制，記憶體的儲存量都是「2」的指數，即是2、4、8、16、32、64、128等，在1968年，每個晶片含有128及256位元記憶素的示範品，已成功製成。諾宜斯及摩爾認為時機已到，在1968年離開快捷半導體，設立英特爾，專門集中力量發展晶片記憶體產品，第二年就推出了1,024位元（1K）容量的DRAM晶片，領先群倫。王安的磁心技術很快從舞台上消失，被晶片徹底淘汰。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜晶片記憶體 ( 2 )＞……續上

        除了邏輯及計算部分外，電腦的結構中還有一部分是非常適宜由晶片來做的，那就是高速的記憶體。這些記憶體運算時和邏輯部分互動，存入及輸出的速度必須很快。在1960年代初，這些快速記憶體都用美籍華人工程師王安發明的磁心（magnetic core）技術。王安也充分把握了這個機會，創立了王安電腦公司（Wang Lab）。

        IBM的工程師鄧納德（Robert Dennard）在1967年設計了用電晶體及電容組成的記憶體電路，每一個可儲存1或0的電路，只需用一枚電晶體及晶片上一枚很小的電容器。這種記憶體名為DRAM（dynamic random access memory），中文意思是「動態隨機存取記憶體」。阿塔那索夫在1939年就在他的計算機上，用真空三極管電路示範了基本概念。這些記憶體在電腦中需求量非常大。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜晶片記憶體 ( 1 )＞

        摩爾定律五十年來一直驅動著晶片技術的進步。在今天，每塊晶片上已可容納幾十億枚CMOS電晶體。元件尺寸大小的控制已進入奈米（10億分之一公尺）境界。

        晶片上這麼多電晶體用來做什麼？早期的晶片極大部分應用在電腦的邏輯和計算部分。漸漸的，更多邏輯功能可以集積到一個晶片上去，使得電腦體積減小、性能增強、可靠度提高，同時價錢反而降低。設計電腦硬體的工程師，在這個過程中對於應用晶片更熟悉了，也更有信心。到了1960年代晚期，很多商業電腦已大規模採用晶片，不再用單獨的電晶體。電腦和晶片工業兩者之間，存在著獨特的互生關係。由於晶片功能的增加，使得電腦的性能及市場不斷發展，而電腦工業的發展，也為晶片帶來無限商機。IBM等有前瞻性的電腦公司，在1950年代初已經開始投資內部對晶片的研究。…… (待續)

「第十六章：晶片技術的飛躍」

        ＜摩爾定律 ( 4 )＞……續上

        其實這並非定律，而是一個理性和具有前瞻性的晶片工業發展「路徑圖」。摩爾曾謙虛的說，當時這篇文章有做廣告的味道，他要說服客戶，表明快捷半導體的產品隨著時間會愈來愈先進。五十年來，全世界千千萬萬的技術人才就沿著摩爾定律的目標，埋頭苦幹，攀登高峰。

        開始的時候，主要技術挑戰是光刻的解析度，後來，每一步驟都需增加控制的精確性。「氣態擴散」（gas phase diffusion）技術走到了極限，新的「離子植入」（ion implantation）技術就取而代之；用液態酸來蝕刻矽及二氧化矽的精確度到頂了，新的「電漿助長乾蝕」（plasma-assisted dry etch）技術又應運而生。每一種新技術的發展及快速應用，都是了不得的事。可貴的是所有技術都整合在一起，組成一股巨大的力量，推動著晶片技術沿著摩爾定律向前發展。在1961年，諾宜斯設計的第一個正反器晶片上有3枚電晶體，到了今天，同樣大小的晶片上可容納超過30億枚電晶體。在五十年不到的時間裡，增加了10億倍，而晶片基本的價格卻沒有增加！

        這個技術的進步是過去四十年中，世界經濟成長及人類生產效率大幅提高的重要原動力之一。大家可以反思一下，在購買電子產品時，我們知道再過一年半載，同樣產品一定會更便宜，性能會更優越，這就是摩爾定律在發揮作用了。…… (完)