“我们这款微处理器(CPU)是人类史上最具革命性的产物,我们才是这个时代的革命者,而不是那些在伯克利和其他地方留着长发闹事的学生。”
——戈登·摩尔,1972年在英特尔4004CPU产品发布会上的发言
从第一次工业革命以来,每过半个世纪,人类就会创造出一种改变人类生活的技术和与之相应的产品。这些技术创新中对这个世界影响最大的就是上世纪五十年代的半导体集成电路(Integrated Circuit,IC)。从1947年12月16日,晶体管诞生的那一年起一直到今天,我们的世界发生了巨大的变化,这些变化是如此之大,以至于当时的人们根本无法想象,由半导体集成电路发端的高科技在今天的重要性。1968年,仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor) 的研发部经理给出了一个有名的定律,该定律预言了半导体集成电路在后来的五十年内的发展,谁也不知道是因为这真就是半导体工业发展的规律呢?还是因为半导体工业尤其是英特尔公司在尽力按照这一定律在从事生产呢?但是,这一规律不但预言了半导体工艺的发展、芯片的规模、集成电路的复杂性,还预言了整个半导体工业的规模。这一定律就是有名的摩尔定律(Moore’s law),发现这一定律的人就是现代半导体工业的奠基人之一戈登·摩尔。摩尔定律对半导体工业的预言的准确性,超出了任何一个经济学家在任何一个工业领域里的预言。摩尔定律不是一条自然科学定律,它是一条融自然科学、技术、经济学、社会学等学科为一体的多学科、开放性的规律。尤其是摩尔定律的经济效益,使其成了英特尔公司的发展指针。摩尔定律应验了30多年,摩尔本人对此也惊讶不已:“摩尔定律告诉我们是什么时候电子产业会从谷底中走出来,什么时候会从制造者和消费者从价格波动中解放出来。”
戈登·摩尔于1934年1月3日,出生于美国加州旧金山。父亲没读过多少书,17岁就开始养家;母亲中学毕业;一家人的日子非常温馨和睦。摩尔11岁时,邻居小朋友得到了一份独特的圣诞礼物——一个化学装置。这让年幼的摩尔有机会接触到了化学。那套装置里面有许多化学试剂,可以制成许多稀奇古怪的东西,还能制造炸药,摩尔迷上了它,整天泡在邻居家里,研究这些东西。从那时起,摩尔就想成为一个化学家。在学校里,摩尔并不是很用功,但他很会学习。尽管他把大量的课外时间花在了钓鱼上,但他的成绩一直很好。高中毕业后,他进入了加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)的化学系。
1950年,摩尔毕业于加州大学伯克利分校化学系,此前他曾在加州圣荷西州立大学(San Jose State University) 读过两年;1954年,摩尔在加州理工(California Institute of Technology) 获得物理化学专业的博士学位;博士毕业后,摩尔来到了约翰·霍普金斯大学(John Hopkins University)的应用物理实验室做了两年博士后,研究方向是观察红外线吸收性状和火焰分光光度分析。不久该小组因两个上司的离去而名存实亡。此时,摩尔开始考虑自己的未来:“我开始计算自己发表的文章,结果是每个单词5美元,对基础研究来说这相当不错。但我不知道谁会读这些文章,政府能否从中获得相应的价值。”
1956年,摩尔接到晶体三极管发明人威廉·肖克利(William Shockley)的电话,邀请他加盟肖克利在北加州山景城(Mountain View)刚成立的肖克利半导体实验室(Shockley Semiconductor Lab)。肖克利不但发明了点接触和结型晶体三极管,给出了晶体管的基础理论,他还对晶体管和固体电子技术的未来有着无人能及的远见。当时的肖克利,预见到了固体电子技术的未来——一个全新的工业、一场电子革命、一次改变很多人命运的机遇。肖克利因此从东岸的贝尔实验室(Bell Labs) 回到了老家北加州创立了他自己的公司——肖克利半导体实验室。头戴晶体管之父桂冠的肖克利,不但有超人的学术水平,而且相当识人,当年在贝尔实验室就是,这次也不例外,他先想到的是贝尔实验室的同事,但他们深知肖克利的为人,都不愿意来。肖克利的眼光转向了名牌大学毕业生。
肖克利将招聘广告以代码形式登在学术期刊上,一般人看不懂。面试前,他要求应聘者测试智商及创造力,还要做心理评估,不过关的话,就不面试。他对参加半导体专业会议的发言人和论文作者都很在意,以便了解半导体业界的优秀人才。
公司开张之际,他先给当时在菲尔科(Philco)公司研发晶体管的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)发出了邀请,然后他就给摩尔去了电话。摩尔一心想回家乡工作,加上肖克利的大名,摩尔毫不犹豫地回到了北加州,成为肖克利公司的第二名员工。肖克利的做法很过分,但他挑选出的能进入肖克利实验室的人,无论是理论和实验物理学家、化学家、工程师,都是本行业精英。肖克利称他要建一条博士生产线,他做到了。肖克利为公司定下的发展方向也极有眼光,他要研发硅晶体管和杂质扩散技术。当时的晶体管,大多是耐热性及稳定性很差的锗管,只有德州仪器(Texas Instruments) 研制出了硅管,但很不成熟。肖克利认为他们会很快超过TI,只要能生产高质量、稳定的硅管,就能拿下市场。扩散掺杂比其它工艺生产的晶体管速度更快、性能更稳定。这两项技术后来成了半导体工业的基础工艺。
这些风华正茂的年轻人来到北加州,投奔肖克利是因为他们相信跟着“晶体管之父”,能干出一番事业。但事实正相反,正当公司上下一心朝肖克利预定的两个方向努力时,肖克利别出心裁地认为价格才是取胜的关键,他要求公司研制成本五美分以下的晶体管,来占领市场。这是不可能完成的目标,一直到一九八零年代,晶体管的价格才降到这个水平。这个不切实际的计划很快就流产了。肖克利没有回到过去的那两个可行的目标,而是不再理会硅管了,他要研制一款里程碑式的新产品——四层半导体材料构成的肖克利二极管。肖克利的经营目标一变再变,决策优柔寡断,以个人喜好而不是经营产品的角度去开展业务,公司成立一年多后,还拿不出一件产品。员工们对肖克利失望了。
1956年11月1日一早,肖克利接到了瑞典皇家科学院的通知,他和约翰·巴丁(John Bardeen)及瓦尔特·布莱顿(Walter Brattain)因发明晶体管,获得了1956年度的诺贝尔物理奖。第二天中午,肖克利公司的资深员工聚集在一起举办了一个香槟午餐会。这次早餐会,为肖克利和他公司员工留下了唯一的一张合影。
诺贝尔奖光环下的肖克利,是一位管理庸才。他对公司日常管理一无所知,又要对公司的所有事情发表意见,做决定。此外,肖克利疑心很大。除了他自己和他过去在贝尔实验室的同事们,他谁都不信。鲜花与掌声使肖克利极度膨胀。唯我独尊、傲慢专横的他容得半点不同意见。肖克利与贝克曼(Arnold Beckman)开会研究如何控制日益增长的科研成本时,他大发脾气说,如果贝克曼不喜欢自己的管理方式,就一拍两散。后来,摩尔说过真要是这样的话,走的只能是肖克利。更严重的是,当肖克利在贝尔实验室时,公司有长期计划和人力资源支持研究计划,但在肖克利半导体实验室,这些工作完全处于真空状态。
公司成立两年后,只推出了一种具有整流作用的晶体二极管,而不是有放大作用的晶体三极管。以摩尔为首的七个技术骨干:摩尔、金·霍尼(Jean Hoerni)、朱利亚斯·布兰克(Julius Blank)、尤金·克莱纳、杰·拉斯特(Jay Last)、谢尔顿·罗伯茨(Sheldon Roberts)和维克多·格林尼许(Victor Grinnich)开始酝酿离开了。
霍尼,瑞士人,剑桥和日内瓦大学的双博士。大学本科时,曾在美国呆过一个时期,一九五二年移民美国,加入肖克利公司之前在加州理工教书。霍尼是杰出的固体物理学家,他和诺伊斯一起发明的集成电路(IC)的平面制作技术,是IC量产的关键。布兰克与克莱纳是来自纽约的工程师,学历最低。布兰克只有学士学位,克莱纳硕士毕业,两人来自西方电气(Wetern Electric),是机械和工具设计专家,负责安装、测试及维护公司的所有设备。拉斯特最年轻,二十六岁,麻省理工(MIT) 的博士。拉斯特是一位实验好手,做出了第一个商品化的IC。格林尼许来自克罗地亚,二战时在美国海军服役。战后,格林尼许在斯坦福(Stanford University) 取得博士学位,是斯坦福的研究员。罗伯茨是冶金家,麻省理工博士,曾在海军实验室和陶氏化工工作,半导体材料专家。
1957年1月起,肖克利公司开始失去它最有价值的员工了。七个年轻人不愿意把生命中最富激情和创造力的青春浪费在肖克利公司。他们含蓄地向肖克利提过意见,但不起作用。1957年3月,克莱纳以去洛杉矶参加展览会为名回到纽约父母家,想找一个能雇得起他们团队的公司。1957年5月29日,摩尔带着几个人来到了洛杉矶和肖克利公司的母公司老板贝克曼讨论肖克利的问题。摩尔建议帮肖克利找一个教授职位,同时为公司找个职业经理人。贝克曼拒绝了,他相信肖克利能改,后来贝克曼非常后悔他的决定。但在贝尔实验室的人说肖克利比那个七人团队更重要时,事情就回到了原来的状态了。
1957年6月,贝克曼找了一位在肖克利和摩尔他们之间的职业经理人。但为时过晚,这些年轻人决定离开肖克利。当时的北加州,风险投资尚未成气候,他们有技术,但没处找钱。最后,克莱纳想起了负责他父亲企业银行业务的纽约海·登斯通投资银行(Hayden Stone & Co.),就给银行去了封信,附了份投资计划。计划书中除了提到他们曾在诺贝尔奖得主及晶体管发明人手下工作过,别无买点。克莱纳写道“我们是一个经验丰富、技能多样的团队。我们精通物理、化学、冶金、机械、电子领域。我们能在资金到位后三个月内开展半导体业务。”信寄出去之后,七个人忐忑地等待消息,同时劝说诺伊斯入伙。
诺伊斯是MIT博士。出生于传教士家庭的诺伊斯是天生的领袖。他学识渊博、为人友善、魅力十足。大学本科时,诺伊斯曾是美国中西部大学跳水冠军,业余演员。大学毕业时,诺伊斯得到过以最小努力取得最好成绩的奖励。诺伊斯是最早接触到晶体管的人,曾在费城的Philco 电器公司从事晶体管研发工作。一九五六年一月,诺伊斯接到来自北加州的一个长途。打电话的是肖克利,他请诺伊斯来北加州面试。肖克利一眼就看中了诺伊斯。很快,诺伊斯凭着他对晶体管丰富的实践经验,成了公司的技术权威。大家也很快就把他视为领头人了。诺伊斯后来回忆接到肖克利的电话时的心情说:“我当时觉的我接到了来自上帝的电话。”在专业和管理上,诺伊斯是公司里仅次于肖克利的人物。
摩尔等人没费多大劲,就说动了诺伊斯。诺伊斯崇拜肖克利,但肖克利的专横无理,多次否决了诺伊斯的合理建议。这些做法严重打击了诺伊斯们的积极性,导致了他们对肖克利心灰意冷,最后他们终于不得不另起炉灶,自立山头。
克莱纳的信是写给他父亲的账户管理人的,但那位管理人已辞职了。这封信便在海登·斯通办公室传阅,最后落在阿瑟·洛克(Arthur Rock )的案头。海登·斯通对半导体工业很关注,它的老板阿尔弗雷德·科伊尔(Alfred Coyle)和洛克敏锐地意识到了信中的机遇。洛克认为这些年轻人都是人才,计划也很吸引人。洛克认为,八个人组合在一起的最佳方案,是组建一家公司,开发半导体器件。于是,他俩飞到旧金山和八人帮进行谈判。
1957年夏,旧金山的克里夫特酒店(Clift Hotel)里,七位来自北加州的年轻人在此和两个来自纽约的投资银行家洛克和科伊尔商谈他们今后的工作事宜。七位年轻人,主要是克莱纳,此时怀着惴惴不安的心情描述着他们在肖克利半导体实验室所做的项目——用硅晶体和杂质扩散技术生产晶体管。他说,他们能在三个月内从无到有生产出晶体硅管。吸引两位银行家的并不是他们的技术,而是他们对半导体这一固态电子技术的信心和他们对该技术的深刻理解。洛克说:“你们别去想找公司雇你们了,就自己开一家公司吧。”两位银行家对他们各方面都很满意,只是担心,他们没有一个好的领头人。
叛逆八人帮
七个年轻人回家后,立马和诺伊斯联系上了。罗伯茨和诺伊斯聊到半夜,诺伊斯先是同意加入他们,然后又觉得还要对肖克利公司尽责,最后还是被罗伯茨打动了,决定入伙。他们商定第二天早上,连诺伊斯一起八个人再见一次纽约来的洛克和科伊尔。
第二天一早,罗伯茨挨家挨户到其他七个人家里把他们接了出来,塞进他的那辆面包车,一路赶到旧金山。洛克后来回忆到,诺伊斯没有给他带来惊喜,没让他觉得有什么特别。洛克说:“诺伊斯只是他们信服的人。”七个人后来说:“诺伊斯开始说话了,他是那么有说服力。于是,我们就不用说了。”洛克后来说:“当时,我觉得他们不错。但最重要的是我觉得,当时肖克利可以找美国任何一个人为他工作,但只选了他们几个,这比什么都有说服力。”面对两位决定他们未来的银行家,八个30岁左右的反叛者既紧张又兴奋。克莱纳接着诺伊斯说,他们计划用硅晶体和杂质扩散技术来制作晶体管,成功的话,将是一场工业革命。洛克和科伊尔被他们打动了,洛克掏出十张崭新的一美元钞票,往桌上一拍:“啥都别说了,干吧!”科伊尔环视着他们说:“协议没准备好,要入伙的,在这上面签个名!”八个年轻人和两个银行家在华盛顿的头像周围签上了大名,硅谷第一家由风险资本投资创业的半导体公司就这样诞生了。
新公司需要150万美元。洛克列出了30几家公司,挨家打电话,但没一家公司想投资晶体管。他们的理由是不想让公司的力量分散,也不想让公司其他部门的员工学着自己创业。这时,他们想起了仙童照相机与仪器公司(Fairchild Camera & Instrument )老板谢尔曼·菲尔柴尔德(Sherman Fairchild)。他父亲资助过老汤姆·沃森(Thomas Watson)创办IBM。做为继承人,菲尔柴尔德是IBM最大的股东,很有钱。菲尔柴尔德因发明飞机照相设备在二战中发了大财,还拥有很多专利,对半导体技术前景非常看好。菲尔柴尔德派了理查·霍奇逊(Richard Hodgeson)来和洛克谈判。几周谈下来,硅谷第一家由风险投资创办的半导体公司——仙童半导体公司,在北加州的帕拉·阿托成立了。
1957年9月18日,仙童半导体(Fairchild Semiconductor)公司成立,由仙童集团副总裁霍奇森分管。毕业于斯坦福的霍奇森一直在关注北加州电子工业的动向,对肖克利的“博士生产线”早有耳闻。经过深入考察及讨价还价,霍奇森与八人帮及两个投资人共同签署了创办仙童半导体的协议。
1957年9月18日,这个日子后来被纽约时报(New York Times)评为美国历史上最重要的十天之一。八个年轻人向肖克利辞职。肖克利没想到,这些年轻人不感恩戴德,反要辞职。肖克利大怒,称他们为“叛逆八人帮”(traitorous eight),在肖克利眼里,他们不只是辞职,也是学生背叛先生。加入公司前,除了诺伊斯有晶体管研发经验,其他人都是在他的指导下,才有今天。他们竟要自立门户,与自己对着干,真是忘恩负义。肖克利创造的“叛逆八人帮”一词,很快成了一个硅谷传奇、一个高科技传奇、一个美国传奇。这种叛逆精神成了硅谷的一种全新的创业精神,影响了几代硅谷人。
后来,人们以仙童半导体的创立为硅谷诞生的标志。是肖克利把硅带到了北加州,但是,创造出硅谷和硅谷特有文化的是仙童半导体。仙童创立不久,就成了世界上最大、最富创新精神和最令人振奋的半导体生产企业,同时为硅谷的企业文化奠定了基础。仙童是以风险投资方式创立的第一家硅谷高科技公司;仙童和TI一起发明了二十世纪最重要的电子技术——集成电路(Integrated Circuit IC); 仙童开启了高科技全球化的先例——离岸设厂;仙童是第一家向大部分员工发股票选择权的公司,此后,硅谷的年轻人不再以工资为报酬的首选了;仙童是第一家完全以技术创新为宗旨的高科技公司;仙童也是第一家被一再复制的公司。仙童为硅谷培育了无数的技术和管理人才,从仙童出走的工程师和技术员,在硅谷创立了几百家公司,这些公司被称为仙童的孩子们(Fairchildren),正是这些仙童的孩子们创造了硅谷传奇,创造了美国的高科技奇迹。
仙童半导体成立6个月后,就盈利了。一年后销售额达到50万美元,仙童成功地生产出了晶体硅管。二年后,仙童集团行使期权,回购了全部股份。八人帮每人得到25万美元。在当时的美国,这是一笔巨款。
摩尔、诺伊斯、和菲尔柴尔德
当时,IBM正在为美国空军设计导航计算机,但找不到合适的硅管。TI的硅管未能通过测试。仙童的销售经理汤姆·贝(Tom Bay) 识到了商机,他拉上霍奇森,找到菲尔柴尔德,请他帮忙。菲尔柴尔德毫不含糊,他对IBM总裁小沃森(Thomas Watson) 说:“我在这些人身上投了一百多万,我想你给他们个机会。”仙童于1958年2月拿到了第一份订单:IBM以每个150美元的价格,向仙童订购100个硅管。被肖克利压抑了两年的积极性与创造力迸发了出来,半年后,第一批双扩散NPN型硅管问世,100个硅管如期交到IBM手中。凭着业界唯一的双扩散硅管,仙童半导体开张了。虽然利润不多,但对于他们而言,意义非凡。在这批硅管的研制过程中,仙童发展出一套成熟的工艺,使其硅管质量走在了同行前面。同年8月,仙童带着他们的产品出现在西岸电子制造商协会会议上。首次亮相,仙童一鸣惊人,除了发表了数篇论文外,还公开展示了双扩散型硅管。成立一年多的仙童不仅在竞争惨烈的半导体行业站稳了脚跟,也确立了公司在行业内的领先地位。订单纷沓而至,1958年底,公司的销售额达50万元,员工增至100名。依靠技术创新,仙童成了硅谷成长最快的公司,人称“淘气孩子们创造的奇迹”。1960年代,仙童进入了它的黄金时期。1967年,公司营业额达2亿美元。
1965年摩尔在为仙童的发展做规划时,画了张草图:纵轴代表芯片上的晶体管数目,横轴为时间,结果是很有规律的几何增长。这是一个对后来芯片行业极为重要的定律。该定律以3页纸的篇幅发表在1965年第35期《电子》杂志上,这是对半导体工艺、设计的复杂性、甚至半导体工业规模的最准确的预测。摩尔预言,IC上的晶体管数目,将以指数形式增长,速度是每年翻一番,后来被修正为18个月,摩尔说在今后数十年内这种势头不会轻易改变。摩尔的预言,被后来IC的发展得以证明,直到今天仍然有效,因此被人誉为摩尔定律。摩尔定律的含义是:随着半导体产量和集成度的提高,成本会进一步的降低。在当时技术条件下,IC中集成的元件数量同单位成本成反比,如果IC过于复杂,超出了当时生产条件的允许,那么单位成本会不降反升。
摩尔后来说:“当时我在写一篇有关IC的文章,要旨是想说明用IC技术的电子产品更便宜。我在文章中描绘了IC复杂性的增长:一个芯片的容量会逐年递增。从60个元件扩展到64000个,每年翻番,而价格则是逐年递减,当时买一个分立元件的价格10年后可买一个芯片,这是一个长期推断。但事实比我想象的更好”。摩尔指出,IC工艺的进步使计算机性能保持几何级数增长。这种增长非常有规律。由于其可预见性和重要性因此被定义为摩尔定律:微处理器芯片的电路密度,及它潜在的运算能力,每年翻番。为了使这个描述更精确,1975年,根据英特尔另一位高层主管大卫·豪斯(David House)的建议,摩尔做了一些修正,翻番的时间从一年调整为两年。实际上,后来更准确的时间是两者的平均:18个月。
1975年,在IEEE组织的IEDM会议上,摩尔发布了题为《数字集成电子工业的进展》(《Progress In Digital Integrated Electronics》)一文,摩尔用事实印证了10年前的观点:自IC出现以来,IC的复杂程度每年翻番。实现某功能的成本随之下降,IC的性能和可靠性明显提升。摩尔在文章中根据过去16年中最复杂的芯片面积的变化作出曲线。从中可以发现,从1959年到1975年,IC的复杂程度增加了65000倍,而面积仅增大了20倍。也就是说,在这些年里,晶体管及相关电路在不断地缩小,1961年IC的线宽为25微米,而1975年的线宽只有5微米。摩尔认为,促进IC发展的因素正在减弱,为此他修正了未来10年的摩尔曲线。新曲线的斜率为每两年芯片的集成度提高一倍。根据该曲线,摩尔预计到1985年,芯片将会有几百万个晶体管。未来的10年内,芯片的成本将会持续下降,应用范围会越来越广。新曲线的斜率大致代表每两年半导体芯片的集成度增加一倍。“摩尔定律”对半导体工业的意义深远。今天,在回顾这几十年来芯片业的进展并展望未来时,专家们说,今后几年里,摩尔定律可能还会适用。但随IC上的晶体管渐渐接近性能极限,这一定律终将走到尽头。摩尔定律何时失效?专家们对此众说纷纭。
摩尔定律
从某种意义上来讲,摩尔定律只是英特尔的内部发展战略,它确立了英特尔不断致力于技术创新并且迅速产品化的方针,它是以规模降低成本,提高效益和竞争力的模式。但是,从整个半导体工业来看,摩尔定律是在倡导着半导体工业的整体的创新,它代表的是整个半导体工业的创新精神。
没多久,仙童就危机四起了。随着仙童半导体的壮大,母公司的管理人不断地把利润转移到东岸,支持总公司的盈利水平。仙童半导体的大批人才,因此纷纷出走自行创业。1968年,“八人帮”中的最后的两位诺伊斯和摩尔,也脱离仙童自立门户了。他们在北加州联合碳业公司的旧旧址上,成立了英特尔公司。公司最初的名字叫“诺伊斯——摩尔电子公司”。但是英文Noyce-Moore听起来就像noise more(更多噪音)很像,于是,两人决定采用诺伊斯女儿提议的“Integrated Electronics ——集成电子”的简称Intel作为公司名字。但律师查到有一家俄亥俄(Ohio)州的连锁酒店注册了Intel这个字号。摩尔和诺伊斯志在必得,他们用1万5千美元买下了Intel这一名字。接下来,诺伊斯与摩尔开始招兵买马。两人在仙童的业绩使他们具备了和当年肖克利一样的名声。最先加盟的是与诺伊斯、摩尔一起号称英特尔三驾马车的安迪·格鲁夫(Andy Grove)。格鲁夫在仙童是摩尔研发小组成员,对摩尔极为尊重。后来在英特尔的日子里,因为在管理理念上的不同,格鲁夫和诺伊斯经常发生冲突,摩尔在这种情形下,发挥了粘合剂的作用,使得英特尔的三驾马车带着英特尔成为业界的龙头老大。格鲁夫的加入,对于英特尔影响深远。在后来的日子里,是格鲁夫力挽狂澜,以壮士断臂的坚毅和勇气,带领英特尔走出困境,成为全球芯片业的巨人。
风华正茂的摩尔和诺伊斯
创业之初,他们为公司制定的发展方向是生产半导体存储器芯片,这是一个全新的市场。当时的半导体工艺主要是双极型晶体管和场效应管。这两项工艺都是仙童的长项,但是,用哪一种工艺生产半导体存储器芯片更好,他们并不知道。于是,他们同时开发这两种工艺。两个研发小组同时进行研发,1969年,双极型小组推出了64比特的储器芯片3101。第二年,场效应管小组推出了256比特的场效应管储器芯片1101,是为全球第一个大容量SRAM存储器。1970年,英特尔推出了可以量产,价格能与磁芯存储器竞争的动态随机存取器(DRAM)Intel 1103。这是一个里程碑,虽然容量只有 1Kbit,还有很多缺陷,它的上市,标志着半导体存储器时代的到来,从此磁芯存储器退出了市场。英特尔1103是当时最领先的存储器芯片,价廉物美、供不应求,它为PC时代的到来奠定了基础。
1971年,英特尔开发出了世界上第一个微处理器(CPU)4004,4004的第一个4是指这是4位CPU,后一个4是指这是英特尔制造的第4个专用芯片。4004只是Intel MCS-4系列的其中一块芯片,它需要与另外三块芯片协同工作,包括用于存储数据的4001(DRAM)、用于保存用户指令的4002(ROM)和用于处理I/O接口的4003(寄存器Register)。4004是最关键的中央处理器芯片(CPU),用户只需改变4002中的指令,就可以让4004实现不同功能。4004采用的是10微米的工艺,有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。这是一款划时代的产品。作为历史上第一款CPU,它为电子计算机的发展掀开了崭新的一页。
英特尔推出4004时,摩尔用少有的夸张口气说到:“这是人类史上最具革命性的产物,我们才是这个时代的革命者,而不是那些在伯克利和其他地方留着长发闹事的学生。”摩尔说的不错,正是这一款单一芯片上的计算机,改变了人们的生活方式,引领了第三次工业革命。而肖克利、诺伊斯、基尔比、摩尔才是真正意义上的革命者。
诺伊斯、摩尔和格鲁夫
1972年,英特尔推出4004的下一个版本8008,这是一款八位的CPU。
1974年,8080问世。英特尔意识到CPU应用前景是无限的。8080首次使用了MOS技术,8080是有史以来最成功的CPU之一,也是第一个真正的通用微处理器,是20世纪后25年里的一项最具划时代意义的发明。它的功能是8008的十倍,每秒能执行29万条指令,有64位的可设定地址存储器,售价360美元。英特尔芯片的销量因此扶摇直上。8080真正地推动了微机市场,也成了工业标准,英特尔占领了80%的微机市场。一段时间里,英特尔用8080作为其电话的最后四位。
1978年,8086问世。
1982年,16位的80286问世。IBM进入PC市场,微软和IBM签订协议,为IBM-PC提供DOS操作系统。很快,IBM和微软联手把苹果挤出了PC市场。
1985年,32位的80386问世。康柏(Compaq)于1986年制造出了第一台386PC,从此,任何人只要能设计主板就能生产PC了。PC产业开始由英特尔和微软联手主宰。
1980年代末,英特尔在技术领域里受到了一次严峻的考验。那就是RISC指令集的挑战。1980年代中期,斯坦福大学的翰尼斯(John Hennessy) 教授和加州大学伯克利分校的彼特森(David Patterson)教授,提出了基于RISC指令集的CPU设计理念。这是一种简化的CPU指令集,它的好处是利于CPU的优化设计。因为这两位教授的教科书是美国电机系的通用教科书,一时间整个计算机设计行业都认为基于RISC指令集的CPU优于基于CISC指令集的CPU。这对以CISC指令集为主要设计理念的英特尔是一个极大的冲击和考验。英特尔首先于1988年推出了RISC指令集的CPU80960,但是用户反映不佳。稍后的1989年,英特尔又推出了RISC指令集的CPU80860,但是用户反映还是不好,主要是系统和软件的兼容问题。于是,英特尔决定,以用户要求为设计主旨,坚持设计高端的CISC指令集CPU。
工作中的摩尔
1989年,32位的80486问世。芯片上的晶体管数目到了一百二十万,时钟频率为50兆赫兹,线宽0.8微米。486其实只是在386上加了一个CPU的内部缓存(cache)。当时人们对此并不太在意,但此举在一九九零年代里,为英特尔的CISC指令集打败RISC指令集做了铺垫。
1993年,靠486,英特尔超过了日本的NEC,成为世界上最大的半导体公司。从1985年,英特尔放弃储存器起,英特尔花了八年时间再次站在了半导体工业的顶端。
早在1990年初,英特尔就从486的设计小组里抽调出了一些人,着手从事P5也就是奔腾芯片的设计。P5必须和486完全兼容。但此时最重要的是如何使CISC指令集的CPU具有RISC指令集CPU的功能。英特尔在以色列的工程师尤里·维塞对此下了很大功夫,他把超量化(Superscalar) 概念用到了CISC指令集的CPU上。就是用多个执行单元,在一个时钟周期内执行多个指令,而不是像RISC一个时钟周期只执行一个指令。也就是说在CPU指令的层次上实现并行化。超量化的概念最早由技术机天才克雷(Seymour Cray)提出,他在1968年设计的CDC6600上使用过。
维塞带领一个小组先在计算机上进行模拟,结果非常令人满意。维塞发现CPU指令集和实现它的微电路,可以是完全独立的。在一个时钟周期内完全可以在多个执行单元上同时执行多个CISC指令集。模拟结果说明:只要在设计上稍加改进,英特尔现有的CISC指令集CPU完全可以胜过RISC指令集的CPU。在英特尔进行此类研发的同时,升阳公司也在做RISC的超量化研发。升阳比英特尔先一步做出了他们的CPU,但当时升阳的CPU无法让用户马上使用。同时,升阳CPU的时钟频率一直无法超过50兆赫,英特尔为此大大加快了研发速度,终于在1993年完成了32位的超量化CISC指令集CPU——奔腾。
1993年,32位奔腾芯片问世。芯片上的晶体管数目到了三百二十万,时钟频率为75兆赫兹,线宽0.6微米。奔腾非常受PC厂商的欢迎,因为以前PC上的软件在奔腾CPU上完全兼容。PC的速度加快了,但软件照样能用,这对PC制造商和终端用户都是好事。从此,英特尔的CPU不但是市场上的主流,也在技术上成了领先产品。
2000年,32位奔腾-4问世。芯片上的晶体管数目到了四千二百万,时钟频率为1.5千兆赫兹,线宽0.18微米。
在奔腾升级的同时,英特尔开始了第六代CPU的设计。此时的英特尔已经有能力从事全新的CISC指令集CPU的研发了。为了更好地满足终端用户即软件工程师的要求,英特尔在设计CPU时,发明了动态执行技术。这一技术结合了三个数据处理技术:多通道预期、数据流分析、关联执行。该技术和传统的循序执行指令的技术不同,执行一个指令无需等到前一个指令的完成。从CPU的指令执行上做到了按软件优化。这一技术使得软件得以更有效地执行。同时,英特尔还引进了双重独立主线的设计理念,使CPU能充分发挥其多核功能。这两种全新的设计理念使得英特尔的CISC指令集CPU全面超出了RISC指令集CPU的功能。
2001年,英特尔第一款64位CPU问世。该芯片使用了新的指令集和动态执行技术及双重独立主线设计理念,芯片的时钟频率为800兆赫,2兆的cache。翰尼斯教授和彼得森教授把英特尔全新的指令集写进了他们新版教材。此后,各个计算机工作站厂商也开始大量使用英特尔的CPU。英特尔以技术领先的CPU全面占领了CPU市场。
2005年,64位的奔腾-D问世。芯片上的晶体管数目到了二亿三千万,时钟频率为2.66千兆赫兹,线宽90纳米。1纳米为10A,一个氧化硅分子的大小为4.2A。
2006年,Intel的多核处理器技术问世,伺服器和工作站开始广泛采用这一芯片。苹果的笔记本电脑和台式机也开始采用该芯片了。芯片上的晶体管数目到了二亿三千万,时钟频率为3千兆赫,线宽65纳米。
自信满满的摩尔
2006年底,英特尔最新芯片上的晶体管数目到了八亿二千万,时钟频率为3.3千兆赫,线宽45纳米。
2011年,i7问世,芯片上的晶体管数目到了二十二亿七千万,时钟频率为4千兆赫,线宽32纳米,功耗130W。
2012年,i7-3700K问世,芯片采用了最新的fin-fet技术,时钟频率为4千兆赫,线宽22纳米,功耗仅45W。
现在,计算机的硬件功能和内存已经极为强大,就连硬盘都已改用闪存技术了,即固体电子硬盘。PC的速度已远远超出了当年摩尔和“八人帮”的想象。但是,让人惊讶的是,这一切基本上是一直沿着摩尔定律走过来的。
为什么摩尔定律会如此精准地预言芯片产业的走向呢?这和芯片产业的特性是分不开的。芯片上的晶体管尺寸的减小有两个效益:一是提升了芯片功能、降低了成本;二是利于设计。于是,为了更好地提高竞争能力,芯片产业必须不停地改进工艺减小晶体管的尺寸。那为什么一代新技术要18个月到两年的时间来完成呢?那是因为一代新技术的研发要有几个步骤:先要用三个月的时间制定规格选择工艺;然后需要一年到一年半的时间开发工艺、完成设计;最后需要三个月的时间使其能量产。如果产品是公司独占的高端产品,那么可能需要两年时间。如果产品有很多竞争对手,那么这一过程必须在一年半之内完成,否则的话你的技术优势很快就会丧失,紧接着市场也会跟着丧失。
摩尔和诺伊斯
摩尔定律对整个半导体工业也非常重要:首先,它预测了半导体技术的进展、产品的复杂性。于是,竞争对手之间在工艺上几乎没有秘密,而设计和市场则成了重点。第二,在产品定价和升级上,它给出了一个方向。芯片产业市场规模的成长速度远高于价格下跌,而扩大市场带来的收益足以保证新技术和新产品的开发,新产品进一步推动了新市场,形成了一个良性循环。第三,是量产。因为芯片技术的特殊性,把晶体管做的越小、晶圆做的越大,芯片的质量和可靠性就越好。于是,业内的各个公司必须不断地提高其工艺水平,以创新来取胜。
摩尔定律的另一个重要意义是产品的自我淘汰,任何芯片在按摩尔定律发展的同时,也是对自己的否定和淘汰。生产工艺每一年半到两年更新一次,意味着产品也必须在这一时间段里更新换代。这就使产品的性能和功能也要能跟上生产工艺的进步,同时还要考虑到用户的兼容性。说到底终端用户才是真正的胜者。
摩尔定律对软件产业也有一定的影响。之前,因为大型机主导计算机行业,计算机的使用率很低。软件一般是为某种型号的计算机而编写的。因此,价钱很高。到了PC时代,计算机已大大地普及,当硬件在按摩尔定律发展时,其影响已进入到软件行业。这一点上英特尔和微软的联合就是一个绝佳的例子。以微软的Windows 3.0为例。最初的康柏在它的386机器上就装了Windows 3.0,但是效果不佳。英特尔的486出现,Windows 3.0 不需任何改动就在其上运行,并充分发挥作用。此后,软件公司可以在摩尔定律的指导下,设计自己的软件架构,来充分发挥硬件的特长,以此来获得市场先手。于是,当英特尔的CPU中加入了多媒体技术MMX后,微软就很快跟进了。于是,微软再次先于其他软件公司占领市场。
在制造CPU的同时,英特尔也造就了一个全新的产业。在摩尔的领导下,英特尔除了制造CPU之外,还提供了一个完整的产品系统给用户。这包括周边芯片、开发系统和技术支持。英特尔将产品介绍给用户的所有相关人员:高级管理人员、系统工程师、和采购经理。英特尔还将公司的长期开发计划与用户结合,于是英特尔和微软创造了一个全新的巨型产业——PC产业。
英特尔刚成立时,摩尔是执行副总裁。1979年,摩尔任英特尔总裁和首席执行官。与诺伊斯相比,摩尔更擅长的是管理不是领导。摩尔必须同时从商人、工程师和科学家的角度来决策。在确定投资一项新技术一个新市场时,有时很难选择。摩尔认为,最糟的是不做任何选择,决策难以制定,说明选择间的差别很小。摩尔说“既然选哪一个都差不多,你完全可以用抛硬币的方法来决定。这是最简单的方法。”
二位老友:摩尔和格鲁夫
1985年,摩尔与格鲁夫有过一次著名的谈话。当时,49岁的英特尔总裁格鲁夫在办公室里与董事长摩尔讨论公司的困境,那时的英特尔是一个年销售额为16亿美元的半导体存储器公司,在廉价的日本半导体存储器产品攻势下,公司前景不妙。格鲁夫问:“如果我们下台,另选新总裁,你认为他会采取什么行动?” 摩尔想了一下说:“放弃存储器。” 格鲁夫望着摩尔说:“那我们现在就放弃!”
不久,英特尔完全放弃了存储器的生产,而将微处理器确立为新的战略重点。这一举动使标有英特尔字样的CPU装进了世界80%以上的PC。
1989年,摩尔从总裁和首席执行官的位置上退了下来。1997年,摩尔成为英特尔董事会的名誉主席。作为公司董事会的名誉主席,他每周都工作,他的影响力无处不在。
1990年,摩尔被布什总统授予国家技术奖。2001年,摩尔退出了英特尔董事会。
摩尔说过:“高科技的飞快进步,创造了一个疯狂的商业环境。如果没有创新,不能降低价格,那么你的对手很快就会把你吃掉。”摩尔对现在的集成电路技术信心十足:“我是一位化学家,我不认为现在的技术会被淘汰。但我也有可能错,可能过于局限于自己的技术。”摩尔这样说过:“我们要为芯片寻找一种基质,为此我们考察了地球的基质。它就是沙粒,于是我们使用了沙粒。我们需要为芯片上的线路和器件寻找一种金属导体。我们考察了地球上的所有金属,发现铝是最丰富的,所以我们使用了铝。”
摩尔和贝蒂
摩尔是英特尔的心脏。在硅谷,尤其是在英特尔,摩尔是最令人敬佩的公司创始人之一,也是最受人尊敬的科学家。在成就英特尔的同时,摩尔也为自己挣得了巨额财富,很长一段时间内,摩尔一直是加州首富,一位安详的亿万富翁。
摩尔和他钓的大鱼
摩尔不喜欢在公共场合露面,他的最爱是在旧金山湾区钓鱼,在海上驾船漫游。摩尔喜欢大自然,还因此激发了他对保护自然资源的兴趣。2000年,摩尔和妻子贝蒂一起捐款50亿美元发起成立了“戈登·摩尔与贝蒂·摩尔基金会”,是为美国最大的慈善基金会之一。2005年,《商业周刊》发布的2005年美国50位最慷慨慈善家排行中,摩尔夫妇在2001年至2005年期间共捐款70.46亿美元,比尔·盖茨夫妇在该期间内捐款为54.58亿美元。摩尔夫妇是美国最大的慈善家。
如今,摩尔对保护自然资源的兴趣大于一切。他的基金会主要用于环境保护及科学和高等教育上。他和妻子说,“我们比政府更会花钱。”摩尔基金会每年的预算达二千万美元。
2001年,摩尔和妻子向加州理工捐赠了六亿美元,这是至今为止向高校单笔捐赠的最大数目。摩尔希望加州理工能够保持研究和技术上的优势。从1994年至2000年摩尔任加州理工的理事会主席,他现在仍为该校理事。剑桥大学数学中心图书馆以及加州理工学院的摩尔实验室是以他和他的妻子命名的。
今天,这位身价超过54亿美元的老人表示,要在余生中将自己的财富发挥出最大的作用。