半導體產(chǎn)業(yè)霸主：美國集成電路是怎樣煉成的？

早期，電子技術是國家戰(zhàn)略資源，它的發(fā)展與軍事需求緊密相關。第一次世界大戰(zhàn)之后，無線通信的廣泛應用，作戰(zhàn)雙方需要對己方通信信息進行加密并截獲破解敵方的信息，最開始使用的是繼電器計算機，Z3計算機和馬克系列計算就屬于繼電器計算機。第二次世界大戰(zhàn)期間彈道火力表的計算需求，催生了第一臺通用計算機。嚴格的軍事應用促進了微電子技術的發(fā)展，當晶體管誕生后，美國軍方是研發(fā)生產(chǎn)的主要資助者和標準制定者，而且早期的晶體管、集成電路產(chǎn)品主要被用于軍事領域。

1943年7月，美國陸軍資助了一個項目，研制新式計算機即電子數(shù)字計算機，機器定名為“電子數(shù)字積分機和計算機”（簡稱：ENIAC），ENIAC以代號“PX項目”秘密進行。該項目由約翰·馮·諾伊曼擔任項目顧問，他提出了包括運算器、控制器、存儲器、輸入、輸出的“馮·諾伊曼結構”，大大促進了電子技術和計算機的發(fā)展。1946年2月，ENIAC計算機成功研制，性能極為優(yōu)越，微分機計算60秒射程彈道軌跡需要20小時，而它僅需30秒。

1947年，貝爾實驗室的肖克利、布拉頓、巴丁發(fā)明了晶體管，用晶體管代替電子管制造是電子產(chǎn)品的重大突破。在貝爾實驗室發(fā)明晶體管之后，美國軍方一直資助這項技術的發(fā)展。從1948年到1957年，軍方承擔了貝爾實驗室晶體管研究費用22.3百萬美元中的38%。尤其在50年代中期，軍方對貝爾實驗室的資助一度達到晶體管研究經(jīng)費的50%。貝爾實驗室和軍方第一個合同從1949年到1951年，主要聚焦應用和電路研究；第二個合同則從1951年至1958年，主要開展軍方感興趣的服務、設施和材料研究。

軍事對電子技術的需求，使得美國電子公司受益匪淺，它們的發(fā)展也是與美國軍方密切相關。這里我們可以以部分企業(yè)舉例說明，如 IBM進入計算機領域后，主要客戶是弗吉尼亞州達爾格倫（Dahlgren）的海軍水面武器中心。IBM也因為參與了一個重要的軍事項目——“半自動地面環(huán)境探測系統(tǒng)”（簡稱：SAGE），奠定了它在計算機領域的領導地位。IBM 704和IBM 709也成為了行業(yè)標準，其中IBM 704所用的構想本來是為另一個軍方合同設計的。再如AT&T公司， AT&T公司的貝爾實驗室于1954年為美國空軍建造第一臺全晶體管計算機TRADIC (晶體管數(shù)字計算機)，但是AT&T公司被禁止從事商用計算機業(yè)務。再如達爾馬制造公司，很多人對它可能并不熟知，它在第二次世界大戰(zhàn)期間研制出了第一臺機載雷達天線。

截至1956年，美國的電子設備銷售額超過了30億美元，其中一半來自軍方的采購。1961年與1962年，美國空軍先后在計算機及民兵導彈中使用硅晶片，這些項目促使集成電路首次在軍事市場占得一席之地。

從電子管到晶體管時代，美國起源，建立了先發(fā)優(yōu)勢

托馬斯·阿爾瓦·愛迪生，眾所周知的美國發(fā)明家。1883年，愛迪生為尋找電燈泡最佳燈絲材料，曾做過一個小小的實驗。他在真空電燈泡內(nèi)部碳絲附近安裝了一小截銅絲，希望銅絲能阻止碳絲蒸發(fā)，但是他失敗了，他無意中發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：金屬片雖然沒有與燈絲接觸，但如果在它們之間加上電壓，燈絲就會產(chǎn)生一股電流，射向附近的金屬片。當時愛迪生正潛心研究城市電力系統(tǒng)，沒重視這個現(xiàn)象。但他為這一發(fā)現(xiàn)申請了專利，并命名為“愛迪生效應”。

1904年，弗萊明利用愛迪生效應研制出第一個二極管（Diode)，并獲得了專利，這個二極管可以用來做無線電電報的檢波器。1906年，德·福雷斯特在二極管的燈絲之間巧妙加了一個柵板，發(fā)明了第一個真空電子三極管，用于檢波放大。1912年，美國通用電氣公司和美國電話電報公司合作研制出了高真空電子三極管，使得三極管的放大倍數(shù)大幅提高，工作性能更加穩(wěn)定，從而電子管進入了實用階段，進而衍生出了廣播、電視、計算機等行業(yè)，是今天電子產(chǎn)品的奠基石。

如上文所述，軍方極大促進了電子技術的發(fā)展。正是利用了上述的電子管技術，第一臺電子計算機 ENIAC誕生了，采用了17468個電子三極管、7200個電子二極管，重達30噸。

ENIAC的研制也暴露了電子管的問題：傻大笨粗。為此，美國貝爾實驗室成立了一個固體物理研究小組，試圖制造一種能替代電子管的半導體器件。貝爾實驗室對半導體材料進行了研究，發(fā)現(xiàn)摻雜的半導體整流性能比電子管好，決定集中研究硅、鍺等半導體材料，探討用半導體材料制作放大器件的可能性。1947年12月，以肖克萊為首的半導體研究小組實驗發(fā)現(xiàn)，在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細針并通上電流，然后讓另一根細針盡量靠近它，并通上微弱的電流，這樣就會使原來的電流產(chǎn)生很大的變化。微弱電流少量的變化，會對另外的電流產(chǎn)生很大的影響，這就是“放大”作用。在首次試驗時，它能把音頻信號放大100倍。這樣，第一個晶體管誕生了。

從20 世紀50 年代起，晶體管開始逐漸替代真空電子管，并最終實現(xiàn)了集成電路和微處理器的大批量生產(chǎn)。1954 年，貝爾實驗室開發(fā)了第一臺晶體管化的計算機TRADIC，使用了大約700個晶體管和1萬個鍺二極管，每秒鐘可以執(zhí)行100萬次邏輯操作，功率僅為100瓦。1955 年，IBM公司開發(fā)了包含2000個晶體管的商用計算機。

Fairchild：集成電路時代，仙童半導體打造了大半個半導體產(chǎn)業(yè)圈，開創(chuàng)了半導體黃金時代

晶體管替換電子管，減少了體積，但是隨著晶體管越堆越多，新的問題又出現(xiàn)了：電路中器件和連線也越來越多，電路的布線和響應都遇到了瓶頸。更高集成度的想法也應運而生，1958年，德州儀器的基爾比研制出世界上第一塊集成電路，并于1959年2月申請了小型化的電子電路專利。這塊集成電路由包括鍺晶體管在內(nèi)的五個元器件集成在一起，基于鍺材料制作了一個叫做相移振蕩器的簡易集成電路。

與此同時，仙童半導體諾伊斯也在1959年研制出一種利用二氧化硅屏蔽的擴散技術和PN結隔離技術，基于硅平面工藝發(fā)明了世界第一塊硅集成電路，并在1959年提交了集成電路的專利申請書，但是強調(diào)了仙童的集成電路是使用平面工藝來制造的。

此后，仙童半導體開發(fā)出運算放大器、實用模擬集成電路、互補性金屬氧化物半導體集成電路等無數(shù)個集成電路的重要產(chǎn)品，推動了集成電路產(chǎn)業(yè)向前快速發(fā)展。

技術的成功并不意味企業(yè)就能勇往直前，仙童半導體在商業(yè)上并不出色。在諾伊斯的松散管理下，核心成員陸續(xù)離去，競爭者很快追趕了上來。1967年，仙童半導體公布了它的第一次虧損，760萬美元的虧損導致股票從一年前的3美元每股下滑至0.5美元，市值大幅縮水。靈魂人物的離去似乎奠定了仙童半導體沒落的命運，到了1979年，仙童半導體被法國一家石油企業(yè)斯倫貝謝（Schlumberger）公司收購。

1987年，斯倫貝謝（Schlumberger）又以原價的三分之一將仙童半導體轉賣給另一家美國國民半導體公司（NSC）。1997年，NSC為了與英特爾和AMD一較高下，將仙童半導體以5.5億美元的價格出售，并利用這筆資金買下了全球第三大微處理器制造商Cyrix，作為與英特爾競爭的籌碼。

在1997年到1999年間，仙童半導體開始了大規(guī)模的并購：1.2億買下了年收入7000萬的Raytheon公司半導體分部、4.55億并購了三星公司旗下一個制造特殊芯片的半導體工廠等。在接下來的時間里，仙童半導體一直在換帥與并購中維持著經(jīng)營。直到2016年9月，安森美半導體以24億美元現(xiàn)金完成了對仙童的收購。

在仙童半導體浩浩蕩蕩近六十年的發(fā)展歷史，“不老仙童”沒有得到壯大，但是它為整個芯片及IT產(chǎn)業(yè)貢獻了大量人才，對硅谷乃至當今時代的科技發(fā)展都有著不可或缺的影響和作用。在1969年舉行的一次產(chǎn)業(yè)大會上，參會的400人中，90%以上曾經(jīng)是仙童半導體公司的雇員。就像喬布斯所說：“仙童半導體就像是成熟了的蒲公英，你一吹他，這種創(chuàng)新精神的種子就隨風四處飄揚了?！?/span>

Intel & TI：爾后，Intel、TI的成功讓美國半導體始終處于領導地位

首先來看英特爾（Intel），它是典型美國半導體的縮影。1968年，羅伯特·諾伊斯、戈登·摩爾和安迪·格魯夫創(chuàng)創(chuàng)辦了英特爾，他們起初瞄準了半導體存儲器，它可以存儲更多的比特信息，以替換磁芯存儲器。1969年，英特爾推出了第一個產(chǎn)品3101，這是一種用于高速隨機存取存儲器（RAM）的肖克利雙極型64比特存儲芯片，銷售得很旺。

1970年，英特爾推出了1103產(chǎn)品，這是一個1024字節(jié)（1KB）容量的DRAM，也是第一個商業(yè)上可用的芯片。1971年，應日本計算器制造商Busicom的要求，英特爾為其設計低成本芯片，構想了在一個芯片上裝入一個中央處理器（CPU）的計劃，為此，英特爾推出了第一個微處理器4004，這是世界上第一個商用的微處理器。

至此，英特爾也開始了兩項重要產(chǎn)品并行的道路——存儲芯片和微處理器。此后，英特爾連續(xù)推出8位微處理器8008、16位微處理器8086、32位微處理器80386，在微處理器取得了巨大成功。

20世紀80年代初，英特爾的存儲器產(chǎn)品市場份額開始下滑，DRAM、靜態(tài)RAM、EPROM市場的激烈競爭和日本廠商大舉切入迫使英特爾專注于微處理器。最后，英特爾放棄了存儲器業(yè)務，全面轉向微處理器業(yè)務。對英特爾來說，1972年存儲器占其銷售額90%，而到1988年只剩20%，從存儲器轉向微處理器，這是戰(zhàn)略性轉折點。

到1972年，英特爾已經(jīng)有超過1000名雇員，銷售額達到2300萬美元。1974年，英特爾有近3100名員工，銷售額為1.4億美元。到1984年，英特爾銷售額達到16億美元，在《財富》500強中上升至226名。在此后1986年至2017年期間，英特爾的營業(yè)收入從1986年的12.65億美元增加到2017年的627.61億美元，年均復合增長率（GAGR）為13.4%，復合增速相當高。

再來看德州儀器（TI），也是美國集成電路的縮影。德州儀器成立于1930年，原為一家地質(zhì)勘探公司，后轉做軍工供應商。德州儀器于1954年生產(chǎn)出了全球第一個晶體管，1958年發(fā)明出了全球第一塊集成電路，1967年發(fā)明了手持計算器，1982年發(fā)布了全球首個單芯片數(shù)字信號處理器DSP，之后便成了這個領域的霸主。

1996-2004年，德州儀器通過出售與并購，布局模擬與嵌入式處理。1996年，TI開始全方位轉型，專注于為信號處理市場生產(chǎn)半導體，隨后又展開了一系列企業(yè)并購、資產(chǎn)剝離大動作。2000年，TI斥資76億美元收購了模擬芯片廠商Burr-Brown，鞏固了其在數(shù)據(jù)轉換器與放大器領域的優(yōu)勢地位，并形成從電源IC到放大器IC乃至A-D/D-A轉換器的廣泛產(chǎn)品群。2005-2011年，第二次出售與并購，布局汽車+工業(yè)。

2005年起，德州儀器先后出售LCD、DSL、傳感器、手機基帶業(yè)務，將重心從手機市場轉移出來，布局汽車和工業(yè)領域。2011年，TI又斥資65億美元收購美國國家半導體（NS），加強模擬產(chǎn)品線組合，德儀有3萬種模擬產(chǎn)品，國家半導體有1.2萬種。通過收購，德州儀器一舉超越了當時在銷售額上與之持平的東芝，成為僅次于英特爾和三星電子的半導體公司。

2012年至今，德州儀器聚焦模擬與嵌入式處理，聚焦汽車+工業(yè)。自從德州儀器戰(zhàn)略性地退出手機基帶處理器領域后，模擬和嵌入式處理成為新的重點業(yè)務。目前模擬和嵌入式處理業(yè)務已占德州儀器公司營業(yè)額的85%以上。在繼續(xù)服務好消費電子產(chǎn)品市場的同時，德州儀器緊緊抓住汽車電子和工業(yè)電子市場，依靠技術創(chuàng)新實現(xiàn)高增長，目前汽車與工業(yè)的營收占比已經(jīng)接近半壁江山。

德州儀器的兩個集中出售并購時間段分別是互聯(lián)網(wǎng)繁榮到泡沫破滅時期和智能手機興起時期。德州通過并購重組不斷聚焦核心業(yè)務，布局持續(xù)增長的廣闊市場。時至今日，TI已超過70年悠久歷史，并長期穩(wěn)居前十大半導體公司之列，擁有超過 30,000名員工，近100,000款產(chǎn)品以及超過 40,000 項專利。從營業(yè)收入的角度看，德州儀器的收入從1987年的55.94億美元增長到2017年的149.61億美元，年均復合增長率（GAGR）為3.3%。