[提要]最近10年来电子技术发展迅速，电子元件速度越来越高，功能越来越复杂，而价格却越来越低。电子革命正进一步发展到微电子革命。微电子器件不仅帮助人类登上月球，飞往火星，还把手提计算机、数字手表等送入人们的日常生活。

微电子革命走过了光辉的道路。30年前晶体管的发明，数字系统的应用以及后来半导体集成电路的出现，为电子元件微型化开辟了最初的道路。以后，50年代中期用光刻法规定晶体管的表面结构，又用电的方法实现电路元件的互联，终于发明了平面型晶体管，开创了60年代的集成电路新时代。同1945年制成的ENIAC比较，现在一台微型计算机计算能力提高20倍，可靠性提高几千倍，体积缩小为三万分之一，价格降低为万分之一。

目前，这个革命还正在继续深入。微电子器件不但将继续用于售货、娱乐、交通管理、汽车发动、减少污染等等，更重要的是，个人将通过计算机而掌握、利用庞大信息，从而进一步提高人类的智力。这可能对人类和人类社会带来更为深远的影响。

本文原载《科学美国人》第237卷第3期，1977年9月号，作者Robert N·Noyce。

在过去的10年中，电子技术发展得非常快，人们有时称之为一场革命。这种夸大的看法确切吗？我相信是确切的。真的，我们面前的事情在某种程度上的确是一种稳定的量的进化：电子元件越来越小，却以从未有过的高速度和从未有过的低价格完成着越来越复杂的电子功能。但还是发生了一场真正的革命，一次技术上的质变，即集成微电路的出现，使人类的能力也发生了一次质变。

可以毫不夸大的说，以往十年中大部分技术上的成就都是靠微电子学。人类登月和探测火星使用的复杂系统，基本元件是小型、可靠的传感器和控制器。至于它们在左右国际政治的洲际武器中所起的同样作用，那就更不用说了。从通讯卫星到手提计算机和数字手表等新产品的主要部件，也是微电子器件。微电子学对计算机的作用，有点细小，但最后也许意义更加重大。计算机存储、处理和显示信息的能力，大大得到了提高。而且，为适应各种不同需要，计算机正在广泛散布开来，或是直接应用，或是把它的输出接到“轻便”打字机上、仪器上或工业控制装置上。

微电子革命还远远没有走完自己的路程。我们仍然在学习怎样进一步挖掘集成电路的潜力，方法是发展新的理论，设计那种性能还会提高一个数量级的新的电路。但我们却只是慢慢地意识到计算机对智力和社会的意义，它将使个人得到存储庞大信息的机会，并具有从中进行学习、增添信息以及使用信息进行交流的能力。

这里我首先想说明一下，为什么说微电子学的进展说明了技术与经济之间不断的相互作用。在许多应用中，微电子器件的体积小曾是一个重要因素，但是这种新技术的主要作用却在于电子功能更易于复现，更为可靠，价格也更低廉。每一项技术进展都会使成本降低，而空前低廉的成本又促进了应用范围的扩大。

一切都开始于30年前晶体管的发明：一种小型、低功率的放大器代替了大型、大功率的电子管。大约在同时又出现了存储程序数字计算机，这就为晶体管提供了一个大有希望的市场。这种新元件和新应用之间的协同作用，又使二者都发生了迅猛的增长。计算机是晶体管以及由它所引出的固态集成电路的理想市场，这个市场比历来电子学用于通讯所造成的市场更加广阔得多。原因在于，同模拟放大系统如无线电相比，数字系统需要大量的有源电路。在数字电子学中，某一元件是接通还是断开，视输入而定。即使有大量的元件相连接，它们的输出仍然不过是接通或断开：单级的增益是1，即使有许多级串联，增益仍然是1。可是，模拟电路则必然要求输入放大。由于每一放大器的增益通常是10，因而在微电子元件电压达到其实际极限值以前，只能串联几级。所以模拟系统不能控制大量的微电路，而数字系统则需要这种微电路。一个袖珍计算机所拥有的晶体管数量是无线电收音机或电视接收机的100倍。

虽然微电子学和计算机具有固有的兼容制性，但历史事实却告诉我们，早期对电子元件微型化所作的努力并不是计算机工程师们激发起来的。的确，数字计算机的巨大潜力没有很快就为人们所了解。第一台计算机的研制者曾经认为，有4台计算机大概就可以满足全世界计算的需要了！但各种导弹和卫星研制计划都需要装备复杂的电子系统，其大小、重量和功率的要求都受到严格的限制，因而军事和空间研究机构促进了电子元件微型化的成就。

最初的办法是把常用的元件微型化。美国国家标准局的“廷克托伊（Tinkertoy）计划”是其中的一个研究项目，目的在于将各种电子元件组装成标准形状，即采用矩形而不采用传统的圆筒形，可以使元件组装紧凑。另一种办法叫“分子工程学”。从晶体管可以取代电子管之例，可以设想有与此相似的取代，即可发明或研制一种新材料，根据它的固态特性就能在单块电路固体中实现除放大以外的电子功能。这种尝试大都没有成功，却展示了微型化的需要以及某些类型微电子学的有效发展可望取得的效果。许多技术部门都注视这个问题的解决，因为很清楚，一旦发明成功，就有一个现成的市场在等待着。

最后解决问题的是半导体集成电路，这个概念在晶体管发明以后不多几年就已经开始形成了。某些研究者发现，虽然我们已经利用半导体锗和硅制造了晶体管，但还可进一步利用它们的特性。半导体自身的体电阻和p型区与n型区产生的结电容可与由相同材料制成的晶体管连接，形成电阻、电容和放大器的全电路。1953年美国无线电公司的哈威克 · 约翰逊（Harwick Johnson）申请了一项专利，即采用这项技术把移相振荡电路制成单锗片。以后，英国皇家雷达机构的G。W。A · 达默（Dummer），得克萨斯（Texas）仪器公司的杰克。S · 基尔比（Jack S. Kilby）和戴蒙德。奥登纳斯。弗兹（Diamond Ordnance Fuze）实验室的杰伊。W · 莱思罗普（Jay W · Lathrop）又发展了这一概念。

但是，要使集成电路能发挥出巨大的潜力，还需要一些很关键性的进展。50年代中期，工程师们学会了用光刻法规定晶体管的表面结构，发展了引入能产生p型区和n型区的杂质的固态扩散法。这时，在锗或硅的大块晶体制成的薄片上成批处理许多晶体管的方法，取代了过去单个处理晶体管的方法。装在单个薄片上的几百个、几千个精确对齐的晶体管在物理上仍然必须互不关联，再用保护盒中的细丝个别地组装起来，然后装到电路中去。

1959年在费尔柴尔德（Fairchild）所设计并研制的集成电路，不是用物理方法，而是用电的方法实现晶体管和其它电路元件的分离和互连。分离是通过使电流只能朝一个方向流动的pn二极管或整流器来实现的。电路元件通过升华沉淀金属的导电膜互连，这种导电膜经光刻而形成合适的连接形式。为使下面的半导体同金属膜分离，需要有一绝缘层，但要求相互接触时则是例外。实现绝缘的方法是由琼 · 霍尔尼（Jean Hoerni）1958年在费尔柴尔德发现的，当时他使用了当导电金属还没有在经过处理的硅片表面上升华沉积之前，在此表面上产生一层二氧化硅薄层（一种最好的绝缘体）的方法，发明了平面型晶体管。

此后又发明了一些技术，使集成电路的设计者更加灵活了，但基本方法是60年代得到的，于是开创了集成电路的时代。此后的发展是惊人的，即使对我们这些亲身经历这种技术改革的人来说，也感到惊奇。现在，一片只有1/4平方英寸那样大的集成电路所能容纳的电子元件，数量超过了50年代制造的最复杂的电子设备。现代的微型计算机售价大约300美元，计算能力却超过第一台大型电子计算机ENIAC（电子数字积分计算机），计算速度提高20倍，存储量更大，可靠性为后者的几千倍，消耗的功率大约只相当于一个电灯泡，而ENIAC要消耗一个机车的功率，体积只是ENIAC的三万分之一，价格只有万分之一。

从1959年生产平面型晶体管，到1964年的高级集成电路用的元件产量每年翻一番。后来担任费尔柴尔德研究部主任的戈登 · E · 穆尔（Gordon E。Moore）第一个预言了集成电路的未来发展。他认为，集成电路的复杂性将继续每年翻一番。目前，可容纳2¹⁸（262,144）个元件的集成电路，也还没有发现显著背离穆尔定律的情况。最终虽然不可避免地要偏离指数增长曲线。但现在还没有迹象表明这个发展过程已经变慢了。当前的技术水平还远远没有达到物理定律规定的基本限度；而且，计算机的进一步微型化可能并不受物理定律的限制，而是受经济规律的限制。

微电子工业的发展说明，在60年代初期采用了集成电路以后，全世界的集成电路消费量迅速增长，1970年已接近10亿美元。1976年全世界的消费量将翻3番，达到35亿美元。集成电路对电子工业的影响还远远不限于这些数字。在电子设备用的集成电路，价值不到10%；一台1万美元的微型计算机用的集成电路，价值不到1千美元。一台300美元的电视机用的集成电路，价值不到30美元。目前，全世界电子工业总产值为800亿美元，其中绝大多数都以某种方式依赖于集成电路。

图1 从1959年发展平面型晶体管以来，在最先进的集成电路中每一电路的元件数，每年差不多增加一倍。费尔柴尔德半导体公司的戈登·E·穆尔指出了1964年发展的趋向，并预言这种情况将继续下去。

微电子器件取代各种元件能够降低成本，这不仅因为器件本身价格低廉，还有许多其它原因。首先，集成电路包含了原先就要求完成的大量互连，从而节省了劳动力和材料。集成电路的互联比焊接和连接器远为可靠，从而节省了维修费用。由于集成电路体积很小，消耗的功率远比所取代的元件少，所以也省去了箱子、架子等支承结构以及变压器和冷却风扇。因为已经可以确保复杂集成电路的完善功能，生产过程中又可减少中间试验次数。用户只要为电子设备准备较小的空间、较低的功率和较差的空气调节条件就行了。这些都说明，即使集成电路同取代元件的价格相等，但其他方面的节省也会促使人们使用更少、更复杂的集成电路。

微电子工业的一个最显著的特点，是使完成某种电子功能的器件成本持续地、大幅度地降低。手提计算机在过去10年中成本下降到百分之一。成本迅速下降的部分原因可以用“学习曲线”解释，就是说，一种工业积累的经验越多，就越有效。大多数工业每当产量增加一倍时，成本降低20～30%。半导体工业的资料表明，每当工业的经验加倍时，集成电路的成本就下降28%。由于这门年轻工业的迅速发展，成本降低的步伐要比成熟的工业快得多。电子工业的经验几乎每年都是成倍地增长的。完成某种电子功能器件的成本比集成电路的成本下降得更快，因为随着电路价格的下降，电路的复杂性也增加了。例如，半导体存储元件的采用有了很大发展，随机存储存取装置每个二进制数字的位数的成本也从1970年以来每年平均下降35%。成本这样下降，不仅由于应用了传统的学习方法，还由于把更多的位结合到每一集成电路中去而取得。1970年每一电路的位数从256增至1,024，目前每一电路的位数正在从4,096跃至16,384。

发展集成电路以来，电子元件的成本成百倍地下降，这是少有的，其原因在于，虽然其它工业也出现过相似的经验曲线，但集成电路工业的独特之处在于其产量在几年之中每年总是成倍增长的。集成电路工业市场的扩大，并不是由于国民经济总产值或人口相应的增长，而是由于应用面不断扩大、需要量不断激增的缘故。随着每一项新的应用需要消费更多的微电子器件，并且获得了更多的经验，就导致了成本的进一步降低，从而又为微电子器件开辟了更广阔的市场。1960年生产集成电路之前，大约已制造了5亿个晶体管。假定每一个晶体管能完成一种电路功能，相当于一个逻辑“门”或集成电路中一位的存储量，那么在过去17年中，每年的使用量增加了2,000倍，或翻了11番。这种惊人的增长促进了成本持续地降低。

降低成本的主要方法是研制复杂性不断增强的电路，对于电路生产和设备制造来说，就降低了完成不同功能的器件的成本。每一电路完成多种功能的主要技术障碍，就是产量。电路越复杂，器件就越大，缺陷也可能越多，于是器件总数中很大一部分将成为废品。

技术发展的主要目标，是通过降低缺陷密度或减小尺寸的办法增加产量。为了降低缺陷密度，要特别注意生产过程控制和清洁。在任何关键过程中如有尘埃粒子，就会使一个器件变得无用，所以大量的处理过程必须在“净室”中进行。减小基本电路元件尺寸可在一定面积上容纳更多的复杂电路，这要通过改进光刻过程的分辨能力而实现。当电路图形达到只有几个光波长时，就要达到现在的光学极限了。现正发展的方法是用电子束或X射线取代可见光，这样就能进一步减小尺寸。

减小电路元件的尺寸，不仅能降低成本，还能改善器件的基本性能。延迟时间直接与电路元件的大小成正比，因此电路越是小型化，速度就越快。同时，功率随电路面积而减小。在未遇到任何基本限制前，电路元件的线性尺寸可能降低至目前尺寸的五分之一。

一个工业部门的产品价格如能每年下降25%，研究和发展的动力就一定很大。因此，集成电路的主要厂商把大约10%的销售收入用于研究和发展工作。

当集成电路还处于幼年阶段时，得克萨斯（Texas）仪器公司的帕特里克 · E · 哈格蒂（Patrick E · Haggerty）就提请人们注意电子学的深入影响，并预言电子技术将继续取代其它控制方式，深入到我们生活的每一个方面。这种取代已经发生了，主要原因是微电子工业能以越来越低的成本制造出功能越来越高级的元件。计算机和手表中的机械元件已为集成电路所取代，不但价格便宜，而且更加灵活。目前，售货机、娱乐机和交通管理的电子机械功能正在用集成电路代替。在不远的将来，汽车发动机将用计算机进行控制，提高效率和减少污染。所有这些应用，就把电子学的传统应用扩展到测量、通讯、数据处理中的信息处理工作。人们常常说，正如工业革命使人能够应用和控制比人的肌肉所能提供的更大的力量，电子学则增强了人的智力。微电子学更进一步增强了人的智力。

图2 从1960年发展集成电路以来，每年的电子功能（晶体管、逻辑门和记忆位）利用数在全世界增加了2000倍。未来10年内预计每年的利用数将以100倍增长。

到1986年，每年体现在大量产品中的各种电子功能的数量，估计将达到目前的100倍。根据经验曲线预计，每种电子功能器件的生产成本将是1976年的二十分之一，即每年下降25%。按照这种价格，电子器件将更加广泛地用于扩大邮政服务，扩大图书馆，使读者更便于利用馆藏图书，提供文娱活动，为教育目的而传播知识，以及完成家庭和机关的各种日常事务。利用微电子学的产品和服务正在按指数增长，将向人们显示一场真正的微电子学革命。

（许立达译，东川校）