《芯片戰爭：世界最關鍵技術的爭奪戰》第一部分：開關

《芯片戰爭：世界最關鍵技術的爭奪戰》是美國經濟史學家克里斯·米勒撰寫、蔡樹軍翻譯的科技類著作。該書以半導體產業全球分工為主線，追溯從冷戰至今的芯片技術發展歷程，闡釋芯片在現代軍事、經濟和地緣政治中的戰略地位。全書涵蓋美國通過技術博弈確立主導地位、臺灣半導體產業崛起、華為5G技術受限等案例，分析全球芯片短缺與供應鏈危機背后的國家競爭。書中提及美國《芯片法案》補貼政策、EUV光刻機研發困境等議題，揭示大國在人工智能與軍事技術領域的核心博弈。

第一部分 冷戰時期的籌碼

2 開關

威廉·肖克利（William Shockley）很早就認為，如果要實現更好的“開關”，那就需要借助一種叫作半導體的材料。 肖克利出生于英國倫敦一個滿世界跑的采礦工程師家庭，他在美國加利福尼亞州的寧靜小鎮帕洛阿爾托（Palo Alto）的果樹林中長大。作為獨生子，他相信自己比周圍任何人都優越——而且他讓每個人都知道這一點。他在南加州的加州理工學院上了大學，在麻省理工學院取得物理學博士學位，之后在新澤西州的貝爾實驗室（Bell Labs）工作。該實驗室是當時領先世界的科學和工程中心之一。肖克利的所有同事都覺得他令人討厭，但他們也承認他是一位杰出的理論物理學家。他的直覺是如此準確，以至于肖克利的一位同事說，他似乎真的能看見金屬中嗖嗖飛行的、或把原子鍵合在一起的電子。

肖克利的專業是半導體，這是一種獨特的材料。大多數材料要么導電（如銅線）要么絕緣（如玻璃），半導體則不同。硅和鍺等半導體材料本身就像絕緣體，幾乎不導電。但當加入某些材料并施加電場時，電子就會開始流動。例如，硅或鍺等半導體材料添加磷或硼后就可以導電。

用其他元素“摻雜”半導體材料來調節其導電性，為新型器件的誕生提供了可能，這些器件的電流可以被控制。但只要它們的電特性仍然神秘且無法解釋，掌握電子在硅或鍺等半導體材料中的流動就會是一個遙不可及的夢想。直到20世紀40年代末，貝爾實驗室所有的物理學家也沒能解釋清楚半導體材料這種怪異的特性。

1945年，肖克利首次提出了他所謂的“固態閥門”的理論 ，在他的筆記本上畫出了一塊連接在90伏電池上的硅。他假設，如果在硅這樣的半導體材料上施加電場，就可以吸引其內部的“自由電子”聚集在半導體邊緣附近。如果電場吸引了足夠多的電子，半導體的邊緣就會變成導電材料（如同存在大量自由電子的金屬一樣），這樣電流就可以流經之前根本不導電的材料。肖克利很快就搭建了這樣一個裝置，他希望在硅片上施加和移除電場，打開和關閉硅片上的電子流，使其可以像閥門一樣工作。但在進行這個實驗時，他無法檢測到結果。“什么都沒有測到，”他解釋道，“相當怪異。”實際上，其原因是20世紀40年代的簡單儀器不夠精確，無法測量出微小電流。

這篇關于晶體管的文章大量引用了里奧丹和霍德森所著的《晶體之火》，以及德里克·張和埃里克·布拉奇所著的《征服電子》。

兩年后，肖克利的兩位貝爾實驗室同事設計了另一種裝置，進行了類似的實驗。與肖克利的自傲和令人厭惡不同，他的同事沃爾特·布喇頓（Walter Brattain）和約翰·巴丁（John Bardeen）很謙虛溫和。前者是來自華盛頓農村牧場的杰出實驗物理學家；后者是普林斯頓大學畢業的科學家，后來成為唯一一位獲得兩次諾貝爾物理學獎的人。受肖克利理論的啟發，布喇頓和巴丁制造了一種裝置，將連接電源的兩條細金箔線設法放到鍺材料上，與鍺接觸的兩條金箔線的間距不到一毫米，并在鍺片的底面接上電極。1947年12月16日下午，在貝爾實驗室總部，布喇頓和巴丁打開電源，觀測到了流過鍺的電流可以被控制并放大，從而證明了肖克利關于半導體材料的理論是正確的。

擁有貝爾實驗室的美國電話電報公司（AT&T）從事的是電話業務，而不是計算機業務，因而很快將這種器件命名為“晶體管”，因為它可以用于放大傳輸電話的信號。由于晶體管可以放大電流，人們很快就意識到晶體管可以用于助聽器和收音機等產品，從而取代不太可靠的真空管。貝爾實驗室很快就開始為這種新器件安排專利申請。

肖克利卻對他的同事們發明了實驗來證明他的理論感到不快，他下定決心要超越他們。在圣誕節期間的兩周，他把自己關在芝加哥一家酒店的房間里，根據對半導體物理無與倫比的理解，開始設計不同的晶體管結構。到1948年1月，他構想出一種由三塊摻有不同雜質的半導體材料組成的新型結構：外部兩塊有多余的電子，夾在中間的那塊缺少電子。如果將一個微小的電流施加到“三明治”的中間層，它就會使流過整個器件的電流增大很多。這種將小電流轉換為大電流的過程與布喇頓和巴丁的晶體管所展示的放大原理相同。但肖克利開始意識到其他的用途，就像他之前的理論“固態閥門”所設想的一樣，他可以通過操縱施加在晶體管“三明治”中間的小電流來打開和關閉較大的電流。肖克利成功設計了一個開關。

當貝爾實驗室于1948年6月舉行新聞發布會宣布其科學家發明了晶體管時，人們很難理解這連了幾根線的鍺塊有什么值得特別宣傳的。

（Little Brain Cell）為題報道了這項發明。 但即使是從不低估自己重要性的肖克利，也無法想象，未來很快就會有成千上萬、數十億這樣的晶體管在微觀尺度上取代人腦來完成計算任務。