《創新者們》選摘(4)：8叛徒與微晶片時代誕生

1957 年，在快捷半導體公司剛成立，以及蘇聯旅伴號發射升空後，一位貝爾實驗室主管在慶祝電晶體發明十週年的論文中，點出「數量暴政」（tyranny of numbers）的問題：隨電路中的元件數量不斷增加，需要的連結也會快速暴增。比方說，假如系統有一萬個元件，電路板上可能需要增加十萬個以上相互連結的線路，而且大半時候都要靠手工焊接電路，因此實在不是提高產品可靠性的好方法。

但這個問題卻有助於激發創新。這個問題迸發時，半導體製造技術正好出現許多小小的突破，於是分別在德州儀器和快捷半導體這兩家不同公司中催生新發明，積體電路（或稱「微晶片」）於焉誕生。

基爾比的「單石概念」

基爾比（Jack Kilby）也出身美國中西部，他從小就和爸爸在家中工作室敲敲打打，親手打造業餘無線電設備。「我在美國大平原區長大，周遭都是勤勞刻苦的西部拓荒者後裔，」他獲得諾貝爾獎時曾經如此表示。基爾比在堪薩斯州中部的大本德（Great Bend）度過童年，父親在當地經營電力公司。放暑假時，全家會一起擠進家裡的別克車，開拔到遠方的發電廠。每逢發電廠設備出現故障，大夥兒就一起爬上爬下找出問題。有一次暴風雪來襲，許多地區電話不通，他們靠無線電設備和顧客連繫，年輕的基爾比從此迷上這類科技。他後來告訴《華盛頓郵報》記者瑞德（T. R. Reid）：「我十幾歲時，在一次冰風暴中第一次看到無線電，或廣義的說電子產品，對人們生活造成的實際影響，由於無線電能提供訊息，讓人們與外界保持聯繫，因此也帶來希望。」於是他認真讀書，考到「火腿族」執照，並且不斷蒐集各種零件，提升無線電設備。

基爾比高中畢業後，申請MIT 未獲錄取，於是決定到伊利諾大學就讀。後來爆發珍珠港事件，基爾比中斷學業加入海軍，被派到印度的無線電修理廠服役。他經常跑去加爾各答的黑市採購零件，在小帳篷內的簡陋實驗室中打造出更好的接收機和發送機。基爾比是溫和的人，話不多，個性隨和，臉上經常掛著大大的笑容。他最大的特質是對於新發明有一種永不止息的好奇心。他開始閱讀每一項新專利的相關訊息。「為了工作需要，你什麼都讀，」他說：「你蒐集所有的瑣碎資訊，希望有朝一日，其中的百萬分之一說不定會派上用場。」

基爾比出社會後的第一份差事，是在密爾瓦基一家叫做中央實驗室（Centralab）的電子零件公司上班。公司當時正試圖把助聽器的所有零件連接在單一陶瓷基底上，可以說已為微晶片的概念播下種子。Centralab 也是在1952 年付出二萬五千美元授權費生產電晶體的公司之一，是貝爾實驗室慷慨分享知識的受益者。基爾比參加了為期兩週的貝爾實驗室研習營，和其他幾十個人寄宿在曼哈頓的旅館，大家每天早上搭巴士到默里丘上課，課程內容除了深入說明電晶體設計，還包括在實驗室的實做以及到工廠參觀。貝爾實驗室發給所有與會者三大冊技術文件。由於貝爾實驗室樂意收取低廉的專利授權費，又慷慨分享知識，已為數位革命打下良好基礎，只是貝爾實驗室本身並未在財務上獲得充分回報。

基爾比明白，必須到規模較大的公司工作，才有機會參與尖端電晶體技術的發展。1958 年夏天，他權衡了幾個不同的工作機會後，決定加入德州儀器公司，和海格提以及由艾考克（WillisAdcock）領導的電晶體研究小組一起工作。

德州儀器公司的政策是所有員工都在7 月某兩個星期集體休假。基爾比抵達公司報到時，由於還無假可休，成為留在半導體實驗室的少數員工之一，因此有時間好好思考：矽除了用來製造電晶體之外，還可能有什麼用途？

他知道，如果沒有在矽片中摻入任何雜質，矽就是簡單的電阻器。還有一個方法是讓矽片中的p-n 接面充當電容器，可以儲存少量電荷。事實上，你可以透過不同方式，用矽來製造各種電子元件。他因此想出所謂的「單石概念」（monolithic idea）：可以用一塊矽做出電路的所有元件，如此一來，就毋須把不同元件焊接在電路板上。1958 年7 月，在諾宜斯寫下相同概念之前六個月，基爾比早已在實驗日誌中用一個句子描述單石概念，後來他在諾貝爾獎頒獎典禮上也引用了這段話：「以下的電路元件都可以做在一片材料上：包括電阻器、電容器、分散式電容器、電晶體。」然後他在實驗日誌上畫了非常粗略的草圖，說明如何正確配置摻了雜質的矽，讓單一矽片擁有許多不同特性。

上司艾考克渡假回來後，基爾比向他報告自己的想法，卻無法說服艾考克這個方法切實可行。當時實驗室還有其他更迫切的任務，但艾考克答應基爾比：假如基爾比可以用矽片做出實際可用的電容器和電阻器，那麼就授權他在單一矽片上打造出完整的電路。

一切如計畫進行，到了1958 年9 月，基爾比已準備展示他的發明，就像十一年前巴丁和布拉頓在貝爾實驗室主管面前舉行的演示會一樣。基爾比在牙籤大小的矽晶片上，組裝出振盪器理論上需要的所有元件。然後緊張的基爾比在一群主管（包括公司董事長）注視下，接通從小小晶片到振盪器的線路。他看了艾考克一眼，艾考克聳聳肩，彷彿表示啥都沒看到。基爾比按下按鈕，一如預期，振盪器螢幕上，線條開始上下波動。「每個人臉上都立刻湧現開懷的笑容，」《華盛頓郵報》記者瑞德寫道：「電子學的新紀元誕生了。」

這不是最優雅的設計。1958 年秋天基爾比打造的模型中，有許多用來連結晶片元件的小小金線，看起來就好像矽枝向外突出一片昂貴的蜘蛛網，不只樣子醜，也不切實際，像這樣的東西絕對不可能大量生產。儘管如此，這仍是史上第一個微晶片。

1959 年3 月，德州儀器公司在提出專利申請幾個星期後，公開發表這項新發明，並稱之為「固態電路」，同時也在紐約市無線電工程師研究院的年會中，大張旗鼓展示幾個產品原型。公司總裁聲稱，這項發明是自電晶體誕生以來最重要的發明。聽起來似乎誇大其詞，但其實這麼說還太保守了。

德州儀器公司的聲明有如閃電般狠狠重擊快捷半導體公司。諾宜斯兩個月前才剛寫下的概念，居然有人捷足先登，令他大失所望，深恐德州儀器就此占盡競爭優勢。

諾宜斯版微晶片

不同的人以不同的方式達成相同的創新，這樣的情形在科技史上屢見不鮮。諾宜斯和快捷的同事一直設法從另一個方向探索微晶片的可能性。當時他們碰到的棘手問題是：電晶體效能不彰，許多都不管用。只要沾染一點點灰塵或接觸到某些氣體，甚至是些許碰撞，電晶體就可能失效。

快捷的物理學家赫爾尼也是八叛徒之一，他想出一個聰明的解方。在矽電晶體的表面加上一層薄薄的氧化矽，用來保護底下的矽，作用就好像蛋糕上面塗的糖霜一樣。他在實驗日誌中寫道：「在電晶體表面⋯⋯ 加上氧化層，能保護接面不受汙染。」

這種方法叫做「平面製程」，因為矽上面會有一層氧化的平面。1959 年1 月（當時基爾比已經有了微晶片的構想，但還未申請專利和公開新發明），赫爾尼清晨淋浴時突然靈光一閃：可以在具保護作用的氧化層上面開一些小窗口，讓雜質準確的在某些部位擴散，創造出規畫中的半導體特性。諾宜斯愛極了這個「在繭中打造電晶體」的概念，將之比擬為「在叢林中設置手術室—把病人放在塑膠袋中動手術，如此一來，就不會有一堆叢林裡的蒼蠅停在傷口上了。」

專利律師的功能是保護好的構想，但有時也能激發好點子，平面製程就是好例子。有一天，諾宜斯打電話給快捷的專利律師勞爾斯（John Ralls），請他準備專利申請事宜。於是，勞爾斯開始盤問赫爾尼、諾宜斯和其他同事：平面製程有哪些實際的功能？勞爾斯詳細調查的目的，是希望申請專利時能把所有想像得到的最廣泛用途都納入。諾宜斯還記得：「勞爾斯挑戰我們：『從專利權保護的角度來看，我們還能用這些概念來做什麼？』」

赫爾尼設計平面製程，只是為了製造出更穩定可靠的電晶體。當時他們還沒有想到，平面製程一旦開了小窗口，就能在矽片上蝕刻各種類型的電晶體和其他電子元件。但勞爾斯鍥而不捨的追問，刺激諾宜斯深入思考，他在1 月不斷的和摩爾腦力激盪，在黑板上塗塗寫寫，並且把各種想法記在筆記本上。

諾宜斯的第一個領悟是，有了平面製程之後，層層電晶體之間就不再有突出的小線路，取而代之的是印刷在氧化層上的微小銅線，如此一來，電晶體的製程變得更穩定，時間也會縮短。諾宜斯由此產生第二個洞見：既然可以用這些印上去的銅線連接電晶體的各個區域，那麼豈不是也可用它來連接同一矽片上的不同電晶體。有了這種開窗的平面製程技術，你可以在矽片上摻入雜質，在同一個矽片上鋪設多個電晶體，而印刷上去的銅線可以把所有電晶體連結為電路。他走進摩爾的辦公室，在黑板上把概念畫給摩爾看。

諾宜斯活力充沛、滔滔不絕，摩爾則沉默寡言、深具洞見，兩人可說是最佳拍檔。下一步很容易就跨過去了：同一個半導體晶片可以容納不同的元件，例如電阻器和電容器。諾宜斯在摩爾的黑板上塗塗畫畫，展示如何在純矽的小區塊中打造電阻器，幾天後他又在黑板上畫出矽電容器的製造方式。而印在氧化層的微小金屬線可以把這些元件整合為電路。「我不記得有任何時候我突然靈光一閃，一切就豁然開朗，」諾宜斯承認：「反而比較像是你每天都說：『嗯，假如我能這樣做，那麼也許就有辦法做到那件事，如此一來，就能做到這件事。』最後，概念就逐漸成形。」在這一連串動作後，1959 年1 月，諾宜斯在筆記本中寫道：「應該在單一矽片上做出多個不同裝置。」

諾宜斯和基爾比可說殊途同歸，他們各自採取不同方式，分別想出了微晶片的概念（雖然諾宜斯晚了幾個月）。基爾比試圖克服「數量暴政」，希望不必透過手工焊接線路來連接不同元件。諾宜斯則是受到赫爾尼平面製程的啟發，希望想出各種聰明的應用方式。

兩人的概念還有一個實際差別：諾宜斯的構想不會出現如蛛網般亂糟糟的突出線路。

誰才是微晶片的發明人？

縱觀發明史，專利不可避免的會製造張力，在數位時代尤其如此。人們透過合作而創新，重要的發明往往奠基於其他人的努力成果，因此很難準確評估哪些概念是誰想出來的，或智慧財產權應該歸屬於誰。偶爾有一群創新者同意開放原始程序，讓創造的果實為大眾所享有，那麼就沒有專利歸屬的問題。但大多數時候，創新者都希望居功。有時候是為了自我滿足，例如蕭克利想方設法，希望自己名列電晶體專利的所有人。有時候則是為了金錢報酬，尤其當涉及快捷和德州儀器等公司時，因為企業需要對投資人有所回報，才能獲得充足的營運資金，持續推動新發明。

德州儀器公司在3 月公布新發明時，快捷的諾宜斯團隊也趕緊提出專利申請，與德州儀器抗衡。由於快捷是把專利申請當法律上的「盾」，希望防止德州儀器申請的廣泛專利橫掃一切，因此快捷的律師特別把焦點放在諾宜斯構想的特殊性上面，強調在快捷已申請專利的平面製程中，可以採用印刷電路的方式，「為不同的半導體區域提供電路連接」，並「形成更緊密、更容易製造的單一電路結構」。不像過去「必須靠拴緊電線來連接電路」，他們聲稱透過諾宜斯的方法，「可以在相同時間以相同方式處理引線和接頭」，因此就算把多個元件置於單一晶片的專利應該由德州儀器享有，快捷仍希望取得利用印刷金屬線連接電路的專利。由於這項技術是大量生產微晶片必需的技術，快捷可藉此享有某些專利保護，並迫使德州儀器進行協商交互授權。快捷公司在1959 年7 月提出專利申請。

在歷經十年法律攻防，耗費了一百多萬美元訴訟費後，諾宜斯雖然贏了，他的勝利卻已經沒有太大的意義。當時《電子新聞》（Electronic News）刊登了一小篇報導，副標為：「專利翻案改變不了什麼」。這時候，法律訴訟已經變得無關緊要。微晶片市場早已出現爆炸性成長，快捷半導體和德州儀器的務實派早就明白，把問題交由司法系統來解決，賭注實在太大。1966 年夏天，在最後裁決公布前三年，諾宜斯偕同快捷律師，和德州儀器的總裁及律師碰面，敲定和平協議。雙方都承認對方擁有微晶片的某些智慧財產權，也同意交互授權。其他公司則必須向兩家公司取得授權，通常都需付出權利金（金額大約為產品獲利的4%）。

那麼，究竟誰才是微晶片的發明人呢？就像究竟是誰發明了電腦一樣，這個問題不能單從法院的判決中找答案。基爾比和諾宜斯幾乎同時在技術上有所突破，顯示當時的環境早已蓄勢待發，準備迎接新發明的誕生。的確，無論在美國或其他國家，包括德國西門子的工程師雅可比（Werner Jocobi）和英國皇家雷達研究院（RoyalRadar Establishment）的達默（Jeoffrey Dummer）在內，許多人早已提出積體電路的可能性。諾宜斯、基爾比分別在兩家不同公司的團隊鼎力相助下，為這類裝置找到具體可行的生產方式。雖然基爾比早幾個月想出在晶片上整合電子元件的方法，諾宜斯卻往前跨一大步：設計出連接元件的正確方式。經由他的設計，才能有效率的把積體電路大量生產出來，因此他的設計也成為未來微晶片的通用模式。

關於誰才是微晶片的發明人，我們可以從基爾比和諾宜斯的應對方式中學到極具啟發性的一課。兩人都品格高尚，來自美國中西部凝聚力強的小社區，作風踏實。他們和自命不凡又缺乏安全感的蕭克利很不一樣，每當有人提及新發明的功勞應該誰屬時，兩人都會慷慨推崇對方的貢獻。因此，大家很快公認兩人都居功厥偉，稱他們為微晶片的共同發明人。根據早期口述歷史的記載，基爾比曾微微抱怨：「這並不符合我所理解的共同發明的情況，但卻逐漸為大家所接受。」不過基爾比後來也欣然接受這樣的說法。多年後，《電子工程時報》（Electronic Engineering Times）的松本（CraigMatsumoto）問他對於專利糾紛的感想時，「基爾比大力讚揚諾宜斯的成就，說半導體革命是數千人努力的成果，不是單靠一項專利來驅動的。」

2000 年，在諾宜斯過世十年後，基爾比得知自己獲得諾貝爾獎，他的第一反應也是讚揚諾宜斯。「很遺憾他已經不在世了，」他告訴記者：「如果他還在世，我猜我們會一起得獎。」* 瑞典物理學家在頒獎典禮上介紹他時，提到他的發明啟動全球數位革命，基爾比再度展現謙虛的風範。他回答：「每次聽到這樣的說法，就讓我想到站在胡佛水壩基底的水獺對兔子說的話：『不，我不是單憑一己之力把它建造完成的，不過我出的點子有一點點功勞。』」

摩爾定律

這樣的發展軌跡逐漸成為電子產品的固定模式。每年電子裝置都變得體積更小、價錢更便宜，但速度更快、威力也更強。主要原因在於，電腦與微晶片兩大產業同步成長，而且交互影響。諾宜斯後來指出：「新元件和新應用方式之間的綜效，讓兩者都出現爆炸性成長。」半世紀之前，當石油業和汽車業攜手成長時，也曾出現相同的情形。因此為創新帶來重要的一課：你必須了解哪些產業相互依存，才能在這些產業相互拉抬、攜手成長時，從中得利。

假如有人能提出正確有力的準則，幫助我們預測趨勢走向，就能協助創業家和創投家更加善用上述心得。幸運的是，摩爾在這時候挺身而出。正當微晶片的銷售一飛沖天時，摩爾應邀預測未來市場走向，1965 年4 月號的《電子學》（Electronics）雜誌刊登了摩爾的論文〈把更多元件塞進積體電路〉（Cramming More Componentsonto Integrated Circuits）。

摩爾在論文的開頭先簡單勾勒數位化的未來：「積體電路將會帶來像家用電腦（或至少是連接到中央電腦的終端機）、汽車自動控制系統和可攜式個人通訊設備之類的神奇產品。」接著他提出一個更具先見之明的預測，注定讓他日後名聞遐邇。「以最低零件成本達到的複雜度，每年約略會加倍成長，」他指出：「至少在十年內，沒有理由認為成長速度不會保持穩定。」

大體而言，摩爾的意思是，以具成本效益的方式塞進微晶片的電晶體數目，每年一直加倍成長，而他預期至少未來十年，仍會持續這樣的成長速度。摩爾有個在加州理工學院教書的朋友在公開場合中，將其稱之為「摩爾定律」。十年後的1975 年，摩爾的預測已證實是正確的。這時候他修改摩爾定律，把原本預測的成長速度減半，預言未來塞進微晶片的電晶體數目會「每兩年倍增，而不是每年都加倍成長。」他的同事豪斯（David House）提出進一步的修正，指出由於威力增強，加上塞進微晶片的電晶體數目愈來愈多，晶片「效能」每隔十八個月就會加倍成長，如今大家有時會採用他的說法。至少在接下來半個世紀，摩爾定律和其修正版都十分有用，有助於為人類史上最波瀾壯闊的創新浪潮和財富創造，勾勒出發展道路。

摩爾定律不只是預言，也成為產業發展目標，某個程度而言，也是自我實現的誓言。第一個例子出現在1964 年，摩爾定律縕釀成形之時。諾宜斯決定以低於成本的價格，出售快捷半導體生產的最簡單型微晶片。摩爾稱這個策略為「諾宜斯對半導體業的意外貢獻」。諾宜斯知道低價會吸引電子廠商在新產品中採用微晶片。他也知道低價會刺激市場需求，推升產量和經濟規模，最終實現摩爾定律。

＊本文選自天下文化出版的《創新者們》一書，本書作者為以撰寫《賈伯斯傳》而聞名的艾薩克森（Walter Isaacson），他畢業於哈佛大學文學院，後以羅德學者身分在牛津大學進修，並取得哲學及政經碩士學位。曾任《時代》雜誌執行總編輯、CNN董事長兼執行長，在歐巴馬總統上任後，被指派擔任美國廣播理事會（BBG）主席。他不僅是傑出的記者，更是備受讚譽的傳記作家，寫作功力一流。著有《賈伯斯傳》（Steve Jobs）、《愛因斯坦》（Einstein: His Life and Universe）、《富蘭克林傳》（Benjamin Franklin: An American Life）、《季辛吉傳》（Kissinger: A Biography）等暢銷傳記。