第一部
冷戰晶片
01 從鋼到矽
日本士兵把二戰描述為「鋼鐵颱風」*1。對盛田昭夫來說，二戰確實是這種感覺。他出身於富裕的清酒世家，是個勤奮好學的年輕工程師。二戰期間被分配到日本海軍的工程實驗室，躲過了上前線的命運。但美國B-29超級堡壘轟炸機轟炸日本的城市時，「鋼鐵颱風」也席捲了盛田昭夫的家鄉，摧毀了大部分的東京與其他的都市中心。雪上加霜的是，美國的封鎖造成了廣泛的飢荒，迫使日本鋌而走險，採取非常手段。戰爭接近尾聲時，盛田昭夫的兄弟正在接受神風特攻隊的訓練。在隔著東海的對岸，張忠謀的童年不時會聽到炮火隆隆與空襲警報，提醒百姓攻擊即將到來。青少年時期，張忠謀為了躲避橫掃中國的日軍，先後搬到廣州、英國殖民的香港、中國的戰時首都重慶。日軍戰敗後，他搬回了上海。然而，戰爭還沒真正結束，因為共產黨的遊擊隊發動了對抗民國政府的抗爭。不久，毛澤東的勢力攻占了上海。張忠謀再次逃難，被迫二度逃往香港。遠在世界另一端的布達佩斯，安迪．葛洛夫（AndyGrove）也經歷了那場席捲亞洲的鋼鐵颱風。二戰期間，布達佩斯多次遭到入侵，葛洛夫倖存了下來。匈牙利的極右派政府把猶太人視為二等公民，但歐洲爆發戰爭時，他的父親仍被徵召入伍，被迫與匈牙利的納粹盟友一起對抗蘇聯，並在史達林格勒戰役中失蹤。1944年，納粹入侵表面上的盟友匈牙利，派出坦克縱隊穿越布達佩斯，並宣布要把葛洛夫那樣的猶太人送往大規模的死亡集中營。幾個月後，年幼的葛洛夫再次聽到轟隆隆的炮火聲。蘇聯紅軍進入匈牙利首都、「解放」這個國家、性侵了葛洛夫的母親，並取代納粹，在匈牙利建立了殘暴的傀儡政權。無窮無盡的坦克縱隊，一波又一波的戰機，成千上萬噸的炸彈從天而降，還有綿延不絕的船隊運輸著卡車、戰車、石油產品、火車頭、車廂、火炮、彈藥、煤炭與鋼鐵——二次大戰是一場工業消耗的衝突，那正是美國希望看到的局面，因為美國要打工業戰才能贏。隨著美國把製造實力轉化為軍力，美國戰時生產委員會（WarProductionBoard）的經濟學家是以銅與鐵、橡膠與石油、鋁與錫來衡量戰爭的成敗。美國製造的坦克、船隻、飛機，比軸心國加起來的產量還多，美國生產的火炮與機槍數量更是軸心國的兩倍。船隊載著工業製品，從美國的港口出發，橫渡大西洋與太平洋，向英國、蘇聯、中國與其他盟國提供關鍵物資。這場戰爭由史達林格勒的士兵與中途島的水手發動，但戰鬥力則是來自美國的凱澤造船廠（KaiserShipyards）及紅河工廠（RiverRouge）的裝配線。
1945年，世界各地的廣播宣布戰爭終於結束了。在東京的郊外，年輕的工程師盛田昭夫身穿著全套制服，聆聽裕仁天皇的投降演說。他是獨自聆聽，而不是和其他的海軍軍官一起，以免被迫切腹自殺。在隔著東海的對岸，張忠謀歡慶著戰爭的結束與日本的戰敗，不久又回歸無憂無慮的少年生活，與朋友一起打網球、看電影、打橋牌。在匈牙利，葛洛夫與母親慢慢從防空洞爬了出來，然而，無論是蘇聯占領期間、還是二戰期間，他們的生活都一樣困苦。二戰的結果是由工業產出決定的，但當時已經可以明顯看出，新技術正在轉變軍力。大國製造了成千上萬的飛機與坦克，也設立了研究實驗室，開發火箭與雷達等新裝備。摧毀廣島與長崎的兩顆原子彈促使許多人臆測，新興的原子時代可能會取代煤炭與鋼鐵主導的時代。1945年，張忠謀與葛洛夫仍是中小學生，年紀還太小，尚未開始認真思考技術或政治問題。然而，當時盛田昭夫已二十出頭，在戰爭結束前的幾個月一直在研發6追熱飛彈。那時的日本距離部署可行的導引飛彈還很遠，但那項專案讓盛田昭夫有機會一窺未來。他開始可以想像，戰爭的勝利不是靠裝配線上的鉚釘工人，而是靠能夠自動辨識目標及自行運作的武器。這個概念看似科幻小說，但盛田昭夫隱約意識到，電子運算的新發展可能使機器藉由解開加減乘除或開平方根之類的數學問題來「思考」。當然，使用裝置來運算，並不是新概念。從智人最早學會數東西以來，人類就懂得靠扳動手指來計算。古巴比倫人發明算盤來處理大額的數字。幾百年來，人類藉由撥打算盤上的珠子來運算乘法與除法。十九世紀末與二十世紀初，政府與企業內部的大型官僚組織持續擴大，需要大量的人力來做運算——辦公室的職員用紙與筆運算，有時是使用簡單的機械計算器（mechanicalcalculator，可做加減乘除運算及計算基本平方根的齒輪箱）。這些有生命、會呼吸的運算工，可以把薪資單製成表格，追蹤銷售情況，收集人口普查結果，篩選火災與乾旱資料以便為保單定價。在大蕭條期間，美國的公共事業振興署（WorksProgressAdministration，簡稱WPA）為了雇用失業的辦公室職員，設立了「數學表格專案」（MathematicalTablesProject）。在曼哈頓的一棟辦公大樓裡，數百位運算工坐在一排又一排的辦公桌前，把對數與指數函數7製成表格。那個專案出版了28卷複雜函數的結果，每一卷的標題類似「從100,000到200,009的整數倒數表」，裡面收錄了201頁的數字表。這群有組織的運算工展現了運算的前景，但也顯示出人腦運算的局限。即使用機械計算器來輔助，人類的工作速度還是很慢。一個人想要使用「數學表格專案」的成果，必須翻閱那28卷之中的一卷，才能找到特定對數或指數的結果。想算的東西愈多，需要翻閱的頁面就愈多。與此同時，大家對運算的需求也不斷增加。早在二戰以前，資金就流向那些開發更強大機械計算器的專案，但戰爭加速了大家對運算力的追求。幾個國家的空軍開發了機械投彈瞄準器（mechanicalbombsights）來幫飛行員擊中目標。轟炸機的機組人員以轉動旋鈕的方式，輸入風速與高度。旋鈕會移動那些調整玻璃鏡的金屬桿。這些旋鈕與操縱桿所「計算」的高度與角度比任何飛行員更精準。當飛機瞄準目標時，瞄準器就會聚焦。不過，限制還是很明顯。這種瞄準器只考慮幾個輸入，提供單一的輸出：何時發射炸彈。在完美的測試情境中，美國的瞄準器比飛行員的猜測更準確。然而，在德國上空部署時，僅20％的美國炸彈落在離目標30米的範圍內。戰爭是由投擲的炸彈數及發射的炮彈量所決定，而不是由機械運算器上的旋鈕決定的。那些機械運算器的目的雖然是用來引導武器，但通常不準確。更高的準確度，就需要更多的運算。後來工程師開始以電荷取代早期計算器中的機械齒輪。早期的電腦使用真空管，那是一種包裹在玻璃中的燈泡狀金屬絲。穿過真空管的電流可以開啟與關閉，執行的功能就像上下撥打算盤上的珠子一樣。開啟的真空管，編碼為1；關閉的真空管，編碼為0。使用二進位的計數系統，0與1這兩個數字就可以產生任何數字，因此理論上可以執行多種類型的運算。此外，真空管使這些電腦可以重新設定。投彈瞄準器裡的機械齒輪只能執行單一類型的運算，因為每個旋鈕都實體連接到金屬桿與齒輪上。算盤上的珠子只能在串接珠子的桿子上來回撥動。然而，真空管之間的連接可以重新組合，讓電腦執行不同的運算。這是運算上的一大進展——或者說，要不是飛蛾出來攪局，應該會是那樣。由於真空管像燈泡一樣發光，會吸引昆蟲，需要工程師經常「除蟲」（debug）。此外，真空管跟燈泡一樣，經常燒壞。1945年，賓州大學為美軍製造了一台名為ENIAC的先進電腦以計算彈道。它有101萬8千根真空管。一根真空管平均每兩天就會故障，導致整台機器停擺，技師不得不趕緊找出故障的真空管並換新。ENIAC可以每秒相乘數百個數字，速度比任何數學家還快。然而，一台ENIAC就占滿了整個房間，因為那1萬8千根真空管每根都像拳頭那麼粗。顯然，真空管技術實在太麻煩、太慢、太不可靠了。只要電腦一直是這種蛀蟲橫行的龐然大物，它們就只能做破譯密碼之類的小眾應用，除非科學家能找到一種更小、更快、更便宜的開關。
*1 這個詞確切是指沖繩島戰役。英文是Typhoon of Steel，日語是「鐵雨」（鉄の雨）或「鐵 暴風」（鉄の暴風），反映這場戰役的密集火力及龐大的戰艦數量。
02 開關
威廉．蕭克利（WilliamShockley）一直認為，如果要找到更好的「開關」，那應該是借助一種叫「半導體」的東西。蕭克利生於倫敦，父親是經常在世界各地奔走的礦業工程師，他在靜謐的加州小鎮帕羅奧圖（PaloAlto）成長，當時那裡到處都是果園。身為獨子，他始終深信自己高人一等，而且他會讓每個人都知道這點。他在南加州的加州理工學院取得學士學位，接著到麻省理工學院取得物理學博士學位，之後到紐澤西州的貝爾實驗室工作。當時，貝爾實驗室是全球最頂尖的科學與工程中心之一。所有的同事都覺得蕭克利很高傲，但他們也承認，他確實是很出色的理論物理學家。他的直覺非常精準，一位同事形容，他彷彿可以真的看到電子在金屬中穿梭或把原子結合起來。半導體是蕭克利的專業領域，那是一種獨特的材料。多數材料只能讓電流自由地流動（如銅線），或是阻止電流（如玻璃）。半導體則不同，矽與鍺之類的半導體材料本身像玻璃一樣，幾乎不導電。但是加入某些材料並導入電場後，電流就會開始流動。例如，在矽或鍺等半導體材料中加入磷或銻，就會產生負電流。把其他的元素「摻入」半導體材料中，為新型的裝置提供了一個機會，讓它們能夠產生及控制電流。然而，只要矽或鍺等半導體材料的電子性質依然神秘難解，想掌握電子在半導體材料中的流動就是一個遙遠的夢想。1940年代後期以前，儘管貝爾實驗室累積了大量的物理智慧，仍沒有人能解釋為什麼半導體材料會以如此令人費解的方式運作。1945年，蕭克利首次提出他所謂的「固態開關」理論，他在筆記本上畫了一塊連接在90伏特電池上的矽片。他假設，把矽那樣的半導體材料放在電場中，可以吸引裡面的「自由電子」（即離域電子）聚在半導體的邊緣附近。如果電場吸引了夠多的電子，半導體的邊緣就會轉變成像金屬那樣的導電材料（金屬總是有大量的自由電子）。如此一來，電流就可以開始流經一種本來不導電的材料。蕭克利很快打造出那樣的裝置，他希望在矽片上導入及移除電場可以產生類似開關的效果：打開及關閉穿過矽片的電流。然而，當他實際做這項實驗時，卻無法偵測到結果。「完全測不到東西，」他解釋道：「很神秘。」事實上，是因為1940年代的簡單儀器太不精確了，量不到流動的微小電流。兩年後，蕭克利在貝爾實驗室的兩位同事在一種不同類型的裝置上，設計了一個類似的實驗。蕭克利為人高傲，令人討厭，但沃特．布萊頓（WalterBrattain）與約翰．巴丁（JohnBardeen）則是謙虛又隨和。布萊頓來自華盛頓鄉下的牧牛場，是一位出色的實驗物理學家。巴丁是普林斯頓大學畢業的科學家，後來成為唯一兩度榮獲諾貝爾物理學獎的人。他們受到蕭克利那套理論的啟發，打造出一個裝置，把兩根金絲放在一個鍺片上，那兩根金絲彼此的距離不到一毫米。1947年12月16日的下午，在貝爾實驗室的總部，巴丁與布萊頓打開電源，發現能夠控制鍺片上的電流，就此證明了蕭克利提出的半導體材料理論。貝爾實驗室的母公司AT&T是從事電話事業，而不是運算事業。該公司認為，這種後來迅速被命名為「電晶體」的裝置，主要用處是在其龐大的網絡中，放大傳輸電話的訊號。由於電晶體可以放大電流，大家很快就發現，電晶體很適合用於助聽器、收音機等裝置，取代不太可靠的真空管（真空管也是用來放大訊號）。貝爾實驗室很快就開始為這種新裝置安排專利申請。蕭克利眼看同事發現了能夠證明他的理論的實驗，感到非常憤怒，他決心超越他們。耶誕節期間，他關在芝加哥的一家旅館房間裡兩個星期，憑著他對半導體物理學的過人理解，開始想像不同的電晶體結構。1948年1月，他已經想出一種新型電晶體，由三塊半導體材料組成。外層那兩塊有多餘的電子，夾在中間那塊則缺少電子。把微小的電流導入夾在中間的那塊，就會產生更大的電流在整個裝置中流動。這種小電流變大電流的轉換過程，跟巴丁與布萊頓的電晶體所展現的放大過程一樣。但蕭克利順著之前提出的「固態開關」理論，發現了其他的用途。他可以操控導入中間那層半導體材料的小電流，藉此開啟與關閉較大的電流——如此開、關、開、關，於是蕭克利自己設計出了一種開關。1948年6月，貝爾實驗室舉行記者會，宣布其科學家發明了電晶體。當時大家不太明白，這些連線的鍺片為什麼值得開記者會。《紐約時報》把那篇報導埋在第46頁。《時代》雜誌稍好一些，以〈微小的腦細胞〉為標題，報導了這項發明。蕭克利雖然從未低估過自己的重要性，但連他也沒想到，不久人類就會使用成千上萬、數百萬、甚至數十億個這樣的電晶體來取代人腦，來執行運算任務。
03 諾伊斯、基爾比，以及積體電路
電晶體要能真正取代真空管，就必須要能簡化及量產銷售。提出理論及發明電晶體只是第一步，接下來的挑戰是量產。布萊頓與巴丁對商業化或量產沒什麼興趣。他們是研究者，榮獲諾貝爾獎後仍繼續從事教職與實驗。相反的，蕭克利的雄心壯志則是有增無減。他不僅想成名，還想發財。他告訴朋友，他夢想著自己的名字不僅能登上《物理評論》（PhysicalReview）之類的學術刊物，1也能登上《華爾街日報》。1955年，他在加州舊金山郊區的山景城成立了蕭克利半導體公司（ShockleySemiconductor），公司離帕羅奧圖不遠，他年邁的母親仍住在帕羅奧圖。蕭克利打算製造出全球最好的電晶體，這是有可能的，因為擁有貝爾實驗室及電晶體專利的AT&T打算以2.5萬美元的價格把那個裝置2授權給其他公司。以最先進的電子技術來說，那是很划算的價格。蕭克利認為電晶體會有市場，至少可以取代現有電子產品所使用的真空管。不過，電晶體市場的潛在規模看起來還不明朗。每個人都認同電晶體是一項聰明的技術，是以最先進的物理學為基礎，但除非電晶體的性能比真空管好，或能以更低的成本生產，否則電晶體難以普及。蕭克利不久就因為提出半導體的理論而得到諾貝爾獎，但是如何讓電晶體變得實用，已經不是理論物理學的問題，而是一個工程難題。電晶體不久就開始取代電腦中的真空管，但數千個電晶體之間的佈線變成極其複雜的問題。1958年的夏季，德儀的工程師傑克．基爾比（JackKilby）在德州的實驗室裡努力尋找方法，想要簡化3電晶體系統的電路所造成的複雜性。基爾比說話溫和，個性隨和，充滿好奇心，而且相當聰明。一位同事回憶道：「他從不苛求，但你知道他想要看到什麼成果，你就會竭盡所能去達成。」另一位同事中午常和他一起吃烤肉，說他是「我見過最好的人」。基爾比的第一個雇主是位於密爾瓦基市（Milwaukee）的Centralab，那是第一家從AT&T獲得電晶體技術授權的實驗室，所以基爾比是第一批4在貝爾實驗室以外使用電晶體的人之一。1958年，基爾比離開Centralab，到德儀的電晶體部門工作。總部位於達拉斯的德儀，成立之初是生產運用震波來幫石油商決定鑽探地點的設備。二戰期間，美國海軍為了追蹤敵方潛艇，徵召德儀5生產聲納設備。戰後，德儀的高階主管意識到，這種電子專業也可用於其他軍事系統，所以雇用基爾比這樣的工程師來打造這些系統。基爾比在七月德儀的年度特休期間抵達達拉斯。他才剛加入公司，沒有累積的假期，所以那兩週一個人待在實驗室。由於有很多摸索的時間，他不禁好奇，如何減少串接電晶體所需的電路數量。他沒有使用單獨的矽片或鍺片來製造每個電晶體，而是考慮在同一塊半導體材料上6組裝多個元件。他的同事放完暑假回來時，發現基爾比的概念極具革命性。他們可以把好幾個電晶體嵌入一塊矽片或鍺片。基爾比把這項發明稱為「積體電路」（integratedcircuit），後來俗稱為「晶片」（chip），因為每個積體電路都是由一塊矽晶圓切下來（chipoff）的矽晶片製成的。大約一年前，在加州的帕羅奧圖，蕭克利半導體實驗室雇用的八名工程師告訴他們那位諾貝爾獎得主老闆，他們不幹了。蕭克利擅長發掘人才，卻是很糟糕的管理者。他特別擅長在充滿爭議的環境中運作，把辦公室搞得烏煙瘴氣，以致眾叛親離，疏遠了那些他招募進來的年輕工程師。那八名工程師離開蕭克利半導體公司後，決定一起創業。他們用東岸一位百萬富翁的種子基金，創立了7快捷半導體（FairchildSemiconductor）。一般普遍認為，這八位叛離蕭克利半導體的工程師是矽谷的開創者。八人之一的尤金．克萊納（EugeneKleiner）後來創立了全球最強大的創投公司之一凱鵬華盈（KleinerPerkins）。高登．摩爾（GordonMoore）負責快捷半導體的研發流程；後來他提出的摩爾定律，描述了運算力的指數型成長。這八人之中最重要的是羅伯特．諾伊斯（RobertNoyce），他是俗稱「八叛逆」（traitorouseight）的領導者，對微電子學充滿了遠見與熱情。他憑直覺就知道，電晶體需要哪些技術進步才能縮小尺寸，使它變得便宜又可靠。把新發明與商機結合起來，正是快捷半導體這種新創企業蓬勃發展所需要的，也是晶片業開始崛起所需要的。快捷半導體成立時，電晶體的科學已經相當清晰，但可靠地製造電晶體仍是極大的挑戰。第一批商業化的電晶體是由一塊鍺製成的，上面覆蓋著不同層的材料，形狀像亞利桑那州沙漠裡的台地。這些層層堆疊的材料是這樣製造的：先在一部分的鍺片上塗一滴黑蠟，然後用一種化學物質把沒塗上蠟的鍺蝕刻掉，接著再去掉蠟，藉此在鍺片上形成台地的形狀。這種台面結構的一個缺點是，灰塵或其他顆粒等雜質可能滯留在電晶體上，與電晶體表面的物質產生反應。諾伊斯的同事尚．霍爾尼（JeanHoerni）是瑞士的物理學家，也是狂熱的登山愛好者。他發現，如果整個電晶體都可以嵌入到鍺片中，而不是放在鍺上，那就沒必要做出這種台面結構（mesa）了。他設計了一種製造電晶體所有部件的方法，作法是在矽片上沉積一層保護性的二氧化矽，然後在需要的地方蝕刻孔洞，再沉積額外的材料。這種沉積保護層的方法，避免材料暴露在空氣及接觸到雜質而造成缺陷，使可靠性大幅提升。幾個月後，諾伊斯意識到，霍爾尼的「平面法」（planar）可以在同一矽片上製造多個電晶體。當時，諾伊斯8並不曉得基爾比的存在。基爾比是在鍺片上製造一個台面式電晶體（mesatransistor），然後用電路把它連接起來。諾伊斯則是使用霍爾尼的平面流程，在同一半導體上製造多個電晶體。由於平面流程在電晶體上覆蓋了一層二氧化矽絕緣層，諾伊斯可以在晶片上沉積金屬線，藉此直接把「電路」放在晶片上，讓晶片的電晶體之間可以導電。諾伊斯跟基爾比一樣，製造了一種積體電路：在一片半導體材料上放了多個電子元件。不過，諾伊斯的版本沒有獨立的電路，這些電晶體是嵌入單一的半導體材料。不久，基爾比與諾伊斯開發的「積體電路」被稱為「半導體」，或簡稱為「晶片」。諾伊斯、摩爾，以及快捷半導體的同事知道，他們的積體電路比其他電子設備所依賴的複雜電路可靠多了。縮小快捷半導體的「平面」設計，似乎比縮小一般常見的台面式電晶體容易多了。與此同時，較小的電路也比較省電。諾伊斯與摩爾開始意識到，縮小與省電是一個強大的組合：更小的電晶體及更低的功率消耗，可以為他們的積體電路創造新的用途。但起初，相較於把獨立元件連接在一起的較簡單裝置，諾伊斯那種積體電路的9製造成本是50倍。每個人都認為諾伊斯的發明比較好，甚至技高一籌，它唯一需要的是一個市場。
04 登月
諾伊斯與摩爾創立快捷半導體三天後的晚上8點55分，關於「誰可能購買積體電路」這個問題的答案，正從他們的頭頂上飛過加州的夜空。蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星史普尼克（Sputnik），以18,000英里的時速從西向東環繞著地球運行。《舊金山紀事報》（SanFranciscoChronicle）的標題寫著「蘇聯的『月亮』繞著地球轉」，標題反映出美國人很擔心這顆衛星將為蘇聯帶來策略優勢。四年後，蘇聯繼史普尼克之後，再次震驚世界：太空人尤里．加加林（YuriGagarin）成為第一個進入太空的人類。蘇聯的太空計畫在全美引發了一場信任危機。掌控宇宙這件事，將會產生嚴重的軍事後果。美國一直以為自己是世上首屈一指的科學強國，但現在似乎已經落後。於是，美方為了追趕蘇聯的火箭與導彈計畫，啟動了一項應急方案。甘迺迪總統也宣布，美國將把人類送上月球。突然間，諾伊斯的積體電路找到了一個市場：火箭。諾伊斯晶片的第一個大訂單是來自美國太空總署（NASA）。1960年代的太空總署為了把太空人送上月球，擁有龐大的登月預算。隨著美國決心登月，太空總署委任麻省理工學院（MIT）儀控實驗室（InstrumentationLab）的工程師，為阿波羅太空船設計導引電腦（guidancecomputer），那台裝置肯定是有史以來最複雜的電腦之一。所有人都認同，電晶體電腦遠比二戰期間破解密碼及計算火炮軌跡的真空管電腦更好。但這些裝置真的能引導太空船登陸月球嗎？麻省理工學院的一名工程師計算，為了滿足阿波羅任務的需求，一台電腦需要像冰箱那麼大，而且耗電量比整個阿波羅太空船預計產生的電力還多。1959年，在基爾比發明積體電路僅一年後，麻省理工儀控實驗室收到了第一片由德儀生產的積體電路。儀控實驗室以1000美元的價格，買了64片這樣的晶片來測試，作為美國海軍導彈計畫的一部分。麻省理工的團隊最後並沒有在導彈中使用晶片，但他們覺得積體電路的概念很有意思。約莫同一時間，快捷半導體開始行銷其製造的Micrologic晶片。1962年1月，麻省理工學院的某工程師告訴同事：「你去大量採購那玩意兒，看那東西是不是真的。」快捷半導體是一家全新的公司，由一群沒什麼經驗的30歲工程師經營，但他們的晶片很可靠，而且交貨準時。1962年11月，負責麻省理工儀控實驗室的知名工程師查爾斯．斯塔克．德拉普爾（CharlesStarkDraper）決定把阿波羅計畫的命運押在快捷半導體的晶片上。根據他的計算，一台電腦使用諾伊斯的積體電路，體積與重量都比使用離散電晶體的電腦少三分之一，耗電量也比較少。最終，把阿波羅11號送上月球的電腦，重31公斤，占用約1立方英尺的空間，比賓州大學那台在二戰期間計算火炮軌跡的ENIAC電腦小了1000倍。麻省理工學院認為阿波羅導引電腦是其最自豪的成就之一，但諾伊斯知道他的晶片才是讓阿波羅電腦運轉的關鍵。1964年，諾伊斯吹噓道，阿波羅電腦的積體電路已運行1900萬個小時，其間僅故障兩次，其中一次故障是移動電腦所造成的外力損壞。賣晶片給阿波羅計畫，使快捷半導體從一家小型新創轉變為一家有上千名員工的公司。銷售額從1958年的50萬美元，飆升至兩年後的62100萬美元。隨著諾伊斯為太空總署增加產量，他也得以大幅削減賣給其他客戶的價格。1961年12月，一個積體電路的售價是120美元，翌年10月的價格已降至15美元。「太空總署相信積體電路可引導太空人登月」，這對公司來說是極重要的口碑。快捷半導體的Micrologic晶片不再是沒經過檢驗過的技術，而是用在最嚴酷、最惡劣的環境中：外太空。這對基爾比與德儀來說是個好消息，儘管他們的晶片在阿波羅計畫中只扮演很小的角色。在德儀的達拉斯總部，基爾比與德儀的總裁派特．海格底（PatHaggerty）正在為他們的積體電路尋找一個大客戶。海格底的父親是南達科他州一個小鎮的鐵路電信技師，受過電機工程師的訓練，二戰期間為美國海軍從事電子方面的工作。海格底自1951年加入德儀以來，就一直負責向軍方銷售電子系統。海格底憑直覺就明白，基爾比的積體電路最終可放入美國軍方所使用的每件電子產品中。海格底是有魅力的演說家，他向德儀的員工講述電子產品的未來時，一位資深員工記得他「就像救世主站在山頂上佈道一樣，彷彿能預測一切」。1960年代初期，隨著美國與蘇聯在爭奪分裂的柏林，以及古巴導彈危機期間，兩方都在核武問題上陷入僵局，美國國防部可說是海格底最好的客戶。就在基爾比發明積體電路幾個月後，海格底向國防部的人員介紹基爾比的發明。翌年，空軍航電設備實驗室（AirForceAvionicsLab）同意贊助德儀的晶片研究。隨後，德儀又接到幾份軍事設備的小合約。不過，海格底真正的目標是一舉吃下大訂單。1962年的秋季，空軍開始尋找一台新電腦來引導義勇兵二型導彈（MinutemanIImissile）。這種導彈的設計目的，是在打擊蘇聯以前，先把核彈頭發射到太空。當時，義勇兵一型導彈才剛服役，但因為太笨重了，從散布在美西各地的發射台根本打不到莫斯科。彈上的導引電腦是個龐然大物，採用離散電晶體，瞄準程式是透過帶孔的電子絕緣膠帶（Mylartape）輸入導引電腦。海格底向空軍承諾，使用基爾比積體電路的電腦，可用一半的重量執行兩倍的運算。他想像一台使用22種不同類型積體電路的電腦。他認為電腦95％的功能將由刻入矽的積體電路完成，這些積體電路的重達總計是2.2盎司（約62克）。剩下5％的電腦硬體重量是36磅（約16克），德儀工程師目前還不知道如何把剩下的部分放到晶片上。設計這台電腦的工程師鮑勃．尼斯（BobNease）談到決定使用積體電路時解釋：「這只是一個尺寸與重量的問題，當時真的選擇不多。」獲得義勇兵二型導彈的合約，一舉改變了德儀的晶片業務。德儀的積體電路以前的訂單是以幾十個為單位，但由於大家擔心美蘇之間的「導彈落差」，不久德儀的訂單變成以數千個為單位。一年內，德儀對空軍的出貨量占了目前為止購買晶片總支出的60％。到了1964年底，德儀已經為義勇兵導彈計畫提供了10萬個積體電路。到了1965年，當年出售的所有積體電路中，有20％流向義勇兵導彈計畫。海格底把出售晶片的重心押在軍方的賭注獲得了回報。唯一的問題是，德儀能不能學會量產晶片。
05 迫擊炮與量產
1958年9月1日，就在基爾比在實驗室裡摸索的那個關鍵的夏天將盡，傑伊．萊斯羅普（JayLathrop）把車開進停車場，正式到德州儀器上班。萊斯羅普和諾伊斯是麻省理工的同學，他從麻省理工畢業後，曾到一個隸屬美國政府的實驗室工作，設計一種近距引信（proximityfuse），讓81毫米的迫擊炮彈在目標的上方自動引爆。他原本也像快捷半導體的工程師一樣，為台面式電晶體苦惱，因為那種電晶體很難縮小。現有的製程需要在半導體材料的某些部分上放置特殊形狀的蠟球，然後使用特殊的化學物質清洗未覆蓋的部分。製造更小的電晶體需要更小的蠟球，但是要維持這些蠟球的正確形狀實在是困難重重。用顯微鏡觀察電晶體時，萊斯羅普和擔任其助手的化學家詹姆斯．納爾（JamesNall）有了一個想法：顯微鏡的鏡頭可以放大東西。如果他們把顯微鏡顛倒過來，鏡頭就可以縮小東西。他們能不能用鏡頭把一個大圖「印」到鍺上，藉此在鍺片上製作微型台面呢？相機公司柯達（Kodak）有賣一種叫做「光阻劑」（photoresists）的化學物質，這種物質在光照下會發生反應。萊斯羅普在一塊鍺片上塗了柯達的一種光阻劑，那種化學物質在光照下會消失。接著，他把顯微鏡顛倒過來，在鏡頭上蓋上一個圖案，讓光只能穿過一個矩形區域。光線照過圖案，透過鏡頭照出一個矩形。當光線聚焦到塗了光阻劑的鍺片時，顛倒的顯微鏡縮小了尺寸，讓光線創造出一個形狀完美的微小矩形圖案。光線照射到光阻劑時，化學結構發生變化，使光阻劑消失，留下一個微小的矩形洞，遠比任何蠟球還小，而且形狀更精確。不久，萊斯羅普發現，他也可以添加一層超薄的鋁層來連接鍺片與外部電源，藉此印出「電路」。萊斯羅普把這個流程稱為微影成像（photolithography），亦即光投影印刷技術。他製造的電晶體遠比之前的小，直徑僅0.1吋，高度僅0.0005吋。微影成像技術使量產微型電晶體變得有可能。萊斯羅普於1957年為這項技術申請了專利。後來在軍樂隊的伴奏下，軍方為他的研究頒給他一枚獎章與25000美元獎金，他用那筆錢為家人買了一輛NashRambler旅行車。海格底與基爾比立刻意識到，萊斯羅普的微影成像製程遠比軍方給他的25000美元獎金的價值更高。義勇兵二號導彈計畫需要成千上萬個積體電路，阿波羅太空船需要的更多。海格底與基爾比知道，光線與光阻劑可以解決量產問題，以手工焊接電線所辦不到的方式把晶片製造加以機械化及微型化。不過，在德儀落實萊斯羅普的微影成像技術，需要新的材料與新的製程。柯達光阻劑的純度不足以量產，因此德儀自己買了離心機，對柯達提供的化學物質再加工。萊斯羅普為了尋找「光罩」，搭火車跑遍了全美各地。這種光罩是用來把光影精確地投射在覆蓋著光阻劑的半導體材料上，以蝕刻電路。但跑遍全美各地後，他的結論是現有的光罩都不夠精準，所以德儀也決定自己生產光罩。基爾比的積體電路所需要的是超純矽，遠比任何公司銷售的還純。因此，德儀也開始生產自己的矽晶圓。一切都標準化以後，就可以量產了。通用汽車可以把完全相同的汽車零組件，裝配到所有的雪佛蘭汽車中。但是半導體不一樣，德州儀器這些公司並沒有工具可以判斷積體電路的所有元件的品質與狀態是否都一樣。化學物質裡有當時還無法檢測出來的雜質。溫度與壓力的變化會引發意想不到的化學反應。灰塵顆粒可能污染投射光線的光罩，一個雜質就可能毀掉整個製程。唯一的改進方法是反覆地試誤，所以德儀安排了數千次實驗，評估不同的溫度、化學組合、製程的影響。基爾比每週六都在德儀的走廊上走來走去檢查工程師的實驗。德儀的生產工程師瑪麗．安．波特（MaryAnnePotter）花了幾個月的時間做全天候的測試。波特是第一位從德州理工大學獲得物理學學位的女性，德儀雇用她來擴大義勇兵導彈的晶片生產。為了確保實驗按計畫進行，她經常上夜班，從晚上11點工作到早上8點。收集資料需要先花好幾天做實驗。接著，波特要對資料進行回歸分析，用計算尺來計算指數與平方根，然後把結果畫在圖表上再加以解讀——這一切都是手工完成。這是一個緩慢、費力又痛苦的過程，完全靠人腦來處理數字。然而，當時德儀除了試誤法，別無他法。張忠謀與萊思羅普在同年（1958年）加入德州儀器，他負責一條電晶體的生產線。此時距離他當年為了躲避不斷進擊的共軍而逃離上海，已過了近十年。他從上海逃到香港，接著遠走波士頓，錄取哈佛大學，成為哈佛大一新生中唯一的中國學生。他在哈佛讀了一年莎士比亞之後，開始擔心自己的職業前景。他回憶道：「那時華裔美國人開洗衣店，開餐館。1950年代初期，華裔美國人唯一可以認真寄望的中產階級職業，是走技術路線。」張忠謀認為，機械工程似乎比英國文學更穩當，便轉學到麻省理工學院就讀。畢業後，張忠謀先到大型電子公司喜萬年（Sylvania）任職，喜萬年在波士頓的郊外設有工廠，張忠謀負責提高喜萬年的製造「良率」（亦即電晶體可實際運作的比例）。張忠謀白天改善喜萬年的製程，晚上研讀蕭克利的《半導體中的電子與電洞》（ElectronsandHolesinSemiconductors），那本書是早期半導體電子學的聖經。在喜萬年三年後，張忠謀被德儀錄取，搬到德州達拉斯——他記得那裡是「牛仔之鄉」，是「一塊牛排95美分」的地方。他在德儀負責經營專為IBM電腦生產的一條電晶體生產線。他回憶道，那種電晶體很不穩，德儀的良率接近於零。幾乎所有產出的電晶體都有製造缺陷，導致電路短路或故障，而必須報廢。張忠謀是橋牌高手，他處理製程就像玩他最愛的紙牌遊戲一樣有條不紊。一加入德儀，他就開始系統化地調整不同化學物質結合時的溫度與壓力，判斷哪種組合的效果最好。他憑直覺處理資料的方式，令同事嘆服又敬畏。一位同事回憶道：「與他共事要很謹慎，他坐在那兒抽著菸斗，隔著煙霧盯著你。」為他工作的德州人認為他「像佛陀一樣」。煙霧的背後，是一顆無人能及的大腦。一位同事回憶道：「他對固態物理學瞭若指掌，足以凌駕任何人。」他也是出了名的嚴格上司，一位下屬回憶道：「張忠謀很會訓人，如果你沒有被他痛罵過，那不算待過德儀。」儘管如此，張忠謀的做法確實看到了成效。幾個月內，那條電晶體生產線的7良率大幅提升到25％。美國最大科技公司IBM的高階主管還8到達拉斯學習他的方法。不久，張忠謀就掌管了德儀的整個積體電路事業。諾伊斯與摩爾跟張忠謀的想法一樣，他們都認為只要能做到量產，晶片業的成長就沒有極限。諾伊斯與萊斯羅普是麻省理工學院的同學，兩人讀研究所時曾一起去爬新罕布夏州的山。諾伊斯得知萊斯羅普發明了一種可改變電晶體製造的技術，馬上聘請萊思羅普的實驗室夥伴納爾來快捷半導體開發微影成像。諾伊斯認為：「做不到這件事，公司就不用開了。」改進快捷半導體的製程，有賴像葛洛夫那樣的生產工程師。1956年，葛洛夫逃離匈牙利的共產政權，以難民的身份抵達紐約之後，靠自己努力進入柏克萊攻讀博士學位。1962年，他寫信到快捷半導體求職，但被告知以後再試，那封拒絕信寫道：「我們希望年輕人去其他公司應徵後，再來找我們面試。」葛洛夫回憶道，快捷半導體的拒絕信給人「高傲臭屁」的感覺，這也是後來矽谷給人的形象——狂妄傲慢。但隨著外界對快捷的半導體需求增加，快捷突然亟需化學工程師。快捷的主管打電話到柏克萊，請校方提供化學系最優秀的學生名單。葛洛夫在那份名單上名列前茅，因此被叫去帕羅奧圖與摩爾會面。葛洛夫回憶道：「我們倆一拍即合。」他於1963年加入快捷，餘生致力與諾伊斯及摩爾一起打造晶片業。發明電晶體的諾貝爾獎頒給了蕭克利、巴丁與布萊頓。基爾比後來因發明第一個積體電路而獲得諾貝爾獎。如果諾伊斯不是在62歲過世，他理當可以和基爾比分享那個獎項。這些發明非常重要，但是光靠科學還不足以建立晶片業。半導體的發展不僅要靠學術物理學，也要靠精巧的製造技術。麻省理工學院與史丹佛等大學在發展半導體識方面扮演關鍵要角，但晶片業之所以能夠崛起，是因為這些院校的畢業生花了數年的功夫去調整製程，做到量產。把貝爾實驗室的一項專利變成一個改變世界的產業，靠的不只是科學理論，也有賴工程學與直覺。一般普遍認為，蕭克利是他的世代中最卓越的理論物理學家之一。他最終放棄了追求財富及登上《華爾街日報》的夢想，在奠定電晶體的理論方面，貢獻卓著。但是真正把蕭克利的電晶體變成實用的產品（晶片），並將它賣給美國軍方，同時學習如何量產的，則是那八名拋棄蕭克利公司的叛逆工程師，以及德州儀器的另一群人。1960年代中期，掌握這些能力的快捷半導體與德儀，面臨著一項新的挑戰：如何把晶片轉變成大眾市場的產品。
06 「我 ― 要 ― 去 ― 賺 ― 大 ― 錢」
引導阿波羅太空船與義勇兵二號導彈的電腦，讓美國的積體電路產業就此起飛。到了1960年代中期，美國軍方在各種類型的武器中都嵌入晶片——從衛星到聲納、從魚雷到遙測系統，都有晶片的蹤跡。諾伊斯知道，軍事與太空專案對快捷半導體的早期成功非常重要。他在1965年時坦言，軍事與太空應用將會使用「今年生產的95％以上的積體電路」。但他心中一直認為晶片有一個更大的民用市場，儘管1960年代初期那種市場還不存在。他必須靠自己開創那個市場，這也表示他必須與軍方保持距離，好讓他能自己決定快捷半導體的優先要務，而不是聽命於國防部。諾伊斯拒絕了大多數的軍事研究合約，他估計，快捷半導體的研發預算中仰賴國防部的部分從未超過4％。諾伊斯自信地解釋：「世界上很少研究主管能夠勝任評估快捷半導體的工作，而且他們通常也不是職業軍官。」諾伊斯剛從研究所畢業時，在東岸的無線電製造商飛歌公司（Philco）工作。飛歌內部有一個很大的國防部門，他在那裡體驗過政府主導的研發。諾伊斯回憶道：「研究的方向是由能力較差的人決定。」他抱怨自己浪費時間為軍方撰寫進度報告。現在他經營著由信託基金的繼承人出資成立的快捷半導體，可以把軍方視為客戶，而不是老闆。所以他決定把快捷的研發大部分鎖定在大眾產品上，而不是軍事領域。他推斷，用於火箭或衛星的多數晶片，一定也有民用的用途。第一個為商業市場生產的積體電路是用於Zenith的助聽器，那最早是為太空總署的衛星設計的。挑戰在於如何製造出一般民眾買得起的晶片。軍方付得起高價，但消費者對價格很敏感。不過，最誘人的是，即使冷戰時期國防部的預算相當龐大，民用市場的規模仍遠遠超過了那時期的國防預算。「向政府推銷研發，就像把你的創投資金（或譯風險投資）存入儲蓄帳戶一樣。創投是冒險投資，要冒險才算投資。」在帕羅奧圖，快捷半導體的周遭都是為國防部供貨的公司，從航太到彈藥，從無線電到雷達，應有盡有。國防部雖然從快捷購買晶片，但他們比較願意與大型的官僚機構合作，而不是與靈活的新創企業合作。因此，國防部低估了快捷與其他半導體新創企業改變電子業的速度。1950年代末期，國防部的一份評估報告盛讚無線電巨擘RCA公司「正在進行一項最雄心勃勃的微型化專案」；同時輕蔑地指出，快捷半導體只有兩名科學家負責該公司的頂尖電路專案。國防部的報告也指出，國防承包商洛克希德馬丁公司（LockheedMartin）在帕羅奧圖有一個研究設施，光是微系統電子部門就有超過50位科學家，意指洛克希德馬丁公司遙遙領先。不過，快捷半導體的研發團隊在摩爾的指導下，不僅開發出新的技術，也開創了新的民用市場。1965年，《電子》（Electronics）雜誌邀請摩爾寫一篇有關積體電路未來的短文。他預測，至少在未來十年，快捷每年都會讓矽晶片上可容納的元件數增加一倍。照這種速度發展下去，到了1975年，積體電路內將會有6.5萬個微小的電晶體，不僅會創造出更強大的運算力，也降低了每個電晶體的價格。隨著成本的下降，用戶數將會增加。這種運算力呈指數級成長的預測，不久被稱為摩爾定律，可說是二十世紀最偉大的技術預言。摩爾意識到，如果每個晶片上的運算力持續呈指數級成長，積體電路為社會帶來的變革將遠遠超過火箭與雷達。1965年，國防資金仍然購買了當年72％的積體電路總產量。然而，軍方要求的功能，也適合商業應用。一份電子出版品主張：「微型化與堅固性，就是好生意。」國防承包商認為，晶片的主要作用是取代所有軍事系統中的老式電子元件。然而，在快捷半導體，諾伊斯與摩爾已經在夢想個人電腦與手機了。1960年代初期，國防部長勞勃．麥納馬拉（RobertMcNamara）為了削減成本而改革軍事採購，引發了電子業有些人所說的「麥納馬拉蕭條」（McNamaraDepression）。這時，反觀快捷半導體對民用晶片的願景，彷彿充滿了先見之明。快捷是第一家為民用客戶供應全系列現成積體電路的公司。此外，諾伊斯也大幅降低了價格，他預期大降價將大幅擴展晶片的民用市場。1960年代中期，快捷晶片的售價從以前的20美元降至2美元。有時，快捷甚至以低於生產成本的價格出售產品，希望說服更多的客戶來試用晶片。快捷因大幅降價，開始獲得民營企業的大合約。美國的電腦年銷量從1957年的1000台，成長到10年後的18700台。到了1960年代中期，幾乎所有的電腦都依賴積體電路。1966年，電腦公司Burroughs向快捷訂購了2000萬個晶片，是阿波羅計畫採用晶片量的二十幾倍。到了1968年，電腦業購買的晶片數已經跟軍方一樣多了。快捷晶片在電腦市場上的市占率是80％。諾伊斯的降價策略為民用電腦打開了新市場，將在未來數十年持續推動晶片的銷售。摩爾後來主張，諾伊斯的降價策略，跟快捷生產積體電路的技術是一樣重大的創新。到了1960年代末期，經過十年的發展，阿波羅11號終於準備好使用快捷驅動的導引電腦，把第一個人類送上月球。加州聖塔克拉拉谷（SantaClaraValley）的半導體工程師從太空競賽中獲益匪淺，因為太空競賽為他們提供了一個重要的早期客戶。然而，人類第一次登月時，矽谷工程師對國防與太空合約的依賴程度已經大幅降低。這時他們的注意力集中在民間，晶片市場正蓬勃發展。快捷半導體的成功已經促使幾位高階主管跳槽到製造晶片的競爭對手。創投資金正湧入那些專注於企業電腦、而非火箭的新創企業。然而，快捷仍由東岸的一位千萬富翁所擁有，他付給員工的薪水不錯，但拒絕發放股票選擇權，他認為發股票的概念是一種「悄然施行的社會主義」。最終，連快捷的共同創辦人諾伊斯也開始懷疑自己在快捷還有沒有前途。不久，每個人都開始找機會離開，原因顯而易見。除了新的科學發明與新的製程，這種賺大錢的能力可說是推動摩爾定律的根本動力。誠如一位快捷員工在離職問卷上填寫的離職理由：「我——要——去——賺——大——錢。」
▲ 1957年，諾伊斯（中）與一群人共創快捷半導體公司，目標是製造矽電晶體。圖中還有諾 伊斯的長期夥伴摩爾（最左）與克萊納（左三）。克萊納創立了美國最強大的創投公司凱 鵬華盈。（Wayne Miller/Magnum Photos）
▲ 現今的電腦與智慧型手機採用內有數十億個微型電晶體的晶片，那些電晶體是微小的電子 開關，可以藉由打開與關閉來代表資訊。因此，它們遠比美軍的ENIAC電腦還要強大。 ENIAC在1945年是最先進的裝置，但只包含18,000個「開關」。（Getty Images）
▲ 1958年，德儀的基爾比在一塊半導體材料上放了多個電子元件，打造出第一個「積體電 路」，或稱「晶片」。（Dallas Morning News）
▲ 諾伊斯意識到，推動晶片需求的是民用電腦市場，而不是軍用電腦市場。他積極地降價， 好讓晶片內建在民用電腦中，因此推動了產業的成長。（Ted Streshinsky/Getty Images）