第6章 趣味发明(6)
一晃几年时间过去了，瓦特总结了过去维修纽科门蒸汽机的经验，找到了纽科门蒸汽机蒸汽消耗量大的根本原因，并做出了改进蒸汽机的设想和方案。他还做了大量的实验，研究了水蒸气的密度、压力和温度的关系，并着手进行改革纽科门蒸汽机的试验。
瓦特第一台改革的蒸汽机是在苏格兰制造的，但是没有成功。幸运的是，在伯明翰有个名叫马修·博尔顿的商人资助瓦特。不久，瓦特把家搬到伯明翰，在那儿他进一步改进了蒸汽机，终于获得了成功，造出了一台装有分离冷凝器、活塞用油润滑的单动式蒸汽机。
瓦特研制的蒸汽机的效率要比纽科门蒸汽机高，纽科门蒸汽机的热效率不到1%，每马力要消耗25千克煤，而瓦特蒸汽机热效率提高到3%，每马力只消耗煤43千克。
后来，博尔顿和瓦特合办了一个工厂，专门从事制造瓦特蒸汽机。1776年，有人前来订货购买瓦特蒸汽机。到1800年，他们这个工厂已经制造出蒸汽机173台。
瓦特并没有就此停步，他仍然不断地对蒸汽机进行改进。他发觉生产出来的蒸汽机中有93台用于纺织工业，有52台用于采矿业。他希望自己的蒸汽机最好没有什么特殊目的，而能适应一切工业部门的需要。他的老同事博尔顿也鼓励瓦特朝这个目标努力。
于是，瓦特独自又设计了一种新型的齿轮系统——“太阳与行星”，来代替原来的曲柄结构。以后瓦特又在汽缸上下工夫。1784年，瓦特的双功能发动机闻名于世。它运转平稳，动力又增大一倍。
从此，瓦特蒸汽机无敌于天下。这是人类开发和利用能源的具有划时代意义的进步，它拉开了人类生产机械化的序幕。
瓦特发明蒸汽机，并不像传说的那样，是偶然看到水壶盖被水汽顶起来后产生的想法，而是用自己的勤奋，让实践中的灵感开出了智慧之花，让闪光的理想结出了探索之果。
改变世界的发明
硅谷的崛起
提到电子计算机工业的发展，特别是半导体器件、集成电路、微处理器和微型计算机的问世，人们就会很自然地想到美国的“硅谷”，这是微电子工业的发祥地和中心，是近几十年为世人所瞩目的高科技发源地之一。
硅谷在哪里？硅谷位于美国加利福尼亚州，处于旧金山市和圣何塞市之间一块50千米长、16千米宽的狭长地带。在1950年时，那里还只是美国着名的杏梨之乡，以生产罐头和食品加工为主。它后来能成为高科技开发区，是与晶体管发明人之一肖克莱在这里的开发、研究工作密切相关的。
自从第一个晶体管问世以来，半导体工业以飞快的速度朝前发展，采用晶体管为元件的产品，包括计算机在内，层出不穷，而且它的体积越来越小巧，它的价格却由于可以批量生产而日益下降，半导体行业出现一片繁荣景象，而它的竞争也日益激烈。肖克莱作为晶体管的发明人之一，既十分了解晶体管的功能，又预见到它的发展前途未可限量，决定自己建立半导体公司。
1955年，肖克莱在自己的故乡加利福尼亚州的阿尔托建立起“肖克莱半导体公司”，公司聘用了一批精通半导体技术的科技人才，以便不断开发晶体管产品，改进晶体管的性能。当时肖克莱半导体公司在这里还是新出现的第一家半导体公司，可后来，聚集在肖克莱公司里的人才不断脱离肖克莱公司，在它的附近纷纷建立起自己的半导体公司，下面我们将要介绍的集成电路发明者之一的诺伊斯，他也是从肖克莱公司脱离出来后创建了自己的“仙童半导体公司”。
进入70年代以来，这里已集中了数以千计的微电子工业和其他高新技术企业，成为信息社会的先驱和范例。而这些企业的产品几乎都是用硅制作的半导体器件，因此人们把这一地区称为“硅谷”。而“硅谷”也以它发达的电子工业而驰名世界。
鉴于肖克莱在微电子学方面的贡献以及他率先开发硅谷的业绩，人们把他尊称为“硅谷之父”。
硅谷在发展中最有特色的，也是给它带来巨大财富的产品，当然首推集成电路。由于集成电路对微电子工业，特别是对人类信息产业的发展所产生的巨大影响，人们又把它称为改变世界面貌的发明。
相互独立的发明
集成电路的发明，是多项技术不断发展的综合结果。
最早提出制造半导体集成电路思想的，是从事雷达研究的英国科学家达默。他在1952年5月发表的一篇论文中提出：“由于现在晶体管的出现和半导体方面的研究成果，有可能制造单块形状的电子器件而省去连接线。这种器件由多层绝缘材料、通导材料、整流材料和放大材料构成，在各层中去掉某一部分就能使器件具有某种电功能。”
达默的上述设想很有意义，可惜他本人未能使之付诸实施。进入50年代以后，军事工业和宇航工业的迅速发展，迫切需要各种功能更强、能实现更加复杂功能的半导体器件，而且还希望这种器件越小巧越好。
在社会需要的刺激下，那些早期来到硅谷开创电子工业的一批年轻的微电子工程师们，很自然地把研究方向瞄准到上述目标上。他们设想把一些晶体管及一些元件在新的形式下组合成一种更复杂的线路，而不是简单地拼凑在一起，这种线路称为集成电路。从外形来看，它们就是小小的硅片，因此人们也把它们称为芯片。至今，在各种计算机、计算器及各种电器设备中处处都可以看到这种芯片。早在第二次世界大战期间，有人就已设法把油墨状的电阻材料和镀银金属片印在陶瓷基片上，做成电阻和连接线的组合体；而印刷电路工艺的发展和晶体管的发明，都为集成电路的发明做了必要的技术准备。
现在人们认为，世界上最早的集成电路，是1958年由美国物理学家基尔比和诺伊斯两人各自独立地研究发明的，为了认定这项发明的专利权，他们两人所属的公司之间曾为此引发了一场为时不短的争执，因此，回顾一下他们各自的发明过程，是很有意思的。
基尔比于1923年生于美国密苏里州杰斐逊市，1947年毕业于伊利诺大学，1950年在威斯康星大学获硕士学位。
1958年5月，基尔比进入得克萨斯仪器公司还只有3个月，他被安排去进行电子设备微型化的研究。当时电子设备应用了电子管，后来逐步使用晶体管，但体积庞大。
按照国防部的要求，基尔比的任务是研究如何通过采用较小的元件、更细密的接线，使电子设备体积缩小，更加紧凑灵巧。
在这一年夏天，当基尔比的同事都去度假时，他却在宁静的环境中，坐在办公桌前苦苦思索解决微型化问题的办法。他在想出新办法前，屡次碰壁，后来才想到，所需用的全部电路元件包括晶体管、电阻、电容在内，可以用同一种半导体材料制成；这些电路元件必须绝缘，因此能单独起作用，彼此没有干扰；而全部电路元件都焊接在半导体圆片的基片或附近，从而可以利用先进的半导体技术手段使电路相互连接，不必担心元件在连接的地方会出现短路。当时基尔比把这种电路称为固体电路(现在有人称为微型电路)。1958年9月，基尔比的第一个安置在半导体锗片上的电路——“相移振荡器”取得了成功。
诺伊斯于1927年出生于美国衣阿华州的一个小镇。他对现实世界充满了好奇心，在十二三岁时就同二哥先后制造过一架硕大的滑翔机，装配出一辆汽车。他在大学同时学习物理、数学两个专业，对晶体管及其应用也很感兴趣，在晶体管方面奠定了坚实的理论基础。在1949年考取博士研究生后，仍选修一些有助于晶体管基础研究的课程，而在学术活动中，又有机会见到晶体管领域着名的专家肖克莱等人。
诺伊斯在1953年取得博士学位后，宁愿到待遇低的小公司任职。他认为：“越是小地方，就越能得到多方面的锻炼，有利于发挥作用。这样既便于选择合适的课题进行研究，又能成为企业家。”
当1955年肖克莱在硅谷创建“肖克莱半导体公司”时，诺伊斯就是其中被聘请来的优秀科技人才之一。在肖克莱半导体实验室成立的第一年内，诺伊斯和他的同事们竭力鼓动肖克莱把研究重点转向硅晶体管，但肖克莱执意要搞四层二极管的研究。由于认识上的分歧，1957年，诺伊斯和公司的另外7名年轻人一起离开了肖克莱公司，自己成立了“仙童半导体公司”
，成为硅谷的第一家专门研制硅晶体管的公司。从这个意义上来说，诺伊斯早年想当企业家的愿望果真实现了。
当时，仙童公司在生产晶体管中首先使用一种“平面工艺”。主持技术工作的是赫尔尼，他是当时硅谷最有才干的科学家之一。他提出的平面工艺法，是通过各种措施把硅表面的氧化层尽量挤压，直到压成一张扁平的薄片为止，使器件的各电极在同一个平面上。因此，只要预先设计出晶体管的电极结构图，通过照相制版的方法，把它精缩成掩模板，就可使立体形状的晶体管制作成平面形状的晶体管。于是，结构无论怎样复杂和精密的晶体管，都可以用这种平面工艺压缩在一片小小的半导体硅片上。
平面工艺法的提出，使仙童公司科学家的思路豁然开朗，他们一下子看到了令人振奋的应用前景，他们意识到，不只是几个晶体管可以放置在一块硅片上，几十个、几百个甚至几百万个晶体管都可以放到一块硅片上。
平面工艺后来很快就应用到集成电路的制造上。仙童公司的科学家发现，运用照相平板印刷技术，可以在硅的表面上，把同样的晶体管按照一定的规律重复地排列，同时又使这些晶体管彼此相连。仙童公司的副经理诺伊斯与他人共同提出了制造集成电路的平面工艺法，并主持制造出世界上第一块用半导体硅制成的集成电路。
得克萨斯仪器公司的基尔比当然也认识到平面工艺法的重大价值。在诺伊斯之前半年就在制造“相移振荡器”时成功地实现了把电子线路安放在锗片上的设想。但诺伊斯制成的硅集成电路比基尔比的锗集成电路更实用，更容易生产。
当后来回忆自己在32岁发明集成电路的情况时，诺伊斯风趣地说：“我发明集成电路，那是因为我是一个‘懒汉’。当时曾考虑，用导线连接电子元件太费事，我希望越简单越好。”
而基尔比在得克萨斯仪器公司发明了后来称为集成电路的“固体电路”后，立即得到该公司负责人的重视，他们意识到这种新电子器件的重要性，并预计它将会得到广泛的应用，因此必须大力推广。
1959年2月，基尔比为他本人的“固体电路”申请了专利。不久之后，得克萨斯仪器公司宣布，他们已生产出一种比火柴头还小的半导体固体电路。而仙童公司的诺伊斯，虽然在此之前已使用平面工艺制造出半导体硅片集成电路，但并没有及时申请专利，直到1959年7月，诺伊斯才想到要去办专利申请手续，但时间已比基尔比晚了半年。
此后上述两家公司为集成电路的发明权长期争执不休，就是因为基尔比比诺伊斯申请专利的时间要早一些。基尔比先取得专利，但他的设计思想未能实现；而诺伊斯的平面工艺技术后来成为微电子革命的基础，但他却是在基尔比之后才申请专利的，更何况这一项技术在仙童公司并不是由他一人独自发现并加以完善的。
最后经法庭裁决，集成电路的发明专利权属于基尔比，而关键的有关集成电路的内部连接技术专利权属于诺伊斯。从1961年起，两人的专利使各自所在的公司都得到很大的经济效益，而他们两人也都因此成为国内外知名的发明家及微电子学的创始人，两人还一起获得美国科技人员最渴望得到的“巴伦坦奖章”。
发明家的感受
在集成电路发明20年后，基尔比回忆起他发明的这一段经历时说：“有时候，发明的念头就像灯泡亮起来一样，只是出现在一瞬间”，“我并不是一开始就知道某一项发明会有哪些用处的，在我生活中所经历过的一切，都使我确信，事物的发展总是有阶段性的。当你在寻找例证和建立基本原理时，是处于很模糊的阶段。然而它们之间的关系会在你的脑海中渗透，时间长短不一定，也许几天、几个月甚至几年，然后形成概念，得到启发，开始进行创造发明。”
基尔比接着说：“但是，关键的问题并不在于‘你能不能创造出来’，而是在于你是否能够使创造出来的东西的价格被人们乐意接受，可以说，工程学中包含着经济学。”
基尔比认为发明是一个循环的过程。发明家也许开始时先设想满足某种需求，然后寻找技术和设计工艺，以实现预定目标；也许早先已有现成的技术和设计工艺可用，发明家只要利用它们来开发新的用途就行了。
基尔比说：“无论是哪一种情况，都会出现一个重复交叉的过程，在需求、技术和设计之间，需要经过多次交替往复的考虑。直到你找到了自己认为是有用的东西，而且用现有的技术或经过开发的技术，把新发明的东西制造出来，最终以便宜的价格推销出去之后，你才能确定原先的设想是否真有价值。”
1966年，基尔比还研制出世界第一台袖珍计算器。
诺伊斯在谈到自己以往的经历时说：“我想，我只不过是在做我认为是最简单和最有趣的事。我推想这两点是相辅相成的，感兴趣的事容易做，容易做的事也容易使人感兴趣……正如老生常谈：‘你能做好你所喜欢做的事，你喜欢做的事就能做好。’”
在展望集成电路的发展前景时，诺伊斯说：“集成电路的发展，如果可能达到极限的话，技术至少要比现在复杂上千倍。按照目前的发展速度，我们还有20年的饭可吃。然而，科学技术发展的前提，不在于我们能不能做到，而是要看社会有没有这种需要。”
集成电路和后来大规模集成电路的出现，使各种设备实现了微型化，这对此后航空、通信、宇宙航行、家用电器的发展产生了深远的影响，对电子计算机的发展也产生了巨大的影响，可以说60年代以后技术出现的日新月异的变化，几乎都离不开集成电路。集成电路这一项发明确实使世界发生了天翻地覆的变化。把它称为改变世界的发明，是理所当然的。
在20世纪60年代的10年间，由于集成电路可以批量生产，产量增加了40倍，价格却不断下降，60年代初30美元一片的集成电路，到1970年就只值1美元了。
集成电路计算机时代