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集成电路之父Jack Kilby鲜为人知的故事

本文讲述了诺贝尔奖得主Jack Kilby花费了十年,尝试制造家用型太阳能系统,却以失败告终的经历。
作者:Cyrus C.M. Mody,Maastricht University科学与技术历史学家。
译者:孙薇

1958年夏,德州仪器(Texas Instruments,简称TI)的一名新晋雇员Jack St. Clair Kilby还没攒够假期,他独自在实验室里思考彼时的“数字暴政(tyranny of numbers)”问题:将极其大量的离散固态组件焊接起来的过程耗时且存在缺陷。短短几周之内,Kilby得出了解决方案——使用集成电路。正是这项革命性的发明(在同时期Robert Noyce也发明了集成电路,法院判定两者的专利均有效)开启了现代微电子学领域,以及超过半个世纪振聋发聩的科技发展进程。

Kilby的集成电路让TI公司在冷战大多时间中一直占据着芯片制造商的领先位置,而且多年来,TI一直与Kilby紧密合作,通过他的发明来加强TI在高科技创新方面的名誉。因此很少有人发觉,Kilby在TI担任全职员工的时间仅有12年——1970年,他离开了TI公司,继而成为一名顾问兼独立发明家。

离开TI之后,Kilby做了大量发明,但都是为了一个项目——一个可持续发电的家用太阳能燃料电池系统。Kilby对自己的想法寄予厚望,他相信这是一项具有革命性、可以改变社会的发明,就如集成电路那样,因此他投入了十几年来研究这个项目。但让Kilby极其失望的是:他的技术没能流行起来。人们对Kilby的集成电路印象更为深刻,但我们不应忘记他在另一项同样重要且具有挑战性的技术上所作出的贡献。

在Kilby离开TI后,由于TI继续给予他大量的支持,他也投桃报李,在各种国家委员会中代表TI公司出席,并按月向TI发送关于行业发展和自己项目的报告。官面上,TI对于给Kilby的发明颁发许可证有优先取舍权;私下而言,他也时常拜访TI公司,并受到大家的欢迎。

离开TI公司之后,Kilby拥有了时间和自主权,得以成为优秀的美国发明家。事实上,在20世纪70年代,他也的确提交了一连串的专利申请,虽然无论在创造性或者商业价值方面,这些发明没有一项能与集成电路,甚至与他离开TI前在手持计算机方面的成就相媲美。

在成为独立发明家之后的头些年里,Kilby发明了可靠的手电筒、防止偷窃的收银机以及电子支票打印机,还在个性化、交互式电子教学机器发明中投入了大量的时间、精力与金钱。尽管他曾向许多公司兜售这些发明,包括McGraw-Hill、Sony、Westinghouse、Xerox、TI等,但没人愿意将这些想法商业化。有趣的是,无论在美观、操作与目标上,他的设备都与TI公司后来异常成功的产品——帮助儿童学习拼音与发音的益智玩具“Speak & Spell”非常相似。但“Speak & Spell”在数字信号处理以及电子语音合成方面开辟了新天地,而Kilby的机器则没能做到。

Kilby对高等教育也很感兴趣。20世纪70年代,他曾与德州农工大学(Texas A&M University)以及就职于Clemson University的前TI员工Jay Lathrop一同合作,开发了为本科生学习集成电路设计与制造实践的新方法。

然而1973年底,Kilby与Lathrop突然不再讨论教学大纲、教科书与课程需求之类的问题了,阿拉伯石油输出国组织发布了出口禁令,油价飙升的话题占据了各种头条,Kilby向Lathrop提议,思考一下如何应用硅电技术,减少世界经济对石油的依赖。此时,美国不仅使用石油来供暖、提炼汽油,还在发电上大量应用。Lathrop欣然同意,为了实现想法,他们表现出了非凡的创造精神,两人都投入了新领域,并进行了大量学习,最终成为了该领域的专家——包括物理学、化学、太阳能经济学等。

没过多久,他们获得了第三位合作者,来自德州农工大学的W. Arthur Porter,他对住宅用的太阳能系统有一个大致思路。在他们讨论的大多配置中,这个系统的核心在于一组很浅的管道,其中被液体溴化氢部分填满,每个管道底部都嵌有包裹在透明矩阵中、数千枚BB弹大小的硅球,太阳能光子会撞击这些硅球,让电子脱出,形成电势,并让周围的液体分离成为氢气和液溴。这些成分会被抽离并分别存储起来,直到需要电力的时候再重新结合成为燃料电池,循环到管道中。

在石油出口禁令后转向太阳能发电的路上,Kilby、Lathrop和Porter并不孤独。20世纪70年代,太阳能的使用出现了爆发式的增长。从1974年到1979年,美国联邦用于可再生能源开发的资金从每年3200万美元增长到13.6亿美元。私营企业的利益反映了这种增长趋势。到1976年,根据《太阳能工程杂志》的报道,有88家太阳能相关的公司在纽约证交所上市,这些大型公司分别由小型公司、学术研究室和业余爱好者组成。在20世纪70年代,石油、电子与军工企业都与太阳能牵涉颇深,而身兼油田仪器公司、半导体生产商与国防供应商的TI公司,在这三个行业都有很深的根基。

Kilby的系统与大多其它的太阳能技术有所不同,它回答了这个亘古疑问:当太阳不发光时,我们该怎么办?由于这个系统会将化学物质分开存储,再按需结合,因此我们可以暂时将太阳光子撞击的瞬间与系统发电的瞬间独立开来。Kilby等人也相信,在制造工艺上他们的系统会比其它基于硅的太阳能发电方案要简单得多。

图1  硅电池:太阳能发电的核心——Kilby及其同事所研究的太阳能发电系统,其核心由镶嵌在半透明材料中的小块硅晶体组成。

图1 硅电池:太阳能发电的核心——Kilby及其同事研究的太阳能发电系统,核心由镶嵌在半透明材料中的小块硅晶体组成。”

彼时,制造光电池所需的大型单晶硅薄片非常困难,也很昂贵。但Kilby的液体燃料系统使用了对品质要求不高的硅丸,这些小球可以通过18世纪末期制造子弹的方式获得。这个技术非常简单:将融化的铅(或者硅)从制弹塔(shot tower)顶端倾入,所形成球状的液滴在滴落时冷却成型。

1975年春,Kilby已经做好准备向TI公司提出这个理念。这次,他获得了积极的回应。TI公司同意为Kilby、Lathrop和Porter的发明向美国专利办公室和数十个其它国家的专利办公室申请专利。TI公司还为Kilby等人提供了大量研究资金,并组成了自己的开发团队来协助这个被命名为Project Illinois的项目,但他们并不打算将这个项目公诸于世——这样一来,Kilby就可以利用自己的名义参加太阳能会议,与联邦资助机构交流,而无需透露他与TI的关系。

TI谨慎的原因之一在于,这个项目是一项未经检验的技术,存在着重大风险,这个系统的效果如何还不得而知。此外,氢溴化物的毒性和腐蚀性都很强,屋主不大可能将这种化学物质大量存放在屋顶上。另外,系统的关键组成之一就是燃料电池,这是一项众所周知的精细技术。
图2是基于TI公司一份报告中的草图所作,显示了TI太阳能系统可能的供热、供给热水和电能方式。发电时,太阳能电池会将溴化氢(HBr)分解成为氢气(H2)和液溴(Br2)。系统将氢气单另存储起来,待需要的时候再与液溴结合进行发电。

图2  闭循环太阳能转换系统

图2 闭循环太阳能转换系统

然而,这个项目中还存在一个更基本的问题,就是商业模式的问题。TI公司的首要需求是将这个系统以高价卖给富裕的屋主,在产生足够的收入的同时,也收集足够的相关知识和经济利益,然后将产品推广至中产阶级家庭。

但很难想象高端用户会愿意在屋顶上安装昂贵且不怎么美观的太阳能面板,要是有投资机构愿意资助这项技术的开发,或有公司愿意提供垄断市场来降低开发成本,情况就好得多了。当然,的确有符合要求的机构存在,那就是美国政府。事实上,在TI公司的集成电路项目中,美国军方在开发和商业化环节都提供了很大帮助。1973年,尼克松总统宣布了《能源独立计划》,这是一个能源界的“阿波罗项目”,旨在帮助美国在1980年之前实现能源自给自足。TI公司的管理者认为,他们能在政府中找到愿意帮助公司将太阳能推广给大众的合伙人。

TI公司的管理者与Kilby开始拜访政府中的熟人,看是否能找到人愿意协助该项目,答案就是新成立的能源部(DOE)。在1978年1月,在经过数年小规模的研发之后,新近参与到美国国防部先进研究项目局(DARPA)领导工作中的TI公司副总裁George Heilmeier与DOE的能源研究主管John Deutch就Project Illinois进行了讨论。根据会议纪要,由于DOE在太阳能方面的经验有限,Deutch表示愿意资助该项目。之后不久,TI公司与DOE签订了协议,在四年中分摊1800万美元的成本耗资,以加速该项目的开发,这个项目更常用的名称是德州仪器太阳能系统(TISES)。有了资助之后,Kilby等人构建起了原型系统,提高了太阳能发电转换过程的效率,增加了燃料电池的容量,并延长了各个组件的寿命。

但Kilby和TI公司仍旧面临发掘市场和用户的尴尬局面,他们非常乐观,因为联邦政府以及一些州已经开始为安装该太阳能设施的住户提供税收减免政策,但这里他们犯了一些致命的错误。

从Project Illinois项目的最开始,TI公司就是从军队借鉴研发模板的,在工业上非常复杂。Kilby等人所依赖的关系网可以在军方与其供应商之间自由来去。TI公司强调,他们与DOE的合约包含知识产权,而Deutch明确认定TI公司会采用DARPA所喜爱的高风险、高回报的资助方式。TI公司甚至尝试通过核战游戏技术为TISES的开发计算出策略。借鉴军事实践是有效的,TI公司在这方面有大量的经验,此外,TI公司在集成电路上的成功也显示了他们能够借鉴军事产品来创造大型的民用市场。

但这种方法有一个负面影响,他们不愿意信任除军方之外的太阳能专家,尽管按照Deutch的说法,DOE实际上在太阳能方面还是有很多人才的。事实上,DOE有整个一所太阳能研究机构。但Kilby等人并没有重视这些专家的意见,甚至曾在1980年大选后,在回复里根总统过渡团队的信函中表示,DOE中太阳能项目相关的专家都可以撤掉了。

反之,Kilby转向军方寻求帮助,但军方不大可能对这个项目提供支持。此时,美国国家安全机构对未来能源的构想是核能,而不是太阳能。在Kilby的论文中,并没有痕迹透露他曾考虑与那些核能的反对者、太阳能的支持者合作,但这些支持者或许能给TISES提供诸如环境等社会舆论的支持。Kilby和TI公司对外的说法是在声称TISES对经济与国家安全有益处,在中东形式混乱,油价高居不下时,这种说法还是很有说服力的。但到了1980年,油价开始下跌。很快,里根政府收回了对太阳能的政府支持,在20世纪80年代的新政策和经济环境下,TISES的前景堪忧。到1982年末1983年初的时候,这个项目被判了死缓——TI公司表示会停止对该项目的资助,但若能找到合伙人的话,也会继续该项目的研发。

图3  TISES原型

图3 TISES原型

TI公司的决定是出于两方面的考虑,一是该公司刚刚转型失败,没能跻身领先的个人电脑制造商行列,决定重新着眼于擅长的行业;二是上级管理层对风险极高的新市场表示不满,成本预测也显示TISES过于庞大、难以消化,过去十年中在这个项目上的投资几乎都是纯消耗。

Kilby还没准备放弃,在之后的9个多月中,他们努力寻找潜在的合伙人,包括石油化工公司、电力公司和设备供应商、建筑材料公司甚至烟草公司等等,但时机太差了,RCA之类的其他微电子公司都在以超低的价格向石油公司兜售自己的太阳能分公司,Kilby等人找不到TISES的合作伙伴。1983年9月,TI公司耗尽了耐心,也耗尽了资金,最终TISES项目被取消了。

Kilby完全崩溃了。根据Kilby的朋友和传记作家所述,TISES项目的取消刚好是在他母亲和妻子去世之后不久,这给了他非常沉重的打击。他在笔记本上记录的与太阳能项目相关的发明完全停止,再也没有启动过。之后Project Illinois就消失了,如今几乎已经被遗忘。但其背后的基础理念仍旧时不时显现。

在20世纪80年代,有很多太阳能项目被取消,但如果经过进一步发展,在今天或许会焕发出新的竞争力。特别是在美国,长期的高科技项目通常会经历萧条期和兴旺期,那些幸存下来的项目都拥有长期的愿景和投资。但Kilby和TI公司对于该项目的论点是建立在经济环境上的,油价下跌自然就会打破这个说法,而美国国家安全社区更愿意接受核能。类似环境保护或者能源多样化之类这样的更长期愿景或许会更有吸引力,让公众和私人对项目投资,从而带动项目虽迟缓却稳定的发展。

图4  小型硅球:太阳能系统中硅球的大小也在变化,图中的硅球直径大约有25微米

图4 小型硅球:太阳能系统中硅球的大小也在变化,图中的硅球直径大约有25微米

如今太阳能的前景比1983年看起来要好得多:太阳能电池的利用率更高了,成本也更低了。大众在普遍担忧可持续发展和气候变化的问题,因此,历史不会重演,太阳能的未来前景一片光明。但我们可以借鉴Kilby的失败经历,在长期内做出最好的规划——无论太阳能的短期规划是充满光明还是一片雾霾。

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