美国80年代芯片设计业如何起步，以及DARPA的催化作用丨书摘

【编者按】20世纪80年代，在激烈的芯片战争中，日本作为当时全世界70%的光刻设备的提供者占据上风。如果这一趋势持续下去，那么今天的芯片行业格局将是完全不同的另一副图景。但现实是，用不了多少年，美国芯片行业就实现了“意外的逆转”，重获新生。美国塔夫茨大学教授克里斯·米勒（Chris Miller）在《芯片战争》一书中再现了这一过程，这是个有关英雄企业家和“创造性破坏”的故事，但也离不开政府恰如其分的“介入”。
以下摘自该书第24章节。已获出版社授权。

在日本DRAM芯片的冲击下，美国芯片产业的重生只能归功于安迪·格鲁夫的偏执狂性格、杰瑞·桑德斯的赤膊上阵以及杰克·辛普劳的牛仔竞争力。硅谷的雄性激素和股票期权助长着竞争，这往往不像教科书中描述的枯燥无味的经济学，而更像达尔文式的适者生存的斗争，因而也导致许多公司倒闭和财富流失，以及数以万计的员工下岗。像英特尔和美光这样的公司之所以能幸存下来，与其说是因为它们的工程技能，不如说是因为它们有能力利用技术在无情的竞争激烈的行业中赚钱。

但硅谷的复兴不仅仅是英雄企业家和创造性破坏的故事。随着这些新工业巨头的崛起，一批新的科学家和工程师正准备在芯片制造领域实现飞跃，并设计出使用“处理能力”的革命性新方法。硅谷芯片行业的许多进步是与政府的努力相辅相成的，这通常不是因为美国国会或白宫的大手笔，而是美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）这类小型灵活组织的工作，这些组织有权在未来技术上下大赌注，并建设所需的教育和研发基础设施。

来自日本DRAM芯片高质量、低成本的竞争，并不是硅谷在20世纪80年代面临的唯一问题。戈登·摩尔著名的定律预测了每个芯片上晶体管数量的指数级增长，但这个梦想越来越难以实现。20世纪70年代后期，许多集成电路都是采用与英特尔的费德里科·法金（Federico Faggin）生产第一台微处理器相同的工艺来设计的。1971年，法金花了半年时间蹲在绘图桌上，首先用英特尔当时最先进的工具——直尺和彩色铅笔——勾勒出设计草图；然后用小刀将这个图案刻在红膜上；再用一个特殊的相机，将红膜上的图案转移到一个镀铬的玻璃板上，制成完美复制了图案的光刻版；最后，光线穿过掩模和一组透镜，在硅晶圆上投射出图案的微小版本。经过几个月的素描和雕刻，法金制造了一个芯片。

问题是，虽然铅笔和镊子对于一个有1000个元件的集成电路来说是足够的，但一个拥有100万个晶体管的芯片需要更复杂的工具。卡弗·米德是摩尔的朋友，是一位留着山羊胡的物理学家。当被介绍与施乐（Xerox）帕洛阿尔托研究中心的计算机架构师琳·康维（Lynn Conway）相识时，他正为这个问题伤脑筋。

康维不仅是一位杰出的计算机科学家，任何与她交谈的人都会发现，她的头脑中还闪耀着来自不同领域的见解，从天文学到人类学，再到历史、哲学。3康维于1973年以她所谓的“隐形模式”来到施乐。1968年，她在经历性别转变后被IBM解雇。她惊讶地发现，硅谷的芯片制造商更像艺术家，而不是工程师。芯片制造商既有高科技工具，又有简简单单的镊子。芯片制造商在每一块硅上都制作了极其复杂的图案，他们的设计方法类似于中世纪工匠的方法。每家公司的制造厂都有一套冗长、复杂的专门说明，用于说明如果要在特定的工厂生产芯片，必须如何设计。作为一名计算机架构师，康维学会了按照标准化的指令来思考，而任何计算机程序都是基于标准化指令来构建的，她发现目前业内的做法奇怪地倒退了。

康维意识到，米德预言的数字革命需要严格的算法。在她和米德被一位共同的同事介绍认识后，他们开始讨论如何将芯片设计标准化。他们想知道，为什么不能通过给机器编程来设计电路。米德宣称：“一旦你可以编写一个程序来做某事，不再需要任何人的工具包，你就可以自己编程。”

康维和米德最终起草了一套数学“设计规则”，为通过编写计算机程序而进行自动化芯片设计铺平了道路。使用康维和米德的方法，设计者不必勾画出每个晶体管的位置，但可以从“可互换部件”库中提取，从而使得电路设计变得可能。米德喜欢把自己想象成约翰内斯·古腾堡（Johannes Gutenberg），古腾堡的图书生产机械化让作家专注于写作，使印刷厂专注于印刷。康维很快被麻省理工学院邀请教授一门关于芯片设计方法的课程。她的每个学生都设计了自己的芯片，然后将芯片设计资料送到制造工厂进行制造。六周后，她从未踏进过晶圆厂的学生，在邮件中收到了功能齐全的芯片。“古腾堡时刻”已经到来。

没有人比五角大楼对这场很快被称为“米德-康维革命”的事件更感兴趣。DARPA资助了一个项目，让大学研究人员将芯片设计资料发送到尖端晶圆厂生产。DARPA在资助未来武器系统方面享有盛誉，而在半导体方面，DARPA同样重视建设教育基础设施，从而使美国拥有充足的芯片设计师。DARPA还帮助大学获得先进的计算机，并与行业领袖和学者喝着葡萄酒讨论学术问题。DARPA认为，帮助公司和教授保持摩尔定律的活力，对美国的军事优势至关重要。

芯片行业还资助了大学芯片设计技术研究，成立了SRC（半导体研究公司），向卡内基梅隆大学和加州大学伯克利分校等大学发放研究补助金。20世纪80年代，这两所大学的一些学生和教师创办了一系列创业公司，为半导体设计创造了前所未有的新行业软件工具。如今，每一家芯片公司都使用三家芯片设计软件公司的工具，这三家公司都是由DARPA和SRC资助项目的校友创办和建立的。

DARPA还支持研究者研究第二组挑战：为芯片不断增长的处理能力找到新的用途。无线通信专家欧文·雅各布斯（Irwin Jacobs）就是其中的一位研究者。雅各布斯出生于马萨诸塞州的一个餐馆老板家庭。在爱上电气工程专业之前，他计划跟随父母进入酒店业。20世纪50年代，他一直在摆弄真空管和IBM计算器。在麻省理工学院攻读硕士学位时，雅各布斯学习了天线和电磁理论，并决定将研究重点放在信息理论上——研究信息如何存储和传播。

几十年来，无线通信的需求在不断增长，但频谱空间有限。如果你想要一个99.5MHz的调频电台，那么你必须确保99.7MHz没有被占用，否则干扰会让你无法通信。同样的原则也适用于其他形式的无线电通信。给定频谱中的信息越多，建筑物上反射的混乱信号产生的误差冗余空间就越小，当这些空中信号向无线电接收器传播时，它们相互干扰。

1967年，雅各布斯在加州大学圣地亚哥分校的老同事安德鲁·维特比（Andrew Viterbi）设计了一种复杂的算法，用于解码在杂乱的电波中传播的数字信号。这被科学家誉为一个优秀的理论，但维特比的算法似乎很难在实践中应用。认为普通的无线电有能力运行复杂算法的想法，似乎是不可信的。

1971年，雅各布斯飞往佛罗里达州圣彼得堡，参加一个研究传播理论的学术会议。许多教授闷闷不乐地得出结论，他们将数据编码塞进无线电波的学术子领域已经达到了实际上的极限。无线电频谱只能容纳有限数量的信号，否则就无法对其进行分类和解码。维特比的算法提供了一种将更多数据打包到同一无线电频谱中的理论方法，但没人拥有大规模应用这些算法的计算能力。在空中传送数据的想法似乎遇到了障碍。一位教授宣称：“编码已死。”

雅各布斯完全不同意这个观点。他从后排站起来，高举着一个小芯片，宣称:“这就是未来。”雅各布斯意识到，芯片的进步如此之大，以至它们很快就能在同一频谱空同中编码更多数量级的数据。因为每平方英寸硅上的晶体管数量呈指数级增长，所以通过无线电发送的数据量也即将飞跃。

雅各布斯、维特比和几位同事成立了一家名为高通（Qualcomm）——意为高质量通信（quality communications）——的无线通信公司,他相信越来越强大的微处理器可以让他们在现有的频谱带宽中填充更的信号。雅各布斯最初赢得了DARPA和NASA建造太空通信系统的合同。20世纪80年代末，高通进入民用市场，为卡车行业推出了一套卫星通信系统。但即使到了20世纪90年代初，使用芯片在空中传送量数据似乎也只是一项专营市场业务。

对于雅各布斯这样一位由教授转为企业家的人来说，DARPA的资金和美国国防部的合同，对于维持其创业公司的运营至关重要。但只有一些政府项目奏效。例如，Sematech拯救美国光刻技术领导者的努力是一次惨败。美国政府的努力之所以有效，并不是因为美国政府图挽救失败的公司，而是因为美国政府利用了美国已有的优势，提供资金让研究人员将聪明的想法转化为原型产品。如果美国国会议员得知DARPA这样一个国防机构在资助计算机科学的教授们进行芯片设计理论研究，那么他们肯定会大发雷霆。但正是这样的努力缩小了晶体管尺寸，发现了半导体的新用途，促使新客户购买晶体管，并为下一代小的晶体管提供资金。在半导体设计方面，世界上没有哪个国家能拥有更好的创新生态。当康维在20世纪70年代初来到硅谷时，人们无这想象会有一个拥有100万个晶体管的芯片。居然这在20世纪80年末成为现实，当时英特尔宣布推出了486微处理器，这是一块装有1万个微型晶体管的小硅片。