一个计划，掀起芯片革命_播报

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：邵逸绮，题图来自：视觉中国

(资料图片)

1962年9月12日，就任一年多的约翰·费茨杰拉德·肯尼迪在莱斯大学发表了著名演讲《我们选择登月》，重申了他于1961年5月对国会提出的登月目标，号召全国，要在十年内把宇航员送上月球，并让他们安全返回地球。

“We choose to go to the moon.”

演讲台上的肯尼迪环顾全场，缓缓说出这句话，眼睛里映射出不止有一张张充满期待的年轻脸庞，还有那颗每晚抬眼可见却相距万里的灰色星球。

随着总统的一声令下，浩浩荡荡的阿波罗计划迅速展开，小到麻省理工的一把椅子，大到休斯顿发射中心的大火箭，工程师、教授、学生、工人……一切和航天有关的都要被动员起来，只为实现登月这个远大目标。

所有听众都在这场演讲中体会到了一种紧迫感，只因当时美国在航天项目上，已经遥遥落后于它在冷战中的最大对手——苏联。

1961年4月12日，苏联航天员尤里·阿列克谢耶维奇·加加林乘坐“东方1号”飞船，从拜科努尔发射场升空， 在轨道上绕地球一周，历时1小时48分，成为第一位进入宇宙空间的人类。

而美国“墨丘利计划”也即首次载人航天，要等到1961年5月25日，比苏联晚了整整一个多月，轨道航线时间只有短短的15分钟，所乘飞船的速度仅是苏联的四分之一。

对于政治经济科技军事均已达至顶峰的美国来说，这种落后无异于对纽约的自由女神像抽了一巴掌，而留下的印迹还永远烙在了脸上，加加林在欧洲乃至全世界都得到了人类英雄的待遇，而艾伦·谢泼德却只能在本国受到追捧，甚至连国际地位都受到了冲击。

肯尼迪的想法简单而又直接，既然美国无缘于首次载人航天，那就还以颜色，争取首次载人登月，苏联能够调动全国资源来做这样一件大事，经济上远胜苏联的美国没理由做不到。

而就在肯尼迪在德州发表演讲的同时，位于山景城的仙童半导体工程师们正通宵达旦，为第一个微电子集成电路系列做最后的修改润色；凑巧的是，麻省理工学院仪器实验室里，某个小组正准备向NASA（美国国家航空航天局）提交一份提案，想要在阿波罗制导计算机（AGC）上采用先进而又小巧的集成电路。

这是一场前人从未有过的冒险，而集成电路与阿波罗计划一样，注定会被载入史册。

不可能的任务

当NASA工程师看到肯尼迪夸下的海口时，内心一定是崩溃的，因为此时的美国，只是刚完成了一项送人上天的艰巨任务，所谓的登月计划还和白纸一样，需要一笔一划往里面填充，相关技术人员都知道，登月完全就是一场地狱难度的游戏。

NASA和总统都知道，心急吃不了热豆腐，虽然承诺要十年内登月，但路还是得一步一步走，一味求快并不是什么好事，为了实现宏伟的阿波罗计划，美国准备了多个配套计划。

首先要做的，当然是搞明白月球表面状况，也就是徘徊者号探测器计划。

徘徊者1号，图源：NASA

这里不得不说NASA确实点子背，计划从开始就没顺利过，从1961年8月开始到1962年10月，美国发射了5次探测器，几乎都以失败告终，直到1964年1月发射的徘徊者6号才在月面静海地区着陆，结果还因为摄像机出现故障，没能拍到照片。

好消息是，后面几次几乎都取得了成功：1964年7月，徘徊者7号发射成功，在月面云海着陆，拍摄到4308张月面特写照片。1965年2月徘徊者8号和3月的徘徊者9号，着陆成功并分别拍回7137张和5814张月面近景照片。

但这里需要注意的是，徘徊者都是硬着陆，就像是人类在地球上用力往月球上甩了一把石子，是直接撞击在月球之上的，血肉之躯的人类不可能这样降落到月球上。

而软着陆的勘测者号探测器计划随之展开，1966年5月，美国发射勘测者1号探测器，经过64小时的飞行，在月面风暴洋软着陆，向地面发回11150张月面照片，传回来的照片显示月球表面是平坦的，并且具有足够的强度支撑载人登陆飞船，

截至1968年1月，美国共发射了7个“勘察者”探测器，其中有5个成功在月球上软着陆，一个因修正航线时发生滚转而失败，另一个在着陆时神秘失踪。

此外，从1966年开始，美国还发射了5个月球轨道环行器，为阿波罗载人登月选择着陆地点提供探测数据，针对阿波罗的登月飞船的着陆场地进行筛选，确保登月的稳定性。

其实到这里为止，登月计划的前置准备工作已经完成了大半，剩下的就是送人上月球了，但最后一步的风险，比前面几年加起来还要大，这不是把大象装进冰箱需要几步的问题，地球和月球平均384401公里，是赤道的10倍，没有任何前人的经验可以遵循，出问题的几率几乎可以说是百分百，区别只是问题大小而已。

也难怪当时有人调侃阿波罗计划，是开着洗衣机横渡大西洋，人类在太空中，就是如此的渺小，即使是想要触碰到地球的卫星，都用尽了全身的力气。

事实上，大部分人在登月前的最后一刻，都是以一种看天方夜谭的态度来对待阿波罗计划，他们觉得这是根本不可能完成的任务，而直到今天，也有不少人质疑着登月的真实性。

不过，NASA已经顾及不上外界具体是怎么看待这项计划了，为了肯尼迪许下的十年期限，全美最顶尖的技术人才汇聚一堂，开始加速载人登月的进程。从1968年开始，美国连续发射了阿波罗7、8、9号三艘飞船，进行载人飞行试验，而1969年5月发射的阿波罗10号飞船还进行了登月全过程的演练飞行，绕月飞行31圈，两名宇航员乘登月舱下降到离月面15.2公里的高度，离登月只差临门一脚。

非常有趣的是，距离月面咫尺之遥的阿波罗10号登月舱，绰号是史努比，来自美国著名的《花生漫画》，而指令舱的绰号，就是史努比的主人——查理·布朗，在阿波罗10号完成任务后，这个广受大家喜爱的动漫形象就顺理成章地成为了NASA的吉祥物。

阿波罗10号登月舱，以及成为吉祥物的史努比，图：NASA

史努比最后留在了太空中，而阿波罗计划的真正乐章，即将响彻于月球。

集成电路闪耀时

事实上，1962年正式提出登月目标时，NASA就已着手去开发登月系统，他们很快发现，这个系统的开发难度高得吓人：它需要去控制一个13000公斤的宇宙飞船，以每小时3500公里的速度围绕月球运行，然后安全降落在指定地点的数米范围内，最后还得引导它从月面返回，与月球轨道上的指挥舰会合，另外，这个系统必须在第一时间发挥作用，且需要最大限度地减少燃料的消耗，因为登月舱的全部燃料只够一次着陆尝试。

而承载这个系统的硬件，还必须浓缩再浓缩，因为不论是登月舱还是指令舱，都塞满密密麻麻的元器件，没有多余的地方来容纳体积更大的硬件。

这项任务最终交给了麻省理工学院仪器实验室（MIT’s Instrumentation Laboratory），这所实验室位于一个能够俯瞰查尔斯河的旧内衣工厂，阿波罗工程师和程序员几张磨得发亮的金属桌上夜以继日的工作，墙上的黑板上写满了代码，长短不一的烟头散落在地板上，而打印出来的纸张垒了一堆又一堆，他们像一群勤奋的工蚁，在白色的蚁丘间忙碌着。

麻省理工学院仪器实验室并非岌岌无名，正是这间颇具传奇色彩的实验室在冷战中率先开发了搭载核弹头导弹的惯性制导系统，甚至还在20世纪50年代的后期计划将计算机化的探测器送往火星并使其安全返回，当时的美国也找不到比它更合适的选择了。

它创下了三个纪录：麻省理工学院获得的第一个大型合同、唯一一个授予大学的阿波罗项目合同、唯一一个没有经过竞标的阿波罗项目合同。

拿到合同的工程师并没有欢呼雀跃，他们遇到的第一个难题就是计算机，当时的载人航天已经用到了计算机，航天器通常会把位置发送给任务控制中心的IBM大型机，经过计算来规划下一步的路线和操作，但这台大型机的体积往往占据了一整间屋子，光是几十吨的重量就能消耗完运载火箭的绝大部分推力，即使是所谓的“微型计算机”，也和冰箱差不多大。

要知道登月所用的土星5号的月球轨道运载能力总共才45吨，每千克的重量都弥足珍贵，不太可能消耗在一大堆晶体管上面，肩负重任的实验室最终把目光投向了50年代末刚出现的集成电路。

1958年，杰克·基尔比（Jack Kilby）在德州仪器供职时，用业余时间鼓捣出了世界上的第一块集成电路，与当时流行的分立晶体管相比，集成电路不仅大幅缩小了体积、重量，还提高了电路性能和可靠性，由此开创了一个半导体的全新时代。

1960年，德州仪器开发出了第一块商用芯片TI 502，售价450美元，NASA第一时间注意到了这颗芯片，但对于航天领域来说，TI 502的性能有些羸弱，他们需要一个更优质的替代方案，在同样的体积里提供更强的性能和更快的运行速度。

德州仪器最终完成了NASA的要求，51系列集成电路就此诞生，该系列是一组基于电阻-电容-晶体管技术的六位数字逻辑电路，功耗更低，采用较小的扁平封装，这组今天看来再简单不过的电路，却为现代计算奠定了基础，同时还引入了“系列”这一术语。

在1963年的感恩节过后，NASA发射了探索者18号，这颗卫星本身并没有什么特别的地方，只是负责收集太空辐射的数据，但它对于集成电路来说却具有非同寻常的意义，因为卫星计算机的核心就是51系列的SN510和SN514，也是世界上第一个进入太空的集成电路。

既然德州仪器已经在NASA这里证明了自己，那么麻省理工学院仪器实验室似乎没理由不选择它，但让人感到意外的是，最后拿到登月合同的，却是德州仪器的对手——仙童半导体。

这里就不得不提到基尔比的发明中存在的局限性了，第一块集成电路中的晶体管依然需要通过引线键合，没有实质上解决分立晶体管的连接问题，由于是人工手搓出来的，量产起来并不容易，属于只可远观不可亵玩的PPT产品。

这时候群英荟萃的仙童半导体就出手了，困扰人们多年的晶体管连接问题，最终被鲍勃·诺伊斯（Bob Noyce）、吉恩·霍尔尼（Jean Hoerni）、杰·拉斯特（Jay Last）合力完美解决。

1959年，霍尔尼发明了平面工艺（Planner Process），通过在硅片上加上一层绝缘的氧化硅用打孔加入铝薄膜的方式，把已用硅扩散技术做好的器件连接起来。

同样是在1959年，诺伊斯构想了另一种集成电路的实现方式，在申请的专利说明中，他表示，通过把多种元件放在单一硅片上，再用平面工艺将它们连接起来，就可以大幅降低电路的尺寸、功耗及成本，与基尔比的方法类似但却更进一步，为真正的集成电路确定了发展方向。

用平面工艺制作集成电路的这个任务最终交给了拉斯特，1960年，他领导的项目组成功开发了硼扩散技术的p-n结电隔离方法，第一个采用平面工艺的集成电路就此诞生。

1961年秋季，仙童正式宣布推出自己的第一个集成电路产品系列Micrologic，其采用霍尔尼和拉斯特开发的电阻-晶体管逻辑（RTL）平面型工艺，最重要的是其中一个名为µL903的三输入或非门器件，它最终成为了阿波罗制导计算机的基本组成部分。

当麻省理工学院仪器实验室物色登月计算机的合适选择时，仙童恰好推出了可大量生产的平面工艺集成电路，就像雷云中的正电荷与负电荷相撞，迸发出了一道从加利福尼亚闪耀至佛罗里达的闪电。

升空，然后登月

1969年7月16日，阿波罗11号的三位宇航员走入飞船，他们内心忐忑，不知道这次发射最后的结果是什么，也许土星5号刚升空就会爆炸，也许无法按计划进入月球轨道，也许登月舱着陆失败……各种可能充斥在他们的脑袋中。

而地面上的麻省理工学院仪器实验室的工程师，也是一脸的忧虑，这将是他们研发数年的心血结晶，也是阿波罗制导计算机第一次真正派上用场，是骡子是马，终于要拉出来溜溜了。

时间倒流回1961年，虽然实验室想要用集成电路作为登月计算机的核心，但由于德州仪器在集成电路的量产速度上非常缓慢，包括NASA在内的许多人对仙童发布的集成电路并没有多大信心。

此时，负责硬件的物理学家埃尔顿-C-霍尔（Eldon C. Hall）向仙童下了100个产品的订单，准备用它们来组装一台电脑，结果仙童在几天内就完成了订单，大大超出了预期，展示了平面工艺下集成电路的魅力。

而这100个集成电路造出来的电脑虽然简陋，但计算速度却提升了2.5倍，同时还大幅缩小了体积，霍尔就拿着它去了NASA，成功说服了领导，正式确定集成电路在阿波罗制导计算机中的核心地位。

经过2年左右的设计验证后，麻省理工学院仪器实验室开始正式组装登月计算机，他们要将复杂的电子硬件（包括4100个IC封装、磁存储元件和数英里的布线）压缩到2立方英尺内，1964年8月，Block I诞生，随后用于多项航天任务，证明了自己的可靠性。

而NASA呢，顺势在1963年批准了下一代计算机Block II的开发，此时的仙童，已经设计开发出全新的毫瓦级微逻辑集成电路系列，功率只有三分之一，运行速度却与上一代相同，很快就成为了Block II中所采用的基础逻辑器件。

在实验室工程师的不懈努力下，一台比Block I更小、更快、能耗更低，同时提供更多计算能力的机器诞生了，1965年7月，实验室完成了Block II的最终设计并交付生产，这台计算机总共使用了2756个扁平封装的集成电路，包含5530个逻辑门，一共使用了16536个晶体管，却不过公文包大小。

Block II计算机

当阿波罗11号起飞时，所搭载的制导计算机正是两台Block II，一台放在指令舱，另一台在登月舱，它们把两位宇航员送上月面，再带领着他们返航，在一片黑暗的太空中，它们就像两盏明灯，照亮了这块前人从未踏足过的地域。

有NASA工程师估计，1962年至1967年，阿波罗计划采购了当时美国集成电路全部产能的60%，而两台Block II里的集成电路，就是好几家企业一整年的产能，仙童等半导体企业因航天的大宗采购而兴起，在60年代大放光彩。

事实上，阿波罗计划所带动的，远不止集成电路这一个产业。

登月计算机研发过程中，由于计算机远在太空，如果只按照固定逻辑运行，会难以应对各种突发情况，登月系统最终选择加入可编程的设计，让宇航员根据不同情况在键盘上进行操作，进而诞生了最早期的“软件”。

另外，当时的计算机还在采用穿孔纸带和磁带来存储数据，压根没办法应对恶劣的太空环境，而“电子式存储器”就此诞生：实验室先将大型机的代码转换为Block II可读的二进制编码，然后让一批纺织女工编织导线，当导线穿过磁芯是1，导线在磁芯外面是0，通过这种磁芯加线圈的方式，最早的电子存储器就此诞生。

诸如液冷服、气垫运动鞋、冷冻干燥食品、耐火材料、弹簧轮胎等产品，在阿波罗计划结束后不久，飞入了千家万户，开始造福每一个人类。

尾声

阿波罗制导计算机的性能其实并不强大，它所搭载的CPU计算能力和第一代个人计算机差不多，登月十年后苹果发布的Apple II，就已经追上了当时集全美国之力才研发出来的计算机，今天任何一部智能手机，都有Block II数千倍乃至数万倍的性能，当我们轻轻划过屏幕的瞬间，就已经动用了1969年阿波罗11号上机器的全部算力。

但如果没有这台计算机，世界的发展或许就会大幅放缓，没有NASA的大手笔采购，仙童和德州仪器或许就不会花更多时间去研发和改进集成电路，集成电路依旧会繁荣昌盛并成为今天不可或缺的一个产业，但时间上就会延后十年二十年，你能想象自己今天还在使用一台只能接打电话、收发短信的非智能手机吗？

1965年4月19日，《电子学》杂志（Electronics Magazine）第114页上，刊登了仙童工程师戈登·摩尔（Gordon Moore）撰写的文章《让集成电路填满更多的组件》，他在文中预言，半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。

这就是今天依然发挥着作用的摩尔定律，正是因为阿波罗计划带来一场独属于集成电路的际遇，摩尔才有底气大胆预测，并随后和诺伊斯一同创办了英特尔，在80年代带起一场个人电脑的革命。

登月计划拍下了无数张月球和太空的照片，留下了人类在月球上的足迹，还带回了几百千克的月岩标本，但它的真正财富，藏在了阿波罗11号着陆器舱壁后的金属盒子里，几千个集成电路，构建出了现代世界的蓝图。

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：邵逸绮