我们常常觉得,发明就是灵感一闪而过的产物。经常提到的例子就是阿基米德。他老人家在家中洗澡的时候,一脚迈进了浴缸,缸里的水就溢出来。看着水哗哗流出来,阿基米蒂猛地想到了浮力作用,高声喊出“我找到了!”一念之间,物理学的根本定律就乖乖地划归他名下。
所以,我们就顺理成章地认为,发明家会及时捕捉瞬间的灵感,将令人震惊的发现转变为新的产品。大量这样的产品迅速地改变了世界。一切都源于简单的创意。这就是让世界天翻地覆的神话,书写这神话的就是我们至今津津乐道的创新英雄。
但这只是有些一厢情愿的故事。事实上,现代发明与创新几乎和大家众口相传的创新神话毫无关系。只要仔细观察,就会发现,许多获奖无数的发明都是在原有发明的基础上再发明、再创造。
如果没有其他科学家与工程师的探索研究,大多数科学发现都永远不会成功地转化为造福人类的产品。如果将推出一项重大发明的创新英雄比作孩子,他们的父母——那些最初提出独到创见的人可能永远不为大众所知。
不妨回顾下当代电子产品的发展之路,从中就可以见证多少默默无闻的科研先驱怎样托起了乔布斯这样的创新英雄。
当代电子产品的诞生
现代的电子产品都需要转化电子信号,并且扩大功率和电压。而在20世纪初,电子产品都采用电子管,不能很好地实现这两种功能。
1925年,当时名不见经传的一位物理学家朱利叶斯·李利菲尔德提出了场效应这一概念。此后他申请了专利。20年后,当贝尔电话实验室想为自己的晶体管研究负责人肖克莱申请专利时才发现李利菲尔德与肖克莱的构思相同,只是前者因技术细节问题未能付诸实施。
1947年,约翰·巴丁和瓦尔特·布拉顿用锗晶体做晶体管材料,提高了功率和电压。但这种触点式晶体管没有成为现代电子产品的真正动力。直至 1948年,肖克莱制造出场效应晶体管,电子管才被彻底代替。虽然,肖克莱因发明晶体管与同事巴丁和布拉顿共享1956年的诺贝尔物理学奖,但贝尔实验室如今也承认:很显然我们没有发明晶体管,(肖克莱)他们重新发明了它。
锗没有成为现代电子产品的基本材料,这并没有挫伤研究人员改善耗材的积极性。他们找到了硅。硅在地球上的储量大约是锗的1.5万倍。
硅怎样改变一切
别以为硅就这样轻易地大行其道。在此之前,又有一项重要的发明问世。
硅作为半导体材料需要很高的纯度,然后才能掺加微量杂质,改变半导体的传导性。这就需要改善硅提纯的方法,通常要达到99.9999%的纯度。而为了降低硅片的生产成本,硅片上的硅晶体必须比较大。这又需要有生成大面积晶体的好方法。
生产半导体适用的硅说来也有一段故事。1918年,波兰冶金学家扬·恰克拉斯基发现了将多晶体物质转化为单晶体的方法。50年代初期,贝尔实验室的戈登·蒂尔和恩斯特·布勒制定了培育大晶体的流程。不久,蒂尔就成为跨国半导体公司德克萨斯仪器研发部负责人。
1954年5月,蒂尔在全美无线电工程大会上公布德克萨斯仪器公司生产出世界上第一批硅晶体管。他还展示了硅的另一个优点。当他将锗晶体管插入热油中时,以这种晶体管为材料的播放器就卡了壳,这表明这种材质无法耐高温。而硅晶体管的播放器在高温下安然无恙。
在一代代研究人员的努力下,人工培育生产大晶体的直径从最初的半英寸增加到12英寸,单位生产成本也相应降低。
高纯度硅的开发使硅在晶体管的舞台上大放光彩。
1959年,罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比将小型晶体管集中在硅片上,首次制造出集成化晶体管。1968年,由电机工程学家卓以和领导的贝尔实验室研究团队发现了沉积硅晶体原子层的方法。这些成果推动英特尔公司1971年创造出世界上第一款微处理器。下图就是这个初生儿的模样。
此后,英特尔和其他芯片制造商开发了将大量晶体管置于一块芯片上的新方法。晶体管的产量由1971年的2300个增加到1990年的100万以上。 2011年,IBM全球高级副总裁史蒂夫·米尔斯做客浙江大学演讲时已经公开表示,现在IMB每年生产的晶体管已经超过了大米的产量。
今天,电子管的大部分已经交由晶体管微芯片完成。微芯片成为当代电子产品的基本组成部件,不但在生产电脑和手机时必不可少,也是制造从汽车到喷气式飞机这类大型产品的重要元件。
英雄神话
晶体管芯片风生水起,但它对计算机产生主导影响还得依靠一种发出处理指示的机器语言。幸运的是,这项关键的任务已经由计算机C语言之父丹尼斯·里奇完成。C语言的横空出世也为Java和UNIX大展拳脚搭建了舞台。
2011年10月21日,里奇溘然离世。与几天前苹果之父史蒂夫·乔布斯去世相比,里奇的离去显得更平静,到与他低调的风格一致。他和我们翻阅电子产品发展史时看到的那些灿若星河的名字——恰克拉斯基、李利菲尔德、蒂尔、诺伊斯等人一样,都是构想、工艺和设计的创造者。在他们取得的成绩背后,有成千上万的协作同事,有几十年数亿美元的投入。只有整体看待这一切,才能明白一个全新的电子时代对人类有多么大的意义。
由此看来,集体协作与增强效果是创新的基本原则。突破性的现代发明与创新始终是一个过程。它通常由一家企业主导,聚集研发人才,以前辈们的成就为基础,在推进过程中不断累积、协作,然后集合其他发明家、创造者、投资人的贡献,让创新成为商业现实。
然而,对这类人类进步雪中送炭、添砖加瓦、增光添彩的大多数人,媒体不会众星捧月,诺贝尔奖没有垂青眷顾。人们也习惯性地将所有的功劳视为个别人、少数创新者的英雄事迹。当我们把掌声、把荣耀献给贝克莱、乔布斯时,请不要忘记,还有无数开拓者在孤独的探索之旅上甘之如饴。即使是制造一块小小的英特尔微处理器,也凝聚着多少无名英雄的心血与汗水。灵光一现的时刻固然存在,一些发明家也的确创出了非凡的业绩,但在当代创新的神话背后,有更多意义重大的创新努力。