这个小伙子50年前在德州仪器开启了IC产业新篇章

如今，手持电子产品已经非常普遍地存在于我们的社会当中，年轻人恐怕很难想象：没有它们，生活会是个什么样。无论是智能手机、iPad、平板电脑、MP3播放器、GPS导航仪，还有数码相机等等，它们共同的祖先都是数字计算器。

自从位于德克萨斯州达拉斯的德州仪器（TI）的一个工程师团队创造出第一台手持式数字计算器Cal-Tech，至今已过去50年了。

计算器Cal-Tech的问世是一个非凡的成就，在电子领域迈出了一大步，催生了一批极富经验的工程师。它不仅是手持式计算器的先驱，而且在更大的意义上，它帮助启动了电子革命，是作为使用集成电路的复杂消费类设备的第一个案例。

Cal-Tech计算器的故事始于1963年3月，当时，一名来自德克萨斯州赫恩的、名叫Jerry D. Merryman的30岁年轻人，出现在TI公司，他是来这里找工作的。他是德克萨斯研究和电子公司（TRE）的一名工程师，并自学成才，已经是无线电专家了。当时的TI公司还并不出名，Jerry也是从一名在TRE工作的同事（Bill Martin）那里听说TI公司的。

当时，TI集成电路部门的开发经理Willis Adcock已经得到Mark Shepherd的严格指示，只聘用PhD申请人。虽然Jerry从1949年~1952年，已经1957年~1959年，曾在德克萨斯A＆M大学就读，但他没有毕业，而且，他所拥有的是不同的商业和学术背景，其中包括设计真空管和晶体管数字电路。

在TRE，Jerry参与了一些液态有源器件的理论研究，最着名的是溶剂四极管。他也得到了德克萨斯A＆M教授Walter T. “Walt” Matzen和LED发明家James R.“Bob”Biard的强烈建议。当时，他们已经在为TI工作，并记得Jerry在德克萨斯A＆M的非凡智慧。因此，Jerry被聘请在IC部门工作，该部门是半导体元器件部门的一部分。

Jerry很快就学到了不少半导体技术知识，并且很快就为晶体管和集成电路的设计做出了重大贡献。他的第一个任务是设计一个针对Minuteman II导弹开发的Monica-C计算机系统感应放大器。

当时，设计的问题出现在读出放大器中获得足够的增益带宽，并且在逻辑电路中存在噪声抗扰度问题。性能规格要求600 MHz的晶体管，当时，TI尚未在集成电路中使用。

他完成了一个称为SN458的高增益（50 dB）宽带线性读出放大器设计，这是当时最复杂的硅集成电路之一。在1963年和1964年的剩余时间里，Jerry还设计了利用内部光学和热效应的集成电路。

从1964-65年起，Jerry与Bob Biard紧密合作，就SNX1304光电脉冲放大器的构想和发展进行了深入的研究，并于1965年3月宣布，该设备被认为是第一个商业光耦合集成电路。

图：SNX1304由光电耦合到集成硅光电检测器反馈放大器电路的GaAs LED组成

Jerry很快就成为了一名多才多艺的工程师，并因为对电路设计的直观感觉和无与伦比的快速解决困难问题的能力而闻名。据他的前同事Ed Millis说，在他们的工程师和科学家团队中，如果你有一个难题，没有人能解决，大家一致的反应是：“你要去找那个快乐的男人（Jerry）”。

Ed将TI描述为一个像Jerry这样的创意人才茁壮成长的理想场所。据他介绍：“那时候的工程科学气氛有些混乱。这些团队管理不善，大家热情很高。只要你在努力工作，老板们太忙了，根本无暇顾及你的工作。”

1965年春天，Jerry在办公室工作，突然间，桌子上突然出现一只大鞋子，原来，是集成电路的发明者Jack Kilby把他的办公桌当作了踏脚凳。当时，Kilby是半导体研究和开发实验室（SRDL）的副主任，Jerry和Kilby在办公室里停下来谈论事情是一个常见的事情。

在这个特殊场合，Kilby给了贝尔实验室一份关于使用四层PNPN二极管构建移位寄存器的文件，移位寄存器通常用作数字存储器。

大约一个星期后，Kilby再次来找Jerry，问他是否认为这个设计可以节省存储空间。以前，Jerry已经建立了一个使用22平方英尺真空管闸流闸工作在10千圈的移位寄存器。他们虽然可以工作，但遇到了一些问题。

Jerry告诉Kilby，他认为他可以做得更好，比如施密特触发器。Kilby告诉他大胆去做。Jerry以典型的方式，没有文件，也没有给出要求的理由。

Jerry结束了一个极度迟滞的低功耗双极移位寄存器设计，然后选择双极电路用于寄存器设计，而不是MOS电路，因为当时的MOS电路不稳定。Jerry向一名名叫Ed Ward的新聘雇员请教了布局方面得方案。

TI的另一个小组正在试图设计一个21位MOS移位寄存器。由于他们做了21位，Ed决定做一个22位的布局。Ed和MOS团队之间有一个牛排晚餐约定，谁可以成功制作出他们的电路，谁就算赢。最后，Ed成功设计出了22位双极寄存器。

一两年后，人们发现钠离子迁移是导致MOS电路问题的原因，要解决这一问题，就需要严格清洗扩散炉，以除去钠。

TI公司的1965年年度报告，将22位移位寄存器描述为“工业和军事设备和系统中使用的半导体集成电路，其中包含352个互连的电子元件，TI可以在一个一英寸硅晶圆上制造超过70个这些微小、高度复杂的电子电路”。

如下图所示，蓝色的硅芯片尺寸为70×180密耳，并且包含在由金矩形边框限定的接头中。接头由镀金的金属和玻璃或陶瓷制成，接头具有引线和硅芯片的表面贴装。线接头将芯片上的接合焊盘连接到接头的引线上。

图：TI公司1965年度报告封面上由Jerry和Ed Ward设计的22位移位寄存器

1965年9月下旬，Kilby召集了一批高级工程师（其中包括Jerry Merryman），到他的办公室举行会议，讨论一个新项目。该项目的目的是建立一个小型的个人计算设备，以替代幻灯片规则。

Kilby表示，设备需要有按钮，它应该是电池供电的，应该有一个显示机制。他在桌子上指着一本书，说它需要那样的尺寸（足够小以适合你的口袋）。Kilby决定由他们制定一个实施计划。

根据Kilby的说法，这个想法最初来自TI的总裁兼首席执行官Patrick “Pat” Haggerty。在前往纽约的航班上，Haggerty告诉Kilby，他希望IC部门承担这项任务。据Jerry介绍，Haggerty是一位很有远见的人，他试图使用集成电路创建出新的电子设备。他对Kilby的许多想法都不屑一顾，唯独计算器不同，对这个他很看重。

在接下来的三个昼夜中，Jerry在逻辑设计上努力工作。他从第一天下午开始，在电路板上画出一个触发器电路来表示一个“添加”按钮，然后在几张四角桌面纸上，他提出了如何进行算术，如何控制逻辑，以及一个粗略的架构设计。

虽然他所设计的不是个完整的逻辑，但却是一个很好的起点。Jerry说，“还需要更多的细节去丰富它。” 

过了三个昼夜，他们聚到一起讨论他们的想法。其中一位工程师提出了一个计划，创建一个与十年计数单位相似的设备。另一位工程师想制作一个二进制机器，将所有的十进制数转换为二进制计算，然后将其转换为十进制。

Kilby选择Jerry作为该项目的经理。Jerry认为他之所以被选中，是因为他的方案比别人更好，显然，Kilby在讨论会议上对Jerry印象深刻。Kilby后来表示，他认为Jerry可能是当时唯一可以把它做出来的工程师，同时也可以负责项目的管理工作。

图：Cal-Tech面包板的这张照片是在1966年拍摄的。在整个项目中测试了计算器在面包板上的部分

 会议结束后，Jerry去Dean Toomb进行工作报告。

当时，一位名叫James “Jim” Van Tassel的半导体元器件专家已经是Toomb集团的成员。

几周后，Kilby要求最近聘请的工程师Gaynel Lockhart加入Jerry的团队。Kilby认为，由于他在小规模16门阵列方面具有丰富的经验，对于Jerry团队的项目是一个很合适的人选。

当时，该小组将该设备称为“滑动计算机”，并将其命名为“Cal-Tech”。

1965年12月，Jerry成功测试了22位移位寄存器。他分配给Ed Ward改变晶体管的几何布局这一工作任务，以创建一个新的双极24位移位寄存器。1966年1月，他们在24位寄存器上完成了扩展。

实际上，它们是相同的电路，除了它还有一个输入和一个输出缓冲晶体管。在85×160密耳的硅芯片上，这24位包含6位的四个序列。之所以选择4×6布局，是因为需要24位来表示6位十进制数，每4个二进制位表示一个十进制数，需要6位十进制存储器（移位寄存器）中的3个来处理输入计算器的所有数字。

随着24位移位寄存器的完成，Ed Ward就变得失望了，制造成本是计算器设计的一大问题，Ed认为Jerry和Kilby的计划使计算器成本达到了100美元，这是不切实际的。因此，他结束了这个项目，回到普渡大学攻读博士学位。

当时，最大的集成电路之一是具有20个晶体管的JK触发器。单个晶体管的体积小，产率约为80％。更多的晶体管意味着低产量，在单个芯片上有20个晶体管，可能会获得3-4％的产量提升。

为了制作一个计算器，他们估计需要数以千计的晶体管，产率至少为83％，这种可能性几乎为零，所以，Jerry来到Kilby的办公室，表达了他的担忧，他说：“这个东西的收益将是0.我想用大约16个芯片来构建，每一个芯片都比我们所建造的更复杂，这将是一个极大的挑战。”

Kilby却有不同的看法，他希望团队在一个大的集成电路上构建一切。Jerry当时不知道，这个项目的主要目的是为了促进复杂的IC。TI希望分散在军事应用之外，将IC放在日常消费产品中，展现其广泛的应用能力。计算器是实现这一目标的手段。

鉴于以上困境，以及TI乐观地计划用6个月完成该项目的事实，Jerry感到很是棘手。他很快就提出了一个计划，制造出具有简单连接的大晶体管，其具有合并的收集器、无电容器、宽导体和低容差。

在开发计算器期间，要构建一个大型面包板来测试计算器的芯片，它们称之为“bars”。计算器也在面包板上进行图案化处理。面包板适合放置在三个常规尺寸的书桌上，每个书桌大约为2×5英尺。

据Gaynel Lockhart介绍，面包板由10个铝底盘组成。每个机箱都有20张卡，插入机箱的连接器。每张卡都有计算器的NAND门。连接器端子连接到机箱表面上的插头板。使用47号白炽灯泡构建3×5矩阵显示，作为面包板的数字输出。3×5矩阵模拟计算器中要使用的热敏打印机的点。由Jim Van Tassel和他的绘图人员Weldon Corbin设计键盘。

在面包板上工作的一名机械工程师叫 John McCrady 。根据Jerry，麦克雷迪（McCrady）的要求，其任务之一是将钨丝弯曲并粘贴在有机玻璃导板上，以实现正确的对准。钨线与小S形弹簧短路。接触面积为10平方mil，有超过200个钨线和3密耳探针。

项目期间，计算器的4个片（称为阵列A）之一已经完善，Kilby决定带上董事会去看看，Jerry已经到了，麦克拉比在董事会开始前15分钟就出现了一些小的状况。麦克雷迪感到不安，他的探测器并不总是奏效，所以他决定将塑料滑块放在S形弹簧之间，以避免短路。董事会到达时，这些卡纸已经使探针完全变形，在面包板终端之间造成短路。

1966年，计算器上可用的晶体管消耗了太多的电能。对于具有数千个晶体管的集成电路，Jerry认为他们将需要像汽车电池一样强大的功能，而且要足够小，以适应您的口袋。为了解决这个问题，他们需要找出一种降低整体功耗的方法。Jerry知道一个方法是降低电压。他认为他们可以用小于5V的小电池做所有事情。

他们从镍镉电池开始，但发现其内阻高、寿命短。看到这些，Jerry去了Yardney电池公司，在那里他决定转用银锌。银锌是使用氢氧化钾作为电解液的轻质液体电池。Jerry使用三个1.5 V的串联电池为所有逻辑电路和三个移位寄存器供电。

为了降低整体功耗，它们需要较低的电流和高电阻。这是通过使用集电极电阻来实现的，而不是基极电阻。集电极扩散具有比基极扩散更高的薄层电阻。电阻通常连接到收集器。相反，对于计算器，电阻将从金属对金属接触出来，这提高了产率，从83％提升到了93％。

以上是该文的第1部分，第2部分，我们将在今后两天给出，其中总结了手持式计算器发明背后的诸多故事，敬请期待。

来源 |  电子设计

芯师爷独家整理

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