中國科學院 編
北京：科學出版社, 2024.10
ISBN 978-7-03-079597-7
本書講述了75 個中國科學院人的首創(chuàng)故事。從“向科學進軍”到“建設創(chuàng)新型國家”，從“創(chuàng)新驅動發(fā)展”到“建設科技強國”，黨領導我國科技事業(yè)走出了一條中國特色自主創(chuàng)新、自立自強之路。一代代科技工作者不畏艱難，敢為人先，勇攀高峰，上天、入地、下海，基礎研究、關鍵技術、大國重器……一項項“國內首個”打破國外封鎖、夯實自主創(chuàng)新之基，一個個“國際首次”突破科技前沿、彰顯中國創(chuàng)新貢獻。如今，這些成果有的仍在開枝散葉，有的早已塵封于世，但那些攻堅克難、追求卓越的創(chuàng)新故事，那些矢志不渝、科技報國的科學家們，以及他們在我國科技自立自強之路上留下的閃光足跡，必將永遠鐫刻在強國建設和民族復興的歷史豐碑上。
本文節(jié)選分享《自力更生，“從0 到1”——中國第一塊集成電路誕生記》一文。
自力更生，“從0 到1”
——中國第一塊集成電路誕生記
王守覺12歲那年，抗日戰(zhàn)爭全面爆發(fā)。他目睹盤旋在蘇州上空的日本飛機飛得很低，用機槍向下掃射。由于當時制造技術落后，我方高射炮極度短缺，也沒有飛機，只能干著急。
那是他第一次真切體會到“落后就要挨打”的滋味。
“產業(yè)報國、自力更生！”從小萌發(fā)的志向和抱負，讓王守覺在我國集成電路事業(yè)的初創(chuàng)期披荊斬棘，成為中國半導體器件與微電子技術研究的開拓者之一。
20世紀60年代，在剛剛起步的中國科學院半導體研究所（簡稱半導體所），王守覺和他的哥哥王守武等帶領團隊制成中國第一個（批）硅平面型晶體管和中國第一塊（批）集成電路，直接支撐服務了“兩彈一星”功勛計算機“109丙機”的研制。
順著這具有歷史意義的一步回望，我們可以清楚地看到，中國科學家從一開始就為祖國的事業(yè)發(fā)展注入了自立自強的基因。
那是一段“風霜雪雨搏激流”的崢嶸歲月。
▋中國半導體科學技術的“原始積累”
1950年，剛成立不久的新中國百業(yè)待興。此時，我國在半導體科學技術領域的積累近乎為零。
這一年，25歲的王守覺沒有跟隨暫設在上海的研究單位遷回北京，而是重新開始找工作。大他6歲的三哥、剛剛在美國普渡大學獲得博士學位并獲得留校任教資格的王守武，也攜妻帶女搭乘“威爾遜總統(tǒng)號”郵輪，從舊金山出發(fā)經香港回到內地。
1950年底，王守武受聘于中國科學院應用物理研究所（簡稱應用物理所；現(xiàn)中國科學院物理研究所），并從一次偶然的修理氧化亞銅整流器開始，逐漸進入半導體研究領域。
在王守武之后，黃昆、湯定元、洪朝生、謝希德、成眾志、高鼎三、林蘭英、黃敞、吳錫九……一大批海外科學家陸續(xù)回國。正是他們的接續(xù)奉獻，奏響了我國半導體器件與微電子技術事業(yè)自力更生的序曲。
他們之中，黃昆、王守武、湯定元、洪朝生4個人回國時間較早且時間接近，都是在1950～1951年先后回國的，也是最早關注并身體力行從事半導體科學技術研究的。
自1953年起，他們4個人在半導體研究方面的討論逐漸多了起來。當時，國外的半導體研究有了較快發(fā)展。1954年，商品晶體管出現(xiàn)。但是，當時以“巴黎統(tǒng)籌委員會”成員為首的西方國家對我國嚴密封鎖，我國無法直接進口這些產品或相應的材料。
在他們4個人看來，如果不改變這種局面，就很可能耽誤我國半導體事業(yè)的發(fā)展。1954年下半年，黃昆、王守武、湯定元、洪朝生每周會抽出一個下午的時間專門研討如何發(fā)展我國的半導體科學技術。由于王守武、湯定元、洪朝生3個人當時都在應用物理所工作，因此當時在北京大學工作的黃昆每次都得從中關村騎自行車到位于東皇城根的應用物理所參加討論會。
他們一起合作翻譯了蘇聯(lián)半導體權威學者A.F.約飛的《近代物理學中的半導體》一書，并于1955年由科學出版社出版。1955年上半年，北京大學物理系開設“半導體物理學”課程，由他們4個人合作講課。
為了引起國內對半導體的重視，他們還籌劃召開一次“全國半導體物理學討論會”。出于各種原因，這次會議直到1956年1月30日至2月4日才在北京召開。沒想到，會期推遲也為此次會議產生更重大的影響埋下了伏筆。
▋“四項緊急措施”之一
1956年，新中國吹響了“向科學進軍”的號角。
“要在第三個五年計劃期末使我國最急需的科學部門接近世界先進水平?！?956年1月，周恩來總理在作《關于知識分子問題的報告》時這樣疾呼。烈火中淬煉出的新中國，第一次如此迫切地擁抱前沿科學。
在不到3個月的時間里，全國上千位科學家在北京集結，共同制定《1956—1967年科學技術發(fā)展遠景規(guī)劃綱要》。8月，《1956—1967年科學技術發(fā)展遠景規(guī)劃綱要（修正草案）》編定，提出“發(fā)展計算技術、半導體技術、無線電電子學、自動學和遠距離操縱技術的緊急措施方案”，這四項“緊急措施”的具體任務均由中國科學院承擔。
中國科學院經過和有關部門協(xié)商，決定籌建專門的研究機構，分別開展4個新科學技術領域的研究，其中包括在應用物理所成立半導體研究室（半導體所的前身）。
▲ 應用物理所半導體研究室一角
籌建計劃上報一周后，時任國務院副總理陳毅就作出批示：“同意辦?！?/p>
“向科學進軍”的號召發(fā)出后，全國上下對半導體事業(yè)的發(fā)展倍加重視和關注。王守武等發(fā)起的“全國半導體物理學討論會”，吸引了產業(yè)界代表、高校學者及無線電和電子學等方面的科技工作者，影響遠遠超出預期。
來自不同領域的專家學者通過廣泛接觸，建立了聯(lián)系、交流了想法，為日后的合作創(chuàng)造了條件。
在這次會議上，王守武作了題為“半導體整流器”的報告。會議籌備期間，兩位旅美科學家——高鼎三和成眾志回國。他們在美國從事半導體相關研究，對半導體科學技術的應用更是洞若觀火。他們在大會上報告了半導體相關器件和技術在海外的研究及應用情況，這對于剛剛起步、正在摸索中的中國半導體科學研究來說十分寶貴。
“這次半導體物理學討論會的召開是甚為及時的。”中國物理學會理事長周培源在會議報告的“序言”中寫道，“半導體物理學討論會的舉行，正好為制定這項任務（指《1956—1967年科學技術發(fā)展遠景規(guī)劃綱要》中有關半導體技術的建立的任務）的規(guī)劃做好準備工作。”
1956年8月，我國第一個專門的半導體研究機構——應用物理所半導體研究室成立，負責人是王守武。
▋不可或缺的一塊“拼圖”
1956年底，中國科學院派出以嚴濟慈為團長的考察團，前往蘇聯(lián)考察學習半導體方面的工作。蘇聯(lián)的半導體研究工作始于1930年前后，當時已在多個方面處于世界領先地位。
此次考察十分順利。王守武、洪朝生、成眾志等9個人分成4個考察小組考察參觀了8個研究所、1個實驗室、4個工廠和5所高校，收獲頗豐。他們不僅有了對半導體材料和器件制作的初步認識，還在我國發(fā)展半導體科學技術方面形成了切實的計劃。
在考察中，大家雖然看到了蘇聯(lián)在半導體科學技術各個方面的成果，但是并沒有轉向完全依賴蘇聯(lián)的技術支持，并否決了蘇聯(lián)專家提出的“中國可以不必做半導體材料”“不要把硅材料和器件的研制列入規(guī)劃”等建議。
王守覺沒有參加這次考察。1956年，他剛從上海調回中國科學院，到應用物理所半導體研究室工作。
基于過往的工作經歷和成績，應用物理所給他定職高級工程師，級別與副研究員相當。
1949～1956年，王守覺在同濟大學畢業(yè)后的幾年里兩易工作，從做研究到在生產單位做設計，已經成長為一個視野開闊、經驗豐富的杰出工程技術人員。他先后被評為上海市勞動模范和全國先進工作者。
多次工作調動的經歷，對王守覺來說并非壞事。
“每次工作調動中，我都付出極大努力以適應新工作的需要。這些努力是否都白白浪費了呢？不，幾次調動在知識面廣度上打下的基礎，都為我深入后來的研究工作創(chuàng)造了非常有利的條件。”王守覺說道。在他看來，對一個科學問題的深入研究，涉及的知識面往往越來越廣，而科學知識面的廣度往往是保證深度的必要條件。
實踐證明了他的觀點。王守覺正是憑借廣闊的知識面與注重獨立思考和創(chuàng)新、注重動手實踐的特點，在中國第一塊集成電路上刻下了自己的名字，成為我國半導體器件與微電子技術發(fā)展事業(yè)中“一塊不可或缺的拼圖”。
▋在“學科帶任務”中大放異彩
被調入應用物理所半導體研究室的王守覺，在中國科學院對半導體技術“原始積累”的基礎上逐步“武裝”自己。
不久后，王守覺加入半導體器件研制的主攻方向中，任半導體高頻晶體管課題組組長。那時的他只有31歲。
王守覺有其過人之處。半導體器件物理學家陳星弼曾在半導體研究室進修，當時就在王守覺的手下工作。據他回憶，王守覺的實驗經驗、動手能力“不是一般人能想象的”。他還記得，當時辦公室的門打開后總是關不好，王守覺一出手就關好了；一塊錫，王守覺用牙 “嘎巴”一咬，聽聲音就能判斷是不是純錫。
在王守覺的學生石寅眼中，他的老師超級睿智，有極強的學習能力、超強的記憶力和極強的自信心，而且比常人要聰明得多，很多知識都是自學的，較少記筆記，聽過、看過就記住了。
1957年9月，王守覺接到赴蘇聯(lián)科學院學習的任務。在赴蘇的短短半年里，他輾轉位于不同城市的4個研究所，白天虛心請教，晚上消化吸收，很快就對半導體電子學器件的設計、制作和性能測試有了深刻認識。其間，他還因提出關鍵性建議被列為一篇論文的第二作者。
結束學習回國后，有了一定半導體知識積累的王守覺逐漸在研究室“學科帶任務”的科研工作中大放異彩。
▲ 王守覺在調試設備
1958年，一項與我國第二代電子計算機息息相關的重要任務落在了王守覺的肩上。當時，半導體研究室已在王守武等的組織下成功拉制出我國首根鍺單晶、制備出我國第一個（批）鍺合金結晶體管。但這種晶體管的性能還不能滿足當時國家研制晶體管化電子計算機的需要。
王守覺受命研制的合金擴散晶體管是一款比鍺合金結晶體管優(yōu)越得多的半導體器件，截止頻率比后者提高100倍，能夠滿足當時國家研制晶體管化電子計算機“109乙機”的急需。
僅用不到半年的時間，王守覺就帶領團隊破解了新型鍺晶體管制備熱處理過程中的精確調控、多元金屬均勻性與配比控制等一系列難題，并于1958年9月成功研制出我國第一個鍺合金擴散高頻晶體管。
然而，這類晶體管的批量生產更難。為了配合“109乙機”的研制需要，應用物理所于當年組建了109廠（中國科學院微電子研究所的前身），專門生產“109乙機”所需的晶體管。但在建廠初期，技術工人很少，批量生產設備缺乏。王守覺就帶領研究人員手把手地教工人每個生產環(huán)節(jié)的工藝，在109廠試產。由于初期完全依靠手工操作，晶體管的生產進度緩慢。王守覺在帶領工人試產的過程中研制出用于批量生產晶體管的設備，解了燃眉之急。
他的動手能力和勇于創(chuàng)新的優(yōu)勢，在這套設備的研制中得到充分體現(xiàn)。與王守覺在半導體研究室共事過的吳錫九在《回歸》一書中寫道：“在當時國內技術基礎十分薄弱的狀況下，能夠研制出設備，保證高效能晶體管的生產，確實是非常不易和甚為及時的。在這方面，是王守覺帶領著團隊為‘109乙機’的研制作出了重大貢獻?！?/p>
1965年，“109乙機”通過國家鑒定，成為我國第一臺全部采用國產元件的大型晶體管通用數字計算機，為我國國防事業(yè)發(fā)展提供了有力的計算工具。
▋在封鎖和禁運中，用雙手創(chuàng)造一切
1960年初，美國研制出“硅平面型晶體管”的消息傳來。
在此之前，半導體材料科學家、賓夕法尼亞大學第一位女博士林蘭英于1957年4月沖破阻撓回國并加入應用物理所，我國硅單晶拉制的研究工作大大加快。1958年國慶前夜，中國第一根硅單晶在應用物理所拉制成功。后來在中國科學院的安排下，應用物理所半導體研究室擴建為中國科學院半導體研究所，并將硅工藝的研究與硅晶體管的試制作為新的攻關方向。
在這個節(jié)骨眼上，國際形勢風云突變，我國科技、經濟等多個領域同時陷入中蘇交惡與西方禁運的雙重封鎖和沖擊之中。
彼時，我國科技人員只能從公開發(fā)表的學術論文中了解國際上在開展哪些研究，至于相關研究到了什么水平、具體工藝如何則不得而知了。
自力更生、艱苦創(chuàng)業(yè)成為我國半導體和電子科學事業(yè)開拓者們唯一的道路。
美國在硅晶體管方面的進展很快引起了王守覺的關注。此時，他已從鍺器件研制轉入硅工藝研究，但他領導的小組還是沿襲過去研究鍺工藝的方案，采用雙擴散臺面工藝方案研制硅器件。然而，這種工藝的固有缺陷導致小組苦戰(zhàn)一年未能取得實質性突破。
“要立即集中研究室力量投入對硅平面工藝的探索！”有著敏銳觀察力的王守覺說道。他果斷舍棄了已取得一定成果的硅臺面工藝，帶領團隊轉攻硅平面工藝，向高性能、小型化的硅器件發(fā)起“沖鋒”。
此時，我國相關單位正因研制“兩彈一星”所需的計算機在尋找到更高性能的半導體元器件。
王守覺深感這正是團隊要啃下的“硬骨頭”，毅然向這項重大任務發(fā)起了挑戰(zhàn)。
“當時是簽了合同的。半導體所必須按照人家給定的要求研制各類硅器件?！笔f道。他覺得，在那種必須成功的情況下敢于揭榜掛帥，是需要超出十分的膽量和擔當的，而王守覺就是這樣的人。
硅平面型晶體管的研制成了半導體所的“一號任務”。當時主抓全所業(yè)務的副所長王守武也經常深入研究一線。遇到技術難關時，大家常會看到“大王小王齊上陣”“全組上下一起干”的場面。
1961～1962年，國家給半導體所二室分配了40多名留學生和國內高校畢業(yè)生，補充新鮮血液。在王守覺等的組織下，他們建立了橫向、縱向結合的研究隊伍。橫向小組主攻工藝問題，縱向小組主攻器件設計。
后來證明，這種縱橫交叉、密切配合的組織形式十分有效。
“當時全體同志在王守覺先生領導下日夜團結奮戰(zhàn)的情景，至今歷歷在目，記憶猶新?！眳堑萝盎貞浀?。她是清華大學第一批半導體專業(yè)學生，畢業(yè)后被分配至半導體所工作，跟隨王守覺從事高速開關晶體管研制。
盡管已經過去半個多世紀，但每每回憶起那段時光，她總是感慨萬千。
她說道：“當年，我們一無資料，二無圖紙，實驗設備也是一窮二白，國家物資供應極度匱乏，但人們的精神卻非常充實?！?/p>
在她的記憶中，面對重重難關，王守覺都能以自己的勇氣和智慧創(chuàng)造性地攻克，帶領大家披荊斬棘、一步步走向成功。比如，在攻克“光刻”這一難關時，國內當時根本沒有光刻機，王守覺因陋就簡，巧妙地用兩臺顯微鏡再加上一個紫外曝光燈搭建了一臺“土光刻機”。
就這樣，大家闖過一個又一個難關。1963年底，研究團隊研制出第一批超小型硅平面高速開關管和高頻晶體管的樣管，樣管的體積只有火柴頭那么大。1964年進一步改進后，它更是小如芝麻，被稱為“芝麻管”。
▲ 半導體所早期研制的硅平面晶體管
中國人自己的硅平面工藝晶體管研制成功了。
硅平面晶體管的成功振奮了國內產業(yè)界。國產光刻膠、器件封裝材料、擴散爐、光刻機、壓焊機、真空鍍膜設備、晶體管測量儀等材料設備如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，為硅產業(yè)服務的材料和設備制造業(yè)隨之興起。
1964年4月，半導體所提交的5種硅平面器件通過鑒定，順利驗收。1967年7月，已調整為半導體所下屬機構的109廠完成了“兩彈一星”任務功勛計算機“109丙機”（由中國科學院計算技術研究所設計）所需所有硅晶體管的生產任務。
時任中國科學院黨組書記、副院長張勁夫后來在《請歷史記住他們——關于中國科學院與“兩彈一星”》的文章中寫道：“第二代計算機出來了，晶體管的，科學院半導體所搞的。從美國回來搞半導體材料的林蘭英和科學家王守武、工程師王守覺兩兄弟，是他們做的工作。第二代計算機，每秒數十萬次，為氫彈的研制作了貢獻?！保◤垊欧? 張勁夫文選：世紀回顧. 北京：中國財政經濟出版社，2000：301-322.）
黃昆、王守武、林蘭英、成眾志等后來撰寫文章提到，硅平面晶體管的研制成功是“我國電子工業(yè)真正大發(fā)展和半導體事業(yè)發(fā)展的轉機”“為我國半導體器件從小型化進入集成化鋪平了道路”。
▋補上集成電路“臨門一腳”
硅平面晶體管技術實現(xiàn)突破后，集成電路只差“臨門一腳”。
據參與“109乙機”研制的吳錫九回憶，在研制“109乙機”的過程中，調試計算機的運算器、存儲器時會遇到可靠性和穩(wěn)定性問題。
原來，組裝計算機需要把大量晶體管、電阻、電容等元器件裝在插件板上，之后再將一個個插件板組成運算器和存儲器。但是經常出現(xiàn)的情況是，單個組件檢測沒有什么問題，但組裝成機后卻不一定能調試成功，即便調試成功也不穩(wěn)定。
于是大家想，如果能用先進的工藝把浩繁的部件集成為一個整體，那么是不是就能既減少接點，又縮小體積，計算機也能在獲得更高的可靠性和穩(wěn)定性的同時提高性能呢。
這正是集成電路的設計思路，只是更早起步的美國捷足先登了。
1958年9月，美國德州儀器公司的研究人員杰克·基爾比（Jack Kilby）將5個元器件組成的振蕩電路焊接在一塊微晶體基板上，制成世界上第一塊集成電路。數月后，美國仙童半導體公司制成集硅晶體管、硅電阻、硅電容于一體的單片硅集成電路。
集成電路的發(fā)明是革命性的。很快，國內也掀起了研究的熱潮。
當硅集成電路樣品傳到王守覺手中時，他便在已掌握的硅平面工藝基礎上進行了半導體集成電路的研制。
1964年11月9日，一封不對外公開的《研究工作簡報》被送至中國科學院。這份材料顯示，半導體所在研制出超小型硅平面晶體管的基礎上，于1964年11月制成一塊具有6只晶體管、7個電阻、6個電容共19個元件的固體電路樣品，大小“比最小的西瓜子還小”，集成規(guī)模超過國際上第一塊集成電路，與當時的主流商用集成電路相當，并驗證了技術可靠性。
不久后，中國科學院上海冶金研究所（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所的前身）和電子工業(yè)部（1998年3月，與郵電部一起組建信息產業(yè)部。2008年3月，信息產業(yè)部的職責整合劃入工業(yè)和信息化部）第13研究所等單位也相繼在硅集成電路研制上取得突破。
只是，上述內部材料直到2005年1月13日才予以公開。這也意味著，王守覺等的我國第一塊集成電路的發(fā)明人身份時隔40余年才公之于眾。
▲ 王守武（左）和王守覺 （攝于1991 年）
據半導體所一些科學家回憶，隔年，也就是1965年，王守武、王守覺等的集成電路研究成果受到國家科委高度重視，后者撥款100萬元人民幣在半導體所修建實驗樓（現(xiàn)固體樓），并增配200人開展后續(xù)的技術研發(fā)。
集成電路的出現(xiàn)是劃時代的，其技術發(fā)展到今天，已經深入生產生活的方方面面。我國硅平面晶體管和集成電路的研制成功，使得國產電子計算機采用集成電路的時間僅比國外晚了兩年。
“落后就要挨打”的教訓，讓王守武、王守覺這一代有志科學家勇于穿越戰(zhàn)火、隱姓埋名，擔負起強國的責任和使命。
王守覺常說：“中國是發(fā)展中國家，只有自力更生才能發(fā)展自己、強大祖國。我們聰明智慧的中華民族，為什么科學上總是在學外國的東西？我的夢想就是什么時候能翻身，什么時候能讓外國中小學生念中國人寫的書。我覺得到那個時候，中國的科學就可以和發(fā)達國家平起平坐了?！?/p>
本文節(jié)選自《科技自立自強之路：中國科學院人的75個首創(chuàng)故事》（中國科學院編. 北京：科學出版社, 2024.10）一書。中國科學報社記者趙廣立撰文；原文刊發(fā)在《中國科學報》2024 年3 月14 日第4 版；本文圖片由半導體所提供。
ISBN 978-7-03-079597-7
責任編輯：侯俊琳 朱萍萍
本書講述了75 個中國科學院人的首創(chuàng)故事。從“向科學進軍”到“建設創(chuàng)新型國家”，從“創(chuàng)新驅動發(fā)展”到“建設科技強國”，黨領導我國科技事業(yè)走出了一條中國特色自主創(chuàng)新、自立自強之路。一代代科技工作者不畏艱難，敢為人先，勇攀高峰，上天、入地、下海，基礎研究、關鍵技術、大國重器……一項項“國內首個”打破國外封鎖、夯實自主創(chuàng)新之基，一個個“國際首次”突破科技前沿、彰顯中國創(chuàng)新貢獻。如今，這些成果有的仍在開枝散葉，有的早已塵封于世，但那些攻堅克難、追求卓越的創(chuàng)新故事，那些矢志不渝、科技報國的科學家們，以及他們在我國科技自立自強之路上留下的閃光足跡，必將永遠鐫刻在強國建設和民族復興的歷史豐碑上。
（本文編輯：劉四旦）
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