自力更生，“从0到1”｜中国第一块集成电路诞生记
文 ｜ 《中国科学报》 记者 赵广立
那是他第一次真切体会到“落后就要挨打”的滋味。
“产业报国、自力更生！”从小萌发的志向，让王守觉在我国集成电路事业的初创期披荆斩棘，成为中国半导体器件与微电子技术研究的开拓者之一。
20世纪60年代，在刚刚起步的中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所），王守觉和他的哥哥王守武等人带领团队制成中国第一只（批）硅平面型晶体管和中国第一块（批）集成电路，直接支撑了服务“两弹一星”功勋计算机“109丙机”的研制。
顺着这具有历史性意义的一步回望，可以清楚地看到，中国科学家从一开始就为祖国事业发展注入了自立自强的基因。
那是一段“风霜雪雨搏激流”的峥嵘岁月。
中国半导体科学技术的“原始积累”
1950年，刚成立不久的新中国，百业待兴。此时，我国在半导体科学技术领域的积累几乎为零。
这一年，25岁的王守觉没有跟随暂设上海的研究单位迁回北京，开始找工作。而大他6岁的三哥、刚刚在美国普渡大学获得博士学位并留校任教的王守武，携妻带女搭乘“威尔逊总统号”邮轮，从旧金山出发经香港回到祖国。
1950年底，王守武受聘于中国科学院应用物理研究所（以下简称应用物理所，后改名中国科学院物理研究所），并从一次偶然的修理氧化亚铜整流器开始，逐渐进入半导体研究领域。
在王守武之后，黄昆、汤定元、洪朝生、谢希德、成众志、高鼎三、林兰英、黄敞、吴锡九……一大批海外科学家陆续回国。正是他们的接续奉献，奏响了我国半导体器件与微电子技术事业自力更生的序曲。
他们之中，黄昆、王守武、汤定元、洪朝生4人回国时间较早且时间接近，都在1950至1951年前后。他们也是最早关注并身体力行从事半导体科学技术研究的。
自1953年起，4人在半导体研究方面的讨论逐渐多了起来。当时，国外的半导体研究有了较快发展。1954年商品晶体管出现，而当时以“巴黎统筹委员会”成员为首的西方国家对我国严密封锁，我们无法直接进口这些产品或相应的材料。
在4人看来，如果不改变这种局面，就很可能耽误我国半导体事业的发展。1954年下半年，黄昆、王守武、汤定元、洪朝生每周抽出一个下午的时间，专门研讨如何发展我国的半导体科学技术。因王守武、汤定元、洪朝生3人都在中国科学院，当时在北京大学的黄昆每次都得骑着自行车从中关村到东皇城根。
他们一起合作翻译了苏联半导体权威学者A.F.约飞的《近代物理学中的半导体》一书，并于1955年由科学出版社出版。1955年上半年，北京大学物理系开设“半导体物理学”课程，由他们4人合作讲课。
为了引起国内对半导体的重视，他们还筹划召开一次“全国半导体物理学讨论会”。出于各种原因，这次会议直到1956年1月30日至2月4日才在北京举行。没想到，会期推迟也为此次会议产生更为重大的影响埋下了伏笔。
“四项紧急措施”之一
应用物理所半导体研究室一角。
1956年，新中国吹响了“向科学进军”的号角。
“要在第三个五年计划期末，使我国最急需的科学部门接近世界先进水平。”当年1月，周恩来总理在作《关于知识分子问题的报告》时这样疾呼。烈火中淬炼出的新中国，第一次如此迫切地拥抱前沿科学。
不到3个月的时间里，全国上千位科学家在北京集结，共同制定1956—1967年国家十二年科学技术发展远景规划（以下简称十二年远景规划）。8月，《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要（修正草案）》编定，提出“发展计算技术、半导体技术、无线电电子学、自动学和远距离操纵技术的紧急措施方案”，这“四大紧急措施”的具体任务均由中国科学院承担。
中国科学院经过和有关部门协商，决定筹建专门的研究机构，分别开展4个新科学技术领域的研究，其中包括在应用物理所成立半导体研究室（半导体所的前身）。
筹建计划上报一周后，时任国务院副总理陈毅就作出批示：“同意办。”
“向科学进军”的号召发出后，全国上下对半导体事业的发展倍加重视和关注。王守武等人发起的“全国半导体物理学讨论会”，吸引了产业界代表、高校学者以及无线电和电子学等方面的科学工作者，影响远远超出预期。
来自不同领域的专家学者通过广泛接触，建立了联系、交流了想法，为日后的合作创造了条件。
在这次会上，王守武作了题为《半导体整流器》的报告。会议筹备期间，两位旅美科学家——高鼎三和成众志回国。他们在美国从事半导体相关研究，对半导体科学技术的应用更是洞若观火。他们在大会上报告了半导体相关器件和技术在海外的研究及应用情况，这对于刚刚起步、正在摸索中的中国半导体科学研究来说十分宝贵。
“这次半导体物理学讨论会的召开是甚为及时的。”时任中国物理学会理事长周培源在会议报告的《序言》中写道，“半导体物理学讨论会的举行，正好为制定这项任务（指十二年远景规划中有关半导体技术的建立的任务）的规划做好准备工作。”
1956年8月，我国第一个专门的半导体研究机构——应用物理所半导体研究室成立，负责人是王守武。
不可或缺的一块“拼图”
1956年底，中国科学院派出以严济慈为团长的赴苏考察团，前往苏联考察学习半导体方面的工作。苏联的半导体研究工作始于1930年左右，当时已在多个方面处于世界领先地位。
此次考察十分顺利。王守武、洪朝生、成众志等9人分成4个小组，深入各部学习，收获颇丰。他们不仅有了对半导体材料和器件制作的初步认识，还在我国发展半导体科学技术方面形成了切实的计划。
在考察中，大家虽然看到了苏联在半导体科学技术各方面的成果，但并没有转向完全依赖苏联的技术支持，并否决了苏联专家提出的“中国可以不必做半导体材料”“不要把硅材料和器件的研制列入规划”等建议。
王守觉没有参加这次考察。1956年，他刚刚从上海一机部第二设计分局调回中国科学院，来到应用物理所半导体研究室。
基于以往的工作经历和成绩，应用物理所给他定职高级工程师，级别与副研究员相当。
1949至1956年间，王守觉从同济大学毕业后的几年里两易工作，从做研究到在生产单位做设计，已然成长为一个视野开阔、经验丰富的杰出工程技术人员。他先后被评为上海市劳动模范和全国先进工作者。
多次工作调动的经历，对王守觉来说并非坏事。
“每次工作调动过程中，我都付出极大努力适应新工作的需要。这些努力是否都白白浪费了呢？不，几次调动在知识面广度上打下的基础，都为我深入后来的研究工作创造了非常有利的条件。”在他看来，对一个科学问题的深入研究，涉及的知识面往往越来越广，而科学知识面的广度往往是保证深度的必要条件。
实践证明了他的观点。王守觉正是凭借广阔的知识面与注重独立思考和创新、注重动手实践的特点，在中国第一块集成电路上刻下了自己的名字，成为了我国半导体器件与微电子技术发展事业中“一块不可或缺的拼图”。
在“学科带任务”中大放异彩
王守觉在调试设备。
被调入应用物理所半导体研究室的王守觉，在中国科学院对半导体技术“原始积累”的基础之上，逐步“武装”自己。
不久后，王守觉加入到半导体器件研制的主攻方向中，任半导体高频晶体管课题组组长。那时的他，只有31岁。
王守觉有其过人之处。半导体器件物理学家陈星弼曾在半导体研究室进修，当时就在王守觉手下工作。据他回忆，王守觉的实验经验、动手能力“不是一般人能想象的”。他还记得，当时办公室的门打开后总是关不好，王守觉一出手就关好了；一块锡，王守觉用牙“嘎巴”一咬，听声音就能判断是不是纯锡。
在王守觉的学生石寅眼中，老师“超级睿智，有极强的学习能力、超强的记忆力和极强的自信心”，而且“比常人要聪明得多，很多知识是王先生自学的，王先生较少记笔记，听过看过就记住了”。
1957年9月，王守觉接到赴苏联科学院学习的任务。在赴苏的短短半年里，他辗转位于不同城市的4个研究所，白天虚心请教，晚上消化吸收，很快就对半导体电子学器件的设计、制作和性能测试有了深刻认识。其间，他还因提出关键性建议被列为一篇论文的第二作者。
结束学习回国后，有了一定半导体知识积累的王守觉，逐渐在研究室“学科带任务”的科研工作中大放异彩。
1958年，一项与我国第二代电子计算机息息相关的重要任务落在了王守觉肩上。
当时，半导体研究室已在王守武等人的组织下，成功拉制出我国首根锗单晶、成功制备我国第一只（批）锗合金结晶体管。但这种晶体管的性能，还不能满足当时国家研制晶体管化电子计算机的需要。
王守觉受命研制“合金扩散晶体管”，这是一款比合金结晶体管优越得多的半导体器件，截止频率比后者提高100倍，能够满足当时国家研制晶体管化电子计算机“109乙机”的急需。
仅用不到半年时间，王守觉就带领团队破解了新型锗晶体管制备热处理过程中的精确调控、多元金属均匀性与配比控制等一系列难题，并于1958年9月成功研制出我国第一只锗合金扩散高频晶体管。
然而，更难的是这类晶体管的批量生产。为了配合“109乙机”的研制需要，应用物理所于当年组建了“109厂”（109厂是中国科学院微电子研究所的前身），专门生产109机所需的晶体管。但在建厂初期，技术工人很少、批量生产设备缺乏。王守觉就带领研究人员手把手地教工人每一个生产环节的工艺，在109厂试产。
由于初期完全依靠手工操作，晶体管的生产进度缓慢。王守觉在带领工人试产的过程中，研制出用于批量生产晶体管的设备，解了燃眉之急。
他的动手能力和勇于创新的优势，在这套设备的研制中得到充分体现。与王守觉在半导体研究室共事过的吴锡九在《回归》一书中写道：“在当时国内技术基础十分薄弱的状况下，能够研制出设备，保证高效能晶体管的生产，确实是非常不易和甚为及时的。在这方面，是王守觉带领着团队，为109机的研制作出了重大贡献。”
1965年，“109乙机”通过国家鉴定，成为我国第一台全部采用国产元件的大型晶体管通用数字计算机，为我国国防事业发展提供了有力的计算工具。
在封锁和禁运中，用双手创造一切
1960年初，美国研制出“硅平面型晶体管”的消息传来。
在此之前，半导体材料科学家、“宾夕法尼亚大学第一位女博士”林兰英于1957年4月冲破阻挠回国并加入中国科学院，我国硅单晶拉制的研究工作大大加快。1958年国庆前夜，中国第一根硅单晶在应用物理所拉制成功。后来在中国科学院的安排下，半导体研究室扩建为半导体研究所，并将硅工艺的研究与硅晶体管的试制作为新的攻关方向。
在这个节骨眼上，国际形势风云突变，我国科技、经济等多个领域同时陷入中苏交恶与西方禁运的双重封锁和冲击之中。
彼时，我国科技人员只能从公开发表的学术论文中了解国际上在开展哪些研究，至于相关研究达到了什么水平、具体工艺如何则不得而知。
自力更生、艰苦创业，成为我国半导体和电子科学事业开拓者们唯一的道路。
美国在硅晶体管方面的进展很快引起了王守觉的关注。此刻他已从锗器件研制转入硅工艺研究，但他领导的小组还是沿袭过去研究锗工艺的方案，采用“双扩散台面工艺方案”研制硅器件。然而，这种工艺的固有缺陷，导致小组苦战一年未能取得实质性突破。
“要立即集中研究室力量投入对硅平面工艺的探索！”有着敏锐观察力的王守觉果断舍弃已取得一定成果的硅台面工艺，带领团队转攻硅平面工艺，向高性能、小型化的硅器件发起“冲锋”。
此时，我国相关单位正因研制“两弹一星”所需的计算机，希望能寻找到更高性能的半导体元器件。
王守觉深感，这正是团队要啃下的“硬骨头”，他毅然向这项重大任务发起了挑战。
“当时是签了合同的。半导体所必须按照人家给定的要求，研制各类硅器件。”石寅觉得，在那种“必须成功”的情况下敢于“揭榜挂帅”，需要超出十分的胆气和担当，但王守觉就是这样的人。
硅平面型晶体管的研制，成了半导体所的“一号任务”。当时主抓全所业务的副所长王守武也经常深入研究一线，遇到技术难关时，大家常会看到“大王小王齐上阵”“全组上下一起干”的场面。
1961—1962年，国家给半导体所二室分配了40多名留学生和国内高校毕业生，补充新鲜血液。在王守觉等人的组织下，他们建立了横向、纵向结合的研究队伍，横向小组主攻工艺问题、纵向小组主攻器件设计。
后来证明，这种纵横交叉、密切配合的组织形式十分有效。
“当时全体同志在王守觉先生领导下日夜团结奋战的情景，至今历历在目，记忆犹新。”吴德馨是清华大学第一批半导体专业高材生，毕业后被分配至半导体所，跟随王守觉从事高速开关晶体管研制。
尽管已经过去半个多世纪，但每每回忆起那段时光，她总是感慨万千。
她说：“当年，我们一无资料，二无图纸，实验设备也是一穷二白，国家物质供应极度匮乏，但人们的精神却非常充实。”
在她的记忆中，面对重重难关，王守觉都能以他的勇气和智慧创造性地攻克，带领大家披荆斩棘、一步步走向成功。比如，在攻克“光刻”这一难关时，当时国内根本没有光刻机，王守觉因陋就简，巧妙地用两台显微镜再加上一个紫外曝光灯，搭建了一台“土光刻机”。
就这样闯过一个又一个难关，1963年底，研究团队研制出第一批超小型硅平面高速开关管和高频晶体管的样管，体积只有火柴头那么大。1964年进一步改进后，其更是小如芝麻，俗称“芝麻管”。
半导体研究室早期研制的硅平面晶体管（芝麻管，左一），右一为普通电子管。
中国人自己的硅平面工艺晶体管，研制成功了。
硅平面晶体管的成功振奋了国内产业界。国产光刻胶、器件封装材料、扩散炉、光刻机、压焊机、真空镀膜设备、晶体管测量仪等材料设备如雨后春笋般涌现出来，为硅产业服务的材料和设备制造业随之兴起。
1964年4月，半导体所提交的5种硅平面器件通过鉴定顺利验收。1967年7月，已调整为半导体所下属机构的109厂完成了“两弹一星”任务功勋计算机“109丙机”（由中国科学院计算技术研究所设计）所需所有硅晶体管的生产任务。
时任中国科学院党组书记张劲夫后来在《请历史记住他们》的文章中写道：“第二代计算机出来了，晶体管的，科学院半导体所搞的。从美国回来搞半导体材料的林兰英和科学家王守武、工程师王守觉两兄弟，是他们做的工作。第二代计算机，每秒数十万次，为氢弹的研制作了贡献。”
黄昆、王守武、林兰英、成众志等人后来撰写文章认为，硅平面晶体管的研制成功是“我国电子工业真正大发展和半导体事业发展的转机”“为我国半导体器件从小型化进入集成化铺平了道路”。
补上集成电路“临门一脚”
硅平面晶体管技术实现突破后，集成电路只差“临门一脚”。
据参与109机研制的吴锡九回忆，在研制109机的过程中，调试计算机的运算器、存储器时，总会遇到可靠性和稳定性问题。
原来，在组装计算机时，需要把大量晶体管、电阻、电容等元器件装在插件板上，之后再将一个个插件板组成运算器和存储器。而经常出现的情况是，单个组件检测没什么问题，但组装成机后却不一定能调试成功，即便调试成功也不稳定。
大家想，如果能用先进的工艺把浩繁的部件集成为一个整体，就能既减少接点，又缩小体积，计算机也能在获得更高的可靠性和稳定性的同时提高性能。
这正是“集成电路”的思路。只是，更早起步的美国捷足先登了。
1958年9月，美国德州仪器公司研究人员杰克·基尔比将5个元器件组成的振荡电路焊接在一块微晶体基板上，制成世界上第一块集成电路。数月后，美国仙童半导体公司制成集硅晶体管、硅电阻、硅电容于一体的单片硅集成电路。
集成电路的发明是革命性的。很快，国内也掀起了研究的热潮。
当硅集成电路样品传到王守觉手中，他便在已掌握的硅平面工艺基础上，进行半导体集成电路的研制。
1964年11月9日，一封不对外公开的“研究工作简报”被送至中国科学院。这份材料显示，半导体所在研制出超小型硅平面晶体管的基础上，于1964年11月制成一块具有6只晶体管、7个电阻、6个电容共19个元件的固体电路样品，大小“比最小的西瓜子还小”，集成规模超过国际上第一块集成电路，与当时的主流商用集成电路相当，并验证了技术可靠性。
不久后，上海冶金所（中国科学院上海微系统与信息技术研究所的前身）和电子部第13研究所等单位也相继在硅集成电路研制上取得突破。
只是，上述内部材料直到2005年1月13日才予以公开。这也意味着，王守觉等人的我国第一块集成电路的发明人身份，时隔40余年才公之于众。
据半导体所一些科学家回忆，隔年，也就是1965年，王守武、王守觉等人的集成电路研究成果受到国家科委高度重视，后者拨款100万元人民币在半导体所修建实验楼（即后来的“固体楼”），并增配200人开展后续的技术研发。
集成电路的出现是划时代的，其技术发展到今天，已经深入生产生活的方方面面。而我国硅平面晶体管和集成电路的研制成功，使得国产电子计算机采用集成电路的时间仅比国外晚了两年。
王守觉常说，中国是发展中国家，只有自力更生才能发展自己、强大祖国。“我们聪明智慧的中华民族，为什么科学上总是在学外国的东西？我的梦想就是什么时候能翻身，什么时候能让外国中小学生念中国人写的书。我觉得到那个时候，中国的科学就可以和发达国家平起平坐了。”
《中国科学报》 (2024-03-14 第4版 专题)