大國重器的起源:揭秘登月工程如何催生現代芯片産業的輝煌曆程

薪科技快評 2024-03-15 08:46:03
登月計劃如何催生了芯片

1961年,約翰·F·肯尼迪總統向新生的NASA(由1958年NACA轉型而來)發起曆史性挑戰,啓動了人類最偉大的科技壯舉之一。

1961年,肯尼迪在國會宣布宏大願景時,尚無任何機械、電子設備、軟件或基礎設施能實現這一目標:人類登月。當時僅有兩位先驅成功飛向太空並安全返航——蘇聯的尤裏·加加林于4月12日完成全球首次行星軌道飛行,美國艾倫·謝潑德則在5月5日實施了亞軌道太空之旅。

肯尼迪的演說或許點燃了公衆對這一目標的關注,然而,麻省理工學院、IBM及仙童半導體等先驅機構與企業已在無聲中孕育革命。集成電路——這項至關重要的創新成果正蓄勢待發,即將從仙童實驗室破繭而出。與此同時,麻省理工學院儀器實驗室(MIT/IL)已准備就緒,一份提案正在醞釀,旨在利用這些芯片研發並構建阿波羅制導計算機(自動增益控制),驅動太空探索的前沿科技。

飛行計算機設計競賽

爲確保阿波羅登月任務的成功,美國宇航局急需一款體積微小、重量輕且性能卓越的飛行計算機,以驅動命令模塊和登月系統。IBM應需而動,特別爲土星五號火箭研發了LVDC(運載火箭數字計算機)。這款突破性設計采用了IBM獨特的單元邏輯器件(ULD),其內部整合了晶體管與二極管技術,外觀雖似集成電路(IC),實則更接近混合模塊構造。每片ULD均搭載一個晶體管、兩個二極管及兩個直接嵌入陶瓷基板的高精度厚膜電阻器,以此實現前所未有的微型化與高效能計算。

MIL/IL 認爲 ULD 設計無法滿足指令艙與登月艙的嚴苛規格。他們堅信,采用創新集成電路技術構建的 AGC,相較于基于分立晶體管或 ULD 的方案,將實現顯著的速度提升與可靠性增強。

平面集成電路的發展

傑克·基爾比,德州儀器公司的先驅,于1969年震撼業界,首次呈現了由單一晶體管材料構建的完整功能振蕩器集成電路。盡管以今之眼光難以辨識,但其曆史地位無可撼動。其中,硅片上的晶體管、電容器及兩個電阻器等元件,均由手工微細金線精密連接,雖工藝繁複,卻是集成電路誕生之初的偉大突破。

在 Fairchild 聯創 Jean Hoerni 突破性發明“平面”工藝之前,IC 的形態遠非今日所見。他巧借二氧化硅絕緣層,開創性地實現了芯片內組件間的化學沉積導電連接,這一創舉徹底改變了 IC 的面貌。

IC 獲得可行性證明

1961年,Fairchild 的 Bob Norman 在麻省理工學院/伊利諾伊州的一次曆史性訪問中,向 AGC 團隊揭示了一項革新性技術——新型集成電路。阿波羅計劃副主任 Eldon C. Hall 面對這一突破深感震撼,果斷指示工程師 David Hanley 立即訂購了100枚芯片。Hanley 的實驗證明,該芯片相較分立晶體管性能飙升2.5倍。Hall 敏銳洞察其潛力,成功說服 NASA 批准將 AGC 設計全面轉向集成電路技術,引領航天科技新篇章。

最終,麻省理工學院/伊利諾伊團隊受命設計與打造AGC,IBM則提供休斯頓地面控制中心的關鍵主機。這些龐然大物作爲主導航中樞,而飛行中的AGC擔當輔助角色。正值項目啓動之際,飛兆半導體已成功研發出一系列完整的數字邏輯IC産品。爲簡化驗證流程,霍爾決定統一采用單一組件——三輸入或非門。隨後,飛歌公司接過了大規模芯片生産的重任。

AGC:設計爲通用計算機

麻省理工學院與伊利諾伊州聯手,將AGC革新爲一款多功能通用計算機,告別單一任務局限。它率先采用Fairchild雙三輸入或非門集成電路設計,被譽爲首台以集成電路構建的計算機傑作。

1965年,Block II AGC搭載約4,100枚革新的Fairchild芯片,采用雙三輸入NOR門的扁平封裝設計。相較于初代Block I,其雙柵極結構顯著降低了功耗,提升了運算效能,並有效降低成本。這一精尖科技成就助力所有載人阿波羅任務圓滿成功。

NASA 開創了現代軟件工程

AGC,這台超越時代的多功能計算機,急需突破性的編程技術。軟件翹楚Margaret Hamilton毅然加入MIT/IL團隊,親自引領開發AGC任務核心軟件。作爲部門主管,她嚴格督陣,傾力指導設計與測試團隊,鑄就AGC軟件的傳奇品質。

在AGC項目啓動前,軟件開發尚未被視作科學或工程的獨立分支。漢密爾頓創新性地提出“軟件工程”概念,不僅完成具體任務,更奠定了界定該領域爲一門學科的關鍵流程,這一創舉影響深遠。

Hamilton 及其團隊研發出一款高效的實時操作系統,采用中斷驅動機制,具備批處理作業調度、協作式多任務處理以及 AGC 錯誤管控功能。在阿波羅11號曆史性登月瞬間,系統面臨超越計算機響應極限的突發情況。關鍵時刻,錯誤處理機制發揮了關鍵作用,助力宇航員巴茲·奧爾德林成功恢複計算機運行,確保了登陸行動圓滿成功。

IC 發展飛速發展

集成電路技術飛速叠代,當人類首次登月之際,市場上已湧現集成數百器件的芯片。彼時,盡管AGC沿用Fairchild設計,卻也正是戈登·摩爾預言了著名的摩爾定律:計算機芯片中晶體管密度每兩年近乎翻倍增長。

月球登陸的成功及集成電路在太空中的出色表現,充分驗證了該技術的可行性。當年參與AGC項目的仙童半導體等領軍企業,其關鍵人物爲當今硅谷的崛起奠定了基石。

"登月壯舉改寫工程曆史:揭秘月球登陸如何催生集成電路革命。這一裏程碑事件,推動了微電子技術的飛躍發展。50年前的阿波羅登月計劃,孕育出集成電路設計,使其體積縮小90%,開啓了一個集成化、微型化的時代,深刻影響全球科技進程,引領我們走向數字化未來。"

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