大国重器的起源:揭秘登月工程如何催生现代芯片产业的辉煌历程

薪科技快评 2024-03-15 08:46:03
登月计划如何催生了芯片

1961年,约翰·F·肯尼迪总统向新生的NASA(由1958年NACA转型而来)发起历史性挑战,启动了人类最伟大的科技壮举之一。

1961年,肯尼迪在国会宣布宏大愿景时,尚无任何机械、电子设备、软件或基础设施能实现这一目标:人类登月。当时仅有两位先驱成功飞向太空并安全返航——苏联的尤里·加加林于4月12日完成全球首次行星轨道飞行,美国艾伦·谢泼德则在5月5日实施了亚轨道太空之旅。

肯尼迪的演说或许点燃了公众对这一目标的关注,然而,麻省理工学院、IBM及仙童半导体等先驱机构与企业已在无声中孕育革命。集成电路——这项至关重要的创新成果正蓄势待发,即将从仙童实验室破茧而出。与此同时,麻省理工学院仪器实验室(MIT/IL)已准备就绪,一份提案正在酝酿,旨在利用这些芯片研发并构建阿波罗制导计算机(自动增益控制),驱动太空探索的前沿科技。

飞行计算机设计竞赛

为确保阿波罗登月任务的成功,美国宇航局急需一款体积微小、重量轻且性能卓越的飞行计算机,以驱动命令模块和登月系统。IBM应需而动,特别为土星五号火箭研发了LVDC(运载火箭数字计算机)。这款突破性设计采用了IBM独特的单元逻辑器件(ULD),其内部整合了晶体管与二极管技术,外观虽似集成电路(IC),实则更接近混合模块构造。每片ULD均搭载一个晶体管、两个二极管及两个直接嵌入陶瓷基板的高精度厚膜电阻器,以此实现前所未有的微型化与高效能计算。

MIL/IL 认为 ULD 设计无法满足指令舱与登月舱的严苛规格。他们坚信,采用创新集成电路技术构建的 AGC,相较于基于分立晶体管或 ULD 的方案,将实现显著的速度提升与可靠性增强。

平面集成电路的发展

杰克·基尔比,德州仪器公司的先驱,于1969年震撼业界,首次呈现了由单一晶体管材料构建的完整功能振荡器集成电路。尽管以今之眼光难以辨识,但其历史地位无可撼动。其中,硅片上的晶体管、电容器及两个电阻器等元件,均由手工微细金线精密连接,虽工艺繁复,却是集成电路诞生之初的伟大突破。

在 Fairchild 联创 Jean Hoerni 突破性发明“平面”工艺之前,IC 的形态远非今日所见。他巧借二氧化硅绝缘层,开创性地实现了芯片内组件间的化学沉积导电连接,这一创举彻底改变了 IC 的面貌。

IC 获得可行性证明

1961年,Fairchild 的 Bob Norman 在麻省理工学院/伊利诺伊州的一次历史性访问中,向 AGC 团队揭示了一项革新性技术——新型集成电路。阿波罗计划副主任 Eldon C. Hall 面对这一突破深感震撼,果断指示工程师 David Hanley 立即订购了100枚芯片。Hanley 的实验证明,该芯片相较分立晶体管性能飙升2.5倍。Hall 敏锐洞察其潜力,成功说服 NASA 批准将 AGC 设计全面转向集成电路技术,引领航天科技新篇章。

最终,麻省理工学院/伊利诺伊团队受命设计与打造AGC,IBM则提供休斯顿地面控制中心的关键主机。这些庞然大物作为主导航中枢,而飞行中的AGC担当辅助角色。正值项目启动之际,飞兆半导体已成功研发出一系列完整的数字逻辑IC产品。为简化验证流程,霍尔决定统一采用单一组件——三输入或非门。随后,飞歌公司接过了大规模芯片生产的重任。

AGC:设计为通用计算机

麻省理工学院与伊利诺伊州联手,将AGC革新为一款多功能通用计算机,告别单一任务局限。它率先采用Fairchild双三输入或非门集成电路设计,被誉为首台以集成电路构建的计算机杰作。

1965年,Block II AGC搭载约4,100枚革新的Fairchild芯片,采用双三输入NOR门的扁平封装设计。相较于初代Block I,其双栅极结构显著降低了功耗,提升了运算效能,并有效降低成本。这一精尖科技成就助力所有载人阿波罗任务圆满成功。

NASA 开创了现代软件工程

AGC,这台超越时代的多功能计算机,急需突破性的编程技术。软件翘楚Margaret Hamilton毅然加入MIT/IL团队,亲自引领开发AGC任务核心软件。作为部门主管,她严格督阵,倾力指导设计与测试团队,铸就AGC软件的传奇品质。

在AGC项目启动前,软件开发尚未被视作科学或工程的独立分支。汉密尔顿创新性地提出“软件工程”概念,不仅完成具体任务,更奠定了界定该领域为一门学科的关键流程,这一创举影响深远。

Hamilton 及其团队研发出一款高效的实时操作系统,采用中断驱动机制,具备批处理作业调度、协作式多任务处理以及 AGC 错误管控功能。在阿波罗11号历史性登月瞬间,系统面临超越计算机响应极限的突发情况。关键时刻,错误处理机制发挥了关键作用,助力宇航员巴兹·奥尔德林成功恢复计算机运行,确保了登陆行动圆满成功。

IC 发展飞速发展

集成电路技术飞速迭代,当人类首次登月之际,市场上已涌现集成数百器件的芯片。彼时,尽管AGC沿用Fairchild设计,却也正是戈登·摩尔预言了著名的摩尔定律:计算机芯片中晶体管密度每两年近乎翻倍增长。

月球登陆的成功及集成电路在太空中的出色表现,充分验证了该技术的可行性。当年参与AGC项目的仙童半导体等领军企业,其关键人物为当今硅谷的崛起奠定了基石。

"登月壮举改写工程历史:揭秘月球登陆如何催生集成电路革命。这一里程碑事件,推动了微电子技术的飞跃发展。50年前的阿波罗登月计划,孕育出集成电路设计,使其体积缩小90%,开启了一个集成化、微型化的时代,深刻影响全球科技进程,引领我们走向数字化未来。"

-对此,您有什么看法见解?-

-欢迎在评论区留言探讨和分享。-

0 阅读:30

薪科技快评

简介:薪科技评说,发现技术的点滴,记录科学的飞跃!