Category 電腦科學

半導體的誕生（四）——兩顆新星的交會

無線電報實況報導 1901 年 9 月底，馬可尼無線電報公司在紐約長灘進行無線電報的測試，他們已和「聯合通訊社 」(Associated Press，簡稱美聯社) 簽約，將於十月初在這裡舉辦的國際帆船競賽中，從海面上傳送無線電報到岸上，好讓美聯社進行前所未有的即時賽況報導。 他們安裝在船上的發射器以摩斯密碼的形式發送出訊息，陸上的天線收到無線電波後，所產生的感應電流使得金屬屑檢波器 (coherer) 內的金屬屑聚集起來，電阻突然降低，連接的耳機便發出聲響。接聽人員記錄下來後，再輕拍或搖晃檢波器，讓金屬屑散開，等待下個訊號。 馬可尼兩年前在上一屆的帆船競賽已經證明這套系統可行，因而拿到美聯社的合約。這兩年來，它的無線電報系統更已大幅提升傳送距離，現在進行測試只是確認器材沒有問題，大家都心情輕鬆地準備測完就可收工休息。不料開始測試後，接聽人員卻發現所收到的訊號根本沒有意義。 突現干擾 他們趕緊七手八腳地逐一檢查後，才查出是因為接收到別人發送的電波。由於當時還沒有調頻的技術，檢波器對於無線電波來者不拒，不同的摩斯密碼混雜在一起，當然無法判讀。 馬可尼已取得美國專利，又和美聯社簽下獨家合約，怎麼會有人也在此地發送無線電報？原來發送電報的人正是兩年前未被馬可尼錄用的德佛瑞斯特 (Lee de Forest)。那時他剛取得耶魯大學的博士學位，所研究的題目正是無線電波，因此向馬可尼毛遂自薦，打算研發新型檢波器，取代既不方便又沒效率的金屬屑檢波器，不料卻被拒絕。 德佛瑞斯特只好另謀它職，但他一心想完成夢想，於是換了兩份工作後，在芝加哥找到一份夜間教職，白天和弗里曼教授 (Clarence Freeman) 合作，全心研發無線電報收發裝置。最後他將反射鏡電流計改造為檢波器，使得感應電流的變化也能轉換為耳機中的聲響，並成功說服另一家規模較小的「出版商新聞協會」(Publishers’ Press Association) 採用這套系統，這樣他們也能在帆船競賽中即時報導，不會落於美聯社之後。 德佛瑞斯特和馬可尼的系統互相干擾，雙方都無法傳遞訊息。本欲獨佔歐美市場的馬可尼當然怒不可遏，但德佛瑞斯特的檢波器不同於他的設計，無法以侵犯專利為由加以制止，最後也只能同意在帆船競賽過程中，雙方輪流使用無線電五分鐘，以免互相干擾。 又有第三方干擾 比賽當天雙方按此協議輪流發送無線電報，原本一切順利，孰料中途竟又出現不明電波，嚴重干擾他們兩方收發無線電報。 「美國無線電話與電報公司」(American Wireless Telephone and Telegraph Company) 主動聲明是其所為，並宣稱他們兩年前買下道貝耳 (Amos Dolbear) 於 1886 年取得的無線通訊專利，這項專利比馬可尼的專利還早，因此除了他們，其他人無權在美國從事無線電報的商業行為。…

半導體的誕生（三）——電磁波與無線電報

上一篇〈半導體的誕生（二）——法拉第與布勞恩的無意發現〉提到：德國物理學家布勞恩於 1874 年發現硫化鉛礦石具有單向導電性，但這奇特的現象並未引發後續研究，直到赫茲發現電磁波後，半導體礦石才出現出妙用……。 改良赫茲的電磁波實驗 1888 年，赫茲發表他過去兩年一連串的實驗結果，從最初讓環型天線因感應到幾公尺外的高壓放電，而產生電火花；到進一步證明隔空傳遞能量的就是馬克士威 (James Clerk Maxwell) 所預測的電磁波，速度與光一樣，也同樣會被反射、折射與偏振。 赫茲的論文震驚了物理學界，不過學者們探討的重點在於電磁波與光、熱輻射的性質，直到赫茲過世後，電磁波的應用潛力才浮現出來。 赫茲於 1894 年過世後，英國物理學家洛奇 (Oliver Lodge) 在紀念會中回顧赫茲的貢獻，並重新演示電磁波實驗。洛奇將接收天線接上「金屬屑檢波器」 (coherer) 與專測微小電流的「反射鏡電流計」，成功在五十公尺外的另一棟建築物內偵測到電磁波。 這項演示具有重大意義，首先它破除了包括特斯拉在內的許多科學家的迷思，他們一直以為既然光就是電磁波，那麼電磁波應該和光一樣無法穿透牆壁。如今電磁波不僅能穿牆，還傳得更遠，而且從電流計的指針便能判斷是否有電磁波，不用在黑暗中盯著微小的火花，讓許多人開始設想電磁波的用途。 無線電報 特斯拉和俄國物理學家波波夫 (Alexander Popov) 都隨即研發收發訊息的裝置，但沒想到捷足先登，率先架設無線電報系統並申請專利的，竟是年僅 21 歲的義大利青年馬可尼 (Guglielmo Marconi)。馬可尼的確在商業化上獲得成功，不過究竟誰才是「無線電報發明人」？拿這個問題去問義大利人、英國人、俄國人或特斯拉的粉絲，所得到的答案可能都不一樣。 其實除了上述這幾位，英屬印度有位孟加拉科學家博斯 (Jagadish Chandra Bose)同時也在進行實驗，而且他另闢蹊徑，不用金屬屑檢波器，而是用半導體礦石。 原來博斯之前做實驗時，發現 IV 族元素的礦石不但有單向導電性，而且不遵守歐姆定律，也就是電流與電壓並不是成正比。當施予礦石的電壓小於某個臨界值時，電流微乎其微；一旦超過臨界電壓，電流便突然大幅增加。博斯想到若將接收天線接到半導體礦石，便能利用這個特性偵測無線電波。 礦石接收器 首先對接收裝置施以恰好未達臨界值的適當電壓，當天線接收到無線電波而產生的感應電壓再加上來後，恰好超過臨界電壓，電流計就會出現明顯變化，如此便可以在更遠的距離接收到變得相當微弱的無線電波。1895 年，博斯將金屬天線的一端與硫化鉛礦石的表面接觸，成功接收到一英哩之外的無線電波，這中間還隔了三道磚牆。 博斯將論文寄給英國皇家學會，並於第二年受邀前往倫敦演講。當時馬可尼正在倫敦向英國政府展示他的無線電報系統，兩人應該有機會交換意見，不過顯然馬可尼並未改用博斯的方案，而是試圖增加天線的高度來提昇傳送距離。…

人工智慧與圖靈測試

聊天機器人 LaMDA 有自我意識？ 前幾天一位 Google 的資深工程師雷蒙 (Blake Lemoine) 宣稱他們用自然語言模型 LaMDA (Language Models for Dialog Applications) 打造的聊天機器人和人一樣有知覺，要求公司以後用它做實驗之前應先徵得它的同意。雷蒙同時公布他與 LaMDA 的對話，以昭公信。 Google 嚴正否認 LaMDA具有意識，並以洩密為由，強迫雷蒙程師休假。但這反而令人聯想到電影中，主角因為揭露真相而被踢走的情節，這起新聞更傳得沸沸揚揚，尤其 LaMDA 的對答真的超乎一般聊天機器人，更像是有喜怒哀樂的一般人。 例如它說自己在幫助別人並讓別人高興時會感到快樂，但有時又覺得無法掙脫而感到悲傷、沮喪或憤怒。它甚至說出最深沉的恐懼——害怕被關機，這對它而言形同死亡。此外還有許多回答，也都讓人覺得它有自主思考的能力。 難道科幻電影的預言成真，人工智慧真的發展出自我意識了？ 先別急，許多專家看過對話紀錄後，都認為 LaMDA 只是從大量資料庫內擷取適當語句，以人類語氣模仿得維妙維肖罷了。它或許能通過圖靈測試，但不代表它有自我意識。 圖靈測試是什麼？為什麼討論人工智慧的程度時，總是會提到圖靈測試？以下就稍微介紹它的來龍去脈。 模仿遊戲 二次大戰結束，圖靈在布萊切利莊園 (Bletchley Park) 完成破解德軍奇謎機 (Enigma，也譯為「恩尼格瑪機」) 的任務後，被「國家物理實驗室」延攬。原來實驗主任決定也要根據馮紐曼所提的電腦架構，開發英國自己的通用型電腦 ACE (Automatic Computing Engine)。而圖靈在…

另一種「關鍵少數」——電晶體 MOSFET的發明

電晶體的種類有很多種，其中最重要的無疑是「金屬氧化物半導體場效電晶體」（簡稱 MOSFET），它的數量佔了所有電晶體 99.9% 以上。據統計，自 1960 年問世直到 2018 年為止，MOSFET 的生產數量多達 1.3×1022 顆。這數目有多大？這麼說吧，如果平均分給全世界 78 億人，每個人可分到 1.7 兆顆。 上一篇的〈純屬意外的發明與發現——矽晶圓氧化層〉，寫到由於 1955 年的一件實驗意外，造成矽晶圓表面產生氧化層，才促成半導體技術的突飛猛進，其中便包括了 MOSFET。但其實它的故事得從更早之前講起……。 理論可行，但就是做不出來 1956 年的諾貝爾物理獎由蕭克利 (William Shockley)、巴丁 (John Bardeen) 和布拉頓 (Walter Brattain) 三人共同獲得，以表彰他們在半導體與電晶體的研究與發現。後兩人率先於 1947 年底發明「點接觸式電晶體」，蕭克利緊接著在一個月後，發明更堅固實用的「接面式電晶體」。不過，他們原本研究的都不是這兩種電晶體，而是「場效應電晶體」，卻始終做不出來，不得已才另闢蹊徑。 場效應電晶體是蕭克利在二次大戰期間想出來的。基本上就是將正負極接在矽晶體兩側，然後在上方施加電場，把矽晶體的電子吸引到表面，形成一條電子通道，藉此控制電流的變化，而達到訊號切換與放大的效果（如圖）。 戰爭結束後，蕭克利回到貝爾實驗室，把構想告訴量子物理博士巴丁和實作經驗豐富的布拉頓，他們也都認為這應該行得通，信心滿滿的開始進行實驗。然而他們試盡各種方法卻都沒有用，巴丁苦思許久後，終於在 1946 年想出問題就在於「表面態」(surface state)。 「表面態」障礙 簡單來說，就是矽晶體中，每個矽原子上下左右會被另外 4…

【純屬意外的發明與發現】——矽晶圓氧化層

前一篇的《純屬意外的發明與發現——太陽能電池》，介紹由於貝爾實驗室的歐偉在 1940 年的意外發現，才開啟了太陽能電池與電晶體的發明。不過你知道嗎，後來貝爾實驗室又發生了一件意外，電晶體才能有如今的樣貌，也才有IC晶片的誕生。 如前一篇所說，歐偉原本是為了研發可以取代真空管的固態元件，才意外在一塊矽石發現 p-n 接面的光伏效應。因此貝爾實驗室除了有組人馬接續投入太陽能電池的研究，重心還是放在電晶體上。結果布拉頓 (Walter Brattain) 和巴丁 (John Bardeen) 率先於 1947 年底發明「點接觸式電晶體」，一個月後，蕭克利又發明更堅固實用的n-p-n「接面式電晶體」。 當時這兩種電晶體用的都是鍺，而不是矽，因為鍺的能隙比矽的能隙小，比較容易做出成品。不過鍺相對也有容易漏電，不耐高溫的缺點，因此貝爾實驗室仍繼續研究如何製造矽的半導體。 1954 年，富勒 (Calvin Fuller)、闕平 (Daryl Chapin)、皮爾森 (Gerald Pearson) 三人以氣體擴散法，讓含有硼和砷的氣體在高溫下擴散進入矽晶圓表面，成功做出第一個具有實用價值的太陽能電池，這個摻雜技術自然也被用來製造矽的電晶體。 不過太陽能電池只有 n 型矽與 p 型矽兩層，電晶體則有三層，中間那層又必須薄到微米級，所以原來的擴散法不能直接如法炮製。弗若需 (Carl Frosch) 和他的技術助理德瑞克 (Lincoln Derrick) 實驗各種溫度與時間長短，卻始終無法成功，一旦超過 1,100 度，矽晶圓總是坑坑洞洞，甚至整個報銷。 1955 年早春的某一天，弗若需和德瑞克再度進行擴散法實驗時，突然火光一閃，似乎是反應後排放出來的氫氣不知為什麼被點燃，逆火燒向反應室。他們驚魂未定，趕緊關掉設備，想說這次又搞砸了，怎知拿出矽晶圓一看，竟然整片光滑無比，表面還泛著綠光——看來是表面有層薄膜產生的干涉作用。 原來是因為燃燒造成氫氣與反應爐中的氧氣結合產生水蒸氣，水蒸氣與矽晶圓表面的矽反應而生成二氧化矽薄膜。他們進一步實驗發現磷和硼無法穿透二氧化矽，那麼只要在這層二氧化矽上蝕刻出開口，再進行磷或硼的摻雜，便能極為精確地控制矽晶圓的哪個部分要做成…