集成电路的发展是如何帮助人类登上月球的

美国国家航空航天局的太空计划使人类的技术进步突飞猛进，这些革命性发展的例子比比皆是。但有一个特别的项目是在计算机上，阿波罗制导计算机(AGC)是最早使用硅基集成电路的计算机之一。它的采用预示着一项革命性的技术即将对世界产生巨大的影响，这就是我们所知的硅谷的开始。本文将看看硅集成电路是如何让AGC增压的，并引导人类登上月球。

当时美国总统肯尼迪向公众宣布，要把人送上月球，并把他安全带回来。但NASA有很多未知的问题需要解决，其中一个最大的问题是导航。如何引导宇宙飞船在太空中飞行40万公里，然后正确地进入月球表面110公里以上的轨道？速度必须恰到好处，差一点，阿波罗号都会撞到月球。如果高了一点，阿波罗就会进入一个不稳定的轨道，而且无法返回。

这是一项项艰巨的任务，先驱者4号探测器在肯尼迪发表演讲前几年发射，目的是测量月球的辐射。先驱者4号的飞行速度足以脱离地球轨道，但火箭助推器阶段的一个小的时间错误使这个探测器飞得太远。最终，它离月球约2.7万公里远，远到无法触发光电传感器。

1961年8月，美国国家航空航天局(NASA)发布了未来月球计划的第一个项目，该项目交给了麻省理工学院(MIT)的仪器实验室，关于制导和导航系统。这个仪器实验室最终在1970年更名为德雷珀实验室，并在1973年从麻省理工学院分离出来，因为他们的危险武器项目遭到当地人的抗议。

该实验室基于他们之前对北极星弹道导弹的研究提出了一个系统，这个系统被称为惯性制导系统——一个独立的系统，有一个传感器和三个陀螺仪在其中心。该系统还将使用一台计算机来计算飞船的位置、方向和速度。宇航员会定期使用六分仪测量星体读数，并将观测结果输入计算机。

为了测量漂移，宇航员需要找到一颗已知的恒星，将飞船的光学装置对准它，然后按下一个按钮，剩下的由电脑来做。但这个方案有争议，宇航员以前都是飞行员，所以他们想像控制飞机一样控制他们的航天器飞船。但对地面控制中心来说，他们想从地面引导阿波罗。

麻省理工最终如愿以偿，他们将通过一台计算机引导远离地球几千英里的飞船。对于如何实现这一方案引发了激烈的争论。在阿波罗升空时，阿波罗制导计算机并不是飞船上唯一的计算机。另一台不太复杂的数字计算机位于土星5号火箭内部的深处。土星运载火箭的数字计算机没有用户界面，但仍然完成了关键任务。它提供火箭的制导和导航功能，向发动机发送指令，引导其推力。

这台火箭内部计算机没有使用集成电路。它的供应商IBM知道集成电路这种技术的存在，但它认为还不够成熟，无法完成这项任务。他们选择坚持使用更传统的晶体管技术。

众所周知，火箭是一个不稳定的、高温的环境，偶尔会有高速度的加速。为了确保NASA的稳定性，IBM建立了一个称为TMR的架构，它的真正意思是“三重模块化冗余”。在这里，IBM在火箭内计算机放置了三个相同版本的电路。然后，设计了一个投票电路，在其中一个输出失败的情况下选择多数输出。三重模块化冗余方法工作得很好，土星5号制导计算机在运行过程中从未出现过故障。

1969年11月，土星5号升空后被闪电击中，摧毁了阿波罗指挥舱的电子设备。NASA聘请了AT&T的一个分支机构进行技术咨询，这些人建议IBM提供制导计算机。但麻省理工学院想另辟蹊径。制导计算机需要更灵活，更通用。它必须接受来自人和其他工具的输入。为了实现这一目标，同时满足NASA要求的可靠性目标，他们转向了一种新兴的电子技术。

我们先回顾一下，从真空管到晶体管到集成电路的一些简要历史。在很长一段时间里，计算机都依赖于真空管，但它可靠性低，耗能大，而且极其脆弱。因此，当1947年第一个晶体管被发明出来时，人们欢呼它的低功率、在紧急情况下可以替代真空管。

晶体管还可以包装成单独的部件，插上它们来放大电信号，或者开关它们。但早期的德国晶体管有自己的问题，制造商在批量生产这些产品时遇到了困难。此外，它们可靠性不高——摇晃或暴露在极端温度下会折断，而且需要手动连接。尽管有这些缺点，但业界——尤其是军方，看到了晶体管的巨大潜力。

1953年，IBM首次推出了他们的第一台晶体管数字计算机——IBM 608。该计算机配备了3000个锗晶体管，比它的前代缩小了50%。而且令人印象深刻的是，它还节省了90%的电力。最终，在制造工艺的改进推动下，成本降低，可靠性提高，晶体管在电子工业中取代了真空管。

20世纪50年代中期，美国军方开始研制下一代大型洲际弹道导弹——民兵。民兵是一种威慑武器，旨在为美国提供二次打击能力。因此，民兵需要时刻保持警惕，能够在不到一小时的时间内开火。民兵拥有精确的制导系统，这个制导系统和阿波罗的一样——是惯性制导。

1958年，美国军方选择北美航空公司的Autonetics作为该制导系统的主要承包商之一。为了他们的晶体管，Autonetics转而求助于德克萨斯仪器公司和一家位于加州山景城的小型半导体制造初创企业——仙童半导体公司。

为了满足Autonetics严格的可靠性要求，仙童半导体将硅基晶体管放入离心机，使其分别在高温和低温下工作，测试其可靠性。到1960年，美国军方为导弹购买的晶体管比太空计划购买的还要多。这些早期的测试加上军方的购买量，使仙童公司得以磨练他们的技术，并在后来将他们的晶体管业务发展得更大。

集成电路的出现使晶体管的理念又向前推进了一步。还记得我之前说的吗？晶体管很好，但你必须手动将它们连接在一起，通常是通过焊接。电路的可靠性取决于它最薄弱的环节，所以连接它们时人为操作失误会导致短路和故障。集成电路之所以比以前的电路性能好得多，是因为它是由单晶硅制成的。现在，你可以制造数以百万计的晶体管、电阻和电容，把它们拼在一起，你会发现巨大的规模经济和不断升级的性能。

著名的德州仪器公司的杰克·基尔比在1958年首次发明了集成电路。他因此在2000年获得了诺贝尔物理学奖。但他的集成电路发明在商业上并不可行，电路的单个元件——晶体管、电阻器等等，都是由硅制成的。但它们都是用金线连接的。就像我之前说的，电路的好坏取决于它最薄弱的环节。

随后在1959年，仙童的一位创始人开发了所谓的“平面”工艺。硅与空气反应，形成一层二氧化硅。这层东西以前是制造上的麻烦，经常被移除，但仙童半导体公司学会了把这种麻烦变成优点。这层二氧化硅保护晶体管不受外界环境的影响，使它们更加耐用。在制造过程中，可以在该层上开孔，以插入必要的元件。结合使用光刻技术来沉积用于连接的铝线，仙童成功地将许多电路元件连接在一起放在一块硅上——一个单片集成电路。

德州仪器公司首先发明了集成电路，但仙童公司使它更具商业可行性。所以两家公司的律师交叉授权了他们的方法。仙童公司的工艺很快就主导了整个行业，集成电路一经发明就开始对行业产生影响。

1962年，美国军方开始了民兵II项目，这是一种后续的洲际弹道导弹，需要更强大的制导系统计算机。出于这个原因，autometics公司选择使用集成电路进行设计——德州仪器和西屋电气是主要供应商。德州仪器为民兵II开发了20多个集成电路设计。到1965年，他们每周将为导弹项目提供超过15000个电路。

“民兵II”制导计算机的演示显示，它的性能明显优于“民兵I”，这一消息在军队中传开了，并最终传到了麻省理工学院实验室和美国宇航局。阿波罗项目的工程师了解集成电路，因为他们处于电子开发的最前沿。他们助推火箭预算的40%，航天器预算的70%，跟踪/数据预算的90%都花在了电子元件上。麻省理工学院在1959年和1960年——基本上是在集成电路发明后不久，从德州仪器公司订购了一些集成电路样品，以便研究它们的潜力。

至1961年，仙童宣布了他们的Micrologic产品线，以每台120美元的价格出售给政府和商业客户。这个价格在当时很低。麻省理工学院订购了一批Micrologic产品，发现它们有很大的前景。该产品执行诸如乘法、加法和分支逻辑等计算操作的速度，是标准晶体管部件的两倍多。

此外，新计算机的尺寸和重量是原来的三分之二。而且它的价格更低，因为它将计算机内部独特的逻辑模块数量从34个减少到只有一个。但是整合集成电路，需要完全重新设计。而且，必须计划好在芯片制造之前要做的所有事情。而且当时只有一家Micrologic电路供应商——仙童，这绝不是一个好情况。如果仙童公司没能交货，那就麻烦了。不过最终，它们找到了其他供应商。

1962年，麻省理工学院实验室的工程师们获得了基于集成电路重建制导计算机的许可。这第一次迭代的制导计算机最终被称为Block 1。它有4100个集成电路，所有的电路类型都是一样的。这样做是为了稳定的可靠性和方便采购的原因。

尽管做出了这样的决定，大问题依然存在。基于集成电路的计算机可靠吗？这引发了很大的争论。正如我之前提到的，AT&T曾建议NASA使用三模冗余方法用于制导计算机。在他们看来，计算机在登月过程中很可能会出现故障。

宇航员能在太空中修理计算机吗？因此，NASA与IBM公司签订了合同，让他们研究阿波罗的要求，看看他们是否能够将土星5号发射计算机改造成阿波罗制导计算机，IBM当然没问题。而麻省理工学院的工程师们并不这么认为，因为他们的电脑运行速度要快10到20倍，也更灵活。此外，它的位置和速度计算输出比土星计算机的精度高出五倍。

当时，格鲁曼公司正在建造登月舱。他们认为基于集成电路的制导计算机无法成功，建议NASA为着陆建立一个完全独立的冗余备份。格鲁曼公司在这笔交易中施加了政治压力，明尼苏达州的政治家约瑟夫·卡斯给美国宇航局局长詹姆斯·韦伯写了一封信——他们曾以韦伯的名字命名了一架望远镜。

他在信中写道：对于麻省理工学院的制导系统能否达到任务所需的可靠性，人们一直存在担忧。是否有书面的测试数据证明它能满足阿波罗的需求，然后他问了关于后备制导系统的问题。NASA在回复中提到，阿波罗携带了两台制导计算机，以确保可以随时收到来自休斯顿的命令。最终，麻省理工学院实验室在一场差点导致灾难的事件之后做出了最终决定。

1963年5月，美国最后一次单人轨道飞行“水星-阿特拉斯9号”上几个关键系统的电子设备，在飞行接近尾声时发生故障。

宇航员戈登·库勃，手动控制飞行器，重新进入大气层，并安全地将飞行器带回了地球。后来，工程师们确定，在零重力环境中漂浮的酸进入了电子系统，并毁坏了它们。水星事件发生时，麻省理工学院的工程师们正在研制下一代制导计算机——Block 2。这个版本将用于阿波罗号的所有载人任务。

Block 2拥有更多的集成电路，超过5500个，而Block 1只有4100个。而且，它的体积更小——减少了总占地面积，并减轻了约7公斤的重量。14台Block 1原型机非常可靠，到1965年已累计运行超过38000小时。如果制作和密封得当，它们就能工作。因此，麻省理工学院决定，解决可靠性问题的最好方法是将其与外部环境隔离。如果电脑在飞行途中发生故障，宇航员将无法修理，但密封可以保护电脑不受外界损害。

NASA建造了最后一台备份计算机——中止制导系统。这是一台通用计算机，由第二批供应商——TRW提供，集成电路来自仙童的竞争对手Signetics。中止制导系统最初是“以防万一”建造的。但它从来没有被使用过，也许不应该被建造。1975年晚些时候，NASA反思到，他们的资源应该更好地用于加强主系统的可靠性，而不是创建完全独立的备份系统。

有人说，阿波罗和民兵2号项目帮助开启了集成电路时代。否则，它可能不会走得那么远。NASA选择集成电路是因为它们更快、更小，而且最终证明，与以前的任何产品一样可靠。但在1962年，每个芯片的价格约为20-30美元，并不比当时的分立电路技术便宜。NASA和军方愿意支付这些费用，而且他们也帮助了相关公司。

1961年，仙童Micrologic的销量不到5000件，德州仪器也被迫在上市90天后将定价从435美元降至76美元。直到1964年，仙童公司罗伯特·诺伊斯决定以低于成本的价格销售他们的集成电路产品，赌注是他们将通过规模化的效率来弥补这一点。

事实证明，仙童是对的。降价前一年，该行业共销售了250万个集成电路产品。削减成本后，仙童的一个订单就有50万个集成电路，占订单总额的20%。一年后的1965年，也就是戈登·摩尔提出摩尔定律的那一年，电脑制造商巴勒斯公司购买了2000万块集成电路。到1966年，整个行业都知道集成电路是未来的趋势。