美國的晶片業受到日本的DRAM衝擊後還能夠重生,要歸功於葛洛夫的偏執、桑德斯的奮起抗爭,以及辛普洛的草根競爭力。矽谷那種由男性賀爾蒙與股票選擇權推動的競爭,往往不像教科書所描述的無聊經濟學,而更像是達爾文式的競爭,講求適者生存,優勝劣汰。許多公司倒閉,嚴重虧損,遣散了數萬名員工。英特爾、美光等公司之所以倖存下來,主要不是因為它們的工程技能(雖然這也很重要),而是因為它們能夠善用技術天賦,在競爭激烈、無情的產業中賺錢。
然而,矽谷的重生不單只是一個英勇企業家與顛覆創新的故事。在這些新產業巨擘崛起的同時,一批新的科學家與工程師也正在大幅推進晶片的製造,並以革新的方法運用處理力,其中有許多發展是與政府互相協調推動的。這些官方助力通常不是來自國會或總統的強勢推動,而是來自像DARPA這種靈活的小組織。這些組織獲得授權,可以大舉押注在未來技術上,並打造出那些賭注所需的教育與研發基礎設施。
日本以高品質、低成本的DRAM晶片橫掃市場,並不是矽谷在1980年代面臨的唯一問題。摩爾定律預測,每個晶片上的電晶體數量將呈指數成長,但這個夢想變得愈來愈難實現。1970年代末期,許多積體電路都是以相同的流程設計:英特爾的費德里科.法金(Federico Faggin)用來生產1第一個微處理器的流程。1971年,法金花了半年的時間,以當時英特爾最先進的工具——直尺與彩色鉛筆——伏案畫設計圖。接著,他用小折刀把這個設計切成紅色薄膜。然後用一台特殊相機,把紅色薄膜上雕刻的圖案投射到光罩上。光罩是一塊外面覆著一層鉻的玻璃板,完美地複製了紅色薄膜的圖案。最後再讓光罩曝光,並以一組透鏡把縮小版的圖案投射在矽片上。經過幾個月的繪圖與雕刻,法金創造了一個晶片。
問題是,鉛筆與鑷子雖然足夠應付一個有上千個元件的積體電路,但是對一個有上百萬個電晶體的晶片來說,則需要更複雜的東西。留著山羊鬍的物理學家卡弗.米德2正為了這個難題傷透腦筋。米德是摩爾的朋友,有人介紹他認識全錄(Xerox)帕羅奧圖研究中心(Palo Alto Research Center,簡稱PARC)的電腦架構師琳.康維(Lynn Conway)。當時,PARC才剛發明了附帶滑鼠與鍵盤的個人電腦概念。
3康維是傑出的電腦科學家,但跟她交談過的人都會發現,她腦中充滿了多元領域的知識,從天文學到人類學,再到歷史哲學,可說是包羅萬象。她解釋,1968年她因動了變性手術而被IBM解雇,在1973年4以「隱姓埋名」的方式加入全錄。她很驚訝地發現,矽谷的晶片製造商比較像藝術家,而不是工程師。晶片製造者是以高科技的工具搭配簡單的鑷子,在每一塊矽片上製造出極其複雜的圖案,但他們的設計方法竟然像中世紀的工匠那樣。每家公司的晶圓廠都有一套冗長、複雜的專利指令,說明晶片要在該廠生產所必須遵守的設計規則。身為電腦架構師,康維受過的訓練是以任何電腦程式都適用的標準化指令來思考。她覺得晶片製造業的設計方法5出奇地落伍。
康維意識到,米德預言的數位革命,需要演算嚴密性才有可能實現。一位共同的朋友介紹她與米德認識後,他們開始討論如何把晶片設計標準化。他們想,為什麼不能用程式設計來開發一種可以設計電路的機器呢?米德說:「一旦你能寫一個程式來做某件事,就不需要任何人的工具組了,6你可以自己編寫。」
康維與米德最終開發出一套數學的「設計規則」,為自動化晶片設計奠定了基礎。設計師採用康維與米德的方法,就不必畫出每個電晶體的位置,而是從他們的技術所促成的「可互換元件庫」抓出來繪圖。米德喜歡把自己想像成約翰尼斯.古騰堡(Johannes Gutenberg),古騰堡把圖書生產加以機械化,讓作家可以專注於寫作,讓印刷商可以專注於印刷。不久,麻省理工學院就邀請康維去開課,傳授這種晶片設計方法。她的每個學生都設計了自己的晶片,接著把設計送到晶圓廠製造。六週後,從未踏進晶圓廠的學生,就可以從郵件收到運作正常的晶片。7古騰堡時刻來臨了!
沒有人比國防部對這場「米德—康維革命」(Mead-Conway Revolution)更感興趣了。國防部的國防先進研究專案局(DARPA)資助了一項計畫,讓大學的研究人員把晶片設計送到先進的晶圓廠生產。雖然DARPA以資助未來武器系統著稱,但他們在半導體方面同樣致力打造教育基礎設施,要讓美國8培養出足夠的晶片設計師。DARPA也幫大學取得先進的電腦,並邀請產官學者來開研討會,讓大家一邊享用美酒、一邊討論研究問題。DARPA認為,幫助企業與教授延續摩爾定律,是9維持美國軍事優勢的關鍵。
晶片業也資助大學研究晶片設計技術,成立了半導體研究機構(Semiconductor Research Corporation,簡稱SRC),向卡耐基梅隆大學、加州大學柏克萊分校等大學發放研究補助金。1980年代,來自這兩所大學的學生與教職員創立了多家新創企業,形成一個前所未有的新產業:半導體設計的軟體工具。如今,每家晶片公司都使用三家晶片設計軟體公司的工具,而這三家公司都是由DARPA與SRC資助的研究課程所10培養出來的校友創立的。
DARPA也支持研究人員探索第二組挑戰:為晶片日益增強的處理力尋找新的用途。無線通訊專家厄文.雅各布(Irwin Jacobs)就是其中一位研究人員。雅各布生於麻州的餐廳世家。在愛上電機工程學以前,他原本打算跟隨父母的腳步進入餐飲業。1950年代,他一直在摸索真空管與IBM計算器。在麻省理工學院攻讀碩士期間,雅各布研究了天線與電磁理論,決定把研究重點放在資訊理論上——研究11如何儲存與交流資訊。
無線電已無線傳輸數十年了,無線通訊的需求愈來愈大,但頻譜空間有限。如果你想要一個99.5FM的廣播電台,你必須確保99.7FM沒有廣播電台,否則干擾會讓人聽不清楚你的傳訊。同樣的道理也適用於其他形式的無線電通訊。一段頻譜中包含的資訊愈多,這些資訊朝著無線電接收器傳送時,從建築物反彈回來的混雜訊息相互干擾所造成的錯誤空間愈小。
雅各布在加州大學聖地牙哥分校的長期同事安德魯.維特比(Andrew Viterbi)在1967年設計了一種複雜的演算法,來解碼一組在嘈雜電波中回蕩的雜亂數位訊號。科學家稱讚那是一個出色的理論,但維特比的演算法似乎很難在實務中落實。說一般的無線電可以運算複雜的演算法,那概念似乎令人難以置信。
1971年,雅各布飛往佛羅里達州的聖彼德堡,參加一場有關傳播理論的學術會議。許多教授悲觀地認為,「把資料編碼成無線電波」這個學術子領域已經達到實務上的極限。無線電頻譜只能容納有限數量的訊號,超過那個極限後,訊號就無法辨識與解讀。維特比的演算法提供了一種理論上可行的方法,把更多的資料塞入相同的無線電頻譜中。但問題是,沒有人有足夠的運算力可以大規模地運用這些演算法。透過空中傳輸資料的流程似乎遇到了瓶頸。一位教授宣稱:「程式編碼已死。」
雅各布完全不認同這種看法。他從後排站起來,高舉一塊晶片說:「12這就是未來。」雅各布發現,晶片的進步速度極快,很快就能在同一個頻譜空間中編碼無數倍的資料。由於每塊晶片上的電晶體數量是呈指數級成長,透過某道無線電頻譜發送的資料量也將飛速成長。
雅各布、維特比與幾位同事創立了高通無線通訊公司(Qualcomm,縮寫自quality communications)。他們認為,隨著微處理器變得愈來愈強大,不久就可以把更多的訊號塞入現有的頻譜頻寬中。最初,雅各布獲得DARPA與NASA的合約,建造太空通訊系統。1980年代末期,高通把業務多元化,跨入民用市場,為卡車運輸業推出衛星通訊系統。但即使在1990年代初期,使用晶片透過空中發送大量資料似乎仍是小眾事業。
對於像雅各布這種教授出身的企業家來說,DARPA的資金與國防部的合約對於維持他的新創企業營運非常重要。但只有部分的政府專案真的發揮了效用,例如,半導體製造技術聯盟(Sematech)試圖拯救美國微影成像業的領導業者,就是不幸的失敗。面對瀕臨倒閉的公司,政府提供再多的幫助也沒有用。政府的幫助若要奏效,應該要善用美國既有的優勢,提供資金讓研究人員把聰明的概念轉化為原型產品。國會議員要是知道,DARPA這個國防機構居然宴請電腦科學的教授來討論晶片設計理論,肯定會大發雷霆。但正因為有這些資助,科學家縮小了電晶體,發現了半導體的新用途,促使新客戶購買半導體,並為下一代更小的電晶體提供了資金。在半導體設計方面,世界上沒有一個國家的創新生態系統比美國更好。到了1980年代末期,容納上百萬個電晶體的晶片已經出現了:英特爾發布486微處理器,一塊微小的矽晶片上就容納了120萬個微型開關——這在1970年代康維剛抵達矽谷時是無法想像的。