第4章 在更完美的世界边缘 公差0.0000001(10-7).8
后来，由15颗卫星构成的系统建成了。这些卫星看起来很不雅观，就像昆虫一样。4个太阳能电池板翅膀和长长的躯干连接在一台发射台上，形成一个吊杆，使天线始终指向地球。在960千米高的极地轨道上，至少有3颗卫星同时保持运行。当地球在下方转动时，这些卫星会扫过地球上的陆地和海洋，像太阳一样升起、落下，同时向地面上的接收机发射信号。随着它们向接收机靠近，到达接收机上方，继而远离接收机，信号会受到多普勒效应的影响。地面站配备了巨型计算机，这些计算机的磁带鼓来回旋转，可以预测每颗卫星在天空中出现时的真实轨道，并通过无线电将这些数据发送给需要知道自身所在位置的船只和潜艇。虽然该系统效率低下，在早期每隔几小时才可用一次，但它确实让美国海军船只在任何天气情况下都能随时随地进行比较准确的定位。
通过在15分钟内跟踪一颗经过的卫星，船只可以确定自身所在的位置，精确度为300英尺。据说，美国海军搭载“北极星”弹道导弹的战略核潜艇在进行定位时能够精确到60英尺以内，因为他们可以使用相关软件的高度机密增强版，即给出卫星正确轨道的信号接收软件。子午仪系统显然要比台卡、罗兰等无线电导航系统强大许多，而且经受了考验，直到1996年才停止使用，服役时间长达30多年。该系统于1967年对商船开放，在其鼎盛时期，多达8万艘非海军船只使用该系统。正如一位项目经理所说：“这是自船用天文钟问世以来在导航方面迈出的最大的一步。”
世界发展越来越快，核武器越来越危险，敌人越来越狡猾，关键基础设施的要求越来越高。600英尺、300英尺、200英尺、60英尺等误差先后被海军称为“高精确度”，现在显然已名不副实。此外，每小时只能进行一次定位，而且评估时间长达15分钟。评估过程由一小批海军人员在地面站通过成排的计算机完成，无论他们受过多么良好的训练，都难免出现人为误差。
新的世界秩序需要更好、更快、更可靠、更安全和更精确的导航系统。基于多普勒频移的导航系统也很好、很可靠。然而，大环境在更新提速，变得更具威胁性，面对这样的技术现实，多普勒导航系统显然无法应对。1973年，美国佛蒙特州一位乡村医生的儿子罗杰·伊斯顿(Roger Easton)（见图8-2）提出了一种很明显可以应对当前形势的系统。该系统涉及时间问题以及计时用的时钟问题，所涉及的物理原理实际只是被动测距(passive ranging)，本质上非常简单。
图8-2 罗杰·伊斯顿（左三）
注：多年来偶尔发生的党派之争最终导致出生于美国佛蒙特州的伊斯顿被公认为全球定位系统的发明者，当时他在华盛顿特区的美国海军研究实验室工作。
假设有两个十分可靠的时钟，它们显示的时间完全相同。再假设其中一个时钟在伦敦，另一个在底特律，两个时钟都通过视频流连接，都在Skype、FaceTime或WhatsApp等社交软件上显示。在这个场景中，我们完全相信两个计时器的精确度和准确度，而且十分确定它们设置的时间相同，因此显示的时间也是相同的。
如果两位观察者分别去观察各自所在房间里的时钟，他们看到的时间显然是相同的。但是，如果身在伦敦的观察者通过视频去观察底特律的时钟，就会发现细微的差别：与放在他旁边的时钟相比，底特律的时钟似乎慢了零点几秒，差不多正好是0.02秒。不过，他很确定实际上两个时钟显示的时间是一样的，同时也知道两者之间的信号速度即光速，是一个常量。因此，这种差异必然是由这个场景中的唯一未知的变量造成的，而这个未知的变量显然就是信号从底特律传到伦敦必须经过的距离。
伊斯顿当时在位于得克萨斯州南部里奥格兰德河谷(Rio Grande Valley)的美国海军太空应用部工作，创建了臭名昭著的“太空篱笆”(space fence)，即一个庞大的探测器阵列，声称能够绘制任何经过美国领土上空的卫星。他发现，在伦敦观察到的两个时钟的时间存在差异。这一简单事实提供了一条宝贵的信息，即一个数字。根据该数字，他可以计算出伦敦和底特律这两个城市之间的距离。光速为恒定不变的绝对速度，即每秒299792.458千米。而在前文的例子中，观测到的时间延迟为0.02秒，即光传播了5920千米。因此，基于时间计算出的两地距离为5920千米，而这基本上就是底特律与伦敦之间的实际距离。
伊斯顿立即设计了一个简单的实验，并邀请了几位高级海军军官同事前来观察。在这个实验中，他没有使用时钟。20世纪60年代中期，人们已经发明了非常精确的原子钟，只是原子钟的体积太大，无法用于他设想的实验。因此，他使用了石英振荡器和氢微波激射器。后者昂贵而复杂，但体积较小，可以提供十分可靠的恒频标准。
伊斯顿制作了两个这样的装置。他把其中一个放在一辆敞篷车的后备箱里，那辆车的主人是他的一位工程师朋友，名叫马特·马卢夫(Matt Maloof)；另一个则放在得克萨斯州南部的海军基地，也就是他工作的地方。伊斯顿让观察者们看着他在实验室里连接好的示波器屏幕，同时让马卢夫以最快的速度沿着得克萨斯州295号公路开到最远的地方。这条公路当时还没有竣工，因此空无一人。在马卢夫迅速驶离的过程中，车上的发射机一直在不停地向外发送信号，而总部的办公室里有一个振荡器在接收这些信号。该振荡器的频率和发射机的频率完全一样。
随着汽车离办公室越来越远，两个数字之间的差值也越来越大，而这都是由距离的差异造成的，因为其他所有因素都是恒定的，这些因素包括两个设备的频率和信号传输的速度，即光速。海军军官们看得入了迷。随着计算结果出炉，他们几乎立刻就能知道马卢夫的车离办公室有多远、开得有多快以及何时改变了方向。当马卢夫在几十千米以外的地方换车道时，这一数字发生了明显的变化。见到这一幕，他们深感钦佩，惊讶之情溢于言表。这次演示取得了圆满成功，原则上证明了钟差导航系统是可行的，而且远比人们想象的简单。
美国海军立即拨款进行深入研究，只是这笔款项数额极小，无法支持发射卫星，也就无法在军方偏爱的真实环境中进行测试。与此同时，美国各地的实验室也在不断提出其他定位方法。军方技术、人员和部门矛盾纷争不断，从事后看来，俨然就是一场多普勒系统和钟差系统的生死对决。直到今天，伊斯顿的支持者和布拉德福德·帕金森(Bradford Parkinson)（见图8-3）的支持者之间还存在许多不友好的争论。伊斯顿隶属海军，而帕金森则是一位战斗经验丰富的空军上校，有些人认为帕金森才是全球定位系统之父。关于“全球定位系统黑手党”的负面言论依然存在，如今偶尔还能看到两人的支持者所写的恶语相向的文章。不过，钟差系统最终胜出。1973年，美国空军取得了部分胜利，从该计划的海军发起者手中夺取了运作控制权，开始了这个卫星系统的建设。该系统为导航星全球定位系统的核心，而导航星全球定位系统在后来被简化为了现在人们所熟悉的全球定位系统。伊斯顿则摘得了桂冠：他被授予美国国家技术奖章以及其他多项荣誉，包括以该系统的主要发明者的身份入选美国国家发明家名人堂。
图8-3 布拉德福德·帕金森
注：帕金森曾与伊斯顿竞争全球定位系统的发明者这一身份，此外还以所谓的自动化战场研究而闻名。他对全球定位系统的设想在很大程度上倾向于军用，而伊斯顿则颇富诗意地认为该系统自然而然地继承了哈里森于18世纪对经度和高精确度时钟的研究。
这个提议中的系统存在大量的技术问题。为了解决这些问题，多颗卫星被分批发射，成组送入太空，形成覆盖全球的卫星组合。1978年至1985年，01组10颗卫星被成功送入轨道。全球定位系统于1978年2月正式启用，不过最初仅供美国军方使用。某些军事行动随后就使用了全球定位系统定位，比如针对利比亚领导人的军事行动。武器和炸弹中也安装了内置全球定位系统，后者被称为激光制导炸弹。后来，全球定位系统成了作战计划和战术的重要组成部分。可以说从1991年的海湾战争开始，所有战争都离不开全球定位系统，带领美军进入科威特的领头坦克全都配备了全球定位系统接收机。自那以后，已经有70颗全球定位系统卫星被送入了距离地表约1.9万千米的中地球轨道。其中有31颗留存至今，所以有些已经相当老旧。这31颗卫星都是由洛克希德·马丁公司或波音公司制造的，大部分是由美国空军用阿特拉斯5型运载火箭发射的，发射地点大多是在卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)，而且发射时间大多是1997年以后。这些卫星共同形成了全球定位系统的运作支柱，而这一系统对每个人来说都是必不可少的公益系统，由美国政府免费提供。
精确无极限
全球定位系统是一个真正的公益系统，原因很简单，虽然该系统由美国政府所有，现在却完全向平民开放，几乎没有任何限制。最初，它是最高机密，是核战略武器库的一个组成部分，旨在确保携带原子弹的飞机和配备核弹头导弹的潜艇始终能够对自身进行高度准确的定位，以及确保其携带的武器在对目标进行定位时能够精确到几米之内。后来，罗纳德·里根(Ronald Reagan)决定允许民用用户平等地使用全球定位系统技术，先是对航空公司开放，后来扩展到普通平民。尽管军方声称对全球定位系统保密可以为美国带来战略优势，但里根政府依然认为，故意隐瞒这种可以进行准确定位的技术属于不道德的行为。此外，苏联当时还在忙于建立自己的全球导航系统，而这一系统现已建成，被称为格洛纳斯(GLONASS)。
除此之外，欧洲的伽利略卫星导航系统，中国的北斗卫星导航系统也已经上线并开始运行，可能很快就会像全球定位系统一样普及。不过，目前全球定位系统的地位仍然很高，想必只要没有黑客恶意侵入美国的防御系统，其地位在未来几年依然处于领先水平。
在全球定位系统放开供民用后的许多年里，美国国防部依然忧心忡忡地认为，不应该让普通人知道总统办公室的确切位置，不应该让其享用精确度为一两米的定位。因此，他们要求美国空军略动手脚，故意在系统中引入误差，使普通用户在水平方向上的定位误差不低于45米，在垂直方向上的定位误差不低于90米。然而，克林顿总统于2000年下令取消了这种被称为“选择可用性”的限制。从那时起，世界各地的用户都能在各种设备上使用全球定位系统接收机，包括汽车、电话、手表以及狩猎探险和周末出海度假时所携带的手持设备，误差仅为几米。勘测队甚至声称其定位精确度可以达到几毫米。他们使用特殊的接收机，等待越来越多的卫星进入视野，至少要有4颗卫星在他们的视线范围内时，他们才能给出合适的读数，而有些测绘员甚至会等到可以与多达12颗卫星通信之时，才给出合适的读数。
整个系统目前由戒备森严的施里弗空军基地（见图8-4）负责运行，该基地位于科罗拉多泉附近的落基山脉雨影区尘土飞扬的东倾平原上，靠近夏延山下著名的巨大掩体，即美国的防核基地。美国国防部的数百颗卫星几乎全部由施里弗空军基地负责管理，其中大部分是高度机密的情报搜集卫星。它们在空中飞行或盘旋，执行各种不确定的任务。第二太空行动中队深藏于美国空军官僚机构之中，同样也深藏在基地庞大且高度安全的综合设施的层层保护之下。他们在某种程度上不可避免地奉行着美国的“和平之路”箴言，致力于管理和维护构成美国全球定位系统的31颗卫星。这里的主控站负责检查每颗出现在地平线上的卫星的运行状况，而由遍布世界各地的16个监测站组成的网络则确保无论白天还是黑夜，至少有3双眼睛在成排的电子引擎和超高速计算能力的协助下时刻监控着每一颗卫星。
图8-4 施里弗空军基地
注：该基地安全性非常高。美国国防部便在此对其所拥有的全球定位系统进行管理和控制。
其中4个监测站拥有复杂的天线，可以向卫星发送信息，最重要的是，可以向每颗卫星上携带的原子钟发送精确到百万分之一秒的校正信息。虽然每颗卫星可以发送其精确的位置信息很重要，但这些卫星也在发送极准确的时间信号，这点更是具有非同寻常的重要性。因为全球定位系统的功能不仅仅是用于满足地球上的导航需求，可以说，现代的全球经济大部分都依靠全球定位系统时钟运行，其准时程度可以精确到极微小的几分之一毫秒内（见图8-5）。
图8-5 美国空军的一名技术人员正在全球定位系统控制室内工作
注：第二太空行动中队负责管理31颗全球定位系统卫星，这些卫星向世界上大部分地区的接收机发送高度准确的导航和定位信息。
总而言之，全球定位系统卫星编队在地球上空盘旋或快速移动，其实用程序复杂，与时间有关。信号的所谓传输时间是已知数，将其与信号的“到达时间”进行比较，经计算便可立即得出两者之差，即“渡越时间”。用4个“渡越时间”分别除以光速，可以计算出4个距离。对这4个距离进行三角剖分，便可得出接收机的确切位置，一般来说，可以精确到5米之内。不过，随着时钟精确度越来越高，这些计算所依据的时间越来越精确，定位的准确度也会越来越高。就基本几何结构而言，美国的全球定位系统及其在俄罗斯、中国和欧洲的姐妹系统都是以十分简单的方式运行的。但是，就定位准确度而言，这些系统的核心都依靠极其复杂的设备。正因如此，当前在使用全球定位系统完成任务时才得以达到相当惊人的精确度。
上述任务远不止是引导船只安全入港或在高峰时刻于乌兰巴托的街道上驾车穿行。移动电话通信、农业、考古学、构造学、救灾、制图、机器人学、天文学等凡是需要知道时间和位置的人类活动，几乎会随着用作导航的信息越来越精确而得到改进。
至少我们应该如此认为。在哲学上、道德上、心理上、智力上，甚至可以说在精神上，人类越来越依赖于精确度不断提高的设备和技术，这其中也有令人不安的地方。那些在17世纪破坏机器的人、在后来为手工艺的消逝而哀伤的人以及在今天对电子产品无形的魔力感到不知所措的人，都提出了同样的疑虑，这些疑虑一直存在。在后文中，我将讲述精确度的感知利益和实际利益这一问题。
然而，就我个人而言，有一点却是毋庸置疑的。半个世纪前，我把钻井平台放到了海底离目标200英尺的地方。半个世纪过去了，我依然对此耿耿于怀。当时确实钻出了天然气，算是取得了成功，但是每当想起那200英尺的差距，我都会感到心烦意乱，因为这一过程不准确，也不精确。如今，我经常对自己说，当时要是能使用全球定位系统就好了。当时，巴尔的摩的物理学家团队已经在讨论这项技术了，他们正在评估“斯普特尼克号”人造卫星发射后的影响。要是能使用全球定位系统的话，我在放置钻井平台时就可以将误差降到10英尺或更低，从而让所有人都感到满意。然而在当时，尽管巴尔的摩的物理学家团队早在10年前就已开始研究卫星导航，尽管建立卫星导航系统的第一步已经迈出，但是还要再等20年，可用来定位的卫星才能发射升空，我和成千上万像我一样的人才能获得更加准确的定位方法。
不过，在实际应用中，10英尺真的比200英尺好很多吗？毕竟，那位钻井队长说200英尺“已经够好了”。
我有一个日本朋友在一艘深海研究船上当领航员，在西北太平洋极为遥远的水域工作。在舰桥上，他有一个全球定位系统信号器，可以与12颗全球定位系统卫星通信，而大多数苹果手机只能与三四颗卫星通信。因此，他可以在无迹可查的海面上知道自己的位置，误差仅为几厘米，不是几码，不是几米，而是几厘米，并且是在波涛汹涌而又孤寂的海洋中。
我清楚地记得，阿莫科石油公司的钻井队长认为在海上60米的误差已经够好了。当我向那位日本朋友讲述钻井队长的乐观态度时，他笑了。他说，那是20世纪60年代，当然已经够好了。但这并不是精确的意义所在，“已经够好了”恰恰代表了还不够好。
接着，他提高声音补充道，总有一天，当我们在海上的定位需要精确到几毫米以内时，精确到几厘米就会变得不够好。“精确无极限，对绝对精确的追求永无止境。”
他的话至今还在我耳边回响。
第9章 超越精确的极限 公差0.00000000000000000000000000000000001(10-35)
最小粒子运动有两个要素，即位置和速度。我们永远都无法准确无误地测定这两个要素，无法同时准确地测定粒子的位置及其运动方向和速度。
——沃纳·海森堡(Werner Heisenberg)《原子核物理学》(Die Physik Der Atomkerne)
从2018年夏天开始，每隔几周都有3架大型波音货机从阿姆斯特丹郊外的史基浦机场起飞，这些飞机通常是荷兰皇家航空公司的无窗改装747飞机，它们将一批批珍贵的货物运往位于亚利桑那州菲尼克斯西部沙漠郊区的钱德勒市(Chandler)。每批货物都是一样的，都是由每架飞机运载9个超过一人高的白色集装箱。要把这些沉重无比的集装箱从菲尼克斯的机场运到32千米外的目的地，需要一支由10多辆18轮卡车组成的车队。到达目的地后，人们将箱子里的零件取出来，组装成一台重达160吨的巨大机器，即机床。其前身为约瑟夫·布拉马、亨利·莫兹利、亨利·莱斯、亨利·福特等人于一个多世纪以前发明和使用的机床。
就像其前身一样，这台荷兰制造的庞然大物是用来制造机器的机器，共计有15台这样的机器被运往钱德勒市，每台都是在制造完成后便交付。不过，该巨型设备不是通过对金属进行精确切割来制造机械的设备，而是用来制造你能想象到的最微小的机器，这些微型机器都是电子装置，没有任何可见的活动部件。
在经过250年的发展历程后，精确度此时达到了顶峰。在此之前，几乎所有需要一定精确度的设备和产品都是由金属制成的，而且都通过某种物理运动来实现各自的功能：活塞起起落落；锁打开和关闭；步枪射击；缝纫机缝合布料，制作出卷边和镶边；自行车在车道上摇摆前行；汽车在公路上行驶；滚珠轴承旋转；火车呼啸着驶出隧道；飞机在空中飞行；望远镜展开；时钟嘀嗒或嗡嗡作响，指针不断向前移动，从不后退，每动一下正好一秒。
后来出现了计算机、笔记本电脑、智能手机等从前的人们想象不到的工具。技术迅速发展，平移时代随之而来。在这个时代，精密的前沿技术超越自身原有的极限，仿佛跨过了一扇看不见的大门，从纯粹的机械和物理世界进入了一个静止无声的宇宙。在这个宇宙中，电子、质子和中子取代了铁、燃油、轴承、润滑油、耳轴和改变范式的可互换零件理念。尽管机器部件可能会发出强光或热浪，但不会产生机械运动，也不会将测量精确度视为每个部件的基本属性。此时，精确度已经达到了只有在接近原子级别时才有意义和用途的程度。这种精确度所适用的设备都已普遍电子化，它们遵循不同的规则，能够执行人们以前无法想象的任务。
前文中提到的送往亚利桑那州的设备便用于执行此类任务，这台机器在完全组装好后有一间普通公寓那么大，正式名称为“NXE:3350B EUV扫描仪”（见图9-1）。其制造商为一家在荷兰注册的公司。这家公司一般人不熟悉，但非常重要，名为阿斯麦。订单中每台机器的价格约为1亿美元，总订单价格约为15亿美元。
图9-1 NXE：3350B EUV扫描仪
注：像计算机芯片这样极其微小的零件要用巨大的机器才能制造出来。图中这台机器由荷兰阿斯麦公司制造，可以装满3架喷气货机。世界上最大的芯片制造商美国英特尔公司大量购买这种售价1亿美元的机器。
购买方可以轻松支付这笔款项，其营业地位于钱德勒市，那里聚集着一模一样的庞大建筑，专业术语称为“晶圆厂”(fab)。按照新的世界秩序，制造金属产品的工厂都配有制造电子产品的晶圆厂。英特尔公司是现代计算机行业中有50多年历史的支柱企业，目前的资产已超过上千亿美元，其核心业务为电子微处理器芯片制造，在世界各地拥有多家晶圆厂。其中，位于钱德勒市的工厂被称为42号晶圆厂。电子微处理器芯片几乎是世界上所有计算机的大脑。凭借着阿斯麦公司生产的巨大的设备，英特尔公司得以制造出这种芯片，并在芯片上大量放置晶体管，以达到几乎不真实的精确度和微小尺度，从而满足当今计算机行业对运行速度更快、功能更强大的计算机无止境的需求。
芯片制造和芯片机制造这两项任务的管理方式是近年来与精确度相关的两个比较令人难忘且相互交织的传奇故事。现在，将两家公司联系在一起的技术达到了如此微小的尺度，其公差在几十年前看来还宛若天方夜谭，几乎无法实现，如今却将精确度推向了一个令人难以置信却又不得不信的世界。可以说，现代人类从中受益匪浅，这项技术的存在使人类世界变得更加美好。英特尔和阿斯麦应该会欣然同意这一说法。
摩尔定律的发现
电子世界走向超精确度的推动者很可能正是英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔（见图9-2）。他创造了一种方法，这种方法可以使晶体管的尺寸不断缩小，从而能够将数以百万计到数以十亿计的晶体管塞到一个微处理器芯片上，而微处理器芯片是现代所有计算机设备的核心和灵魂。通过这种方式，他赚了一大笔钱。不过，摩尔最出名的还是他在1965年所做的预测。当时，36岁的摩尔显然已成为后来居上者。他预测，从那一刻起，关键电子元器件的尺寸会缩小一半，而计算速度和功率则会翻倍，这种变化每年都会定期发生，具有规律性。
图9-2 戈登·摩尔（左）
注：1965年，戈登·摩尔在经营仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor)期间提出了一条定律，预测集成电路的性能每年会提高一倍，后来，他谨慎地将其修正为每两年提高一倍。现在大多数人都认为集成电路即将达到其性能极限，但就目前而言，该定律依然适用。
不久，摩尔的一位同事便将其预测命名为“摩尔定律”。摩尔定律的一个修正版本自此成为行业内《圣经》般的存在，这不仅仅是因为其正确性得到了证明，还因为其预测惊人地准确。然而，正如摩尔本人所指出的那样，他提出的这条定律与其说是描述了计算机行业的发展，不如说是推动了计算机行业的发展。如今，制造计算机芯片的公司似乎都致力于追求极微小的公差，使公差越来越小，以便摩尔定律能够继续适用下去。
近年来，电子技术期刊上充满了各种文章，讲述这种新芯片、那种新处理器或新设计的主板来进一步表明，摩尔定律在首次提出30年、40年、50年后仍然有效。摩尔似乎已在不经意间成为某种睿智的“魔笛手”，引领这个行业以更快的速度发展，制造出尺寸更小、功能更强大的设备，从而实现他的预测。不过，很可能有许多消费者怀有不同的想法，他们反对新技术，认为没有必要这样做。他们可能更希望能够平心静气，获得片刻的满足感，而不是在未权衡需求的前提下去购买最新的苹果手机，或者在并不清楚微处理器是什么及其有什么功能的情况下去购买配备最新、最快微处理器的计算机。
下面来看几个令人难以置信的数字。现在，地球上正在运行的晶体管数量约为15000000000000000000(15×1018)个，比地球上所有树叶的数量还要多。2015年，四大芯片制造商平均每秒制造14万亿个晶体管。此外，单个晶体管的尺寸已经缩小到原子水平。
从前文来看，基本物理常数可能自会终结此定律。虽然如此，但是我必须指出，传统电子产品即将达到某种物理极限的征兆似乎已开始显现，在过去令人眼花缭乱的50年间均预测准确的摩尔定律可能即将按下停止键。当然，这并不会阻止计算机行业提出全新的定律来取代它。毋庸置疑，新的技术即将出现，至于摩尔定律是否会继续适用于这项新技术，我们仍需拭目以待。
摩尔出生于1929年，是北加利福尼亚州圣马特奥县(San Mateo County)的一名治安官之子。一个与摩尔素未谋面的人为后来主宰摩尔职业生涯的晶体管的发明埋下了伏笔，这个人就是朱利叶斯·利伦菲尔德(Julius Lilienfeld)。利伦菲尔德于20世纪20年代从莱比锡来到马萨诸塞州。当时，他已经迟疑不决地制订了一系列杂乱的计划，试图设计一种全电子闸道器。该设备通过使用一种当时被称为半导体的物质，便可以使低压电流控制比它高很多的电流，你可以打开或关掉电流，也可以放大电流，而无须任何运动部件，也无须高昂的成本。
在此之前，电流控制工作先后由玻璃封装的二极管和三极管来完成，两者既昂贵又易碎，在工作时严重发热。利伦菲尔德梦想有一天能够制造出可以取而代之的固态半导体器件，从而使电子产品的温度降低、尺寸缩小、成本减少。1925年，他在加拿大为自己的构思申请了专利，绘制了《电流控制方法和设备》(A Method and Apparatus for Controlling Electric Currents)图纸。然而，他的方案完全是概念性的，当时还没有能够制造出这种设备的技术和材料，存在的只是他的构思及他新近公布的原理。
随着时间的流逝，利伦菲尔德的构思留存了下来，直到20年后才从概念变成现实，人们终于制造出了可运行的晶体管。当年轻的摩尔作为圣何塞(San Jose)一名有能力但似乎不太有天赋的学生进入加州大学时，晶体管已经发展起来了。
1947年圣诞节的两天前，贝尔实验室的物理学家约翰·巴丁(John Bardeen)、威廉·肖克利(William Shockley)和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)（见图9-3）公开了最早可运行的晶体管（见图9-4），因此获得了1956年诺贝尔物理学奖。肖克利是一个难以相处的人，后来因积极支持优生学而遭到痛斥。在演讲中谈到已经发明的装置时，肖克利称：“将来可能会出现许多当下意想不到的发明。”但他只说对了一半。
图9-3 巴丁、肖克利、布拉顿（从左到右）
注：1972年，巴丁因在半导体方面的研究再次获得诺贝尔奖，成为4位两次获得诺贝尔奖的人之一。
图9-4 最早的晶体管
注：1947年圣诞节前夕，美国新泽西州贝尔实验室的科学家发明了第一个晶体管。可以说，20世纪的任何一项发明都不如该设备更有影响力。在精确度的历史上，其发明标志着运动的机械部件让位于静止的电子器件，牛顿将衣钵传给了爱因斯坦。
当时，这项发明还没有被称为“晶体管”，该术语在一年后才被写入词典。晶体管展示了一种混合的电气特性，即传输(transfer)与电阻(resistor)，其英文名称transistor便由此而来。当时的晶体管尺寸远称不上小，其原型现在保存在贝尔实验室的钟形玻璃罩内，上面有金属丝和各种组件，以及由以前很少有人关注的银色轻金属元素锗制成的关键性半导体薄片，尺寸有小孩的手掌那么大。
然而，短短几个月后，能够发挥所谓晶体管效应的设备开始变得非常小。到了20世纪50年代中期，第一批晶体管收音机面市。那个小小的玻璃顶针已经为人所熟知，其特征是有三根金属丝从底部伸出，其中一根将门极电压引入晶体管，另外两根为不起眼的源极和漏极，只有在通过门极施加电压时才有电。
这些由玻璃和金属丝组成的顶针可能很小，也有着神奇的能力，但它们还远远达不到微型的程度。在硅片晶体管于1954年问世之后，尤其是在第一批完全扁平的平面晶体管于1959年问世之后，“微型”在理论上才成为可能。此时，年轻的摩尔已经进入了这个领域。他在加州大学伯克利分校、加州理工学院和约翰斯·霍普金斯大学专注科研多年，现在已经离开学术界，进入了商业领域，开始探索刚刚起步的半导体产业商业化的可能性。他这样做是应肖克利的要求，后者于1956年离开贝尔实验室，前往西部的帕洛阿尔托(Palo Alto)，在那里建立了自己的公司肖克利晶体管公司，开始探寻他所预测的“许多意想不到的发明”中的第一个。
从本质上说，肖克利的这一举动标志着后来硅谷的建成，当时尚未建成的硅谷在后来成为半导体行业的圣地。由于获得了诺贝尔奖，加上他原有的声誉，肖克利有足够的资金雇用任何他想雇用的人。他迅速聚集了一大批科学精英，其中包括他的首席化学家摩尔以及一群同样聪明的年轻物理学家和工程师。
这批精英很快就被肖克利逼疯了，在不到一年的时间里就有8人怒气冲冲地离开了公司。肖克利行事专横而又诡秘，公然地疑神疑鬼，而且莫名其妙地放弃了把硅作为公司半导体研究的核心元素的做法。8人均对此表示不满，于1957年成立了一家在未来改变一切的新公司，后来被肖克利蔑称为“叛逆八人帮”(Traitorous Eight)。他们的初创企业名为仙童半导体公司，公司先是创造了一系列基于硅的新产品，然后不断缩小这些产品的尺寸，并赋予它们此前只有占据整间空调房间的巨型计算机才能实现的计算能力。
众所周知，平面晶体管的发明是仙童半导体公司所取得的两项重要的成就之一。这项技术使得晶体管微型化得以快速发展，进而促使摩尔写下了他那则著名的“摩尔定律”。而如今，几乎只有半导体业内人士才记得平面晶体管的发明者，那就是让·阿梅德·霍尔尼(Jean Amédée Hoerni)，他是离开肖克利去创建仙童公司的8人之一，出生于瑞士的一个银行世家，是一名理论物理学家，32岁加入仙童半导体公司时已成为一名攀岩、登山爱好者和思想家。
他这项巧妙的发明一举改变了晶体管的制造方式。在那之前，晶体管基本上是机械成形的。人们在硅片上蚀刻微小的凹槽，将铝导体放入蚀刻的凹槽中，然后将其封装在微小的金属外壳里，有3根导电金属丝从中伸出来。这样的硅片带有蚀刻形成的凹凸点，形状像西部沙漠中的台地。因此，仙童半导体公司生产的这种晶体管被称为台面晶体管。
这样的晶体管仍然有些大而笨拙。当时，斯普特尼克号人造卫星刚发射不久，美国航天业迫切需要小巧、可靠而又廉价的新型电子产品。此外，仙童半导体公司生产的台面晶体管也不太可靠，蚀刻过后经常会留下细小的树脂、焊料或灰尘，它们会在金属外壳中嘎嘎作响，导致晶体管运行不稳定，或者根本无法运行。因此，那时的人们需要制造一种尺寸小而运行完美的晶体管。
喜怒无常、惯于独处而又严厉的霍尔尼提出了这样一个想法：在纯硅晶体上面涂一层二氧化硅作为绝缘体，使之成为晶体管的一个组成部分，这样就不会有任何凹凸点或台面给晶体管增加不必要的体积。他坚持认为，他发明的晶体管将比台面晶体管小得多，而且比台面晶体管更加可靠。为了证明他的观点，他让一名技术人员制造了一个原型，其直径仅为1毫米，看上去不过就是一个圆点。然后，他戏剧性地朝上面吐口水，以表明人类的任何不当行为都不会影响其运行。该原型运行完美，尺寸微小，运转正常，而且看起来几乎坚不可摧，至少不会受口水影响，此外，成本也不高。几乎从那一刻起，这一晶体管就成了仙童半导体公司的标志性产品。
然而，这只是仙童半导体公司的两款改变行业面貌的产品之一。另一款产品的设计灵感来源于罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)在公司笔记本上涂鸦的4页构思。诺伊斯也是离开肖克利的8人之一。他是这样想的：既然平面晶体管即将成为现实，那么是否有可能把一个成熟电路的电阻、电容、振荡器、二极管等电子元件的平面版全都放在硅片的二氧化硅涂层上呢？换句话说，电路能否集成呢？如果电路能集成，如果现在每个元件都很小，而且都是平面的，那么能否利用照片放大机的工作原理把电路印在硅片上呢？
照片放大机的工作原理形成了该构思的基础。底片上的微小赛璐珞图像，比如照相机上的35毫米胶片，可以通过放大机镜头放大或进行部分编辑，然后印在光敏纸上。诺伊斯在他的笔记本上注明，该原理当然也可以反过来用。设计师可以在透明介质上画出大的集成电路图，然后使用一种类似放大机的设备将画好的电路图印在硅片的二氧化硅涂层上。只不过，该设备的镜头经过重新设计，可以使图像缩小许多，而非放大。
能够完成这一任务的机器，即光刻机，已经出现了。大约在同一时期，凸版印刷机开始转向使用聚合物印版，正是利用了这一理念。现在，印刷机不再使用手工组装的铅字模，而只需简单地输入一页内容，然后输入光刻机，就可以将内容复制在柔性聚合物印版上。所有字母和字符都在聚合物印版上高高凸起，随时可以用压印机压印到纸上，且呈现的外观和触感与老式手工凸版印刷品几乎相同。何不对这样的机器进行改造呢？使它不仅能将文字作品印到聚合物或纸张上，而且能将电路图像印到硅片上。
事实证明，这件事做起来很难。所有的图像都很小，所有的工作都必须达到最高的精确度和最小的公差，成品尺寸极小。刚开始的时候，几乎每次都无法做到完美。然而，在20世纪60年代初，经过几个月的努力，诺伊斯和摩尔以及摩尔在仙童半导体公司的团队最终成功地组装出了这种集成化设备，并使其平面化。他们把它弄平，从而减少了它的体积、功耗和散热量，并将它放在平面基板上作为集成电路进行销售。
这是真正的突破。20世纪20年代，利伦菲尔德首先提出了相关构思；肖克利及其在贝尔实验室的诺贝尔奖得主团队迈出了摇摇晃晃的第一步；然后，霍尔尼发明了平面晶体管，其内部元件不再是分立的晶体，而是成薄层排列。突然之间，电路微型化成为可能，这将使电子产品的运行速度和功率不断提高，尺寸不断缩小。
只需施加微小的功率脉冲，集成电路中的晶体管就可以不停地迅速开关。这种微小的新型硅制品对计算机的制造至关重要，因为计算机会根据晶体管开或关的二进制状态进行所有的模拟计算以及后来的数字计算。如果晶体管数量足够多，执行这项任务的速度足够快，就可以使计算机变得非常强大、运行速度极快且价格低廉。因此，集成电路的制造不可避免地促进了个人计算机等众多设备制造业的发展。这些设备的核心都是尺寸越来越小而运行速度越来越快的电路块。这样的电路块最初是由仙童半导体公司的智囊团队构想和设计出来的。
但在经济上，仙童半导体公司表现不佳，其中一个重要原因是德州仪器(Texas Instruments)等初创企业有充足的资金，或慷慨的母公司允许其向新兴市场扩张。正是由于对仙童半导体公司无力竞争的状况感到失望，公司最雄心勃勃的创始人们再次离开，重新建立了自己的公司，这家公司成立于1968年7月，只设计和制造半导体，名为英特尔公司。其创立者为有“仙童”之称的戈登·摩尔和罗伯特·诺伊斯。
英特尔公司成立不到三年，就正式发布了首款商用微处理器，即单芯片计算机。这就是著名的英特尔4004。值得一提的是，这项新技术带来了新的精确度，在1英寸长的处理器中埋藏着一块12毫米宽的微小硅片，上面刻着一个印有不少于2300个晶体管的集成电路奇迹。1947年，晶体管有小孩的手掌那么大。而24年后，到了1971年，微处理器中的晶体管只有10微米宽，是人类头发直径的1/10。从手掌到头发，从微小到极小，世界正在发生着深刻的变化。
最初，英特尔公司的4004芯片是专门为一家名为贝斯卡(Busicom)的日本计算器制造公司制造的。这家公司当时经济状况不佳，需要降低生产成本，因此想把计算机芯片引入其计算器中，于是便联系了英特尔公司。据英特尔公司说，在日本古城奈良的一家酒店举行的头脑风暴会议上，一位不知名的女士设计了计算器的基本内部结构，积极要求英特尔公司凭借其独特的微型化能力制造必要的小型处理单元。
英特尔公司最终制造出了这款计算机，并于1971年11月发布，广告中称之为“世界首款使用集成电路的台式计算机”。其处理芯片的核心功率相当于一台房间大小的传奇ENIAC计算机。当时芯片的价格约为每片25美元，一年后，贝斯卡公司要求英特尔降低芯片的价格。英特尔同意了，但条件是它要收回在自由市场上销售其发明的产品的权利，贝斯卡公司勉强同意了这一条件。4004芯片后来被整合到一款巴利(Bally)计算机增强型弹球机中，还被误传为放到了NASA的先锋10号太空探测器上。事实上，NASA确实曾考虑使用4004芯片，但后来因其太新而放弃。由此产生的无芯片航天器于1972年发射，然后在太阳系中漫游了31年，其电量最终于2003年在距离地球112亿千米的地方耗尽。
4004芯片的名声传开了，英特尔决定，从那时起公司的核心业务将是制造微处理器。摩尔坚称，这些芯片的尺寸每年都会减半，而其运行速度和功率则会翻倍。换言之，极小的会变成微观的，微观的会变成亚微观的，亚微观的可能会变成原子级的。摩尔于1965年首次发表该预测，具有一定的先见之明，其公司在6年后才制造出首批4004芯片。在看到了4004芯片的运行情况和设计难度后，他修正了自己的预测，声称这种变化的发生频率为每两年，而非每一年。自1971年以来，该预测都准确地应验了。
就这样，芯片变得越来越小，其精确度变得越来越高，其变化速度接近指数级。其中有两个明显的优势得到了所有芯片制造商的会计们的认可，英特尔当然也包括在内：芯片变得越小，制造成本就将变得越低。同时，效率也会随之提高；晶体管越小，所需的电力就越少，运行速度就越快。从这个层面来说，晶体管的运行成本也就会随之降低。
其他任何一个喜欢小尺寸的行业都不会把小等同于低成本，例如手表制造商，轻薄手表的制造成本可能要比厚重手表的成本高很多。但是，由于芯片制造中固有的指数性，在将硅片转换成芯片时，可以塞到一条硅片上的晶体管数量会自动以平方数递增，所以每个晶体管的制造成本就会降低。将1000个晶体管放在一条硅片上，然后计算平方数，无须大量增加成本，就可以生产出一块具有100万个晶体管的芯片。该商业计划没有明显的缺点。
