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世界半导体发展里程碑企业:德州仪器(TI)

海阔天空 56

前言:

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在世界半导体发展史上,德州仪器(TI)是一个具有里程碑意义的名字。

世界上第一个商用硅晶体管、第一款单芯片微控制器、第一块集成电路.......均出自TI。台积电创始人张忠谋,中芯国际创始人张汝京等业内顶尖人才均从这里走出。

和仙童半导体不同的是,人才从这里走出,也不断有新人才在这里汇聚。几十年稳定在全球半导体企业排行榜的前十位,不断散发着老牌厂商的魅力。

公司前身,石油勘探服务

时间可以追溯到1930年,当时美国地球物理学家克拉伦斯·凯彻(Clarence Karcher)和工程师尤金·麦克德莫特(Eugene McDermott )两人共同创立了一家反射勘探公司,名为Geophysical Service,实际上就是一家为石油行业提供勘探服务的公司。

1938年,该公司成立地球物理服务公司 (Geophysical Service,GSI),次年更名为科罗纳多公司(Coronado Corp),GSI 成为子公司。1941年底,麦克德莫特与其他三名GSI员工,塞西尔·格林 (Cecil Green)、埃里克·琼森 (Erik Jonsson) 和HB Peacock收购了GSI。

真正从勘探公司转变为电子公司始于二战。当时,GSI为美国陆军、陆军信号兵团和美国海军提供探测设备。海军中尉帕特里克·哈格蒂 (Patrick Haggerty) 负责监管GSI的合同。1945年11月,二战结束后,他来到了GSI,担任了新成立的实验室和制造部门(Laboratory and Manufacturing (L&M))的负责人。

德州仪器成立,半导体之路开启

1951年,在哈格蒂的带领下,L&M部门凭借国防方面的合同,迅速超越了GSI的地理部门。为跟上业务多元化的趋势,公司重新命名为“通用仪器”,同年又改名为“德州仪器” (Texas Instruments),至此,德州仪器 (TI) 正式登上历史舞台。

TI主攻电子设备制造,而GSI继续提供勘探服务,并逐渐发展成为其中一个子公司,最终于1988年被出售。

1952年初,TI以25000美元的价格从AT&T的制造部门西部电气(贝尔实验室隶属于该部门)购买了生产锗晶体管的专利许可,并于当年年底开始生产。

哈格蒂相信晶体管可以集成到有利可图的新一代消费品中,于是在《纽约时报》上刊登了招聘研究总监的广告。随后,老家位于德州的戈登·蒂尔(Gordon Teal)被雇佣,于1953年1月1日开始在TI担任助理副总裁。此前他在贝尔实验室工作,还发明了一种应用直拉法生产极纯的锗单晶的方法,大大改进了晶体管制造。

组建实验室,商用晶体管的发明

1953年,在蒂尔的带领下,TI开始组建中央研究实验室(简称“CRL”),从各方面完全对标贝尔实验室。

另一边的贝尔实验室。继1947年12月,肖克利、巴顿和布拉顿成功制造出第一个晶体管后。1954年1月,贝尔实验室的莫里斯·塔南鲍姆 (Morris Tanenbaum)又发明了第一个可用硅晶体管,但这家全球领先的半导体公司对这一成就进行了保密。

1954年4月,蒂尔在TI的实验室创造了第一个商用硅晶体管,并对其进行了测试。一个月后,在俄亥俄州代顿举行的无线电工程师协会 (IRE) 全国机载电子会议上,很多工程师和科学家都认为开发和最终制造硅晶体管非常困难。

蒂尔却发言称:“与他们告诉你硅晶体管前景黯淡相反,我的口袋里恰好有一些硅晶体管。” 随即,他便拿出给众人展示,并当场做了实验。演讲结束时,蒂尔还发布了一篇“硅和锗材料及器件的一些最新进展” 的论文。

当时,硅晶体管似乎是晶体管开发中最早的重大突破之一,并且这一成就还不是来自贝尔实验室。后来事实也证明了,硅对于几乎所有集成电路的基本构建都至关重要。

同年TI又研发并推出了第一台晶体管收音机——Regency TR-1。虽然这款收音机性能平平,但由于小尺寸的便携性和新颖性,成为了1954 年圣诞节期间的畅销产品,销量高达150000台。自1954年到1958年,TI也是唯一一家能够批量生产硅晶体管的公司。

第一台晶体管收音机

集成电路的发明

紧接着,德州仪器公司又迎来了两员大将。1958年中,杰克·基尔比(Jack Kilby)和张忠谋同时加入德州仪器公司,一个是技术大牛,一个善于经营。同年9月,基尔比就在德州实验室研发出了世界上第一个(基于锗)集成电路(Integrated Circuit)。并于1959年2月6日,向美国专利局提交了第一个集成电路专利。

世界第一块集成电路

同年,仙童半导体(后来又共同创立了英特尔)罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)也创建了类似的集成电路(基于硅),也被认为是集成电路的发明者。

因为集成电路的发明专利问题,两家公司还进行了长达7年多的专利大战。直到1966年,富兰克林学会给两人都授予了巴兰丁奖,将基尔比誉为“第一块集成电路的发明家”,诺伊斯誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。最终,德州仪器和仙童公司也达成和解,共享集成电路的专利。

基尔比(中间)和德州仪器公司的同事

42年后,基尔比因其集成电路的发明获得了2000年诺贝尔物理学。为例纪念这位为德州仪器作出贡献的天才,德州仪器于他去世后的第三年,2008年创建了一个以基尔比命名的实验室。

从军用市场到民用消费电子

时间回到1958年左右,虽然集成电路被开发出来了,但作为TI总裁的哈格蒂认识到开发该IC所需的资源远远超出了公司的融资能力。不过,TI是幸运的,1957年苏联发射弹道导弹之后,美国空军开始了一项旨在缩小“导弹差距”的重大计划。而彼时的TI 已经是军用半导体电路的主要供应商,因此获得了开发用于弹道导弹制导系统IC的资金。

军用市场的拓展,也带动了民用市场的发展。1959年,TI的半导体生产部分已占该公司总销售额的1/2。并在欧洲、南美、澳大利亚和亚洲收购和建设半导体制造工厂,成为了一家全球性公司。

20世纪60年代,公司总裁帕特·哈格蒂带领一支包括基尔比在内的团队致力于手持计算器项目。到1967年,基尔比成功发明了手持计算器。1972年,TI推出了Datamath 袖珍计算器。此时,TI已将该计算器中的IC数量减少到一个,从而大大降低了制造成本,并且Datamath和随后的TI科学计算器的成功使该公司转变为一家主要的消费电子公司。

德州仪器Datamath II TI-2500-II

微处理器,错失先机

不过,德州仪器公司在发展过程中,也遇到过失误。

1970年,计算机制造商Computer Terminal Corp(CTC)公司在设计最早的终端用户计算机Datapoint 2200时,先找到了英特尔,希望其能生产出使计算机体积更小、散热效果更好的处理器。但英特尔方迟迟未能帮其解决问题。于是CTC又找到了德州仪器。

随后在1970年4月左右,德州仪器开始为CTC开发单芯片CPU。不到一年,1971年初,德州仪器MOS 部门的加里·布恩 (Gary Boone) 就设计了第一款单芯片微型计算机。很快就推出了TMX 1795微处理器。当时,TMX 1795还被《商业周刊(Business Week)》称为“LSI(大规模集成)的里程碑”。

但CTC测试时发现,TMX 1795芯片其实有很多问题,比如它不能承受超过50mV的电压波动、也不能独立完成运算;它的架构也不合理,导致其尺寸过大,生产成本较高等。

与此同时,英特尔公司特德·霍夫 (Ted Hoff)也于1971年开发成功了此类芯片。就在TI推出的两个月后,英特尔发布了一款性能更好的微处理器Intel 4004,成为了第一款商用微处理。而德州仪器TMX 1795项目最终却被终止。

后来两家公司还因谁发明了微处理器问题产生了分歧,最终在1973年9月4日,德州仪器(TI)获得了第一个单片微处理器专利。但由于英特尔抢先进行了商用,最终抢占了先机。紧接着,英特尔又推出了Intel 8008、8008等微处理器,迅速占领市场。20世纪70年代末,英特尔在计算机处理器市场所向披靡。

在此期间,1972年,张忠谋升任为了德州仪器副总裁,成为公司第三号人物,仅次于董事长和总裁。张忠谋也成为了最早进入美国大型公司最高管理层的华人。彼时,德州仪器在全球的员工已有6万名。

作为副总的张忠谋主张对标英特尔,大力发展半导体,而总裁则更专注于消费电子(计算器、数字手表和家用电脑),因此产生了分歧。最终,1983年,张忠谋选择了离开德州仪器,改入通用仪器公司担任首席运营官。1985年,应孙运璿之邀到中国台湾担任工业技术研究院院长,并于1987成立了台积电,并将台积电发展成为全球第一大晶圆代工厂。他本人也被誉为“芯片大王”、中国台湾“半导体教父”。

在德州仪器工作时的张忠谋

消费电子业务持续增长

20世纪70年代,TI虽然在处理器上落后于英特尔,但消费电子业务确实得到了持续的增长。在1973年之后,该公司开始制造用于计算机的动态随机存取存储器(DRAM)芯片。

随后,1977年,张汝京也入职了TI,并在不久后加入了基尔比领导的DRAM团队。

1978年TI推出第一款单芯片语音合成器,被用于了该公司的幼儿Speak & Spell学习玩具中。1979年,TI凭借TI-99/4进入家用计算机市场,该产品也成为Apple II(第二代苹果电脑)、TRS-80以及后来的Atari 400/800系列和VIC-20等产品的竞争对手。到1982年底,TI已主导了美国家用计算机市场,每天从其位于拉伯克的工厂发货的计算机都多达5000台。

1986 年型号的 American Speak & Spell

20世纪80年代和90年代,TI公司也在不断创新。1982年,TI推出了首款单芯片数字信号处理器 ,该公司随后占领了该市场。到1997年,TI从DSP(数字蜂窝电话、汽车制动系统、立体声系统和计算机调制解调器中的控制单元)获得的收入已超过14亿美元。

1987年,TI公司又赢来了的一项重要发明。拉里·霍恩贝克(Larry Hornbeck)博士发明了数字微镜元件DMD(Digital Micromirror Device)。

1993年,该公司成立了数字成像部门,将这项发明商业化。很快第一个基于DLP(以DMD为主要元件)的投影系统问世。目前,该技术已被广泛用于各种视觉图像需求产品之中,比如电影院、家庭公司投影仪、大屏幕数字电视和数码相机(DLP Cinema)等都在使用该技术。

除了语音和信号处理及识别方面的持续发展之外,TI公司还开始活跃于人工智能领域。80年代,TI开发了Lisp机器(通用计算机)的Explorer计算机系列。同时,还为Explorer开发了人工智能应用软件,包括联合航空公司的登机口分配系统,该系统还被描述为“一个人工智能程序,汇集了六名联合航空运营专家的综合经验和知识”。

此外,他们推出了“Personal Consultant”(私人顾问),一种基于规则的专家系统开发工具和运行时引擎,随后推出了用MIT的类Lisp语言Scheme编写的“Personal Consultant Plus” ,以及自然语言菜单系统NL菜单。

20世纪末,转型与并购

1997年,TI开始全方位转型,展开了一系列资产剥离、并购大动作。单是1997年一年,TI就将国防业务出售给了雷神公司、DRAM业务卖给了美光、软件部门出售给美国软件公司Sterling Software(现为加州科技公司的一部分)、笔记本电脑业务出售给中国台湾的宏碁集团等等。

也是在这一年作为DRAM部门的一员,张汝京从德州仪器离开,主导成立了世大积体电路公司(WSMC)。2000年4月,又来到大陆创立了中芯国际,带领中芯国际迅速崛起,成为全球领先的芯片制造商之一。为中国的芯片产业发展作出了突出贡献,因此被誉为"中国芯片教父"。

而TI在资产剥离后的三年内,又开启了一轮大并购,收购了8家涉及半导体和DSP设计和制造的公司。比如,1997年以3.95亿美元收购 Amati通信公司,随后又看中了GO DSP的DSP处理器软件开发工具、Harris Semiconductor的标准逻辑(半导体)产品线等。

1999年,TI还完成了一笔当时最大的并购,其以12亿美金并购了Unitrode的电源管理IC、电池管理IC和接口等业务,这一并购巩固了TI 模拟市场第一的地位。与此同时,也在不断开拓市场。1999年,还在中国、丹麦和以色列开设了新的设计和制造工厂。

功能机芯片巨头,错失智能市场

21世纪后,TI发展重点开始集中于模拟和嵌入式芯片技术。2000年,TI以76 亿美元收购了大型模拟芯片厂商Burr-Brown公司,巩固了其在数据转换器跟放大器的优势地位。

尤其在手机处理器领域。2003年,TI发布了OMAP系列的1710处理器。诺基亚推出其第一款基于Series60平台的手机6630时,就搭载了OMAP 1710。这款处理器的制程是0.09微米,相当于90纳米制程芯片,这在当时是非常先进的制程工艺。彼时,诺基亚与德州仪器也算是强强联合。

OMAP 1710

2007年,TI又推出首个单片数字手机解决方案(LoCosto)系列,助于推出更小巧精致的低成本手机,促进了手机的普及。在2G功能机时代,TI如日中天,仅仅2003~2006年,其手机处理器的市场份额就高达60%以上。

2008年,在金融危机的影响下,全球手机市场出现低迷。加之3G技术的发展、智能手机的出现。当时苹果公司推出了iPhone 3G,手机的发展也开启了智能新时代。TI来自其主要客户诺基亚、摩托罗拉公司的订单逐渐减少。

2008年iPhone 3G发布

于是,在当年的第三季度,曾在该市场上称霸多年的巨头德州仪器宣布,出售手机芯片部门。不过,德仪仍然保留了客户定制芯片业务以及OMAP业务。彼时,不少业内人士都认为“德州仪器此举肯定会造成全球手机芯片市场大变动”。事实也确是如此,此后,随着全球经济回暖,高通因基带优势强势崛起。而TI也因此错过了手机芯片这一强劲市场。

TI现状,模拟半导体巨头

及时剥离发展不佳业务后。2010年,德州仪器TI又以65亿美元的现金价格,收购了国家半导体,这笔交易使TI成为全球最大的模拟技术元件制造商。当时还一举超越了在销售额上与之持平的日本东芝,成为仅次于英特尔和三星电子的半导体公司。自此,德州仪器一直保持着模拟芯片领域的龙头地位,无人能撼动。

2022年德州仪器总营业收入为200.3亿美元,其中模拟153.6亿美元,嵌入式处理32.6亿美元,其他14.1亿美元。两项业务成为当前德州仪器的主要营收来源。在其覆盖的主要市场中,工业和汽车占营收的65%,其中工业应用40%,汽车应用25%。汽车和工业领域也成为了德州仪器的主要市场。

除此之外,目前TI 剩余业务还包括 DLP 产品(主要用于投影仪以创建高清图像)、计算器(教育用具领域)和某些称为专用集成电路的定制半导体。

纵观德州仪器的发展,是一个不断割舍与革新的过程。当然,最离不开的是人才。这里有人离开,也有源源不断的人才加入,形成一个稳定健康的发展趋势。

除了张忠谋、张汝京这两位重要的半导体领军人物外。国产传感器领域龙头汇顶科技总裁胡煜华、模拟芯片龙头圣邦股份创始人张世龙、思瑞浦联合创始人应峰、地平线副总裁张永谦等人都有在TI工作的经历。因此,也有人将德州仪器称为“半导体黄埔军校”。

后来,张忠谋回忆起德州仪器的职业生涯时感慨:“从33岁做到52岁,开始时的事业单位员工只有3000人到后来的4万人,我的黄金时代都给了德州仪器,但是我学到了很多东西。”

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