芯片之父基尔比在太阳能领域失利的一段鲜为人知的历史

作者： Cyrus C.M. Mody

在1958年夏天，美国德州仪器的新员工杰克•圣克莱尔•基尔比（Jack St. Clair Kilby）

没时间享受公司假期。他一个人在实验室，思考当时的“数字暴政”问题：大量离散固体部件之间的焊接过程耗时且不完美。在短短的几周内，他想出了一个解决方案，那就是集成电路。这一革命性的发明开启了现代微电子整个领域的篇章和其半个多世纪以来惊人的技术进步，基尔比把这项发明归功于自己和罗伯特•诺伊斯（Robert Noyce）的合作。

集成电路的发明使得基尔比的老东家在冷战时期占据了芯片制造商的主导地位。多年来，德州仪器公司一直努力着，试图把公司和基尔比联系在一起，通过他的发明和之后获得的荣誉提高德州仪器公司高技术创新的声誉。然而，很少有人知道基尔比在这个公司仅全职工作了12年。1970年，他离开这家公司，成为一名顾问和独立的发明家。

基尔比离开德州仪器公司后，又有了许多发明，但都可以被认为是一个项目：家庭太阳能和燃料电池系统，这个系统可以日以继夜地发电。基尔比对自己的想法寄予厚望；他相信这将和集成电路一样具有革命性和社会变革性。他用10年的时间来完成了这一壮举。但令他十分失望的是，他的技术没能流行起来。人们印象更为深刻的还是他的集成电路，但这并不意味着我们应该忘记那些他所参与并同样具有重要性和挑战性的技术发明。

当基尔比离开德州仪器时，他并没有与其完全断绝关系。德州仪器高薪返聘基尔比担任公司在多个国家委员会的代表，而基尔比每月提交有关工业发展和自己项目的报告。就正式关系而言，德州仪器公司对基尔比的发明使用许可具有优先购买权；就私下的关系来说，基尔比仍是其老东家欢迎随时造访的亲密伙伴。

离开德州仪器公司后，基尔比获得了时间和更多的自主性，这些促使他成为优秀的美国发明家。实际上，他于20世纪70年代提交了一系列专利申请，然而没有一项发明可以与集成电路或者是他离开德州仪器前在手持计算器领域的创新或商业成功相媲美。在作为独立发明家的最初几年里，他的发明包括可靠的手电筒、防盗现金登记和电子支票打印机。

他还投入了大量的精力、时间和金钱去开发一台具有个性化和互动性的电子教学机。他曾试图向多家公司出售自己的想法，这些公司包括麦格劳山、索尼、西屋、施乐以及德州仪器，但是没有人同意将其商业化。有趣的是，在美学、操作以及使用目的方面，他的装置与德州仪器后来非常成功的一款“说话与拼音”电脑游戏盒具有很强的相似性。“说话与拼音”电脑游戏盒在数字信号处理和电子语音合成上有了开天辟地的突破，但是基尔比的机器还没做到。

基尔比也对高等教育感兴趣。在整个20世纪70年代，他与得克萨斯农工大学的电气工程师们以及南卡罗来纳州克莱姆森大学的杰伊•莱斯罗普（Jay Lathrop）一起探寻新方法，来教授本科生集成电路设计和制造技术，从而让他们对这个产业有更好的准备。莱斯罗普是基尔比在德州仪器公司的前同事。

然而，1973年底，基尔比和莱斯罗普突然放下了对教学大纲、教材和课程要求的讨论。阿拉伯石油输出国家禁止石油出口，油价飞涨占据了新闻头条。基尔比建议莱斯罗普与他一起思考如何运用他们在硅应用方面的专业知识来减少世界经济对石油的依赖。（当时，美国石油不仅用于取暖和汽油的提炼，还有相当一部分被用于发电。）莱斯罗普欣然同意。在转换研究方向的过程中，两人显示了卓越的再创造精神：他们都投入了新的事业，最终将自己从初学者变成了物理、化学和太阳能能源经济学领域的专家。

几个月后，基尔比和莱斯罗普迎来了第三位合作者——得克萨斯农工大学的W•亚瑟•波特（W. Arthur Porter）。他们三人提出了住宅太阳能系统的基本理念。该太阳能系统的核心包括一组非常浅的管，这些管子被部分地灌入液体——在他们的配置中，大部分液体为溴化氢。每根管子底部衬砌数千个如BB枪子弹大小的硅球，这些硅球被嵌入一个半透明的矩阵。太阳光子会打击那些硅微丸，并撞下电子，形成一个电位，使得周围的流体转化为氢和溴。这些成分被抽走，储存起来，在需要用电的时候，这些成分将在燃料电池中再次组合，之后循环回管里。在石油禁运后，进军太阳能领域的并不只有基尔比、莱斯罗普和波特。20世纪70年代是太阳能研究的繁荣期。从1974年至1979年，联邦用于可再生能源发展的资金从每年3200万美元上升到13.6亿美元。私营部门的兴趣也反映了这种增长。到1976年，《太阳能工程杂志》列出了88家涉足太阳能领域的公司，这些公司都在纽约证券交易所挂牌进行交易。那些大公司吸纳了小公司、学术实验室和业余爱好者。20世纪70年代，石油、电子和军工企业大都涉足太阳能领域。德州仪器公司作为油田仪器公司、半导体制造商和国防供应商，也在这3个行业扎根了。

基尔比的系统不同于其他大多数太阳能技术，他回答了一个关键问题——当没有阳光时，你怎么办呢？该系统可以分别存贮多种化学成分，并在需要时才使这些成分进行组合，光子撞击的过程可与系统发电的过程相分离。基尔比和他的同事们还认为他们的系统比其他硅基太阳能方案更容易制造。在当时，制造大量的单晶硅光伏电池是困难而且昂贵的。但是，基尔比的液体燃料系统对硅颗粒的品质要求不高。这种微小的球体可以通过一种在18世纪发明的、在当时用于制造猎枪子弹的方法制造。在这个非常简单的技术中，熔化的铅（或硅）从“制弹塔”顶部浇入，形成球形液滴，在坠落过程中冷却凝固。

在1975 年的春天，基尔比准备向德州仪器公司提出这一想法。这一次，他得到了公司积极的回应。德州仪器同意带着基尔比、莱斯罗普和波特的发明向美国专利局申请专利，并寻求其他几十个国家的专利。该公司还给基尔比和他的同事们提供了高额的研究资金，并让其组建了自己的开发团队，项目以基尔比母校的名字命名，即伊利诺伊项目。从项目名称不难看出，该公司并不准备对外公布此项目。这样做是有原因的：企业可以利用基尔比自由研究者的身份。基尔比可以以自己的名义参加太阳能会议并接洽联邦资助机构，无须透露他还是德州仪器公司的代表。

德州仪器公司在某种程度上是谨慎的，这是因为伊利诺伊项目属于未经证实的技术，存在重大风险。公司当时还不清楚该系统效果如何。更重要的是，溴化氢的毒性极强且具有腐蚀性——对于房主来说，不可能把此化学物质大量放置在屋顶。该系统的关键部件之一是一种燃料电池，众所周知其技术难度非常高。

然而，一个更根本的问题在于该项目的商业模式。德州仪器公司预计最先要以高价格向富有的房主出售此系统，在产生足够的收入、获取足够的知识并达到一定的经济规模后，再把价格降至中产阶级市场可接受的范围。但很少有证据表明，高端住宅业主会把昂贵并且“长相丑陋”的太阳能电池板放置在房顶。

如果有一个资金雄厚的实体可以资助技术的研发和/或提供一个垄断市场来帮助降低部署成本就好了。当然，这样的实体是存在的，就是政府。事实上，美国军方已经在德州仪器公司集成电路的发展和商业化中扮演了这个角色。

当时，美国政府恰巧正在大力投资可再生能源。1973年，理查德•尼克松总统宣布了“独立计划”，即关于能源的“阿波罗计划”，旨在到1980年使美国能源实现自给自足。德州仪器公司高管认为他们可以寻求联邦合作，帮助公司把太阳能推广给群众。

德州仪器公司高管与基尔比开始寻找政界的老朋友，看谁可能会帮助伊利诺伊项目。结果新成立的能源部参与进来了。178年1月，经过几年的小规模研究，不久前曾在美国国防高级研究计划局（DARPA）担任领导的德州仪器公司副总裁乔治•海尔迈耶（George Heilmeier）与能源部的主任约翰•杜奇（John Deutch）一起谈论伊利诺伊项目。一份备忘录表明，海尔迈耶在后来的报告中写道，杜奇认为能源部有关太阳能的专业知识是有限的，而且他希望为此设立基金项目。不久后，德州仪器公司与能源部共担成本，共同参与了一项为期4年、耗资1800万美元的项目，这加速了现在公开称之为德州仪器太阳能系统（TISES）的项目的发展。利用这些资金，基尔比和同事们建立了一个原型系统，提高了太阳能-电能转换过程的效率，提高了燃料电池的容量，延长了部件寿命。

基尔比和德州仪器公司还必须为该系统寻找合适的市场和客户。他们对此很乐观，因为联邦政府和一些州已经开始提供住宅太阳能设备的税收抵免。但他们也有一些重大失误。

在伊利诺伊项目一开始，德州仪器公司就从军工联合体引进了研发模板。基尔比和他的同事们主要依靠能够自由穿梭于军方与供应商之间的关系网。德州仪器公司坚持，与能源部的合同应仿照该公司与五角大楼的合同，而杜奇则模仿DARPA喜爱的高风险和高回报模式来起草德州仪器资金规范。德州仪器公司甚至试图找出通过使用一种被称为情景规划的核战争-游戏技术来发展TISES的策略。德州仪器公司照搬军事工业的实施方案是可以理解的，因为它有大量与军方合作的经验。此外，公司在集成电路方面的成功表明，由军方市场衍生到广阔的民用市场是相当有效的。

但这种方法有一点不太好，就是很难让那些与军方没有密切关系的太阳能专家们信服。杜奇宣称，美国能源部其实有很多人从事太阳能方面的工作。事实上也的确是这样，能源部有一个完整的太阳能研究所（即如今的美国国家可再生能源实验室），其由“世界地球日”的组织者丹尼斯•海耶斯（Denis Hayes）领导。但基尔比和他在德州仪器公司的同事们发现这个团队对他们的想法不大理会，而他们也不大认同美国太阳能研究所提出的观点。1980年大选结束后，罗纳德•里根总统团队给基尔比写信咨询，哪一位能源部官员应获得新政府的留用，基尔比是这样回复的：“所有参与了太阳能项目的人都应该离开⋯⋯总的来说我认为美国能源部的能力水平低于国防部几个等级。”

就这样，基尔比转而寻求军方合作。例如，1978年底，他把曾资助过德州仪器公司集成电路的美国空军军官理查德•D•艾伯茨（Richards D. Alberts）找来接管了美国能源部的光伏部门。一年后，他让艾伯茨把自己介绍给美国空军中可能会考虑把TISES用于MX导弹发射井的一些人。虽然这种应用设想一直没有成型，但是可以看出基尔比对军事专家的偏爱远远高于对那些民用太阳能提倡者的兴趣。

具有讽刺意味的是，由于他们对军事工业的偏爱，基尔比和德州仪器公司一直试图从那些不太可能支持TISES的人员中寻找合作者。当时，美国国家安全机构在构想未来能源时，一直强调的是核电而非太阳能，他们认为这是一个不成熟的技术，属于反主流文化。在基尔比的文章里，从来没有迹象显示他曾考虑过与那些太阳能倡导者合作，而这些人本有可能帮助实现TISES。

这些提倡者可以说明TISES将发挥重要的作用，并形成有说服力的环境或社会构想。但由于缺少这一点，基尔比和德州仪器公司只能在狭窄的经济和国家安全范围内论证此系统。当中东动荡，石油价格上涨时，这些范围就具有说服力。但1980年，石油价格开始下降。不久之后，里根政府撤回了对太阳能的联邦支持。

在20世纪80年代新的政治和经济环境下，德州仪器公司对TISES的乐观态度一下减弱了。1982年底或1983年初，该计划被缓期。德州仪器公司告诉基尔比和项目经理E•L•约翰逊（E.L.Johnson），公司将停止资助这个项目，但是，如果他们可以找到愿意支付费用的合作者，那么他们可以继续开发这个项目。

德州仪器公司的决定出于两方面的原因。那时该公司打算转型成为领先的个人电脑制造商的尝试失败了，正在恢复元气，所以决定把重点放在自己擅长的东西上。公司管理高层当时并不赞成向新市场投下昂贵的赌注。新的成本预测也让人觉得TISES项目太大而无法消化。到1982年底，该团队仅有很少的项目收入，而建造制造工厂的花费是巨大的。估算显示，从1983到1990年，TISES项目会消耗2.75亿到4亿美元（相当于目前的6亿至9亿美元）。可见，近10年的大部分投资都是完全亏损的。

基尔比并不准备放弃。在接下来的大约9个月，他、约翰逊，有时还有海尔迈耶，一起寻找潜在的公司合作者：石油和化工公司、电力公司、设备供应商、建材企业，据约翰逊说，甚至还有烟草企业。但生不逢时，其他微电子公司，如RCA，正在把它们的太阳能部门出售给石油公司，而且价格往往十分低廉。基尔比和公司不能为TISES找到合作伙伴。1983年9月，德州仪器公司的耐心和资金已经耗尽，这项计划也随之被取消了。

基尔比崩溃了。根据基尔比的朋友和传记作家埃德•米利斯（Ed Millis）表述，TISES项目的取消，尤其还是在他的母亲和妻子分别于1980年和1981年去世不久后，真是“一个残酷的打击”——“在太阳能项目后期，他停止了在笔记本上记录一系列发明，之后就再也没有重新开始。”基尔比永远退出了德州仪器公司，专心服务于董事会和委员会，以及收集各类奖项。“发明巨匠杰克，”米利斯写道，“似乎甘心将自己的计算尺高高挂起。”

因为这个原因，伊利诺伊项目消失了。如今，人们几乎忘记了这位传奇工程师职业生涯的结局。技术背后的基本思想仍然不时出现。事实上，在我撰写这篇文章时，一个重大技术研究所的小组联系到我，他们注意到我们在达拉斯南卫理公会大学研究基尔比的论文。我是作为一个历史学家在查阅，而他们是作为希望再造此系统的技术专家。

我们应该从基尔比巨大的失望中总结出什么呢？它能否告诉我们一些关于替代能源或高技术的事情？也许因为TISES系统有缺陷，被取消也是合乎情理的。但许多其他太阳能项目在同一时间也被取消。早在20世纪80年代初太阳能泡沫破灭，在那时被遗弃的一些技术，如果当时能够得到进一步开发，那么可能在今天会变得很有竞争力。

特别是在美国，高新技术更新换代很快，这可能会抑制长期发展。要想在技术泡沫中幸存，就要有长期的愿景和丰厚的投资。但基尔比和德州仪器公司队对伊利诺斯项目的论证是基于当时的经济气候，随着石油价格下降，这一理由动摇了。他们向国家安全部门推销这个项目，但这对于项目并没有帮助，因为这个团体更乐于接受核能。关注环境或希望建立更多样化、有弹性的能源组合这一更长远的着眼点，可能会导致发展更慢，但是会得到公共资源和个人资源更稳定的支持。

也许微电子与其他技术不可类比。基尔比和德州仪器公司认为他们可以依靠已有对硅芯片制造的专业知识，轻易转向基于硅的电力系统的制造。他们认为自己与国防部的成功经验可以直接用在与能源部门的合作上。他们认为，他们对计算器和教学玩具消费市场的经验将可转化到向商品住宅销售耐用产品方面。这些设想都没有成立。但这并不是说，那些有集成电路知识的人们不能或不应该转型成为太阳能专家。不过这确实表明，转型是艰难的。

现在太阳能的前景比1983年要好得多。太阳能电池的效率更高，成本却低得多。出于对可持续发展和气候变化的普遍忧虑，人们重燃对太阳能的热情。在这里历史不会重演，太阳能的未来将不同于过去。但我们可以从基尔比们的故事中谋划出一条长远的前进之路，无论太阳能的短期前景是灰暗还是光明。