【人物传记】模拟单片集成电路之父-鲍勃·魏德拉

1 鲍勃·魏德拉简介鲍勃·魏德拉Bob Widlar (1937-1991)模拟集成电路的奠基人以μA702、μA709等开创性设计定义了模拟芯片的规则用反叛与幽默改写了硅谷的精神其创造的电流源、带隙基准等技术至今仍运行在每一块芯片之中。2 生平与成长从收音机修理工到模拟天才1937年11月30日鲍勃·魏德拉出生于美国俄亥俄州克利夫兰市。他的父亲沃尔特·魏德拉是一位自学成才的无线电工程师在WGAR电台工作设计了早期的超高频发射机。母亲玛丽·维索斯来自捷克移民家庭。从小浸润在电子环境中的魏德拉15岁就开始像那个时代的许多“修补匠”一样修理收音机和电视机。魏德拉毕业于克利夫兰的圣伊格纳修斯高中随后进入科罗拉多大学博尔德分校学习。1958年2月他加入美国空军负责向战友教授电子设备知识。一份年度绩效评估将他描述为“比一般技术人员高出一筹”因为他从不满足于平庸不断追求完美。1960年他撰写了第一本书《半导体器件导论》这本教科书展现了他将复杂问题简化的非凡能力。1961年崇尚思想自由的魏德拉与军事环境格格不入选择退伍。他加入博尔德的鲍尔兄弟研究公司为美国国家航空航天局NASA开发模拟和数字设备同时继续在科罗拉多大学深造。1962年他以优异成绩获得电气工程学士学位。1963年魏德拉的人生迎来转折。他在工作中接触到仙童半导体的让·埃尔尼和谢尔顿·罗伯茨——平面工艺的创造者、仙童的联合创始人。魏德拉决定进入半导体制造公司在仙童销售员杰里·桑德斯的引荐下获得了面试机会。面试过程堪称传奇魏德拉醉醺醺地来到面试现场当面指着仙童的电路说“他们做的都是狗屎”尽管第一轮面试官反对仙童应用工程部门主管约翰·休姆还是录用了他。仙童半导体就这样“引狼入室”开启了一段改变世界的合作。3 核心贡献用想象力重塑模拟世界魏德拉被誉为“模拟单片集成电路之父”。他发明的魏德拉电流源、魏德拉带隙电压基准和魏德拉输出级至今仍是模拟芯片设计的基本模块。3.1 奠基性作品从μA702到μA7091963年当魏德拉加入仙童时公司的模拟集成电路还是按照分立元件的方式设计受限于早期的平面工艺常常需要使用昂贵且性能不佳的外接薄膜电阻成本高得离谱。仙童研发主管戈登·摩尔因此倾向于将战略重心放在数字电路上。魏德拉对数字电路不屑一顾“每个傻瓜都能从0数到1。”他与工艺工程师戴维·塔尔伯特结为黄金搭档坚信模拟电路的未来。魏德拉很快意识到集成电路不能用设计分立电路的方式设计。他总结出一条格言“不要试图在集成电路中复刻分立设计。”基于这一洞见他设计了业界第一款真正的线性集成电路、第一款单片运算放大器——μA702。他摒弃了混合技术只使用在硅片上形成的扩散电阻九个NPN晶体管根据功能分别确定尺寸和形状打破了以往随意使用最小面积图案的做法。μA702在1964年10月投产尽管存在共模范围有限、输出驱动能力弱等问题每片售价高达300美元却为整个行业指明了未来数十年的方向。紧接着魏德拉推出了μA709——一款从μA702显著改进的运算放大器。它拥有更高的增益70,000 vs 7,000、更大的输入/输出范围、更低的输入电流、更高的输出电流并使用对称电源。输入级采用魏德拉电流源无需占用面积的高值电阻即可产生低偏置电流。为了采用横向PNP晶体管魏德拉连续工作170个小时最终设计出将两个扩散区融合为可用横向PNP器件的方案。μA709于1965年11月推出成为仙童革命性的旗舰产品。在接下来几年里仙童成为线性集成电路领域的领导者需求超出产能十倍产品提前两年售罄。据销售员唐·瓦伦丁回忆“当时世界上制造和销售的线性电路超过80%出自他们两人之手”。3.2 国家半导体的辉煌1965年魏德拉离开仙童加入国家半导体公司。国家半导体董事长查尔斯·斯波克不惜重金和股票将魏德拉及其设计小组整个挖了过来。在国家半导体魏德拉继续创造历史。他设计了业界首款大功率稳压器LM109。1969年他写了一篇论文声称温度波动和封装限制使大功率稳压器无法实现业界信以为真停止了研发努力。然而在1970年魏德拉推出了20W的LM109——包含了他一年前声称不可能实现的所有功能震惊整个行业。魏德拉的创新还为现代带隙电压基准电路奠定了基础。他设计的LM10——首款超低电压运算放大器集成了200mV精密电压基准至今仍在生产。魏德拉的成果让国家半导体成为线性电路领域的领导者。国家半导体总裁斯波克评价道“鲍勃·魏德拉是硅谷的原创者是集成电路设计领域真正的天才。他是世界上第一位也是任何标准衡量下最伟大的线性设计者。”3.3 八项专利与标志性设计魏德拉一生拥有八项专利。他的设计包括µA702、µA709、µA710、LM100、LM101、LM107、LM108、LM10等众多开创性产品。其中LM101与后来普遍使用的集成运放LM741非常相似。据记载魏德拉设计的每一款电路都“至少有一个特征远超同行”成为同类产品中的“冠军”。他从来没有设计过一个平庸的电路。4 至暗时刻天才的任性、恶作剧与早逝4.1 “八叛徒”之后的叛逆者魏德拉的个性与硅谷早期的反文化精神完美契合。他被描述为“比工程师更像艺术家”。他说话温和却会在受挫时用锤子在办公室的铁砧上砸碎故障元件这种处理方式被称为“魏德拉式故障元件处置法”。为了对付办公室里大声喧哗的人他发明了“哈斯勒电路”——当有人大声说话时设备会检测声音并将其转换成高频回声声音越大回声越刺耳直到来访者学会安静。1980年代当国家半导体宣布削减草坪维护费用以节省开支时魏德拉借了一只羊放进他的梅赛德斯-奔驰敞篷车后座带到公司前草坪上放羊“修剪”草坪。不到二十分钟圣何塞水星报的记者赶来拍照报道旋即成为头条。4.2 与戈登·摩根的冲突魏德拉对数字电路的轻视让他与戈登·摩尔产生冲突。他认为仙童应该继续深耕模拟电路而不是转向数字电路。当他离开仙童时曾指着摩尔的鼻子说“傻瓜都会做数字电路。”4.3 33岁退休与55岁早逝1970年33岁的魏德拉因持有的国家半导体股票让他成为富翁选择退休移居墨西哥巴亚尔塔港。他成为“硅谷最著名的退隐者”。但他并未完全离开。1974年他以顾问身份重返国家半导体继续设计先进的线性集成电路。1981年他与他人共同创立了凌特公司Linear Technology Corporation现已被ADI收购。1991年2月27日魏德拉在墨西哥巴亚尔塔港的海滩上慢跑时心脏病发作去世享年53岁。在他晚年他因戒酒而变得更健康但有传言称长期酗酒可能是他英年早逝的原因。去世前他仍担任国家半导体的顾问。1991年3月4日硅谷一家小酒馆举行了追思会朋友和同事们共同怀念这位传奇。5 思想遗产模拟设计的奠基者与硅谷精神的化身5.1 模拟集成电路的基石魏德拉的遗产包括八项专利和标志性设计为我们所知的模拟IC设计奠定了基础。今天当工程师们学习带隙基准、电流源、运算放大器时他们学习的正是魏德拉的创造。他的名字被刻在每一个电子工程学生的教科书里与法拉第、基尔霍夫、麦克斯韦并列。5.2 设计哲学从分立到集成的范式革命魏德拉最重要的贡献是第一个认识到集成电路不能按分立电路的方式设计并针对平面工艺的限制开发出解决方案。他开创的设计方法让模拟集成电路从昂贵的实验室珍品变成随处可见的廉价元件。5.3 反叛精神的象征魏德拉狂热的个性和幽默感影响了整整一代工程师如鲍勃·皮斯和吉姆·威廉姆斯。即使在魏德拉去世后他们一直保持着他的精神。有人评价道“在一个人力资源部门定义工程师可以说什么、不可以说什么的环境里我们极不可能再见到像他这样的人。”5.4 持久的商业影响魏德拉设计的许多产品至今仍在生产。一位工程师在2022年的评论中写道“LM10解决了我在1970年代末的许多问题至今仍在活跃使用。好的设计永远不过时。”6 时代启示在1和0的世界里怀念模拟天才6.1 数字时代的模拟情怀在一个一切都数字化、世界都依靠1和0运作的时代魏德拉提醒我们真实世界是模拟的。温度、声音、图像——这些都是连续变化的模拟信号需要模拟芯片来处理。没有模拟数字将失去与现实的连接。6.2 叛逆与创新的关系魏德拉的故事证明真正颠覆性的创新往往来自那些敢于挑战权威、不按常理出牌的人。他的“叛逆”不是为叛逆而叛逆而是为了追求更好的技术。他敢指着诺伊斯的鼻子骂因为他相信自己的判断。6.3 天才需要空间仙童半导体和国家半导体对魏德拉的容忍是企业文化的另一种可能。他们允许他喝酒、恶作剧、砸元件、放羊换来的是一款又一款统治世界的芯片。这种对天才的包容在今天刻板的企业环境中已越来越罕见。6.4 从分立到集成从硬件到软件魏德拉当年说“每个傻瓜都能从0数到1”如今看来是对数字时代的预言。但更重要的是他证明了真正困难的不是数0和1而是处理0和1之间的无限可能——这是模拟的哲学也是人文的智慧。7 结语模拟世界的酒神1991年2月27日罗伯特·魏德拉在墨西哥的海滩上永远停止了慢跑。他的一生只有53年却用几款芯片定义了一个产业用一种态度塑造了一种文化。他被称为“模拟单片集成电路之父”但他更像是模拟世界的“酒神”——沉醉于创造放纵于生活用才华点燃一个时代用恶作剧挑战一切规则。他33岁退休却在退休后继续改变世界他酗酒、竖中指、放羊、砸元件却让整个硅谷不得不承认他就是最伟大的线性电路设计师。今天当你使用手机、电脑、任何电子设备时你都在与魏德拉对话。那小小的芯片里流淌着他的电流源、他的带隙基准、他的运算放大器——它们无声地工作着处理着这个世界的温度、声音、光影让数字与模拟永远相连。有人问为什么我们需要怀念这样一个“恶棍”答案是在一个一切都数字化、一切都标准化的时代我们需要记住真正的创新来自不守规矩的大脑来自不按常理出牌的灵魂。8 荣誉与著作文献8.1 荣誉年份荣誉名称授予机构备注2009年入选国家发明家名人堂美国国家发明家名人堂表彰其作为“模拟单片集成电路之父”的开创性贡献8.2 主要作品年份标题类型意义1960《半导体器件导论》教科书展现他简化复杂问题的能力1964-1970sµA702、µA709、LM109、LM10等设计集成电路产品开创性的模拟芯片设计至今影响深远1960s-1980s八项美国专利专利涵盖电流源、带隙基准等基础技术参考资料https://en.wikipedia.org/wiki/Bob_Widlar欢迎访问我的网站BruceOu的哔哩哔哩BruceOu的主页BruceOu的博客BruceOu的CSDN博客BruceOu的简书BruceOu的知乎欢迎订阅我的微信公众号关注公众号[嵌入式实验楼]获取更多资讯欢迎订阅我的知识星球关注知识星球[嵌入式实验楼]获取更多资讯