真空管這50年的旅程，竟和摩爾定律意外重疊

　　真空管的改進(jìn)不在于小型化，而在于功率密度的提升。

　　自1971年第一個(gè)微處理器問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)走過(guò)了四十八個(gè)年頭。在這段時(shí)間里，可以塞進(jìn)芯片內的電子元件的數量增加了整整七個(gè)數量級，這種提升速度相當于晶體管數量每隔兩年翻一番。

　　你可能認為，只有半導體芯片的晶體管密度保持了這樣神奇的改進(jìn)記錄，其實(shí)，真空管電子器件的性能改進(jìn)也同樣驚人，只是它改進(jìn)的關(guān)鍵指標和半導體器件有所不同罷了。

　　二極管是真空管最簡(jiǎn)單的形式，它是由約翰·A·弗萊明于1904年發(fā)明的。短短三年之后，電子管之父李德弗雷斯特發(fā)明了三極管，到了二十世紀二十年代，他又發(fā)明了四極管和五極管。這些“網(wǎng)格”形式的電子管使用網(wǎng)格中的電壓從一個(gè)電子源中調制出電流。對磁控管-另一種通過(guò)磁場(chǎng)擠壓電子產(chǎn)生微波的真空管-的研究催生了1935年在該領(lǐng)域的頭號專(zhuān)利，并促成了英國在1940年首次進(jìn)行的雷達部署。首先應用在雷達中，后來(lái)在衛星通信和高能物理領(lǐng)域得到推廣應用的速調管在1937年申請了專(zhuān)利，之后，到了二十世紀六十年代中期，蘇聯(lián)首次發(fā)明了微波，它可以產(chǎn)生毫米波功率，用于加熱材料和等離子體。

　　這幾代真空管的功率密度取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，它表述的是通過(guò)器件傳輸的最大功率的概念，最大傳輸功率和電路橫截面積成正比，和工作頻率成反比。1960年，時(shí)任RCA微波研究實(shí)驗室主任一職的Leon Nergaard提出，將平均功率密度作為比較真空管不同代際器件性能增長(cháng)的品質(zhì)因數。四十年后，Victor L. Granatstein、Robert K. Parker和Carter M. Armstrong在1999年5月的IEEE會(huì )議論文中估計功率密度已經(jīng)達到兆瓦和千兆赫乘積的數量級。

　　這些研究人員展示了真空管的數次連續創(chuàng )新浪潮：早期真空管的功率密度很快被磁控管的功率密度所超越，然后又被速調管的功率密度超過(guò)，最后，在二十世紀七十年代，它們又被回旋振蕩器和自由電子激光器的功率密度革了命。每一代器件家族都遵循了正常的生長(cháng)消亡曲線(xiàn)，即它們都在遷移到下一代產(chǎn)品之前達到了其物理極限。

　　從二十世紀三十年代中期到六十年代后期，網(wǎng)格形式真空管(三極管和更高極管)的最大功率密度增加了四個(gè)數量級。在同樣一段時(shí)期內，腔體磁控管和交叉場(chǎng)放大器的功率密度提高了五個(gè)數量級。在1944年到1974年之間，速調管的最大功率密度增加了六個(gè)數量級。二十世紀六十年代到2000年之間，微波和自由電子激光器的最大功率密度指標也取得了同樣的進(jìn)步。

　　如果在半對數坐標圖上繪制真空管器件的整個(gè)生長(cháng)曲線(xiàn)序列，則可以發(fā)現，曲線(xiàn)的包絡(luò )形成一條直線(xiàn)，大概每十年增加近1.5個(gè)數量級。我初次看到這張圖表時(shí)，馬上意識到真空管功率密度的上升速度非常接近于摩爾定律所指出的增長(cháng)率，并且通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的計算證實(shí)了這個(gè)速度判斷。在1935年到2000年之間，這條直線(xiàn)包絡(luò )線(xiàn)的年復合平均上升幅度表明，真空電子管器件的最大功率密度的年度增長(cháng)率正好幾乎相當于35% - 基本上與1965年后半導體芯片上晶體管密度的年復合平均增長(cháng)率相同。

　　需要指出的是，真空管和集成電路的增長(cháng)包絡(luò )線(xiàn)反映的是不同的品質(zhì)因數。不過(guò)，值得注意的是，真空管在功率密度上的改進(jìn)速度和集成電路在晶體管密度上的提升速度一樣快，這種規律早在1965年戈登·摩爾以摩爾定律的形式針對集成電路定義下來(lái)之前就一直在發(fā)揮著(zhù)作用了。