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近两年来中美之间芯片竞争的事件经常占据新闻头条，Chip War “芯片战”可以用来形容目前的状况。事实上这不是美国的第一次芯片战。本书从芯片的诞生一直到最近发生的事件，覆盖了半导体技术的发展，讲述了芯片领域的重要开拓者们，以及芯片在地缘政治中越来越重要的角色。这是2022年10月才上架的新书。 从数字来看，芯片是人类历史上发展最快的技术。仅仅在60年前，第一个芯片上只有4个晶体管，而今天最先进制程的芯片集成了超过118亿个晶体管。这么高速发展的产业要归功于天才的科学家们，富有想象力的创业家们，以及现代化制造和供应链管理的专家们。同时这也是全球化进程的产物，以苹果手机的中央处理芯片为例，它的设计基于一家日本拥有（软银）的英国公司的芯片体系（ARM），采用了来自美国的设计软件（EDA工具），然后送到台湾的芯片制造工厂（台积电），使用了来自日本的硅片和特殊气体，荷兰的光刻机（ASML）和日本或者美国制造的其他各种生产设备，在东南亚进行封装测试，最后在中国的工厂组装进手机。 半导体和芯片技术的发展首先基于科学的突破 。物理学家William Shockley 肖克利第一个提出了半导体材料“固态阀”的概念，而将晶体管做出来的是他在贝尔实验室的两个同事Brattain 和Bardeen巴丁。 他们三个人获得了1956年的诺贝尔物理奖。巴丁后来因为低温超导又拿了一个诺奖，是少有的拿到两个诺奖的科学家。 肖克利是个与众不同的科学家，有科学之外的雄心壮志。1955年他在硅谷创立了肖克利半导体公司，但是好的科学家不一定是好的企业管理人。肖克利半导体的8个年轻人忍受不了老板，辞职创立了Fairchild 仙童半导体。这8个人里面包括了Intel将来的两个创始人Gordon Moore (摩尔定律提出者)和Bob Noyce诺伊斯, 还有Eugene Kleiner, 硅谷著名风投机构KPCB的创始人。仙童的生产工艺负责人是Andy Grove格鲁夫, Intel未来的CEO；销售负责人Jerry Sanders是AMD的创始人。可以说仙童半导体创立了半个硅谷。 德州仪器(TI) 的Jack Kilby科尔比发明了集成电路，他在一块锗半导体板上制造出了多个晶体管。几个月后，仙童半导体的诺伊斯也发明了集成电路。如果不是诺伊斯60多岁就早逝，他会和科尔比一起获得2000年的诺贝尔奖。将发明变成大规模生产的产品是另外一种能力。当张忠谋1958年加入德州仪器的时候，他们芯片的产线良率接近于0。张忠谋用科学家的方法论和严厉的管理将良率在一个月内就提升到了25%，他很快就开始负责整个TI的芯片生产。 芯片产业供应链的全球化始于1963年， 仙童半导体第一条组装线在香港投入运营。在10年内，主要的美国芯片企业在马来西亚，新加坡等亚洲国家建立了生产基地。张忠谋1968年第一次来到台湾（他出生在浙江，童年在香港渡过，大部分时间生活在美国），他说服TI的管理层在台湾建立了第一个芯片生产工厂。1980年代，张忠谋决定到台湾开创一个新的产业，芯片代工。1987年台积电（TSMC）在新竹成立，现在台积电是全球最大的芯片代工企业，占有全球超过50%的市场份额。 苏联在芯片领域的投入并不算落后，他们1960年代在莫斯科附近建设了一个新城市Zelenograd, 专门用来研发和生产集成电路。这个城市有大学，实验室，生产线，学校，托儿所，电影院，医院等所有半导体工程师需要的设施。他们采取的是照抄美国的策略。但这是个注定失败的策略，因为第一芯片的技术发展遵从摩尔定律，变化太快，照抄一定是落后的；第二照抄不到的是大规模生产的工艺。加上苏联没有消费电子产品市场，生产的芯片除了满足军工的需求之外，毫无市场竞争力。而真正能挑战美国并引发第一次”芯片战“的是日本。 从1970年代开始，借助消费电子产业的快速发展，日本在芯片制造上投入巨大资本，特别是存储芯片DRAM。日立，三菱，东芝，NEC这样的大企业借助日本低利息贷款的优势，大量投入生产设备和建设产线。到1980年代，日本公司在半导体上的投入比美国多了60%。日本在DRAM市场上的份额接近垄断，使得Intel不得不退出这个自己起家的市场。格鲁夫裁掉了公司四分之一的员工，将重心转到PC 处理器。最后美国在这场战争中获胜有多种因素，包括日元的升值，日本建了太多芯片产线而忽略了创新（比如NAND Flash是东芝最先发明的），美国国内的利息下降，特别是PC市场的兴起，而日本忽略了PC这个新趋势。到90年代，日本在芯片市场的领导地位已然不再，他们在DRAM市场的份额从80年代的90%一直降到了98年的20%，现在这个市场的老大是韩国的三星和海力士。 中国在芯片领域的起步也不晚，1960年就已经有了半导体研究所，集成电路也在1965年被研发出来，只比美国晚了5年。但是从1966年开始，由于众所周知的原因，整个产业停顿了，半导体科学家和工程师们都被下放到了农村。等到70年代末打开国门，我们已经远远落后了。 当芯片上晶体管的尺寸从微米来到纳米，最重要的生产设备就是光刻机。由于开发新的光刻技术需要大量的金钱和时间投入，因此市场集中度很高。90年代初光刻机市场由日本的尼康和佳能垄断，光刻技术的先驱美国GCA公司于1993年破产，第三家仍有竞争力的公司是荷兰的ASML。 荷兰飞利浦公司在1984年将内部的光刻部门分拆成立了ASML，那个时候他们没钱也没人，只能从世界各地购买元器件进行组装。由于飞利浦是台积电的基石投资人，台积电起初的芯片产线是基于飞利浦的生产流程设计的，这样台积电自然就选择采用ASML的光刻机，从此这两家公司一路共同成长为行业领导者。Intel在90年代要寻找极紫外（EUV）光刻设备的时候，他们从美国的两个国家实验室找到了相关技术。当要找一家可以规模化生产EUV设备的公司的时候，美国已经没有自己的光刻机企业了，而日本公司作为竞争对手被排除在外，剩下的唯一选择就是ASML。Intel投入了EUV研发最初的2亿美元。 EUV光刻机最难的是13.5纳米波长极紫外光的产生。在真空室内，液滴发生器每秒发射 50,000 个锡液滴，每一个液滴被 50,000 个激光脉冲中的一个击中并变为等离子体，由此产生 EUV 光，再通过反射镜将其引到需要曝光的晶片上。这部分的工作由位于美国加州的Cymer公司完成，高功率的激光器只有德国TRUMPF公司能提供，镜片系统由德国蔡司制造。EUV发光系统由超过45万个部件构成，研发过程花费了10年时间。而整个EUV光刻机的开发成本超过了100亿美元和20年的时间。ASML自己只生产光刻机15% 的零部件，它的核心能力是管理几千个供应商的几十万个零部件，保证它们在一起能很好地工作。EUV光刻机并不是某一个国家的产品，而是全球合作的产物。这个工程的奇迹不在于做出了EUV光刻机，而是这么复杂的设备可以非常稳定可靠地连续工作，只有这样芯片才能无故障地规模化生产。 本书的最后部分讨论了中国的芯片产业崛起，以及美国的应对。现在世界上最先进的芯片产线在台湾，台湾生产了全世界37%的逻辑芯片，包括苹果和NVidia的芯片都在台湾生产。中国担心卡脖子，美国则担心供应链的安全。通过学习历史，我们发现一个国家很难掌控芯片的全产业链，只有合作和创新才能立于不败之地。
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发表于 2022-11-27 09:23:42
