芯片戰爭

克里斯·米勒

小小的芯片，像石油一樣，是現代世界賴以生存的稀缺資源。從智能手機到汽車，從微波爐到股票市場，一切都離不開芯片。誰在芯片設計和制造領域保持領先地位，誰就能在科技和經濟等領域產生巨大優勢。

張汝京與中芯國際

芯片制造的地理位置在20世紀90年代和21世紀初發生了巨大變化。1990年，美國晶圓廠生產的芯片占全球的37%，但這個數字到2000年下降到19%，到2010年下降到13%。日本在芯片制造方面的市場份額也大幅下降。韓國、新加坡和中國臺灣都向芯片產業注入大量資金，并迅速增加產量。例如，新加坡政府資助的制造工廠和芯片設計中心與TI、惠普和日立等公司合作，在這個城市國家建立了一個充滿活力的半導體產業。新加坡政府也嘗試效仿臺積電，成立了一家名為特許半導體(Chartered Semiconductor)的芯片制造廠，但該公司從未像臺積電那樣表現出色。

韓國的半導體產業表現更好。1992年，三星取代了日本的DRAM生產商，成為世界領先的存儲芯片制造商，在此后的十年中，三星發展迅速。三星抵擋住了來自中國臺灣和新加坡的DRAM市場競爭，受益于政府的支持和政府對韓國銀行的非官方壓力，要求它們提供信貸。這種融資之所以重要，是因為三星的主要產品DRAM存儲芯片需要強大的財政力量，才能支撐每一個持續發展的技術節點的支出，即使在行業低迷時期，這些支出也必須持續。三星的一位高管解釋說，DRAM市場就像一場“膽小鬼博弈”游戲。在經濟好的時候，世界上的DRAM公司會向新工廠投入大量資金，將市場推向產能過剩，從而壓低價格。繼續投資是極其昂貴的，但停止投資，哪怕是一年，都有可能將市場份額讓給競爭對手。沒有人想先眨眼。在競爭對手被迫削減開支后，三星有資本繼續投資。三星的存儲芯片市場份額增長勢頭強勁。

中芯國際創始人張汝京

中國最有可能顛覆半導體行業，因為中國在組裝電子產品方面扮演著越來越重要的角色，而世界上大多數芯片是要組裝在這些電子產品上的。到了20世紀90年代，中國已成為世界工廠，上海和深圳等城市是電子組裝中心。幾十年前，這類工作推動了臺灣地區經濟的發展，但真正的價值是電子產品里的部件，尤其是半導體。

20世紀90年代，中國大陸的芯片制造能力遠遠落后于中國臺灣和韓國，更不用說美國了。中國的經濟改革正在如火如荼地進行，走私者發現非法攜帶芯片進入中國是有利可圖的，他們將芯片裝滿箱子，然后從香港地區偷運過去。但隨著中國電子產業的成熟，走私芯片的吸引力不如制造芯片。

把芯片業帶到中國大陸被張汝京視為他一生的使命。1948年，張汝京出生于南京的一個軍人家庭。1949年，他的家人離開了中國大陸，在他只有一歲的時候來到了臺灣。在臺灣，他在一個大陸人社區長大，他們把在島上的居留視為臨時逗留。大學畢業后，張汝京搬到了美國，在紐約的布法羅完成了研究生學位，然后在TI與杰克·基爾比一起工作。他成為經營晶圓廠的專家，從美國到日本，從新加坡到意大利，他在世界各地經營著TI的工廠。

上海張江，中芯國際總部。

中國政府補貼國內半導體產業建設的早期成果大多不盡如人意。一些晶圓廠是在中國建造的，比如中國華虹和日本NEC在上海的合資企業。NEC從中國政府那里得到了一筆豐厚的金融交易。作為交換，NEC承諾將其技術帶到中國。但NEC要確保由日本專家負責，中國員工只能做基礎工作。中國從這家合資企業獲得的專業知識不多。引用一位分析師的話：“我們不能說這個公司是中國的公司，這只是一個位于中國的晶圓廠。”

2000年在上海成立的另一家芯片公司宏力半導體也涉及類似的境外投資、國家補貼和不成功的技術轉讓?？紤]到臺灣在半導體領域的成功，吸引臺灣參與大陸芯片產業的想法是有道理的，但該公司由于技術落后，難以獲得客戶，從未贏得過大陸芯片制造業務的一小部分，占世界總業務的份額就更少了。

如果有人能在中國建立芯片產業，那就是張汝京。他不會依賴裙帶關系或外國援助。世界級晶圓廠所需的所有知識都已經在他的腦海中。在TI工作期間，他為該公司在世界各地開設新工廠。為什么不能在上海做同樣的事？他于2000年創立了中芯國際集成電路制造有限公司（SMIC，以下簡稱“中芯國際”），從高盛、摩托羅拉和東芝等國際投資者那里籌集了超過15億美元。一位分析師估計，中芯國際一半的創業資金是由美國投資者提供的。張汝京利用這些資金雇用了數百名境外專家來運營中芯國際的晶圓廠，其中至少有400名來自中國臺灣。

張汝京的策略很簡單：像臺積電那樣做。在臺灣，臺積電雇用了最好的工程師，尤其是那些在美國或其他先進芯片公司有經驗的工程師。臺積電購買了它能負擔得起的最好的工具，堅持不懈地專注于培訓員工掌握行業最佳實踐，利用臺灣愿意提供的所有稅收和補貼政策。

中芯國際虔誠地遵循這一路線圖，從境外芯片制造商，特別是臺積電，積極雇用員工。在其運營的第一個十年的大部分時間里，中芯國際三分之一的工程人員是從臺灣地區和國外雇用的。2001年，據分析師道格拉斯·B·富勒(Douglas B.Fuller)稱，中芯國際從當地雇用了650名工程師，從境外招聘了393名工程師，境外招聘的大部分來自中國臺灣和美國。該公司甚至有一個口號，“一個老員工帶來兩個新員工”，強調需要境外培訓過的有經驗的員工來幫助當地工程師學習。中芯國際的本地工程師學得很快，其技術能力很快就被認可，以至外國芯片制造商開始向他們發出工作邀請。該公司在技術國產化方面的成功歸功于這批受過境外培訓的員工。

與中國其他芯片初創企業一樣，中芯國際也從政府的大力支持中受益，比如五年的企業免稅期和減免在中國銷售芯片的銷售稅。中芯國際獲得了這些好處，但它一開始并不依賴這些好處。張汝京致力于提高生產能力，采用接近尖端的技術。到20世紀末，中芯國際僅落后于世界技術領先企業幾年。該公司似乎有望成為一流的芯片制造廠，或許最終有能力威脅臺積電。張汝京很快贏得了為他前雇主TI等行業領袖制造芯片的合同。中芯國際于2004年在紐約證券交易所上市。

現在臺積電面臨來自東亞不同國家和地區多家芯片廠的競爭。新加坡的特許半導體，中國臺灣的聯華電子和世界先進公司(Vanguard)，以及2005年進入代工業務的韓國三星，都在與臺積電競爭生產其他地方設計的芯片。這些公司中的大多數得到了政府的補貼，使得芯片生產成本更低，這讓它們所服務的大多數美國無晶圓公司受益。與此同時，無晶圓公司正處于推出一款塞滿復雜芯片的革命性新產品（智能手機）的早期階段。離岸外包降低了制造成本，刺激了更多的競爭。消費者享受了低價和過去難以想象的產品。全球化不就是這樣設計的嗎？

蘋果硅

類似臺積電這樣的代工廠崛起的最大受益者是大多數人沒有意識到的公司——蘋果。但史蒂夫·喬布斯創建的蘋果一直專注于硬件，所以蘋果想要完善其產品的愿望包括控制里面的硅也就不足為奇了。在蘋果成立的早期，喬布斯就對軟件和硬件的關系進行過深刻的思考。1980年，當喬布斯的頭發幾乎到了肩膀、胡子遮住了上唇時，他做過一次演講。他被問道：“什么是軟件？”他回答道：“我唯一能想到的是，軟件是一種變化太快的東西，或者你還不知道自己想要什么，或者你還沒來得及把它固化成硬件?！?/p>

喬布斯沒有時間把他的所有想法都融入第一代iPhone的硬件中，iPhone使用了蘋果自己的iOS操作系統，但將芯片的設計和生產外包給了三星。這部革命性的新手機還有許多其他芯片，比如英特爾的存儲芯片、沃爾夫森設計的音頻處理器、德國英飛凌(Infineon)生產的連接手機網絡的調制解調器、CSR設計的藍牙芯片以及思佳訊的信號放大器等。所有這些芯片都是由其他公司設計的。

隨著喬布斯推出新版本的iPhone，他開始將自己對智能手機的愿景嵌入蘋果自己的硅芯片上。在iPhone發布一年后，蘋果收購了一家硅谷小型芯片設計公司PA Semi，該公司在節能處理方面擁有專門知識。不久，蘋果開始雇用一些業內最好的芯片設計師。兩年后，該公司宣布已經設計了自己的處理器A4，該處理器將用于新的iPad（蘋果平板電腦）和iPhone 4。設計復雜的智能手機處理器是昂貴的，這就是大多數中低端智能手機公司從高通等公司購買現成芯片的原因。但蘋果在德國巴伐利亞州、美國硅谷以及以色列的研發和芯片設計方面投入了大量資金，工程師們在硅谷設計了最新的芯片?，F在，蘋果不僅為其大多數產品設計了主處理器，還設計了運行AirPods（蘋果無線耳機）等配件的輔助芯片。這種對專用芯片的投資解釋了為什么蘋果的產品使用起來如此順暢。在iPhone發布的四年里，蘋果從智能手機銷售中獲得了全球60%以上的利潤，擊敗了諾基亞和黑莓等競爭對手，東亞智能手機制造商只能在低利潤率的廉價手機市場上爭奪。

2022年6月6日，美國加利福尼亞州庫比蒂諾，蘋果公司舉行全球開發者大會，圖為首席執行官蒂姆·庫克與新發布的搭載M2芯片的MacBook Air筆記本電腦。

像高通和其他推動移動革命的芯片公司一樣，盡管蘋果設計了越來越多的硅芯片，但它并沒有制造任何芯片。蘋果以將手機、平板電腦和其他設備的組裝外包給中國幾十萬裝配線工人而聞名，這些工人負責將微小的零件組裝在一起。中國的裝配工廠生態系統是世界上制造電子設備的最佳場所。像富士康(Foxconn)和緯創(Wistron)這樣的工廠，在生產手機、個人電腦和其他電子產品方面具有獨特的能力。盡管東莞和鄭州等中國城市的電子組裝工廠是世界上效率最高的，但它們也不是不可替代的。世界上仍有數億自給自足的農民，他們樂意以每小時一美元的價格將組件固定在iPhone上。富士康在中國組裝了大部分蘋果產品，但也在越南和印度組裝了一些產品。

與流水線工人不同，智能手機內的芯片很難替代。隨著晶體管的縮小，它們變得越來越難制造。能夠制造尖端芯片的半導體公司的數量已經在減少。2010年，當蘋果推出第一款芯片時，只有少數尖端芯片制造廠，比如臺積電、三星，或許還有格芯（這取決于格芯能否成功贏得市場份額）。如今，英特爾仍然是世界上縮小晶體管的領導者，仍然專注于為個人電腦和服務器制造芯片，沒有為其他公司的手機制造處理器。像中芯國際這樣的中國芯片制造廠正在努力追趕，但仍然落后多年。

因此，智能手機供應鏈與個人電腦供應鏈看起來非常不同。智能手機和個人電腦主要在中國組裝，其中的高價值組件大多在美國、歐洲、日本或韓國設計。對于個人電腦而言，大多數處理器來自英特爾，并由該公司在美國、愛爾蘭或以色列的工廠生產。智能手機不同于電腦。智能手機塞滿了芯片，這些芯片不僅包括主處理器（蘋果自己設計），還包括用于連接蜂窩網絡的調制解調器和射頻芯片，用于Wi-Fi和藍牙連接的芯片，用于攝像頭的圖像傳感器，至少兩個存儲芯片，用于感知運動的芯片（這樣你的手機就知道你何時將其水平轉動），以及用于管理電池、音頻和無線充電的半導體。這些芯片構成了制造智能手機所需的大部分材料清單。

隨著半導體制造產能轉移到中國臺灣和韓國，許多芯片的生產能力也隨之轉移。應用處理器是每部智能手機的電子大腦，主要在中國臺灣和韓國生產，然后被送往中國大陸進行最終組裝。iPhone的處理器完全在中國臺灣制造。如今，除了臺積電，沒有一家公司具備制造蘋果所需芯片的技能。蘋果產品的背后印有“Designed by Apple in California.Assembled in China”（加利福尼亞州蘋果公司設計，中國組裝）。iPhone確實是在中國組裝的；其最不可替代的芯片也是在加利福尼亞州設計的，但是只能在中國臺灣制造。

5G未來

當任正非開始代理中國香港的電話交換機時，網絡設備只能將一部電話連接到另一部。在電話出現的早期，接線工作是手工完成的，一排排的女性接線員坐在布滿插頭的墻前，根據電話呼叫的不同組合，將它們連接起來。到了20世紀80年代，接線員已經被電子交換機取代，而電子交換機通常依賴半導體。即便如此，人們還是需要一個衣櫥大小的程控交換設備來管理一棟大樓的電話線。如今，電信供應商比以往任何時候都更加依賴于硅，一個衣櫥大小的設備可以處理電話、文本和視頻，但現在這些信息通常是通過無線電網絡而不是固定電話網絡來傳輸的。

華為已經掌握了最新一代通過手機網絡發送呼叫和數據的設備，即5G。但5G并不是真的與手機有關，而是與計算的未來有關，因此，它與半導體有關。5G中的G表示“代”。我們已經經歷了四代移動網絡標準，每一代都需要手機和手機基站上的新硬件。正如摩爾定律允許我們在芯片上制造更多的晶體管一樣，通過無線電波往返于手機的1和0的數量也在穩步增加。2G手機可以發送圖片短信，3G手機可以打開網頁，4G可以使人們在任何地方播放視頻，5G將是一個飛躍。

如今，大多數人認為智能手機能做到這些是理所當然的，但正是由于越來越強大的半導體，我們才不再對收發圖片、文本感到驚訝，反而對視頻中的瞬間延遲感到沮喪。管理手機與蜂窩網絡連接的調制解調器芯片，使得通過手機天線在無線電波中發送更多的1和0成為可能。

隱藏在手機網絡內部和手機基站頂部的芯片也發生了類似的變化。在空中發送1和0，同時最大限度地減少通話不暢或視頻延遲，非常復雜。無線電波頻譜相關部分中可用的空間是有限的。無線電波頻率只有這么多，其中許多不適合發送大量數據或遠距離傳輸。因此，電信公司依靠半導體將更多的數據塞進現有的頻譜空間中。ADI的芯片專家戴夫·羅伯遜(Dave Robertson)解釋道：“頻譜比硅貴得多?！痹摴緦ｉT研究管理無線電傳輸的半導體。因此，半導體對于無線發送更多數據的能力至關重要。像高通這樣的芯片設計公司找到了優化通過無線電頻譜傳輸數據的新方法，而像ADI這樣的芯片制造商已經制造出了射頻收發芯片，可以更精確地發送和接收無線電波，同時使用更少的功率。

5G將使更多數據的無線傳輸成為可能。在某種程度上，5G網絡將通過使用一個新的、空的無線電頻譜來發送更多的數據，而這在以前被認為是不切實際的。先進的半導體不僅可以將更多的1和0綁定到給定頻率的無線電波中，還可以將無線電波發送得更遠，并以前所未有的精確度進行瞄準。蜂窩網絡將識別手機的位置，并使用一種稱為波束成形的技術直接向手機發送無線電波。典型的無線電波，就像向汽車收音機發送音樂一樣，向各個方向發送信號，因為它不知道你的汽車在哪里。這會浪費電力，從而產生更多的電波和干擾。通過波束成形，蜂窩塔可以識別設備的位置，并僅向該方向發送所需的信號。結果，對于每個人來說，干擾更少，信號更強。

能夠承載更多數據的更快網絡，不會讓現有手機運行得更快，而是會改變我們對移動計算的看法。在1G網絡時代，手機的價格對于大多數人來說太貴了。有了2G網絡，我們開始假設手機可以發送短信和語音。如今，我們期望手機和平板電腦擁有個人電腦的所有功能。隨著通過蜂窩網絡發送更多數據成為可能，我們將把更多的設備連接到蜂窩網絡。我們擁有的設備越多，產生的數據就越多，也就需要更強大的處理能力。

將更多設備連接到蜂窩網絡，并從中獲取數據的承諾，聽起來可能不是革命性的。你可能不同意5G網絡可以釀造出更好的咖啡，但很快你的咖啡機就會收集并處理每杯咖啡的溫度和質量數據。在商業和工業中，有無數種方法可以讓更多的數據和更多的連接產生更好的服務和更低的成本，比如從優化拖拉機在田間的行駛方式到協調裝配線上的機器人。醫療設備和傳感器將跟蹤和診斷更多情況。世界上的感官信息遠遠超過了我們目前數字化、交流和處理的能力。

沒有比埃隆·馬斯克(Elon Musk)旗下的汽車公司特斯拉(Tesla)更好地研究連通性和計算能力會如何將傳統產品轉變為數字化機器的案例了。特斯拉的狂熱追隨者和飆升的股價吸引了大量關注者，但不那么引人注目的是，特斯拉也是領先的芯片設計公司。特斯拉聘請了像吉姆·凱勒(Jim Keller)這樣的明星半導體設計師來設計一款芯片，專門滿足其自動駕駛需求，該芯片采用尖端技術制造。早在2014年，一些分析師就指出，特斯拉汽車“類似于智能手機”。人們經常將特斯拉與蘋果進行比較，蘋果也設計芯片。與蘋果的產品一樣，特斯拉精心調整的用戶體驗，以及它看似毫不費力地將先進計算技術集成到它的產品（汽車），只有通過定制芯片才能實現。自20世紀70年代以來，汽車就采用了簡單的芯片。但是，電動汽車的普及需要專門的半導體來管理電源，加上對自動駕駛功能的需求增加，預示著汽車芯片的數量和成本將大幅增加。

汽車只是一個典型的例子，說明發送和接收更多數據的能力將如何在網絡的“邊緣”設備、蜂窩網絡本身以及龐大的數據中心中產生對計算能力的更多需求。2017年左右，隨著世界各地的電信公司開始與設備供應商簽訂建造5G網絡的合同，華為處于領先地位，提供業內公認的質量高、價格有競爭力的設備。華為似乎能夠在5G網絡建設中發揮比其他公司更大的作用，超越瑞典的愛立信和芬蘭的諾基亞。愛立信和諾基亞也是其他僅有的手機基站設備生產商。

10月2日，上海南京東路華為體驗店,采用中國制造芯片的華為智能手機Mate60系列受到消費者歡迎。

與競爭對手一樣，華為手機基站內部也有大量的硅。日本《日經亞洲》對華為通信部門進行的一項研究發現，華為嚴重依賴美國制造的芯片，比如萊迪思的現場可編程門陣列。萊迪思是紫光幾年前收購少數股權的俄勒岡州公司。TI、ADI、博通(Broadcom)和賽普拉斯半導體(Cypress Semiconductor)也設計和制造了華為移動設備所依賴的芯片。根據這項分析，美國芯片和其他組件占華為系統成本的近30%。但華為的主處理器芯片由華為的海思設計，并在臺積電制造。華為尚未實現技術自給自足，依靠多家外國芯片公司生產的半導體，并依靠臺積電制造自己設計的芯片。但華為在移動設備中生產了一些最復雜的芯片，并且掌握了如何集成所有部件的細節。

隨著華為的設計部門證明自己是世界級的，不難想象中國芯片設計公司會像硅谷巨頭一樣成為臺積電的重要客戶。如果按2019年的趨勢進行推測，那么到2030年，中國芯片產業的影響力可能會與硅谷匹敵。這不會只是簡單地打亂科技公司和貿易的流動，也將重新平衡地區政治力量。

（此文摘自《芯片戰爭：世界最關鍵技術的爭奪戰》，作者：克里斯·米勒）