芯片战争（3）-引言
引 言
2020年8月18日，美国海军驱逐舰“马斯廷”号(USS Mustin)从台湾海峡北端穿过。㊟【《美国海军“马斯廷”号驱逐舰穿越台湾海峡》(USS Mustin Transits the Taiwan Strait)，美国海军新闻稿(Navy Press Releases)，2020年8月19日，https://www.navy.mil/Press-Office/Press-Releases/display-ressreleases/Article/2317449/uss-mustin-transits-the-taiwan-strait/#images-3。山姆·拉格隆(Sam LaGrone)，《“马斯廷”号驱逐舰在与日本军舰完成任务后穿越台湾海峡》(Destroyer USS Mustin Transits Taiwan Strait Following Operations with Japanese Warship)，美国国家情报局新闻(USNI News)，2020年8月18日，https://news.usni.org/2020/08/18/destroyer-uss-mustin-transits-taiwan-strait-following-operations-with-japanese-warship。】当它驶向南方时，一股强劲的西南风吹过甲板，高高的云层在水面上投下阴影，水面似乎一直延伸到福州、厦门、香港等大港口城市以及中国南部沿海的其他港口。东面的台湾岛遥遥相望，一片宽阔、人口稠密的沿海平原让位给隐藏在云层中的高耸山峰。这片水域布满着从亚洲的工厂向全球消费者运送货物的商业货轮。
当“马斯廷”号驱逐舰向南航行时，中国人民解放军宣布在中国台湾周围举行一系列实弹演习。㊟【刘煊尊(LiuXuanzun)，《解放军举行集中军事演习以遏制台湾分裂分子和美国》(PLA Holds Concentrated Military Drills to Deter Taiwan Secessionists，US)，《环球时报》英文版(Global Times)，2020年8月23日，https://www.globaltimes.cn/page/202008/1198593.shtml。】但在同一天，美国商务部发布一项名为“实体清单”的规定，限制了美国技术在海外的转让。此前，“实体清单”主要用于防止销售导弹部件或核材料等军事物资，而现在，美国政府正在大幅收紧计算机芯片的管控规则，这种芯片在军事系统和消费品中已经无处不在。
美国这次的目标是中国科技巨头华为，该公司销售智能手机和电信设备，提供云计算服务和其他先进技术。华为产品的定价非常诱人，美国担心华为很快就会成为下一代电信网络的骨干，担心美国在世界科技基础设施中的主导地位被削弱，同样担心中国的地缘政治影响力将随之增长。因此，美国禁止华为购买采用美国技术制造的先进计算机芯片。
华为的全球扩张放缓，收入下滑。一家巨头企业面临着技术窒息。华为发现，与中国所有其他公司一样，华为严重依赖境外制造所有现代电子产品所依赖的芯片。
尽管硅谷的地位已经被严重削弱，但就像硅谷的名字起源于硅一样，美国仍然拥有硅片的控制权。中国现在每年进口芯片的花费比进口石油还要多。中国在国内消费的或出口到世界各地的各种产品，从智能手机到冰箱，都有半导体。坐在椅子上的战略家们对中国的“马六甲困境”（这里的马六甲指太平洋和印度洋之间的主要航运通道），以及中国在危机中获得石油和其他大宗商品的能力进行了理论分析。中国更担心的是以字节而不是以桶为单位的封锁。中国正投入最优秀的人才和巨额资金开发自己的半导体技术，以摆脱美国芯片扼制(chip choke)。㊟【芯片扼制是由默里·斯科特创造的，他的《技术之禅》(Zen on Tech)通讯稿塑造了我对半导体地缘政治的思考。】
如果中国成功，那么中国将重塑全球经济，重新平衡军事力量。第二次世界大战是由钢铁和铝决定的，此后不久的冷战是由核武器定义的。美国和中国之间的竞争很可能由计算能力决定。中国和美国的战略家现在都意识到，从机器学习到导弹系统，从自动车辆到武装无人机，所有先进技术都需要尖端芯片（更正式的名称为“半导体集成电路”）。只有少数公司控制着它们的生产。
我们平时很少想到芯片，但芯片创造了现代世界。各国的命运取决于它们驾驭算力的能力。如果没有半导体和它们所制造的电子产品的贸易，我们所熟悉的全球化就不可能存在。美国的军事优势主要来自其将芯片应用于军事的能力。亚洲在过去半个世纪的迅猛崛起也是建立在硅的基础上的，因为其不断增长的经济体已开始专门制造芯片，并用这些必需的集成电路组装计算机和智能手机。
计算的核心是需要大量的1和0。整个数字世界由这两个数字组成。比如iPhone（苹果手机）上的每一个按钮、每一封电子邮件、每一张照片和每一段YouTube（优兔）视频，所有这些最终都是由1和0组成的大量字符串来编码的。但这些数字实际上并不存在，它们只是表示电流开(1)或关(0)。芯片是由几百万个甚至几十亿个晶体管组成的网络，通过一个个微小的晶体管电子开关来处理和存储这两个数字，并将图像、声音和无线电波等真实世界的感知转换成无数个1和0。
台湾海峡两岸的工厂和装配厂正在为距离2020年10月发布期只有两个月时间的iPhone12生产零部件。芯片行业约四分之一的收入来自手机。㊟【安东尼奥·瓦纳斯(Antonio Varas)、拉·瓦拉达兰扬(Raj Varadarajan)、吉米·古德里奇(Jummy Goodrich)和法兰·尤格(Falan Yinug)，《在不确定时代加强全球半导体供应链》(Strengthening the Global Semiconductor Supply Chain in an Uncertain Era)，美国半导体行业协会，2021年4月，图表2，https://www.semiconductors.org/wp-content/uploads/2021/05/BCG-x-SIA-Strengthening-the-Global-Semiconductor-Value-Chain-April-2021_1.pdf。按美元计算，手机占半导体销售额的26%。】一部新手机的大部分成本来自里面的半导体。在过去十年中，每一代iPhone都采用了世界上非常先进的处理器芯片。总的来说，一部智能手机需要十几个半导体芯片才能工作，这些芯片分别管理电池、蓝牙、Wi-Fi（无线网络）、蜂窝网络连接、音频、摄像头等。
苹果完全不生产这些芯片，只是采购大部分现成芯片，比如日本铠侠公司(Kioxia)的存储芯片、美国加利福尼亚州思佳讯公司(Skyworks)的射频芯片、美国得克萨斯州奥斯汀思睿逻辑公司(Cirrus Logic)的音频芯片。㊟【《拆解iPhone12和iPhone12Pro》(iPhone12 and 12Pro Teardown)，IFixit，2020年10月20日，https://www.ifixit.com/Teardown/iPhone+12+and+12+Pro+Teardown/137669。】苹果自己设计了运行iPhone操作系统的超复杂的处理器。但这家位于美国加利福尼亚州库比蒂诺的巨头无法生产这些芯片。美国、欧洲和日本的任何公司都无法制造这些芯片。如今，苹果最先进的处理器，也可以说是世界上最先进的半导体，只能由一家公司在一座厂房里生产，这是人类历史上最昂贵的工厂。㊟【《现代世界所围绕的工厂内部》(A Look Inside the Factory Around Which the Modern World Turns)，《经济学人》(Economist)，2019年12月21日。】
半导体的制造和微型化一直是我们这个时代最大的工程挑战。如今，没有一家公司能比台积电更精确地制造芯片。2020年，当一种直径约为100纳米（1纳米等于十亿分之一米）的病毒导致世界陷入慌乱时，台积电最先进的18号工厂正在制造微型晶体管的迷宫，刻蚀的特征尺寸小于冠状病毒的一半或线粒体的1%。台积电以人类历史上前所未有的规模重复这一过程。苹果售出了超过1亿部iPhone12㊟【安杰莉克·查特曼(Angelique Chatman)，《分析师称iPhone12的销售已经达到一亿部》(Apple iPhone12 Has Reached 100 Million Sales，Analyst Says)，CNET，2021年6月30日。奥马尔·索海尔(Omar Sohail)，《苹果A14仿生产品以118亿晶体管引人注目》(Apple A14 Bionic Gets Highlighted with 11.8 Billion Transistors)，WCCF Tech，2020年9月15日。】，每部手机由含有118亿个微型晶体管的A14处理器芯片驱动。换句话说，在几个月的时间里，台积电的18号工厂仅为iPhone中十几个芯片中的一个就制造了超过100亿亿个晶体管。2021年，芯片行业生产的晶体管数量，超过了人类历史上所有其他行业的公司生产的所有产品总和。没有其他什么产品能比得上这种数量规模。
60年前，一个尖端芯片上的晶体管数量不是118亿个而是4个。㊟【伊思·哈斯(Isy Haas)、杰伊·拉斯特(Jay Last)、莱昂内尔·凯特纳(Lionel Kattner)和鲍勃·诺尔曼(Bob Norman)，由大卫·劳斯主持，《关于仙童微型逻辑集成电路开发和推广小组的口述历史》(Oral History of Panel on the Development and Promotion of Fairchild Micrologic Integrated Circuits)，美国计算机历史博物馆(Computer History Museum)，2007年10月6日，https://archive.computerhistory.org/resources/access/text/2013/05/102658200-05-01-acc.pdf。采访大卫·劳斯，2022年。】1961年，在旧金山南部，一家名为“仙童”的小公司发布了一种名为“微型逻辑”(Micrologic)的新产品，这是一款嵌入了4个晶体管的硅芯片。很快，该公司就设计出了在芯片上放置十几个（然后是100个）晶体管的方法。仙童联合创始人戈登·摩尔在1965年注意到，随着工程师们学会制造越来越小的晶体管，每个芯片上可安放的元器件数量每年都会翻倍。这种芯片计算能力指数级增长的预测被称为“摩尔定律”，并导致摩尔预测了在1965年看似不可能的未来产品的发明，比如“电子手表”“家用电脑”，甚至“个人便携式通信设备”。摩尔预测了1965年以后十年的指数级增长，而这种惊人的增长速度已经持续了半个多世纪。1970年，摩尔创立的第二家公司英特尔推出了一款能够存储1024条信息（比特）的存储芯片，它的价格约为20美元，大约每比特2美分。㊟【戈登·摩尔，《把更多的元器件塞进集成电路》(Cramming More Components onto Integrated Circuits)，《电子学》(Electronics)，第38卷，第8期，1965年4月19日，https://newsroom.intel.com/wpcontent/uploads/sites/11/2018/05/moores-law-electronics.pdf。英特尔1103芯片的数据来自《自然·电子学》(Nature Electronics)于2018年6月13日发表的《记忆通道》(Memory Lane)一文，https://www.nature.com/articles/s41928-018-0098-9。】如今，20美元可以买一个存量超过10亿比特的拇指U盘。
当我们想到今天的硅谷时，我们的脑海中浮现的是社交网络和软件公司，而不是硅谷名字的来由。然而，互联网、云、社交媒体和整个数字世界之所以存在，是因为工程师们学会了控制电子在硅片上最微小的运动。如果在过去半个世纪里，处理和存储1和0的成本没有下降十亿倍，“大科技”就不会存在。
这一令人难以置信的进步，部分归功于杰出的科学家，特别是获得诺贝尔奖的物理学家。但并不是每一项发明都能创造出一个成功的创业公司，也不是每一个创业公司都能激发出一个改变世界的新产业。半导体之所以在社会上传播开来，是因为公司发明了新技术，并以百万计的数量制造它们，是因为强硬的管理者们极力降低成本，也是因为富有创造性的企业家们想出了使用半导体的新方法。摩尔定律的发展既是一个关于物理学家或电气工程师的故事，也是一个关于制造专家、供应链专家和营销经理的故事。
旧金山以南的城镇直到20世纪70年代才被称为硅谷，这些城镇是这场科技革命的中心，因为它们结合了科学专业知识、制造技术和富有远见的商业思维。加利福尼亚州有大量从斯坦福大学或加州大学伯克利分校毕业的航空或无线电专业工程师。随着美国军方寻求巩固其技术优势，他们每个人都得到了大量国防资金的资助。加利福尼亚州的文化与经济结构一样重要。决定离开美国东海岸、欧洲和亚洲而移居硅谷以投身芯片产业的人，常会感到机会无限。对于世界上最聪明的工程师和最有创造力的企业家来说，没有比这里更令人兴奋的地方了。
芯片产业一旦成型就不可能脱离硅谷。今天的半导体供应链需要许多城市和国家的部件，但几乎每一个芯片都与硅谷有关联，或者直接是用加利福尼亚州设计和制造的工具生产的。美国的庞大科学知识储备（由政府研究资金培育，并通过从其他国家挖走最优秀科学家而得到加强）为推动技术进步提供了核心知识。美国的风险投资公司网络及股票市场为新公司提供了成长所需的创业资本，并无情地淘汰失败的公司。与此同时，美国是全球最大的消费市场，推动了数十年来新型芯片研发资金的增长。
其他国家发现凭一己之力不可能跟上潮流，但当它们将自己彻底融入硅谷的供应链时，它们就能成功。欧洲拥有半导体专业知识孤岛，尤其是在生产芯片所需的机器和设计芯片架构方面。韩国、日本和中国台湾等亚洲国家或地区，通过补贴企业、资助培训项目、采取汇率低估政策以及对进口芯片征收关税等方式，挤进了芯片行业。这一战略产生了其他国家或地区无法复制的某些能力（但它们实现的是与硅谷合作才能取得的成就），同时也需要继续从根本上依赖美国的工具、软件和客户。与此同时，美国最成功的芯片公司已经建立了遍布全球的供应链，降低了成本，并产生了使摩尔定律成为可能的专业技术。
如今，多亏了摩尔定律，半导体能被嵌入每一台需要计算能力的设备中（在物联网时代，这几乎意味着每一台设备都离不开芯片）。即使像汽车这样有百年历史的产品，现在也常常包含价值上千美元的芯片。世界上大部分国家和地区的GDP（国内生产总值）是由依赖含半导体的设备创造的。对于一个75年前还不存在的产品来说，这是一次非凡的跃进。
2020年8月，当“马斯廷”号向南航行时，人们开始认真考虑世界对半导体的依赖以及对中国台湾的依赖，台湾地区制造的芯片每年产生的新计算能力占人们使用的三分之一。㊟【根据美国半导体行业协会的数据，2019年，37%的逻辑芯片在中国台湾生产。瓦纳斯等，《在不确定时代加强全球半导体供应链》。】台积电制造了世界上几乎所有最先进的处理器芯片。2020年，当新冠疫情席卷全球时，它也扰乱了芯片行业。一些工厂暂时关闭，汽车芯片的购买量大幅下降。随着世界上大部分人准备在家工作，个人电脑和数据中心的芯片需求猛增。之后的2021年，发生的一系列事故——日本一家半导体工厂发生火灾，美国芯片制造中心得克萨斯州发生冰暴，以及马来西亚新一轮新冠疫情防控（许多芯片在那里组装和测试），加剧了芯片行业的破坏程度。突然间，许多远离硅谷的行业面临着严重的芯片短缺。从丰田到通用汽车，大型汽车制造商们不得不关闭工厂数周㊟【马克·胡索普(Mark Fulthorpe)和菲尔·阿姆斯鲁德(Phil Amsrud)，《全球轻型汽车生产的影响预计将持续到2022年》(Global Light Vehicle Production Impacts Now Expected Well into 2022)，IHS市场，2021年8月19日，https://ihsmarkit.com/research-analysis/global-light-vehicle-production-impacts-now-expected-well-into.html。】，因为它们无法获得所需的芯片。即使是最简单的芯片短缺也会导致世界另一端的工厂倒闭。全球化的完美形象似乎出现了问题。
几十年来，美国、欧洲和日本的政治领导人和我们一样，对半导体没有太多考虑。他们认为“科技”是指搜索引擎或社交媒体，而不是硅片。当乔·拜登和安吉拉·默克尔（Angela Merkel）问他们国家的汽车工厂为什么要关闭时，答案被复杂得令人困惑的半导体供应链掩盖：一个典型的芯片可能是由美国加利福尼亚州和以色列的一个工程师团队，使用美国的设计软件，采用日本软银旗下英国Arm公司的IP（知识产权）来设计；设计完成后，它被送到中国台湾的一家工厂，该工厂从日本购买超纯硅片和专用气体，采用世界上最精密的，并且可以蚀刻、沉积和测量几层原子厚的加工设备来制造。这些加工设备主要由五家公司生产，一家荷兰公司、一家日本公司和三家美国加利福尼亚州公司。没有这些公司的设备，人们基本上不可能制造出先进的芯片。然后，芯片通常在东南亚进行封装和测试，然后被送往中国组装成手机或电脑。
如果半导体生产过程中的任何一个环节被中断，世界新计算能力的供应就会受到威胁。在人工智能时代，人们常说数据就是新的石油。然而，我们面临的真正限制不是数据的可用性，而是数据的处理能力。可以存储和处理数据的半导体种类有限。这些产品的生产极其复杂，而且价格昂贵。与可以从许多国家购买的石油不同，计算能力的生产从根本上取决于一系列瓶颈，比如工具、化学品和软件，这些通常只能由少数公司提供，有时仅由一家公司生产。经济社会的任何其他方面都不会如此依赖这么少的公司。中国台湾地区的芯片每年提供全球37%的新计算能力。两家韩国公司生产的存储芯片占全球的44%。㊟【瓦纳斯等，《在不确定时代加强全球半导体供应链》。】荷兰公司阿斯麦制造了全世界100%的EUV光刻机，没有这些设备，尖端芯片根本不可能制造。相比之下，石油输出国组织在世界石油产量中所占的40%，似乎并不令人印象深刻。
每年以纳米规模生产1万亿只芯片的全球公司网络，在效率上无疑是成功的，但也有一个惊人的弱点。一场刚巧在半导体生产工厂区域的地震，可能会对全球经济造成更为强烈的影响，相较而言，新冠大流行的破坏只是小菜一碟。中国台湾地区位于一条地震断裂带上，于1999年发生过里氏7.3级地震。幸亏那次地震让芯片生产只中断了几天，但其遭受更强烈的地震袭击只是时间问题。一场毁灭性的地震也可能袭击日本或美国硅谷。日本是一个地震频发的国家，为世界生产17%的芯片。硅谷虽然现在几乎不生产芯片，却在圣安德烈亚斯断层上，建造了关键的制造芯片设备的工厂。
然而，如今危及半导体供应的最大因素，不是地质板块的崩塌，而是大国间的冲突。随着中国和美国竞争日益激烈，双方都专注于控制基于计算的未来，而且在某种程度上，未来取决于一个小岛。
美国、中国大陆和中国台湾在芯片产业中的关联无比复杂。没有什么比台积电的创立者更能说明这一点了。2020年之前，台积电一直依靠苹果和华为这两家最大的客户。张忠谋出生于中国大陆，成长于第二次世界大战时期的中国香港，曾就读于哈佛大学、麻省理工学院和斯坦福大学，在达拉斯为TI工作期间，帮助建立了美国早期的芯片产业。张忠谋持有美国最高机密安全许可证，为美国军方开发电子产品，推动了中国台湾成为世界半导体制造业的中心。㊟【采访张忠谋，2022年。】华盛顿的一些外交政策战略家梦想将中美两国的科技脱钩，但像张忠谋这样的人，帮助建立的由芯片设计师、化学品供应商和设备制造商组成的超高效全球化半导体网络，是不可能轻易解开的。
先进的芯片制造业主要集中在中国台湾和韩国，以及东亚其他国家和地区，这并非偶然。政府官员和企业高管一系列深思熟虑的决定，创造了我们今天所依赖的庞大复杂的供应链。亚洲大量廉价劳动力吸引了芯片制造商寻找低成本工厂的工人。该地区的政府和企业利用芯片离岸组装设施进行学习，并最终将更先进的技术地区化国产化。美国的外交政策战略家，将复杂的半导体供应链视为把亚洲与美国主导的世界联系在一起的工具。资本主义对经济效率不可抗拒的追求，推动了成本削减和企业整合的不断前进。支撑摩尔定律的稳步技术创新，需要越来越复杂的材料、设备和工艺，而这些只能依靠全球市场提供或资助。我们对计算能力的巨大需求只会持续增长。
基于从中国台北到俄罗斯莫斯科等不同地区历史档案的研究，以及对诸多科学家、工程师、首席执行官和政府官员的100多次采访，本书作者认为半导体定义了我们生活的世界，决定了国际政治的形态、世界经济的结构和军事力量的平衡。然而，这种最现代的器件有着复杂而有争议的历史。它的发展不仅受到公司和消费者的影响，也受到雄心勃勃的政府和战争迫切性的影响。为了理解我们的世界是如何被无数个晶体管和极少数不可替代的公司定义的，我们必须从回顾硅时代的起源开始。
