全球计算机芯片行业变得比人们想象的更有趣,有两个相互关联的原因:
首先,随着摩尔定律接近极限,计算机芯片制造已经成为一个令人难以置信的复杂过程,它将世界上最有才华的工程师推向了他们能力的边缘;由于现在几乎很难在技术上取得更大的进步,以至于很少有公司有能力来参与竞争。其次,该行业年产值约6000亿美元,是一个集中度极高的产业。尤其令人难以置信的是,世界上大多数半导体都是在台湾这个小岛上生产的。这使该行业处于非常微妙的平衡状态。这些芯片在现代生活中无处不在,你在手机或电脑上阅读这篇文章时就使用了数十亿个晶体管,这意味着全球经济的正常运转取决于这种微妙平衡的维持。
该行业另一个值得注意的方面是其发展速度之快。从美国贝尔实验室(Bell Labs)宣布发明第一台晶体管以来,到目前为止还不到100年。
刚开始,在这种晶体管中,电流可以用三片硅进行放大和开关。之后又过了10年,科学家们发现可以在同一张纸上组装多个晶体管,从而制造出集成电路。这种电路很快就被称为“芯片”,因为它们都是从一块更大的硅上切下来的。从那时起,芯片设计师们一直在寻求在每一块芯片上注入越来越多的计算能力。1975年,第一代芯片设计师之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出了著名的摩尔定律,即每个集成电路上的晶体管数量将每两年翻一番。这一定律目前已成为该行业的标准。
几十年来,英特尔和三星等公司相继投入了数十亿美元进行研发,以设计更强大的芯片来满足日益复杂的电子产品巨大的消费、商业和军事需求。但是,随着工程师们接近摩尔定律的极限,维持摩尔所预测的指数增长变得越来越困难。例如,这项技术的一个基本要素就是光刻技术,即使用光来打印或去除材料来塑造芯片的做法。到了21世纪初,芯片变得如此之小,以至于即使是超强光也无法提供所需的精度。
在《芯片大战》这本书中作者克里斯·米勒(Chris Miller)巧妙地将计算机芯片的科学、经济和政治历史编织在一起。位于光刻技术前沿的荷兰公司ASML在20世纪80年代中期开始探索使用极紫外线(EUV)的可能性。EUV的波长为13.5纳米,大约是普通紫外线的15倍。这个制造过程太复杂了,几乎令人难以置信,光的产生需要发射一个锡小球,用激光在真空中快速移动,把它变成比太阳表面热很多倍的液态金属。根据米勒的说法,这一过程每秒进行50000次,以产生足够的EUV光来制造芯片。光是每台激光器就需要近50万个组件,每台EUV机器的成本为1亿美元,使其成为“史上最昂贵的量产机床”。
由于芯片的生产已经变得如此专业化,需要如此昂贵的设备,在这个行业中赚钱的唯一途径就是大批量生产。台湾半导体制造公司(TSMC)几乎垄断了市场。仅台积电就生产了全球约85%的供应最薄、最先进的芯片,供应智能手机和其他设备。
台湾在芯片制造业的主导地位,以及台积电的成功,要归功于某些人的政治和商业远见。对于美国的合作伙伴来说,台湾提供了更低的劳动力成本和一个跟透明的商业环境。德州仪器(Texas Instruments,TI)旗下的第一家芯片组装厂于1969年在台湾开业,另一家由德州仪器(TI)前高管张莫里斯(Morris Chang)经营,后者于1980年代带到台湾发展国内芯片产业。当时,大多数领先的芯片公司都自行设计和制造芯片。Chang意识到这一立场将变得站不住脚,因为更小的晶体管将需要更昂贵的制造设备。
张被证明是对的。随着台积电购买更多昂贵的设备,该公司得以建立一个“大联盟”,由设计芯片、制造组件和销售IP的公司组成,这些公司都依赖于台积电,但没有一家有能力同其在核心业务上展开竞争。张的直觉也一直很敏锐。作为首席执行官,他通过削减成本和人员来应对全球金融危机。不过,曾担任台积电董事长的张大中希望公司成为苹果iphone芯片的主要制造商,而苹果iphone的合同当时属于三星。他开始了一场大规模的研发支出。不久,苹果从三星转投台积电。
目前台积电最大客户包括了华为、腾讯和阿里巴巴在内的几大中国公司,以及苹果和亚马逊等国外巨头。世界对台积电的依赖在中美博弈日益激烈的大背景下令很多国家感到越来越焦虑,以美国为首的发达国家也开始打造本国的芯片产业来摆脱对台积电的过度依赖,中国也在大力发展芯片产业,这场没有硝烟的战争结局如何,让我们拭目以待!