全球計算機晶元行業變得比人們想像的更有趣,有兩個相互關聯的原因:
首先,隨著摩爾定律接近極限,計算機晶元製造已經成為一個令人難以置信的複雜過程,它將世界上最有才華的工程師推向了他們能力的邊緣;由於現在幾乎很難在技術上取得更大的進步,以至於很少有公司有能力來參與競爭。其次,該行業年產值約6000億美元,是一個集中度極高的產業。尤其令人難以置信的是,世界上大多數半導體都是在台灣這個小島上生產的。這使該行業處於非常微妙的平衡狀態。這些晶元在現代生活中無處不在,你在手機或電腦上閱讀這篇文章時就使用了數十億個晶體管,這意味著全球經濟的正常運轉取決於這種微妙平衡的維持。
該行業另一個值得注意的方面是其發展速度之快。從美國貝爾實驗室(Bell Labs)宣布發明第一台晶體管以來,到目前為止還不到100年。
剛開始,在這種晶體管中,電流可以用三片硅進行放大和開關。之後又過了10年,科學家們發現可以在同一張紙上組裝多個晶體管,從而製造出集成電路。這種電路很快就被稱為「晶元」,因為它們都是從一塊更大的硅上切下來的。從那時起,晶元設計師們一直在尋求在每一塊晶元上注入越來越多的計算能力。1975年,第一代晶元設計師之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出了著名的摩爾定律,即每個集成電路上的晶體管數量將每兩年翻一番。這一定律目前已成為該行業的標準。
幾十年來,英特爾和三星等公司相繼投入了數十億美元進行研發,以設計更強大的晶元來滿足日益複雜的電子產品巨大的消費、商業和軍事需求。但是,隨著工程師們接近摩爾定律的極限,維持摩爾所預測的指數增長變得越來越困難。例如,這項技術的一個基本要素就是光刻技術,即使用光來列印或去除材料來塑造晶元的做法。到了21世紀初,晶元變得如此之小,以至於即使是超強光也無法提供所需的精度。
在《晶元大戰》這本書中作者克里斯·米勒(Chris Miller)巧妙地將計算機晶元的科學、經濟和政治歷史編織在一起。位於光刻技術前沿的荷蘭公司ASML在20世紀80年代中期開始探索使用極紫外線(EUV)的可能性。EUV的波長為13.5納米,大約是普通紫外線的15倍。這個製造過程太複雜了,幾乎令人難以置信,光的產生需要發射一個錫小球,用激光在真空中快速移動,把它變成比太陽表面熱很多倍的液態金屬。根據米勒的說法,這一過程每秒進行50000次,以產生足夠的EUV光來製造晶元。光是每台激光器就需要近50萬個組件,每台EUV機器的成本為1億美元,使其成為「史上最昂貴的量產機床」。
由於晶元的生產已經變得如此專業化,需要如此昂貴的設備,在這個行業中賺錢的唯一途徑就是大批量生產。台灣半導體製造公司(TSMC)幾乎壟斷了市場。僅台積電就生產了全球約85%的供應最薄、最先進的晶元,供應智能手機和其他設備。
台灣在晶元製造業的主導地位,以及台積電的成功,要歸功於某些人的政治和商業遠見。對於美國的合作夥伴來說,台灣提供了更低的勞動力成本和一個跟透明的商業環境。德州儀器(Texas Instruments,TI)旗下的第一家晶元組裝廠於1969年在台灣開業,另一家由德州儀器(TI)前高管張莫里斯(Morris Chang)經營,後者於1980年代帶到台灣發展國內晶元產業。當時,大多數領先的晶元公司都自行設計和製造晶元。Chang意識到這一立場將變得站不住腳,因為更小的晶體管將需要更昂貴的製造設備。
張被證明是對的。隨著台積電購買更多昂貴的設備,該公司得以建立一個「大聯盟」,由設計晶元、製造組件和銷售IP的公司組成,這些公司都依賴於台積電,但沒有一家有能力同其在核心業務上展開競爭。張的直覺也一直很敏銳。作為首席執行官,他通過削減成本和人員來應對全球金融危機。不過,曾擔任台積電董事長的張大中希望公司成為蘋果iphone晶元的主要製造商,而蘋果iphone的合同當時屬於三星。他開始了一場大規模的研發支出。不久,蘋果從三星轉投台積電。
目前台積電最大客戶包括了華為、騰訊和阿里巴巴在內的幾大中國公司,以及蘋果和亞馬遜等國外巨頭。世界對台積電的依賴在中美博弈日益激烈的大背景下令很多國家感到越來越焦慮,以美國為首的發達國家也開始打造本國的晶元產業來擺脫對台積電的過度依賴,中國也在大力發展晶元產業,這場沒有硝煙的戰爭結局如何,讓我們拭目以待!