芯片战争

克里斯·米勒

小小的芯片，像石油一样，是现代世界赖以生存的稀缺资源。从智能手机到汽车，从微波炉到股票市场，一切都离不开芯片。谁在芯片设计和制造领域保持领先地位，谁就能在科技和经济等领域产生巨大优势。

张汝京与中芯国际

芯片制造的地理位置在20世纪90年代和21世纪初发生了巨大变化。1990年，美国晶圆厂生产的芯片占全球的37%，但这个数字到2000年下降到19%，到2010年下降到13%。日本在芯片制造方面的市场份额也大幅下降。韩国、新加坡和中国台湾都向芯片产业注入大量资金，并迅速增加产量。例如，新加坡政府资助的制造工厂和芯片设计中心与TI、惠普和日立等公司合作，在这个城市国家建立了一个充满活力的半导体产业。新加坡政府也尝试效仿台积电，成立了一家名为特许半导体(Chartered Semiconductor)的芯片制造厂，但该公司从未像台积电那样表现出色。

韩国的半导体产业表现更好。1992年，三星取代了日本的DRAM生产商，成为世界领先的存储芯片制造商，在此后的十年中，三星发展迅速。三星抵挡住了来自中国台湾和新加坡的DRAM市场竞争，受益于政府的支持和政府对韩国银行的非官方压力，要求它们提供信贷。这种融资之所以重要，是因为三星的主要产品DRAM存储芯片需要强大的财政力量，才能支撑每一个持续发展的技术节点的支出，即使在行业低迷时期，这些支出也必须持续。三星的一位高管解释说，DRAM市场就像一场“胆小鬼博弈”游戏。在经济好的时候，世界上的DRAM公司会向新工厂投入大量资金，将市场推向产能过剩，从而压低价格。继续投资是极其昂贵的，但停止投资，哪怕是一年，都有可能将市场份额让给竞争对手。没有人想先眨眼。在竞争对手被迫削减开支后，三星有资本继续投资。三星的存储芯片市场份额增长势头强劲。

中芯国际创始人张汝京

中国最有可能颠覆半导体行业，因为中国在组装电子产品方面扮演着越来越重要的角色，而世界上大多数芯片是要组装在这些电子产品上的。到了20世纪90年代，中国已成为世界工厂，上海和深圳等城市是电子组装中心。几十年前，这类工作推动了台湾地区经济的发展，但真正的价值是电子产品里的部件，尤其是半导体。

20世纪90年代，中国大陆的芯片制造能力远远落后于中国台湾和韩国，更不用说美国了。中国的经济改革正在如火如荼地进行，走私者发现非法携带芯片进入中国是有利可图的，他们将芯片装满箱子，然后从香港地区偷运过去。但随着中国电子产业的成熟，走私芯片的吸引力不如制造芯片。

把芯片业带到中国大陆被张汝京视为他一生的使命。1948年，张汝京出生于南京的一个军人家庭。1949年，他的家人离开了中国大陆，在他只有一岁的时候来到了台湾。在台湾，他在一个大陆人社区长大，他们把在岛上的居留视为临时逗留。大学毕业后，张汝京搬到了美国，在纽约的布法罗完成了研究生学位，然后在TI与杰克·基尔比一起工作。他成为经营晶圆厂的专家，从美国到日本，从新加坡到意大利，他在世界各地经营着TI的工厂。

上海张江，中芯国际总部。

中国政府补贴国内半导体产业建设的早期成果大多不尽如人意。一些晶圆厂是在中国建造的，比如中国华虹和日本NEC在上海的合资企业。NEC从中国政府那里得到了一笔丰厚的金融交易。作为交换，NEC承诺将其技术带到中国。但NEC要确保由日本专家负责，中国员工只能做基础工作。中国从这家合资企业获得的专业知识不多。引用一位分析师的话：“我们不能说这个公司是中国的公司，这只是一个位于中国的晶圆厂。”

2000年在上海成立的另一家芯片公司宏力半导体也涉及类似的境外投资、国家补贴和不成功的技术转让。考虑到台湾在半导体领域的成功，吸引台湾参与大陆芯片产业的想法是有道理的，但该公司由于技术落后，难以获得客户，从未赢得过大陆芯片制造业务的一小部分，占世界总业务的份额就更少了。

如果有人能在中国建立芯片产业，那就是张汝京。他不会依赖裙带关系或外国援助。世界级晶圆厂所需的所有知识都已经在他的脑海中。在TI工作期间，他为该公司在世界各地开设新工厂。为什么不能在上海做同样的事？他于2000年创立了中芯国际集成电路制造有限公司（SMIC，以下简称“中芯国际”），从高盛、摩托罗拉和东芝等国际投资者那里筹集了超过15亿美元。一位分析师估计，中芯国际一半的创业资金是由美国投资者提供的。张汝京利用这些资金雇用了数百名境外专家来运营中芯国际的晶圆厂，其中至少有400名来自中国台湾。

张汝京的策略很简单：像台积电那样做。在台湾，台积电雇用了最好的工程师，尤其是那些在美国或其他先进芯片公司有经验的工程师。台积电购买了它能负担得起的最好的工具，坚持不懈地专注于培训员工掌握行业最佳实践，利用台湾愿意提供的所有税收和补贴政策。

中芯国际虔诚地遵循这一路线图，从境外芯片制造商，特别是台积电，积极雇用员工。在其运营的第一个十年的大部分时间里，中芯国际三分之一的工程人员是从台湾地区和国外雇用的。2001年，据分析师道格拉斯·B·富勒(Douglas B.Fuller)称，中芯国际从当地雇用了650名工程师，从境外招聘了393名工程师，境外招聘的大部分来自中国台湾和美国。该公司甚至有一个口号，“一个老员工带来两个新员工”，强调需要境外培训过的有经验的员工来帮助当地工程师学习。中芯国际的本地工程师学得很快，其技术能力很快就被认可，以至外国芯片制造商开始向他们发出工作邀请。该公司在技术国产化方面的成功归功于这批受过境外培训的员工。

与中国其他芯片初创企业一样，中芯国际也从政府的大力支持中受益，比如五年的企业免税期和减免在中国销售芯片的销售税。中芯国际获得了这些好处，但它一开始并不依赖这些好处。张汝京致力于提高生产能力，采用接近尖端的技术。到20世纪末，中芯国际仅落后于世界技术领先企业几年。该公司似乎有望成为一流的芯片制造厂，或许最终有能力威胁台积电。张汝京很快赢得了为他前雇主TI等行业领袖制造芯片的合同。中芯国际于2004年在纽约证券交易所上市。

现在台积电面临来自东亚不同国家和地区多家芯片厂的竞争。新加坡的特许半导体，中国台湾的联华电子和世界先进公司(Vanguard)，以及2005年进入代工业务的韩国三星，都在与台积电竞争生产其他地方设计的芯片。这些公司中的大多数得到了政府的补贴，使得芯片生产成本更低，这让它们所服务的大多数美国无晶圆公司受益。与此同时，无晶圆公司正处于推出一款塞满复杂芯片的革命性新产品（智能手机）的早期阶段。离岸外包降低了制造成本，刺激了更多的竞争。消费者享受了低价和过去难以想象的产品。全球化不就是这样设计的吗？

苹果硅

类似台积电这样的代工厂崛起的最大受益者是大多数人没有意识到的公司——苹果。但史蒂夫·乔布斯创建的苹果一直专注于硬件，所以苹果想要完善其产品的愿望包括控制里面的硅也就不足为奇了。在苹果成立的早期，乔布斯就对软件和硬件的关系进行过深刻的思考。1980年，当乔布斯的头发几乎到了肩膀、胡子遮住了上唇时，他做过一次演讲。他被问道：“什么是软件？”他回答道：“我唯一能想到的是，软件是一种变化太快的东西，或者你还不知道自己想要什么，或者你还没来得及把它固化成硬件。”

乔布斯没有时间把他的所有想法都融入第一代iPhone的硬件中，iPhone使用了苹果自己的iOS操作系统，但将芯片的设计和生产外包给了三星。这部革命性的新手机还有许多其他芯片，比如英特尔的存储芯片、沃尔夫森设计的音频处理器、德国英飞凌(Infineon)生产的连接手机网络的调制解调器、CSR设计的蓝牙芯片以及思佳讯的信号放大器等。所有这些芯片都是由其他公司设计的。

随着乔布斯推出新版本的iPhone，他开始将自己对智能手机的愿景嵌入苹果自己的硅芯片上。在iPhone发布一年后，苹果收购了一家硅谷小型芯片设计公司PA Semi，该公司在节能处理方面拥有专门知识。不久，苹果开始雇用一些业内最好的芯片设计师。两年后，该公司宣布已经设计了自己的处理器A4，该处理器将用于新的iPad（苹果平板电脑）和iPhone 4。设计复杂的智能手机处理器是昂贵的，这就是大多数中低端智能手机公司从高通等公司购买现成芯片的原因。但苹果在德国巴伐利亚州、美国硅谷以及以色列的研发和芯片设计方面投入了大量资金，工程师们在硅谷设计了最新的芯片。现在，苹果不仅为其大多数产品设计了主处理器，还设计了运行AirPods（苹果无线耳机）等配件的辅助芯片。这种对专用芯片的投资解释了为什么苹果的产品使用起来如此顺畅。在iPhone发布的四年里，苹果从智能手机销售中获得了全球60%以上的利润，击败了诺基亚和黑莓等竞争对手，东亚智能手机制造商只能在低利润率的廉价手机市场上争夺。

2022年6月6日，美国加利福尼亚州库比蒂诺，苹果公司举行全球开发者大会，图为首席执行官蒂姆·库克与新发布的搭载M2芯片的MacBook Air笔记本电脑。

像高通和其他推动移动革命的芯片公司一样，尽管苹果设计了越来越多的硅芯片，但它并没有制造任何芯片。苹果以将手机、平板电脑和其他设备的组装外包给中国几十万装配线工人而闻名，这些工人负责将微小的零件组装在一起。中国的装配工厂生态系统是世界上制造电子设备的最佳场所。像富士康(Foxconn)和纬创(Wistron)这样的工厂，在生产手机、个人电脑和其他电子产品方面具有独特的能力。尽管东莞和郑州等中国城市的电子组装工厂是世界上效率最高的，但它们也不是不可替代的。世界上仍有数亿自给自足的农民，他们乐意以每小时一美元的价格将组件固定在iPhone上。富士康在中国组装了大部分苹果产品，但也在越南和印度组装了一些产品。

与流水线工人不同，智能手机内的芯片很难替代。随着晶体管的缩小，它们变得越来越难制造。能够制造尖端芯片的半导体公司的数量已经在减少。2010年，当苹果推出第一款芯片时，只有少数尖端芯片制造厂，比如台积电、三星，或许还有格芯（这取决于格芯能否成功赢得市场份额）。如今，英特尔仍然是世界上缩小晶体管的领导者，仍然专注于为个人电脑和服务器制造芯片，没有为其他公司的手机制造处理器。像中芯国际这样的中国芯片制造厂正在努力追赶，但仍然落后多年。

因此，智能手机供应链与个人电脑供应链看起来非常不同。智能手机和个人电脑主要在中国组装，其中的高价值组件大多在美国、欧洲、日本或韩国设计。对于个人电脑而言，大多数处理器来自英特尔，并由该公司在美国、爱尔兰或以色列的工厂生产。智能手机不同于电脑。智能手机塞满了芯片，这些芯片不仅包括主处理器（苹果自己设计），还包括用于连接蜂窝网络的调制解调器和射频芯片，用于Wi-Fi和蓝牙连接的芯片，用于摄像头的图像传感器，至少两个存储芯片，用于感知运动的芯片（这样你的手机就知道你何时将其水平转动），以及用于管理电池、音频和无线充电的半导体。这些芯片构成了制造智能手机所需的大部分材料清单。

随着半导体制造产能转移到中国台湾和韩国，许多芯片的生产能力也随之转移。应用处理器是每部智能手机的电子大脑，主要在中国台湾和韩国生产，然后被送往中国大陆进行最终组装。iPhone的处理器完全在中国台湾制造。如今，除了台积电，没有一家公司具备制造苹果所需芯片的技能。苹果产品的背后印有“Designed by Apple in California.Assembled in China”（加利福尼亚州苹果公司设计，中国组装）。iPhone确实是在中国组装的；其最不可替代的芯片也是在加利福尼亚州设计的，但是只能在中国台湾制造。

5G未来

当任正非开始代理中国香港的电话交换机时，网络设备只能将一部电话连接到另一部。在电话出现的早期，接线工作是手工完成的，一排排的女性接线员坐在布满插头的墙前，根据电话呼叫的不同组合，将它们连接起来。到了20世纪80年代，接线员已经被电子交换机取代，而电子交换机通常依赖半导体。即便如此，人们还是需要一个衣橱大小的程控交换设备来管理一栋大楼的电话线。如今，电信供应商比以往任何时候都更加依赖于硅，一个衣橱大小的设备可以处理电话、文本和视频，但现在这些信息通常是通过无线电网络而不是固定电话网络来传输的。

华为已经掌握了最新一代通过手机网络发送呼叫和数据的设备，即5G。但5G并不是真的与手机有关，而是与计算的未来有关，因此，它与半导体有关。5G中的G表示“代”。我们已经经历了四代移动网络标准，每一代都需要手机和手机基站上的新硬件。正如摩尔定律允许我们在芯片上制造更多的晶体管一样，通过无线电波往返于手机的1和0的数量也在稳步增加。2G手机可以发送图片短信，3G手机可以打开网页，4G可以使人们在任何地方播放视频，5G将是一个飞跃。

如今，大多数人认为智能手机能做到这些是理所当然的，但正是由于越来越强大的半导体，我们才不再对收发图片、文本感到惊讶，反而对视频中的瞬间延迟感到沮丧。管理手机与蜂窝网络连接的调制解调器芯片，使得通过手机天线在无线电波中发送更多的1和0成为可能。

隐藏在手机网络内部和手机基站顶部的芯片也发生了类似的变化。在空中发送1和0，同时最大限度地减少通话不畅或视频延迟，非常复杂。无线电波频谱相关部分中可用的空间是有限的。无线电波频率只有这么多，其中许多不适合发送大量数据或远距离传输。因此，电信公司依靠半导体将更多的数据塞进现有的频谱空间中。ADI的芯片专家戴夫·罗伯逊(Dave Robertson)解释道：“频谱比硅贵得多。”该公司专门研究管理无线电传输的半导体。因此，半导体对于无线发送更多数据的能力至关重要。像高通这样的芯片设计公司找到了优化通过无线电频谱传输数据的新方法，而像ADI这样的芯片制造商已经制造出了射频收发芯片，可以更精确地发送和接收无线电波，同时使用更少的功率。

5G将使更多数据的无线传输成为可能。在某种程度上，5G网络将通过使用一个新的、空的无线电频谱来发送更多的数据，而这在以前被认为是不切实际的。先进的半导体不仅可以将更多的1和0绑定到给定频率的无线电波中，还可以将无线电波发送得更远，并以前所未有的精确度进行瞄准。蜂窝网络将识别手机的位置，并使用一种称为波束成形的技术直接向手机发送无线电波。典型的无线电波，就像向汽车收音机发送音乐一样，向各个方向发送信号，因为它不知道你的汽车在哪里。这会浪费电力，从而产生更多的电波和干扰。通过波束成形，蜂窝塔可以识别设备的位置，并仅向该方向发送所需的信号。结果，对于每个人来说，干扰更少，信号更强。

能够承载更多数据的更快网络，不会让现有手机运行得更快，而是会改变我们对移动计算的看法。在1G网络时代，手机的价格对于大多数人来说太贵了。有了2G网络，我们开始假设手机可以发送短信和语音。如今，我们期望手机和平板电脑拥有个人电脑的所有功能。随着通过蜂窝网络发送更多数据成为可能，我们将把更多的设备连接到蜂窝网络。我们拥有的设备越多，产生的数据就越多，也就需要更强大的处理能力。

将更多设备连接到蜂窝网络，并从中获取数据的承诺，听起来可能不是革命性的。你可能不同意5G网络可以酿造出更好的咖啡，但很快你的咖啡机就会收集并处理每杯咖啡的温度和质量数据。在商业和工业中，有无数种方法可以让更多的数据和更多的连接产生更好的服务和更低的成本，比如从优化拖拉机在田间的行驶方式到协调装配线上的机器人。医疗设备和传感器将跟踪和诊断更多情况。世界上的感官信息远远超过了我们目前数字化、交流和处理的能力。

没有比埃隆·马斯克(Elon Musk)旗下的汽车公司特斯拉(Tesla)更好地研究连通性和计算能力会如何将传统产品转变为数字化机器的案例了。特斯拉的狂热追随者和飙升的股价吸引了大量关注者，但不那么引人注目的是，特斯拉也是领先的芯片设计公司。特斯拉聘请了像吉姆·凯勒(Jim Keller)这样的明星半导体设计师来设计一款芯片，专门满足其自动驾驶需求，该芯片采用尖端技术制造。早在2014年，一些分析师就指出，特斯拉汽车“类似于智能手机”。人们经常将特斯拉与苹果进行比较，苹果也设计芯片。与苹果的产品一样，特斯拉精心调整的用户体验，以及它看似毫不费力地将先进计算技术集成到它的产品（汽车），只有通过定制芯片才能实现。自20世纪70年代以来，汽车就采用了简单的芯片。但是，电动汽车的普及需要专门的半导体来管理电源，加上对自动驾驶功能的需求增加，预示着汽车芯片的数量和成本将大幅增加。

汽车只是一个典型的例子，说明发送和接收更多数据的能力将如何在网络的“边缘”设备、蜂窝网络本身以及庞大的数据中心中产生对计算能力的更多需求。2017年左右，随着世界各地的电信公司开始与设备供应商签订建造5G网络的合同，华为处于领先地位，提供业内公认的质量高、价格有竞争力的设备。华为似乎能够在5G网络建设中发挥比其他公司更大的作用，超越瑞典的爱立信和芬兰的诺基亚。爱立信和诺基亚也是其他仅有的手机基站设备生产商。

10月2日，上海南京东路华为体验店,采用中国制造芯片的华为智能手机Mate60系列受到消费者欢迎。

与竞争对手一样，华为手机基站内部也有大量的硅。日本《日经亚洲》对华为通信部门进行的一项研究发现，华为严重依赖美国制造的芯片，比如莱迪思的现场可编程门阵列。莱迪思是紫光几年前收购少数股权的俄勒冈州公司。TI、ADI、博通(Broadcom)和赛普拉斯半导体(Cypress Semiconductor)也设计和制造了华为移动设备所依赖的芯片。根据这项分析，美国芯片和其他组件占华为系统成本的近30%。但华为的主处理器芯片由华为的海思设计，并在台积电制造。华为尚未实现技术自给自足，依靠多家外国芯片公司生产的半导体，并依靠台积电制造自己设计的芯片。但华为在移动设备中生产了一些最复杂的芯片，并且掌握了如何集成所有部件的细节。

随着华为的设计部门证明自己是世界级的，不难想象中国芯片设计公司会像硅谷巨头一样成为台积电的重要客户。如果按2019年的趋势进行推测，那么到2030年，中国芯片产业的影响力可能会与硅谷匹敌。这不会只是简单地打乱科技公司和贸易的流动，也将重新平衡地区政治力量。

（此文摘自《芯片战争：世界最关键技术的争夺战》，作者：克里斯·米勒）