芯片战争:争夺世界上最关键的技术
引言
克里斯·米勒(Chris Miller)的《芯片战争》是一部宏大的半导体产业史,深刻阐述了其对全球力量格局的巨大影响。书中追溯了微小的硅芯片——包含数十亿个微型晶体管——如何成为现代世界的基础技术,为从智能手机到导弹的一切提供动力。本书揭示,对芯片技术的控制在经济和军事霸权中起着关键作用;如今,随着中美两国都力求实现半导体自给自足,芯片技术已成为中美竞争的核心。米勒的叙事横跨二战至今,展示了芯片的进步如何重塑产业、改变地缘政治联盟,并创造了一个易受干扰的复杂全球供应链。台湾作为领先芯片制造商台积电(TSMC)的所在地,成为一个关键的枢纽,使得台湾海峡成为技术与地缘政治交汇的燃点。通过生动讲述发明家、企业家、间谍、CEO和政治家的故事,《芯片战争》阐明了掌握微芯片技术如何成为20 世纪和21世纪国家力量的关键决定因素。
第1章:从钢铁到硅
本章阐述了第二次世界大战的工业战如何为计算技术成为关键资源的新时代奠定了基础。米勒介绍了三位后来塑造了芯片产业的年轻人——日本的盛田昭夫(索尼联合创始人)、中国的张忠谋(台积电创始人)和匈牙利的安迪·葛洛夫(未来英特尔CEO)——并回顾了他们的战时经历。
二战期间,战斗是用钢铁和火焰进行的,正如日本将美国的轰炸描述为“钢铁台风”所体现的那样。然而,即使在废墟中,也已经有迹象表明,下一场伟大的竞争将围绕电子等新技术展开。
盛田昭夫因在日本海军实验室服役而侥幸躲过战斗,目睹了东京的燃烧弹袭击和一个因封锁而陷入饥饿的国家所处的绝望境地。张忠谋童年时在中国,随着日军入侵,在枪声和警报声中逃离战火纷飞的城市。葛洛夫(出生时名为András Gróf)是匈牙利的一名犹太男孩,在欧洲纳粹和苏联的蹂躏中幸存下来。对他们每个人来说,战争都凸显了技术和工业的决定性力量。米勒认为,虽然二战是由钢铁和原子弹赢得的,但未来将属于“硅”——指计算机芯片的半导体材料。事实上,在战争期间,早期的电子计算机(如简陋的机械计算器)被用于密码破解和炮兵射表计算,预示着计算技术日益重要。本章通过展示战争的破坏如何激发人们对能够以前所未有的速度和精度进行计算和控制的设备的兴趣,为即将到来的“芯片战争”奠定了基础。
第2章:开关
晶体管——一种微型电子开关——的发明,彻底改变了电子学,并确立了美国作为现代计算发源地的地位。贝尔实验室(Bell Labs)的物理学家威廉·肖克利(William Shockley)认为,用半导体材料取代笨重且不可靠的真空管是制造更好开关的关键。半导体(如硅和锗)具有独特的性质——它们通常会阻碍电流,但通过向其中“掺杂”杂质并施加电场,它们可以控制电流的通断。1947年,肖克利的同事约翰·巴丁(John Bardeen)和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)成功地将金触点压在一块锗片上,制造出了第一个可工作的晶体管。当他们在1947年12月16日为其通电时,这个微小的装置能够放大和控制电信号——这是以前由真空管完成的壮举。这一突破证明了固态器件可以充当开关和放大器,标志着晶体管的诞生。
肖克利本人改进了设计,到了1950年代,晶体管因其更小的尺寸、耐用性和更低的功耗,准备彻底改变电子学。本章强调了贝尔实验室如何自由地授权晶体管技术(部分是由于反垄断监管机构的压力),这使得晶体管设计的知识传播到世界各地,包括欧洲和日本。晶体管的发明被描绘成一个转折点:它将世界从真空管时代带入了半导体时代,使电路的快速小型化成为可能。这个“开关”很快将催生便携式收音机、计算机以及大量新设备,为硅谷的崛起奠定了基础。这也让美国占得先机——贝尔实验室的科学家们获得了诺贝尔奖,肖克利搬到加州将晶体管商业化,在那里播下了半导体产业的种子。
第3章:诺伊斯、基 尔比与集成电路
1958至1959年间,两位独立工作的发明家——德州仪器(Texas Instruments)的杰克·基尔比(Jack Kilby)和仙童半导体(Fairchild Semiconductor)的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)——创造了集成电路(IC),解决了将许多晶体管连接在一起的难题,并开启了微芯片时代。晶体管发明后,工程师可以用单个晶体管构建电路,但将成百上千个晶体管连接成复杂的电路(如计算机)既麻烦又不可靠,形成了一个“错综复杂的导线丛林”。基尔比在1958年夏天的洞见是,将电路的所有元件(晶体管、电阻器等)构建在单一半导体材料片上,并用半导体本身或微小的金属连接将它们连接起来。他在一块锗芯片上展示了一个简单的集成电路——这基本上是第一个“芯片”。他不知道的是,罗伯特·诺伊斯在加州的仙童半导体公司也在解决同样的挑战。1959年初,诺伊斯意识到,使用平坦的硅晶圆和最近开发的平面制造工艺(由他的同事让·霍尔尼(Jean Hoerni)首创),可以使多个晶体管并排制造,并通过沉积的金属线连接。诺伊斯的方法非常巧妙——一个平坦的“集成”电路,无需手工焊接导线,极大地简化了规模化生产。
诺伊斯和他的七位同事——被称为“八叛逆”(Traitorous Eight)——早些时候离开了肖克利命运多舛的初创公司,于1957年创立了仙童半导体,确立了硅谷的创业文化。诺伊斯富有魅力的领导力和远见在推动集成电路发展中至关重要。到1960年代初,基于基尔比-诺伊斯创新的芯片开始在电子产品中取代单个晶体管。本章强调了创新的协作性质:多人做 出了贡献(基尔比和诺伊斯共享IC的发明荣誉),并且很快发展出像光刻(用光蚀刻电路图案)这样的新工艺来大规模生产这些芯片。集成电路是一个里程碑式的成就——它使得电子元件的数量急剧增加,同时缩小了尺寸和成本。这推动了摩尔定律的产生,即诺伊斯的同事戈登·摩尔(Gordon Moore)在1965年提出的著名观察:芯片上的晶体管数量大约每隔一到两年就会翻一番,从而使计算能力呈指数级增长。简而言之,第3章展示了不同领域的两项发明如何汇聚成20世纪最伟大的技术飞跃之一,开启了微电子革命。
第4章:升空
大规模的冷战开支,特别是太空竞赛和军事项目,为初生的芯片产业提供了第一次巨大的推动力。在1960年代初,尽管集成电路成本高昂,美国政府仍然成为其主要客户,因为先进的电子设备对于登月和导弹制导至关重要。1962年,美国国家航空航天局(NASA)的阿波罗计划(Apollo program)决定在将宇航员送上月球的制导计算机中使用诺伊斯的仙童芯片。通过使用集成电路而不是单个晶体管,阿波罗计算机可以变得更小、更轻、更节能——这对于太空旅行是关键优势。这种需求的“升空”几乎一夜之间将仙童从一家小型初创公司变成了拥有一千名员工的企业。随着为阿波罗计划扩大生产规模,成本迅速下降:1961年成本为120美元的芯片到1962年底降至15美元。
与此同时,美国空军寻求用于核导弹的新型紧凑制导计算机。1962年,德州仪器(TI)赢得了一份合同,为民兵II型洲际弹道导弹(Minuteman II ICBM)提供基于集成电路的计算机。到1965年,仅民兵计划就购买了当年所有集成电路销量的20%。这些军事和航空航天采购为年轻的半导体公司提供了稳定的收入来磨练其制造工艺。本章展示了国防开支如何成为硅谷事实上的风险投资:政府愿意为尖端设备支付高价,为学习曲线提供资金,最终使芯片变得足够便宜,可供民用。像TI的杰伊·拉特罗普(Jay Lathrop)这样的工程师创新了新技术,如光刻(使用光和化学“光刻胶”来蚀刻晶体管图案),从而实现了更小且可复制的电路。光刻技术是一项改变游戏规则的技术,为大规模生产指明了方向,允许成千上万个微小的晶体管精确地图案化在晶圆上。
到1960年代中期,得益于这些进步和规模经济,芯片的价格暴跌,可靠性飙升。本章强调,美国军方愿意投资于新兴的芯片技术,将该产业向前推进了十年。因此,标题“升空”具有双重含义:阿波罗火箭的字面发射,以及由政府需求驱动的半导体产业的起飞。
第5章:砂浆与大规模生产
本章深入探讨了将芯片从手工制作的实验室奇珍异宝转变为大规模生产的商品所必需的流程工程。1960年代中期的制造突破和商业策略,使得芯片能够以低成本大批量生产。工程师们意识到,其他行业使用的方法可以应用于芯片制造。光刻技术(灵感来自照相印刷)就是这样一种方法,在德州仪器公司,杰伊·拉特罗普的团队证明了它可以缩小晶体管特征并使其更加均匀。仙童和德州仪器积极采用光刻和其他技术来提高良率(每片晶圆上好芯片的比例)——这是盈利的关键因素。一个座右铭应运而生:只有通过“学习如何可靠地制造”,芯片才能真正变得无处不在。像仙童的安迪·葛洛夫这样崛起的年轻工程师专注于将生产过程工业化,将曾经的手工艺变成了流水线科学。
标题中的“砂浆”(Mortars)可能暗指一个概念,即虽然晶体管的发明就像发明火药,但掌握大规模生产则类似于完善炮弹以发挥其影响力。到1960年代末,公司已经极大地提高了产量。米勒指出,这些生产创新与晶体管的发明一样,是启动改变世界的半导体产业的原因。仅仅拥有贝尔实验室的专利是不够的;需要仙童、德州仪器和其他公司的团队进行直观的工程设计和迭代改进,才能将该专利转化为数百万个可工作的芯片。本章还谈到,一旦军事研发补贴了初始成本,早期的芯片公司就开始在商业市场上竞争价格和性能。例如,随着产量的增长,仙童开始为非军事客户大幅降价。芯片从导弹发射井和航天器进入日常产品的舞台已经搭建好。总之,第5章强调,半导体革命不是一个单一的“尤里卡”时刻,而是一个过程创新的磨砺——微型化设备和扩大产量——将实验室原型变成了改变世界的商品。
第6章:“我……想……发……财”
在创业雄心和“真正回报将来自消费电子和计算领域”这一洞察的驱动下,半导体先驱们将重心从政府合同转向了广阔的民用市场。本章标题引用了罗伯特·诺伊斯的一句生动宣言,他表示仅仅为政府做研发就像一份安全的工作,而真正的“冒险”意味着在商业领域承担风险。到1960年代中期,像诺伊斯和仙童的戈登·摩尔这样的领导者们已经设想了一个个人电脑和袖珍通信设备的未来——这远远超出了军方的需求。1965年,摩尔写了一篇如今闻名的文章,预测芯片上的元件数量每年将翻一番,从而大幅降低每个晶体管的成本。这个预测,即摩尔定律(Moore's Law),意味着芯片将变得指数级地更强大和更便宜,从而开辟新市场。事实证明,这个预测惊人地准确。
仙童及其衍生公司开始积极追求这些民用应用。由于价格下降,到1967-1968年,大多数销售的计算机(面向企业和大学)都使用了集成电路。计算器和工业电子等新市场也应运而生。硅谷本身就是从这种精神中诞生的:来自肖克利实验室的“八叛逆”不仅组建了仙童,还催生了许多初创公司(通过在圣克拉拉谷蓬勃发展的风险投资网络)。仙童自己的一个部门,由诺伊斯和摩尔领导,因感到沮丧而分拆出去,于1968年创立了英特尔(这将在后续章节中详细介绍)——这是诺伊斯名言中所体现的创业精神的一个例子。米勒强调,到60年代末,利润动机和竞争正在加速创新,其速度超出了仅靠政府资助所能达到的水平。半导体商人不再满足于当承包商;他们想要彻底改变全球市场——并在此过程中致富。本章将诺伊斯描绘成一位有远见的人,他将技术洞察力与资本家改变世界并收获回报的渴望相结合。它通过指出工程师们早在1960年代就梦想着个人电脑和移动电话,预示了个人计算革命的到来。简而言之,第6章标志着该行业从一个受山姆大叔保护的战时婴儿,转变为一个渴望征服商业世界的鲁莽少年。