芯片与国运之战（1）：最复杂的人类产品

  在21世纪，芯片的重要性无与伦比，远超石油。芯片是现代工业体系演化出的一颗皇冠明珠，也是全球化的巅峰作品。集成电路带来的数字革命是人类历史中最重要的事件。最近，图像芯片公司英伟达（NVIDIA）市值历史性地突破1万亿美元。

  从手机到汽车，芯片都是决定性能的关键。芯片行业1/4的收入来自手机。手机最大的成本就是芯片。对于在俄乌战争中大显身手的“无人机”而言，芯片更是至关重要。1991年第一次海湾战争，“战斧巡航导弹”电子游戏般的华丽表演震惊了全世界，标志着战争“智能化时代”的到来。俄乌战争期间，美国商务部长雷蒙多声称，俄罗斯出现了严重芯片短缺，正在大量拆卸进口洗碗机、洗衣机、电冰箱中的芯片，用来制造坦克、无人机、导弹等军事装备。俄罗斯驳斥说这种言论“纯属胡扯”。

  在全球芯片产业链，有两家公司最重要：荷兰的阿斯麦尔、中国台湾的台积电。2016年台积电市值首度超越IBM，2017年又超越硅谷传奇英特尔。台湾聚集了占全球份额逾9成的尖端半导体产品。2022年，台积电一家公司的用电量约占台湾省用电总量的8%。

  在中美博弈中，美国显然把芯片当成了最重要的武器。美国通过了《芯片与科学法案》，强迫台积电将部分生产线转移到美国。台积电亚利桑那州厂总投资金额约400亿美元，为美国史上顶级规模的外商直接投资案之一。台积电创始人张忠谋在出席台积电亚利桑纳州新厂首部机台进厂典礼时叹息，“二十七年过去了，半导体产业见证了世界的大幅地理政治学局势转变。全球化几乎已死，自由贸易几乎已死。许多人仍希望它们会回来，但我不认为它们将回来”。

  不仅如此，特朗普总统国家安全顾问奥布莱恩还放言：“美国及其盟友绝不会允许那些（台积电芯片）工厂落入中国大陆手中。我无法想象它们还会完好无损。二战期间，在法国向德国投降后，丘吉尔下令摧毁了法国的海军舰队，这导致一千多名法国海员的丧生。这是丘吉尔在二战中所做的最艰难的决定，向来亲法的丘吉尔当时几乎是“泪流满面”走进英国下议院的。但他的选择却赢得了当时英国议会一致的掌声”。

  难怪，《经济学人》将台湾称为“地球上最危险的地方”。巴菲特称台积电是世界上管理最好、最重要的公司之一，芯片行业中没有人能与台积电相提并论。然而，2023年一季度，巴菲特因为地理政治学风险而全部清仓了台积电。你懂的。

  •一个典型的芯片，使用美国的设计软件，采用日本软银旗下英国ARM公司的知识产权完成设计。然后被送到中国台湾的工厂进行生产，该工厂从日本购买超纯硅片和专用气体，采用荷兰的光刻机，然后在东南亚进行封装和测试。

  •荷兰的阿斯麦尔生产了全球100%的EUV光刻机，这种设备是当今时代最大的技术赌注，花费了数百亿美元、用了几十年时间才大功告成。2012年，仅英特尔就向阿斯麦尔投资了40亿美元。EUV光刻机的复杂性令人难以置信：1）每台光源需要45万7329个部件。为了产生光刻光源，以每小时200英里的速度在线千万分之一的小锡球，脉冲将锡球轰成50万摄氏度的等离子体（比太阳表面热很多倍），这个轰锡过程每秒重复5万次，才能产生所需强度的EUV。2）光刻机需要反射镜，德国蔡司开发的反射镜，如果按比例放大到德国的面积，其最大的不平整度是十分之一毫米。蔡司宣称，可以让激光精确击中月球上的高尔夫。3）阿斯麦尔只生产了光刻机部件的15%，其余需要全球采购。为了整合产业链，阿斯麦尔2016年为蔡司提供了10亿美元的研发资金。4）每个零部件平均使用3万小时（4年）才需要维修。5）光刻机如此复杂，假如没有阿斯麦尔的充分培训，用户不可能知道怎么使用机器。

  结论：如今要建立一个尖端的芯片供应链，至少需要十年时间、投入1万亿美元。芯片制造的难度在于：

  • 在摩尔定律作用下，设备折旧速度很快，如果把握不好节奏，很容易在付出“沉没成本”后被淘汰出局；

  • 德州大学计算机专家总结说：假设下一代芯片需要 40 种制造设备升级，即便只有 1 个设备掉队，整个研发生产周期也会被推迟。

  与研发相比，芯片的挑战在于技术的快速进步：根据摩尔定律，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月增加一倍，性能也提升一倍。对追赶者而言，即使研发出来但性能落后同样意味着失败。

  光学显影技术是摩尔定律能够延续的关键技术之一。2001 年，主流的“干式微影技术”遇到了瓶颈。此时一个关键人物登场：台积电前研发副总经理林本坚。生于越南的林本坚提出了一个大胆的“逆向思维”：与其在 157 纳米撞墙，不如退回到 193 纳米，将介质从空气改为水，以水为透镜，将光束波长缩短至 134 纳米。这一原理类似于把筷子插入水中，水里的筷子看上去折弯了。如今，台积电、三星慢慢的开始2纳米制程建设的PK。

  台积电、阿斯麦于 2004 年研制成功第一台浸润式微影机，日本尼康和佳能投入巨资研发的 157 纳米干式微影技术彻底打了水漂。

  中国大陆在芯片设计软件中的市场占有率不到1%，核心知识产权2%，供应全球4%的硅片、1%的芯片制造工具，5%的芯片设计工具，7%的全球芯片制造。

  综合芯片设计、知识产权、工具、制造等方面，中国大陆、美国、韩国、中国台湾的市场占有率为6%、39%、16%、12%。在运行人工智能的中国服务器中，95%的GPU来自英伟达。

  美国这种芯片战争，自然够狠毒，但未必高明。塞翁失马，好事与坏事可以相互转化。

  •我认为美国永远无法成功阻止中国拥有强大的芯片。我们会迫使他们花时间和大量金钱来制造他们自己的芯片。我对两国关系在过去几年里的关系演变感到失望和担忧。

  谢志峰、陈大明，《芯事： 一本书读懂芯片产业发展史》 ，上海科学技术出版社。