7nm芯片战争
发布时间: 2024-07-11 21:19:25
这是一个涉及到科技和管理、战略眼光和勇气、地缘政治和全球化、应对现在和豪赌未来的故事。
芯片是我们这个时代最神奇的产品，但是它也是一种特别可靠的产品。手机里有很多芯片，可是如果谁的手机坏了，一般都是屏幕坏了，或者里面某个会活动的小组件坏了。
你大概是没听说过芯片坏了吧？芯片这个东西几乎就不会坏，因为它就是一个硅块，上面一个活动的部件都没有，甚至连一点金属都没有。
无数个晶体管不是被安装在芯片上，而是被刻在芯片上的，就如同印刷一本书。问题是用什么东西刻呢？
光刻机是人类有史以来最复杂的机器，我相信它比大飞机要高难度，因为那些东西的制造技术至少在原则上可以由一个国家掌握。
但是没有任何一个国家能掌握最尖端光刻机的全套制造技术。研发光刻机是一个绝对意义上的跨国工程。
咱们从头说起，光刻的基本原理一直都没有变，就是用光把芯片蓝图缩小，投影到硅片上，跟表面化学物质发生反应，完成光刻。
最早的光刻用的就是普通光源，而普通光源的极限精度就是几百个纳米。要波长更短的光，一开始是用紫外光，然后是深紫外光，很快深紫外光也会到达瓶颈。
每两年就能让晶体管密度增加一倍的摩尔定律，似乎即将结束。最不希望摩尔定律到顶的就是英特尔公司，因为英特尔的CPU性能是跟着摩尔定律成长的。
于是英特尔CEO安迪·格鲁夫力推开发新的光刻技术。接下来的事情大约可分为三步。第一步是科学上的可能性，这一步纯属物理，你只要在物理学上大概弄出来一个原理就行。
英特尔投入了一大笔钱，主要研究是在美国的几个国家实验室做的，特别是劳伦斯利弗摩尔国家实验室和桑蒂亚国家实验室。
科学家设想了各种方法，直到今天也有各种新设想，但在1992年，各方的共识是应该使用波长为13.5纳米的极紫外光。
注意这只是一个设想，可能某个科学家在实验室里用极紫外光在硅片上做了一点事情，但是距离做出来光刻机还差得很远呢。科学阶段的研究都是公开的，谁都可以做，谁都可以学。
第二步是技术上的可能性，这一步就不能由着科学家小打小闹了，必须投入巨资让工程师参与。
1996年，英特尔联合几家芯片厂和几个国家实验室成立了一个联盟，全力开发光刻技术。英特尔承担了大部分经费，历经数年才算大致知道极紫外光刻机应该怎么实现。
英特尔主导了前期的研发，但是自己并不打算制造光刻机，因为他觉得造光刻机不如造芯片赚钱。
英特尔只要确保有一家公司能造出光刻机就行。当时，美国的光刻机生产商GCA已经破产，全世界只有三家公司有可能造出来极紫外光刻机，包括日本的佳能和尼康以及荷兰的ASML。
美国不想把这么关键的技术给日本，最后ASML得到了制造极紫外光刻机的技术授权。当时的美国正在享受单级时刻，推崇全球化，对荷兰几乎不设防。
美国唯一的要求是ASML必须把几个关键部件留在美国生产。但ASML也不是拿过来就能干，从技术上可行到实现产品化还有十万八千里。今天回头看，那简直是一个不可思议的技术方案。
首先你需要得到极紫外光，世界上并不存在什么灯泡能直接给你极紫外光。
你必须先制造一种直径是1/30,000,000米的小锡球，让锡球以每小时20英里的速度在真空中移动，然后用激光对锡球进行两次打击。
第一次是提高锡球的温度，第二次是让锡球爆炸，把它变成温度达到50万度的等离子体。这个温度已经比太阳表面的温度要高得多了。
这个喷射锡的过程每秒钟要重复5万次，你才能得到可以用来光刻的极紫外光。
这个过程说着简单，但是每一步都需要创新。你得找一家叫通快的德国公司开发那个激光器，他家的专长就是二氧化碳激光器。
但是其每次生产的能量中有80%是热量，只有20%是激光，这就有一个散热问题。以前都是用风扇散热，可是光刻机要求风扇每秒钟转1,000次，没有哪一个物理轴承能够承受这样的风扇。
于是通快专门开发了一个磁悬浮风扇。有了激光，用激光轰击锡球的时候，锡球反光怎么办呢？怎么保证锡球气体的密度是恒定的呢？这些都是问题。
特别是要引导激光打向锡球，你需要用工业钻石，可是现有的工业钻石纯度不够，你必须再开发一种新型的超高纯度的钻石。
结果光这台激光器，通快公司就用了10年才生产出来，这台激光器自己就有457,329个零件。
到这里用激光打锡球成功了，你还得把生产的极紫外光收集起来，为此你需要镜子。可是极紫外光的波长太短，打在一般的东西上都被吸收了，并不会被反射。
有一篇1998年的论文，可以说是用金属钼和硅交替排列制作能反射极紫外光的镜子。
研究人员一算，发现这个镜子必须是分层的，一层金属钼一层硅，交替排列，每层的厚度只有几纳米，而且要做100层。后来又是一家叫蔡司的德国公司把这个镜子做出来了。
那应该是有史以来最光滑的物体，比詹姆斯·韦伯太空望远镜的镜面还要光滑，号称你要是把镜子放大到整个德国那么大，其中凹凸不规则的部分也只有1/10毫米。
我还特意查了一下，发现蔡司也参与了韦伯的光学系统制作。
整个光刻的过程，二氧化碳激光器轰击需求得到极紫外光，再用镜子把极紫外光收集起来，透射到硅片上，ASML最厉害的本事还不是这些具体的研发工作，而是对供应商的协调和管理。
ASML自己只能生产15%的零部件，而其他的零部件往往别的公司也没有现成的，需要研发，像前面说的做激光器和做镜子的那两家德国公司得投入巨资长期研发才行。
而光刻机的供应商总共有数千家公司，那你怎么管理这些供应商，怎么说服他们的研发，怎么确保他们研发成功啊？
这里面有大学问。ASML一方面是直接赞助研发商，比如他给德国蔡司公司提供了10亿美元去搞镜子，另一方面他强调标准和纪律，如果有哪个供应商不听话，ASML可能就会收购他。
到了2010年代末，经过了二三十年，ASML终于把极紫外光刻技术光刻机给做出来了。
当然他一家的资金撑不起这么大的项目，整个研发过程中，英特尔、三星和台积电都给ASML提供了投资，其中投的最多的就是英特尔，总共投了几十亿美元。
那你说现在光刻机终于研发成功，英特尔又投入了那么多钱，现在英特尔你就赶紧买几台回去生产芯片吧。
但是并没有，英特尔突然对极紫外光刻机不感兴趣了，这绝对是一个可以写进商学院案例的操作，但是是作为教训的反面案例。
英特尔的两位英雄鲁迪·戈鲁夫已经在2016年去世，而且之前就已经退休，另一个英雄格登·摩尔现在已经90多岁，也早就不管事了。英特尔新一代管理层对掌控未来的芯片技术并不十分热心，这是因为英特尔已经掌控了现在。
安迪·格鲁夫早在90年代就把英特尔业务给理顺了，所有主流计算机和服务器的CPU都是英特尔的。英特尔还搞了一个护城河，这就是他的X86架构。
你要用个人电脑，你就得用Windows操作系统，而操作系统是基于英特尔的X86架构写的，这就让你很难再搞一个新的架构，也就很难摆脱英特尔。所以英特尔生产芯片就好像印钞一样，从80年代末到现在，英特尔的总利润高达25万亿美元。
这可能就是华尔街上市公司的一个内在缺陷，也就是你希望财务报表好看，财务报表要好看，你的利润率就必须很高。
新一代光刻机非常非常昂贵，买回来还不知道有多大用处，体现在报表上就会让公司利润率下降，而华尔街不喜欢利润率下降。
追求利润率，也许有道理，当初ABM为什么把笔记本业务卖给了联想，并不是因为笔记本不赚钱，而是因为笔记本的利润率没有做企业服务的利润率高。
IBM想要轻装上阵，只做高利润率的项目，英特尔大约也是这么想的。但是从长远角度考虑，这等于是为了现在放弃未来，这其实就是哈弗教授克莱顿·克里斯坦森说的"那个创新者的窘境"。
领先公司不会真去搞什么颠覆式创新，因为没必要，而据米勒考证，当初英特尔公司管理层上上下下都读过《创新者的窘境》那本书，但是他们还是陷入了创新者的窘境。这大概就是窘境的厉害之处，道理要是有用，那就不叫窘境了。
总而言之，英特尔把极紫外光刻机的先机拱手让给了别人，其实极紫外光刻机真正的用武之地是智能手机芯片，只有智能手机需要非常小、非常省电的芯片，才会用到那么高的工艺。
对英特尔自家的个人电脑和服务器市场来说，暂时不用太担心摩尔定律。你看，英特尔的CPU早就不再强调主频了。
英特尔没有看到手机市场的前景，本来苹果公司的电脑已经用上了英特尔的CPU，乔布斯还直接问过英特尔CEO说你们能不能也帮我们生产iPhone上的芯片，而英特尔不感兴趣。
英特尔不相信iPhone会有很大的市场，认为专门研发手机芯片是不值得的，于是苹果公司选择自己设计手机芯片，并且转向了ARM架构。其实ARM架构本来就比X86架构好，特点是节省功耗，也更适合手机。
苹果本来就有ARM公司的股份，后来又通过收购拥有了自己的芯片设计团队。结果苹果从iPhone 4开始就用上了自家的设计，开始是三星，后来是台积电制造的芯片。
英特尔不但错过了极紫外光刻业务的先手，错过了手机芯片市场，而且还错过了人工智能芯片。咱们事后看呀，当初英特尔管理层真是"肉食者鄙未能远谋"，结果现在英特尔的股价也不行了。
但是如果让你重返历史现场，恐怕你也未必敢豪赌极紫外光刻机，你要知道那是一种非常非常贵的机器，每台价格超过1亿美元不说，买回来还有极高的维护成本。
ASML尽了最大的努力让光刻机的每个零部件平均至少可以使用3万个小时而不坏，但是考虑到光刻机有那么多零部件，他们不会同时坏，ASML还研发了一个预测性的算法能大概判断什么时候哪个零件该坏了，但就是这样他也必须派人在现场盯着，随时维修。
生产高端芯片是一种投资惊人、风险巨大而又十分麻烦的业务，英特尔不想干也是情有可原。但是有一个人却认准了要干，他几乎是以一己之力改写了世界芯片制造的权力格局。
此人眼光卓绝，布局深远，豪情了得，接下来咱们单说他。你听说了他的故事，恐怕你也会赞叹一句"生子当如孙仲谋"。
当今世界最先进的芯片是台湾的台积电生产的，这并不是因为美国对台湾有什么恩赐，如果让美国政府选，他肯定选择在本土生产最高端芯片，就算一定要在海外，他宁可选择韩国或者欧洲，而不是地缘政治存在不确定性的台湾。
台湾之所以能生产最高端的芯片，可以说完全是因为一个人，那就是张忠谋。
克里斯·米勒的《芯片战争》那本书中描写了半导体行业历史上好多位英雄豪杰，而要论深谋远虑，我看第一非张忠谋莫属。
张忠谋1931年出生在中国浙江，青少年时代过得颠沛流离，1948年迁居香港，1949年到美国上学，先是上了哈佛大学，后来转学到了麻省理工学院。毕业后进入半导体行业，1958年张忠谋加入德州仪器公司，赶上了用光刻生产芯片的第一波。
张忠谋既有技术直觉，又善于管理，很快就成为了德州仪器芯片生产部门的主导人物。但张忠谋并不仅仅是搞技术管理的人，他有一个大主意。1970年代半导体行业的运作方式是每个公司都有自家的芯片厂，你自己设计，你自己制造。
张忠谋觉得这不对，他用图书行业做了个类比，作家没有自己印书的，都是写书的专门写书，印书的专门印书。张忠谋设想，我们为什么不搞一个专门帮别人生产芯片的业务呢？就好像是开印刷厂一样。
其实当时有两个趋势正好支持他这个想法，一个是随着光刻技术越来越高级，光刻机越来越贵，芯片厂的门槛已经越来越高了，小公司根本没有能力自己生产芯片，要做就得做大厂，投入巨额资金使用最先进的技术，然后接很多订单，跑量才有竞争力，这就如同印刷厂不能只给一个作者印书。
另一个趋势是到70年代末，美国已经有了专门的芯片设计软件，这就使芯片设计变得非常容易，现在小公司也可以设计自己的芯片。两个趋势加在一起，这不就是古腾堡时刻吗？
古腾堡是现代印刷术的发明人，他改变了书籍出版行业。张忠谋设想，将来每个小公司都可以像写书一样设计芯片，而我就像印书一样帮你们生产芯片，这分工多好啊。
他把这个设想告诉了德州仪器的高管，但是德州仪器也陷入了创新者的窘境，首先是当时德州仪器很挣钱，其次是市场上并不存在替人生产芯片的业务，张忠谋想象的是一个全新的市场，管理层觉得干的好好的，何必冒险，就把这个想法搁置了。
但是张忠谋并不死心，进入80年代，张忠谋心想我对公司贡献这么大，我又有这么好的战略眼光，我应该当德州仪器的CEO啊。
如果当时张忠谋真的得到了这个职位，他就和英特尔的罗伯特·诺伊斯、戈登·摩尔齐名了，他就很可能在美国做出一番伟业，今天最高端的芯片就是美国制造的。
但是德州仪器董事会拒绝了张忠谋，张忠谋尚未不成，就只能从德州仪器辞职，无所事事的混了几年，此时他已经年过50，也不知还有没有实现梦想的机会。
到了1985年，台湾方面突然邀请54岁的张忠谋去担任工业技术研究院的院长，台湾很想发展半导体，一方面能提供就业，另一方面能加强和美国的联系。
当时台湾的芯片产业都是一些封装测试之类的劳动密集型业务，担心未来很难跟大陆竞争，台湾请张忠谋的确是想搞产业升级，但是他们绝对没想到张忠谋竟然有那么猛，张忠谋想的根本不是什么帮一个落后地区产业升级，他打算彻底改变全世界的半导体行业。
张忠谋到了台湾，就跟政府合作创办了台积电公司，台湾政府全力支持，要钱给钱，要权给权，要人就给人，给台积电提供了48%的启动资金，外加税收优惠，剩下的钱则由政府出面劝说台湾富豪投资。
台积电一开始的定位就是张忠谋梦想的那个专职芯片代工厂，但是他需要引进技术。张忠谋去美国找德州仪器和英特尔，都被拒绝了，说你这种商业模式还是太冒险。
最后他说服了荷兰的飞利浦公司，后者不但给了全套的芯片生产技术，还给了知识产权授权，外加5,800万美元，总共换取台积电27.5%的股份。请注意，飞利浦的光刻机部门后来分出去成立了一家独立公司，也就是ASML。
这一次结缘，给台积电日后跟ASML的密切合作埋下了伏笔。
张忠谋仗着自己在美国芯片行业的人脉，从美国芯片公司拉了好多高级雇员到台积电工作，特别是张忠谋联系到几个芯片设计公司，给台积电找来了第一批客户。
当时美国已经有几家只做芯片设计的小公司，他们本来是找英特尔那样的大厂代工，但是一方面英特尔不重视，经常排不上工期，一方面又担心大厂抄袭刺激的设计，所以业务量很小。
台积电一开工，你设计我制造的商业模式算正式干起来了，硅谷一下子冒出好几个创业小公司，才几百万美元的启动资金，就敢叫芯片公司，因为他们只需要设计，这就如同有了专业印刷厂，作家就变多了。
而美国这边的芯片制造业则在衰落之中，德州仪器和曾经号称"真男人必须有自己的工厂"的AMD都默默关了厂，到了90年代，美国只剩英特尔一家芯片厂，台积电真的改变了芯片行业的格局。
从2000年代开始，半导体行业是由三种芯片组成的。第一种叫逻辑芯片，也就是电脑的CPU和手机上那个主芯片，讲究摩尔定律，美国只剩一家英特尔在生产，韩国有三星，然后就是台积电。
第二种是存储器，也就是内存和闪存，能造这种芯片的公司比较多，主要集中在东亚。
第三种则是声卡、显卡、通讯之类的功能性芯片，这种芯片不强求主频高，不在乎摩尔定律，关键看特殊功能的设计，因为门槛低，很多小公司都在做，自己只管设计，找大厂代工就行。
其中一家小公司是美籍华人黄仁勋创立的，叫做英伟达。
英伟达一开始是做显卡，后来把显卡升级成GPU，2006年人们意识到GPU的并行处理能力正好可以用在训练人工智能模型上，英伟达就重点开发了这个市场，现在已经是一家重量级的公司了。
现在功能性芯片的门槛很低，像Google、亚马逊、Facebook、微软、腾讯、阿里巴巴都在搞自己的人工智能芯片，这些公司之所以能做芯片，包括高通之所以能做通讯芯片，苹果之所以能够拥有自己的芯片，全都是因为张忠谋发明了"你设计，我制造"这个商业模式。
这就如同现在发布作品如此容易，每个人都可以当作家。但台积电的发展过程并不是一帆风顺，张忠谋还需要继续施展谋略。台积电历史上至少经历过三次危机。
第一是2000年前后，出现了一种新的晶体管结构，叫做FinFET，这是一种3D结构，能让芯片突破22纳米，台积电没有第一时间跟上这方面的生产技术，被卡在了40纳米上，无法前进。
第二是2009年，美国出现了一家新的芯片公司，叫做GlobalFoundries，有来自中东富豪的投资势头很猛，人们都认为革新有可能快速突破其市场效用，竞踢馆另一边，韩国三星更是咄咄逼人，台积电的竞争压力加大。
第三是2008年到2009年的全球金融危机，芯片需求量暴跌，可是不管你是否生产，维持一个芯片厂都要花很多钱，这时候你怎么办呢？
当时张忠谋已经退休，他的继任者叫蔡力行。蔡力行面对这样的局面，采取了一个大多数CEO都会做的常规操作——裁员。
但是张忠谋不同意这个操作，张忠谋见过太多经济周期了，他知道潮水还会回来，他认为低潮更好是好好搞研发的时候。
于是77岁的张忠谋解雇了蔡力行，自己重新掌舵。当时苹果刚刚推出iPhone，张忠谋的判断是智能手机的时代到来了，台积电请回了被蔡力行解雇的员工，购买了ASML的最新型光刻机。
在2009年和2010年总共投入了几十亿美元升级设备，终于突破了40纳米的技术门槛。看来啊，人真不是越年轻越有冲劲，有时候反而是老一辈敢出手。
接下来，张忠谋准备超越三星关键的一招是台积电牵头和芯片设计公司、ASML、上游生产硅材料公司成立了一个大联盟。
联盟里各个公司之间会有竞争，但是台积电保证不参与内部竞争，只负责生产。这正是三星做不到的事情。
三星的问题在于他既设计自己的芯片，也生产芯片，那么其他芯片设计公司为了防止技术泄露，就不敢把图纸交给三星去制造，而台积电从一开始就绝不设计芯片，这就确保了不跟客户竞争。
现在台积电又有了最新的制造技术，结果芯片设计公司就越发愿意把订单交给台积电。台积电聚集了一大群盟友，跟盟友一起研发，一起进步。台积电不是简单的购买光刻机，而是帮着ASML一起研发光刻机。
台积电跟10个客户的研发支出之和超过了三星和英特尔的总和，那的确是一场豪赌。前面说的那个GlobalFoundries本来已经在极紫外光刻机上投入了15亿美元的研发费用，最后一刻还是选择了放弃，因为连中东富豪都觉得这玩意太贵了。
英特尔动作迟缓，直到2020年才勉强尝试极紫外光刻，完全不成气候。结果就是今天世界上能使用极紫外光刻机生产芯片的只有台积电和三星这两家公司，因为台积电不跟客户竞争，他主导了最高端的芯片制造。
咱们回顾一下张忠谋的一系列谋略：一、开启了芯片设计和芯片生产分开的古腾堡时刻；二、跟ASML等上下游伙伴结盟；三、关键时刻坚决投入，实现技术升级；四、用不跟客户竞争的原则赢得了芯片设计圈的信任，一举成为盟主。
张忠谋始终忠于自己的谋略，这就叫千军易得，一将难求。台积电厉害是因为有这个张忠谋，而不是美国扶持的结果。我们最多只能说美国允许了台积电的发展，事实上十几二十年前的美国允许度很高，中国大陆也几乎走过张忠谋这条路。
2000年前后，中国也想要融入世界，成为半导体领域中的一环，打算模仿台积电。大陆没有张忠谋，但是有个来自台湾的小张忠谋，叫张汝京，在上海创办了中芯国际。
张汝京的视野、人脉和做事方法非常像张忠谋，咱们这边也是要人给人，要钱给钱。张汝京信奉基督教，上海市政府甚至给他建了一个教堂。
中芯国际一开始也是非常国际化，最初的投资者包括高盛、摩托罗拉和日本的东芝。中芯国际也是从海外请了几百个工程师过来，然后中国级员工学得非常快。
中芯国际也在给智能手机公司做代工，一直到2010年，美国也没有刻意打压中国芯片。
华盛顿很清楚，搞出口管制害人也害己，这是全球化时代，你有好东西不卖给中国，那日本和欧洲想卖，难道你还能不让人家卖吗？从经济角度来说，中国参与制造芯片对美国只有好处，芯片制造越便宜，芯片设计就越赚钱。
别忘了最好的芯片设计公司和主流芯片设计软件那都是美国的，中芯国际是美国产业的帮手，不是美国的竞争对手。
美国人很理解这一点，对中芯国际本来是给绿灯的，中芯国际甚至在2018年向ASML订购了一台价值1.2亿美元的极紫外光刻机，这一切都很好。可是后来发生了什么，让那台光刻机至今也未能交货呢？
