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ITplus:大国的芯片激战往事以及中国的机遇
2024-04-13 09:04:35 | 作者:米乐m6在线

  二战是由钢铁和铝决定的,此后不久的冷战是由核武器定义的,未来中美之间的竞争很可能由计算能力决定。

  一个典型的芯片可能是由美国加利福尼亚州和以色列的一个工程师团队,使用美国的设计软件,采用日本软银旗下英国ARM公司的IP来设计。

  设计完成后,它被送到中国台湾的一家工厂,该工厂从日本购买超纯硅片和专用气体,采用世界上最精密的,并能蚀刻、沉积和测量几层原子厚的加工设施来制造。

  这些加工设施主要由五家公司生产,一家荷兰公司、一家日本公司和三家美国加利福尼亚州公司。没有这一些企业的设备,人们基本上不可能制造出先进的芯片,然后芯片通常在东南亚进行封装和测试,最后被送往中国组装成手机或电脑。

  在颇有一定的影响力的《芯片战争》一书中能够正常的看到“硅谷”之所以被称为硅谷,是因为芯片产业一旦成型就不可能脱离硅谷,任何国家根本没办法凭一己之力建立生态体系,但当将自己彻底融入硅谷的供应链时,就能成功。

  ITplus深度解读了《芯片战争》,一块儿来看看芯片产业的奠基人、世界上的聪明大脑是如何改变世界的,在国家信创的关键节点,让我们正确认识芯片产业,希冀从中找到深刻启发。

  故事的起点位于新泽西州的一家贝尔实验室里,这个当时领先世界的科学实验室见证了芯片诞生的雏形。主角之一是一名毕业于麻省理工的物理学博士,肖克利,他的专业是研究半导体。

  这是一种独特的材料,大多数材料要么导电,要么绝缘,半导体则不同。硅和锗等半导体材料本身就像绝缘体,几乎不导电,但当加入某些材料并施加电场时,电子就会开始流动。

  用其他元素“掺杂”半导体材料来调节其导电性,为新型器件的诞生提供了可能。

  1945年,肖克利在他的笔记本上画出了一块连接在90伏电池上的硅,他假设,如果在硅上施加电场,就能吸引其内部的“自由电子”聚集在半导体边缘附近。如果电场吸引了足够多的电子,半导体的边缘就会变成导电材料,这样电流就可以流经之前根本不导电的材料。

  肖克利很快就搭建了这样一个装置,希望在硅片上施加和移除电场,打开和关闭硅片上的电子流,使其可以像阀门一样工作。但在进行这个实验时,他无法检测到结果。他形容,“相当怪异”。实际上,是由于当时测量电流的仪器不够精确,无法测量出微小的电流。

  两年后,贝尔实验室的两位同事受到肖克利的启发,观测到了流过锗的电流可以被控制并放大,证明了肖克利半导体材料理论的正确性。

  1947年,这个创造性的器件被贝尔实验室的所有者命名为“晶体管”,并申请了专利。

  因被两位同事超越,这位相信自身比任何人都优越,甚至所有同事都觉得他“讨厌”的肖克利并不甘于人后,在1947年圣诞节期间的两周,他把自己关在酒店房间里,成功设计了一个“电子开关”:如果将一个微小的电流施加到三块掺有不同杂质的半导体材料的中间层,它就会使流过整个器件的电流增大很多。

  肖克利很快就因为他的半导体理论而获得了诺贝尔奖,但这位物理学家并不满足于此,他想成为百万富翁。不同于继续做研究的两位同事,肖克利在1955年走上了经商之路,在旧金山成立了世界上第一家半导体公司:肖克利半导体公司,并出版了一本半导体电子学的圣经:《半导体中的电子和空穴》。当时也是后来创办台积电的张忠谋每天晚上的读物。

  构建理论和发明晶体管只是第一步。接下来面对的挑战是,如何大量制造它们。这是一个工程难题,而不是理论物理难题。

  基尔比是贝尔实验室以外最早使用晶体管的人之一,在1958年加入TI(德州仪器)。TI是一家生产地震波探测设备的公司,二战期间被美国海军征召建造声呐设备以跟踪敌方潜艇。这样的背景也为芯片最先用于军方市场奠定了基础。

  基尔比没有用一块单独的硅或者锗来制造每个晶体管,而是想到在同一块半导体材料上制造多个元器件,将多个晶体管内置在同一块硅或锗板中,这被视为革命性的发明,基尔比称之为:集成电路,也就是芯片。

  几乎是同一时间,8名肖克利半导体公司的工程师告诉他的诺贝尔奖老板,他们要辞职。

  原因是肖克利是一个糟糕的管理者,研究理论和管理企业有着天壤之别,他矛盾的性格所制造的有害工作氛围,疏远了他所召集的聪明工程师,于是这8人决定创办自己的公司:仙童半导体。

  这8人中就包括提出摩尔定律的摩尔,后来成立了英特尔。这8个“叛逆者”也被一致认为是硅谷的创始人,他们使贝尔实验室的专利变成了一个改变世界的行业。

  TI的总裁哈格蒂是一位迷人的公众演讲者,讲线年就开始不遗余力向美国军方销售电子科技类产品。直到1962年赢得“民兵Ⅱ号”导弹合同改变了TI的芯片业务。美国空军计划寻找新的计算机来引导“民兵Ⅱ号”导弹打击苏联,到1964年底,TI已经为“民兵”导弹计划提供了10万块集成电路。

  1957年,TI的另一位麻省理工毕业生莱思罗普,把光刻胶涂在一块锗上,当光线通过倒置的显微镜聚焦到光刻胶涂层的锗上时,形成了完美的微缩版图案,这使制造越来越小的晶体管成为可能。莱思罗普称这一过程为光刻。

  光刻技术能解决大规模生产问题,但新问题又随之而来:缺少可检测出制造集成电路的原料是不是满足标准的工具。温度和压力的细微变化可能会引起意外的化学反应,化学品中含有当时无法检测到的杂质,一点点杂质就可能使整批产品报废。

  反复试验是当时唯一的选择,直到1958年加入TI的张忠谋改变了这个生产逻辑。

  张忠谋负责经营一条用于IBM电脑的晶体管生产线,当时的产线成品率几乎为零,所有的产品都有缺陷,导致电路短路或故障。

  这位麻省理工的高材生展现了自己无与伦比的一面:系统调整不同化学物质组合的温度和压力,以确定哪种组合最有效。几个月后,他负责的晶体管生产线%,就连IBM的高管也被吸引前来研究他的方法。很快他就被任命为TI整个集成电路业务的负责人。

  此时仙童半导体的8位联合发起人之一的诺伊斯却在为芯片设想一个更大的民用市场,他拒绝了大多数军事研究合同,将研发目标瞄准大众市场产品,而不是军方。

  随之而来的挑战是价格问题,军方支付得起高价,但花了钱的人价格敏感,换言之必须生产大众消费得起的芯片。

  但诱人的是,民用市场的利润远高于军方臃肿的预算,诺伊斯展现出了他冒险的一面:“向政府出售研发产品就像把你的风险资本投入储蓄账户。风险就是风险,你得承担风险。”

  诺伊斯也展现了他绝妙的商业头脑:采用降价策略。他认为这将大大扩大芯片的民用市场。20世纪60年代中期,仙童芯片的售价从20美元将至2美元,有时甚至以低于制造成本的价格销售产品。

  降价策略是有效的,这为仙童半导体赢得了私营公司的大合同。1966年,仙童拿到了2000万只计算机芯片的订单,开辟了民用计算机这个新市场。仙童8大创始人之一的摩尔后来辩称:诺伊斯的降价策略和集成电路技术是同样重大的创新。

  金钱诱惑下,管理问题又再一次成为阻碍芯片发展的一大因素。彼时美国东海岸的一位百万富翁给了这8名工程师一笔种子资金创办仙童半导体,这位百万富翁只给员工丰厚的薪酬,拒绝给他们股票期权。

  仙童迎来了离职潮,连创始人之一的诺伊斯都开始怀疑自己在公司是不是有未来,任何一个人都开始寻找出路。

  索尼的第一个主要成就是晶体管收音机的发明,这是TI曾试图占领的市场,却在定价和营销上搞砸了,最后不得不放弃。索尼创始人盛田昭夫却把握机会,很快就销售了数万台索尼收音机。

  实现这一商业成功的背后,是盛田昭夫拿到了生产晶体管的许可证,尽管为此支付了相当高比例的知识产权许可费。索尼利用硅谷最新的技术识别新市场,并以令人印象非常深刻的的产品瞄准新市场,表现出色:

  “我们的计划是用新产品引领公众,而不是问他们想要什么样的产品,公众不了解什么是可能的,但我们大家都知道。”

  索尼在芯片产业链里发挥了自身的专长:设计消费类产品和定制消费者需要的电子科技类产品。事实上,复制索尼的产品创新、营销专业相关知识,和复制美国的半导体专业相关知识一样困难。

  另一大例证是,TI营销部门认为手持计算器产品廉价而放弃的市场,被另一家日本公司夏普“捡漏”。

  日本的电子科技类产品,包括半导体和依赖它们的产品出口从1965年的6亿美元激增到20年后的600亿美元。日本靠兢兢业业扮演“晶体管推销员”这一角色最终赢得了芯片产业链条的一席之地。

  对整个美国半导体行业来说,20世纪80年代是地狱般的十年。在经历了20年的迅速增加之后,它面临着一场生存危机:来自日本的残酷竞争。

  一位负责芯片标准的、来自最大的半导体买家之一惠普的高管安德森的工作,是全方面了解半导体行业,包括每家公司的表现。他对芯片的判断可能会影响任何一家半导体公司的命运。

  当时制造DRAM存储芯片的不仅有英特尔和TI这样的美国公司,也有日本公司东芝和NEC(日本电气公司)。存储芯片不需要专用化,同样的设计能够适用于许多不一样的设备,这使得存储芯片大规模生产成为可能。

  起初安德森并没有把东芝和NEC当回事,但在测试了它们的芯片后,发现产品质量比美国的好得多。

  他报告说,三家日本公司的芯片在前1000小时的故障率都没有超过0.02%,而三家美国公司的芯片最低故障率为0.09%。

  如果DRAM芯片性能指标相同,价格一样,但故障率更高,为什么有人要买美国芯片呢?

  日本成功复制了美国竞争对手的产品,并以更高的质量和更低的价格来制造这一些产品。日本的生产力既令人着迷、又令人恐惧。

  仙童的高管斯波克得出了一个结论:芯片行业是一个竞争异常激烈的行业,也指出“我们正在与日本开战,这不是关于,而是一场关于技术、生产力和质量的经济战争”。

  他认定日本的DRAM公司从知识产权盗窃、受保护的市场、政府补贴和廉价资本中受益。有了这些廉价的资本,日本公司展开了一场无情的市场占有率争夺战,甚至在美国倾销芯片。

  AMD创始人桑德斯则认为,硅谷最大的劣势在于其高昂的资金成本。反观日本,彼时的社会结构倾向于产生大量的储蓄,结果银行存款充裕,以低利率发放贷款。

  东芝、富士通和其他日本公司尽管都面临着同样激烈的竞争,基本上没有人赢利,但有了几乎无限的银行贷款,他们便能够在等待竞争对手破产的过程中承受住损失,市场占有率也慢慢变得大。

  美国DRAM芯片制造商的困境在某些特定的程度上和GCA(美国地球物理公司)的市场占有率崩溃有关。1978年,GCA受到张忠谋的启发推出了第一台步进式光刻机,在这之前,GCA每年的军事合同收入从未超过5000万美元,直到GCA垄断了这种价值极高的机器,其收入很快达到3亿美元。20世纪80年代初,GCA处于领先地位。

  起初尼康是GCA的合作伙伴,为步进式光刻机提供精密镜头,但GCA创始人格林伯格决定放弃和尼康合作,买下自己的镜头制造商,最后却生产不出GCA需要的高质量镜头,加上糟糕的服务和内部管理,一步步将自己推向了深渊。

  和GCA打交道的芯片公司发现GCA“傲慢”且“反映迟钝”,GCA的态度是“买我们造的东西就行了,不要烦我们”,GCA自己的员工也承认“客户受够了”。这反倒给了尼康机会,尼康愿意听取客户的意见。

  每年制造数百万台步进光刻机需要有人专注于制造和质量控制,但创始人格林伯格喜欢和政客们往来,花在经营企业上的时间很少,公司花钱就像“喝醉了的水手”,在经营不善后反而将批评的矛头对准了公司员工。

  一位员工回忆变态的制度,比如禁止穿高跟鞋,格林伯格认为高跟鞋毁了公司的地毯,公司氛围越发紧张,公司接待员和同事们约定了一个暗号,打开天花板的灯表示格林伯格在大楼里,关上灯表示格林伯格外出,当他外出时,任何一个人都可以呼吸得轻松一点。

  GCA的下场可想而知:关门大吉、设备出售,加入了一长串被日本击败而消失的公司名单当中。

  关于半导体的商战才起步,经历了地狱般10年的美国半导体行业,是如何重新崛起的?为什么DRAM三大巨头三星、SK海力士和美光瓜分了全球存储器市场?华为如何令美国恐慌?



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