芯片产业70年:21世纪的人类巴别塔
郑栾 2020-11-26 11:57:57

作者/ 郑 栾

人类能造出巴别塔吗?

《圣经·旧约》中载,人类在古巴比伦附近联合修建一座能通往天堂的高塔。为了阻止人类的计划,上帝让人类说不同的语言,使人类不能相互沟通,巴别塔因此失败。

流传这个故事的前人们也许不会想到,千百年后,人类仍然在追求着聚沙成塔。只不过,那座塔不再是高耸入云,而是比尘埃更小,比发丝更细。

现在的人们,称之为“芯片”。

风投之父与“八叛逆”

在普遍的语境中,当我们说到“芯片”时,往往指的是封装完成的集成电路。而集成电路中,最重要的组成部分是晶体管。

简单来说,晶体管就是一个微型开关。晶体管的开关两种状态,对应着二进制中的1和0,这就是计算机工作的原理。

1947年12月,当威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿研制出第一个晶体管后,人类就踏上了不断追求更精细、更小的征程。因为,在相同体积里,集成越多的晶体管,就可以提供越高的运算能力。

1955,肖克利在他的故乡美国加州的圣克拉拉县创办了肖克利半导体实验室。一批在半导体领域颇有建树的青年才俊前来投奔。

肖克利虽然是一位天才科学家,却不擅长管理公司。一位硅谷经理人员说他是“一位天才,又是一位十足的废物”。那些才华横溢的工程师无法容忍,他们开始谋划剥夺肖克利的管理权,但没有成功。

到了1957年,戈登·摩尔等7位工程师准备自立门户。

七人之中的尤金·克莱尔给负责他父亲企业银行业务的纽约海登斯通投资银行写了封信,附了一份非常简单的投资计划书,这封信辗转来到了海登斯通投资银行员工阿瑟·洛克手中。

洛克说服自己的老板巴德·科伊尔从纽约飞到旧金山,见到了这7位年轻人。

会面之后,他们认为7人都是技术人才,没有人懂商业和管理。于是7个人不约而同地想到了同在肖克利实验室工作的罗伯特·诺依斯。就在当天,他们派出了一个代表,说服诺伊斯加入。

这8位年轻人便是日后名震硅谷的“八叛逆”。他们分别是:罗伯特·诺依斯、戈登·摩尔、朱利亚斯·布兰克、尤金·克莱尔、金·赫尔尼、杰·拉斯特、谢尔顿·罗伯茨和维克多·格里尼克。

而慧眼识珠的阿瑟·洛克,日后则成为了硅谷风投教父,英特尔和苹果都是他投出的杰作。

在洛克的牵线之下,八叛逆找到了投资人,成立了一家半导体公司。公司以大股东费尔柴尔德家族命名,它更为人熟知的名字是意译过来的“仙童半导体”。

1957年9月18日,8位工程师同时向肖克利提出辞职。恼羞成怒的肖克利痛斥他们“忘恩负义”,并称他们为“traitorous eight”,这便是“八叛逆”的由来。

深刻影响硅谷和美国的仙童半导体,就此诞生。

飘扬的蒲公英

半导体很快进入了集成电路时代。

1958年,德州仪器的杰克·基尔比用锗材料制造了第一块混合集成电路。第二年,诺伊斯也制造出基于硅材料的集成电路。

集成电路的出现,意味着计算机体积的缩小和制造成本的降低,并且便于标准化生产,这是人类进入信息时代的第一束光。

截至1966年,德州仪器和仙童半导体成为美国最大的两家半导体公司,仙童的“八叛逆”取得了预想中的成功。

但仙童的鼎盛并没有持续很久——公司成立两年后开始盈利,根据最初的协议,费尔柴尔德家族以300万美元的价格回购了八叛逆手中的股权,但同时也让他们失去了对于仙童半导体的控制权,就连担任总经理的诺伊斯也不能干预仙童半导体的预算计划、利润分配等。

渐渐地,仙童半导体开始有员工出走。1961年2月,拉斯特和赫尔尼,连同他们说服的罗伯茨,三人正式离开仙童,创办阿梅尔克公司,仙童最初的投资人洛克后来也投资了他们的公司。

此后几年中,陆续有员工离开仙童。克莱纳后来成为了一名投资人,他创立的KP(即后来的凯鹏华盈)后来成为硅谷最顶尖的创投基金。

仙童的销售副总裁瓦伦丁跳槽到国民半导体,后来创立了大名鼎鼎的红杉资本;瓦伦丁手下的员工迈克·马库拉后来成为苹果的创始人之一和CEO。

1968年,诺伊斯和摩尔辞职,他们挖走了仙童的研发副主管安迪·格鲁夫,三人创建了英特尔。

1969年,仙童销售主管杰里·桑德斯带着7位同事离职,创办了AMD,成为了英特尔的宿敌。

仙童半导体的光环随着这些开创者的离开而逐渐消失,随后几经辗转、易主,彻底沦为一家普通的公司。但这家公司开创了技术入股、风险投资等模式,吃到了美苏争霸带来的军工订单激增的红利,给整个芯片行业带来了大批人才,还带动了芯片制造从美国转移到日本、韩国等国家。

80年代初出版的著名畅销书《硅谷热》写到:“硅谷大约70家半导体公司的半数,是仙童公司的直接或间接后裔。在仙童公司供职是进入遍布于硅谷各地的半导体业的途径。1969年在森尼维尔举行的一次半导体工程师大会上, 400位与会者中,只有24人未曾在仙童公司工作过。”

就像乔布斯所说,“仙童半导体公司就像一朵成熟了的蒲公英,你一吹它,这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”

芯片战争

20世纪60年代,美国经济高增长后人力成本高企,美国便保留核心技术环节,而将劳动密集的制造环节向外转移。日本抓住电气化浪潮,大力发展家电产业,产生了东芝、索尼、松下、日立等家电巨头。家电业的快速发展催化了对半导体芯片的需求。

由此诞生了全球半导体产业的第一次转移,重心从美国转向日本。

日本政府对半导体产业相当重视,不仅发布了多部法律法规鼓励发展,还牵头富士通、日立、三菱、NEC和东芝五家骨干企业,以及日本工业技术研究院电子综合研究所和计算机综合研究所组建研究联合体,共同实施超大规模集成电路。其中,日本政府出资320亿日元,企业筹集400亿元。

日本的半导体产业得以迅速发展。尤其是DRAM储存芯片市场中,日本半导体企业采用了售价永远比对方低10%,过饱和供应的策略,美国半导体产业几乎难以支撑。日本芯片在全球的市场占有率一度达到 53%。

美国人坐不住了。

通过两次钓鱼执法,美国人逮捕了日立和三菱公司涉嫌窃取商业机密的两名工程师,并以此为由派人入驻两家企业进行监管。

1986年初,美国裁定日本DRAM储存芯片存在倾销的行为, 对日本征收100%反倾销税,并签订了苛刻的《日美半导体协定》。

美国政府的反制措施,加上20世纪80年代初的广场协议,让日本半导体产业迅速失去竞争力。到了20世纪90年代,韩国和中国台湾的公司有成本优势,日本芯片企业开始走向衰退。

在当时,美国对日本半导体产品征收100%的反倾销税,但对韩国产品却只征收0.74%。很快,朝鲜半岛上的一只“猛虎”嗅到了机会。

他就是三星帝国的缔造者,李健熙。

潜龙与猛虎

三星电子于1969年成立,最初的业务是黑白电视。

《日美半导体协定》签订一年后,DRAM产品的价格回升,三星半导体第一次实现盈利。

也是在那一年,李秉哲去世,李健熙正式成为三星的掌门人,他喊出了“二次创业”的口号,大举进军电子和半导体产业。他用三倍工资挖空了东芝工程师,快速提升技术,再用低于成本的价格战发动攻势,而且还大打感情牌,呼吁海外韩国工程师回国参战。

1992年,三星率先推出全球第一个64M DRAM,并于当年超越日本NEC,成为全球最大的DRAM制造商。

通过不断加码,三星在研发和产能上都做到了世界第一,成为了难以撼动的储存芯片霸主。

在储存芯片、液晶面板等诸多领域,三星电子经常一反常规,在行业亏损或衰退期加大投入,自杀式抢占市场,直到行业周期转好时收割利润。

直到今天,三星电子在手机显示面板和闪存芯片市场占据头把交椅,还是芯片代工领域的第二大厂商,仅次于台积电。

如果说李健熙是“猛虎”,那么比他年长11岁的台积电创始人张忠谋则算得上“潜龙”。

1989年12月,三星掌门人李健熙赴台考察,希望挖走张忠谋,但最终没有成功。

张忠谋20多岁就在美国读书和工作,1983年从德州仪器三把手的位置上功成身退。随后被邀请在中国台湾经济部门担任科技顾问。

历史注定让张忠谋走上舞台。1987年,张忠谋决定创业,做一家专门为其他芯片公司代工制造的公司。

在此之前,几乎所有的芯片企业都是自己包揽芯片的设计、制造和封装,从来没有人想过芯片还可以代工。

1988年,张忠谋通过私人交情把当年那位和诺伊斯及摩尔一起出走仙童的研发副主管,英特尔总裁格鲁夫,请到台积电。

张忠谋抓住格鲁夫砍掉储存器业务,大力发展CPU业务的机会,希望得到英特尔的代工订单,也让英特尔把更多的精力放到CPU的研发和设计上。英特尔和台积电的战略不谋而合。

格鲁夫给张忠谋送来第一笔大单,而且在200多道工艺上进行了指导, 这对初生的台积电是极为宝贵的。

张忠谋和他的台积电就此走上了改变芯片产业的征途。

下克上的逆袭

快速发展的台积电,开始反哺美国芯片产业。由于不用再承担建设晶圆厂的巨额成本,大量初创芯片设计公司得以轻装上阵、快速发展,美国芯片公司重新占领全球芯片产业制高点,如今的巨头高通、英伟达等都是得益于此。

台积电的代工,完全超出了人们对“代工”这个词的理解。目前,台积电与三星是全球唯二具有5nm制程芯片生产能力的企业。而研发出5nm工艺的时间,台积电比三星早了半年。

无论是苹果的M1,AMD的ZEN3,高通的骁龙865还是前不久华为遭遇断供的麒麟9000,都是出自台积电之手。三星只能在台积电产能不足时承接剩下的订单。

截至现在,台积电的市值高达4943.89亿美元,接近高通的3倍,比英伟达高1700多亿美元,比英特尔高3000多亿美元,是全球市值最高的芯片企业,不折不扣的打工皇帝。

进入21世纪,台积电和一家当时名不见经传的光刻机小厂商ASML,完成了技术逆袭,就此成为全球最顶尖的芯片企业。

21世纪之前,光刻机霸主是尼康,彼时采用的是“干式”微影技术,但在不断改进的过程中技术遇到了瓶颈,始终无法从193nm波长缩短至157nm。这就意味着,芯片产业的制程始终无法提升。

2003年,台积电研发副总经理的林本坚提出了“浸入式光刻技术”,但傲慢的日美光科技厂商并没有重视。几经转折,台积电找到了荷兰的光刻机小厂阿斯麦尔。

仅仅1年之后,ASML和台积电共同研制出第一台浸润式微影机。尽管尼康也研制成功干式微影技术的157nm产品,但是由于ASML的浸润式微影机的应用成本更低,缩短光波的效果更好,发展潜力很大,大多数半导体厂商采用了ASML的光刻机,日本光刻机自此开始被市场“抛弃”。

然而,光刻机研发需要海量的资金。为了能够有足够的研发费用和稳定的客户市场,ASML采用了“利益捆绑”的合作模式。台积电、三星和英特尔要拿到光刻机,就得购买ASML的股份。于是,2012年,英特尔、三星和台积电向ASML公司投资38.5亿欧元,合计持有ASML公司23%的股份。

2019年,ASML出售26台EUV光刻机,其中13台卖给了台积电。

黄金沃土,累累白骨

为了产能和技术,ASML在收购美国光刻机厂商SVG时,不得不接受美国外国投资委员会在收购协议上附加的苛刻条件,例如保证至少50%以上的零部件从美国采购、定期接受美国的安全审查等。

另外,华尔街资本还大量收购ASML的股份,目前ASML的前三大股东资本国际集团(MSCI)、贝莱德和英特尔均来自美国。

光刻机,整个芯片产业最上游、最关键的产品。一台EUV光刻机重达180吨,零件超过10万个,安装和调试需要1年时间。在1996年签订的《瓦森纳协议》框架下,欧美国家最先进的几代光刻机一直对华禁售。出售的光刻机也都有保留条款。

客观地审视芯片产业,既要看到这是一片黄金遍地的沃土,也应该看到,繁荣的背后,是挥金如土的研发投入,白骨累累的残酷竞争。

这是人类目前最精密的创造品,它的产业链高度细分,有千百家出色的企业,但未来几乎不会再有企业有覆盖一整条产业链的能力。

中国的半导体产业起步很早。1950年1月,在美国普渡大学任教的王守武受留美科协的感召决定回国,为刚解放不久的新中国做一点贡献。与王守武一样先后辗转回国的,还有黄昆、谢希德、夏培肃、汤定元、黄敞、林兰英等专家。

在“两弹一星”等重大项目的需求牵引下,一些领域的技术攻克甚至比日韩还早。

例如平面工艺的突破距离仙童半导体诺伊斯只晚了5年,第一块集成电路的研制也只比美国晚7年。

但因为种种原因,中国的半导体产业在上世纪7、80年代掉队,国内的科技企业不得不依赖国外芯片。

钱学森晚年曾经感慨:“(20世纪)60年代我们全力投入两弹一星,我们得到很多。70年代我们没有搞半导体,我们为此失去很多。”

2000年之后,中国半导体产业幡然醒来。进入了海归创业和民企崛起的时代。

中星微的邓中翰于1999年回国,中芯的张汝京于2000年回国,展讯的武平和陈大同于2001年回国,芯原的戴伟民于2002年回国,兆易的朱一明于2004年回国。他们带着丰富的经验,涌入了中国半导体产业的大潮。

尽管和世界先进水平还有差距,但中国有完备的工业体系和巨大的市场。眼下,“中国芯”成为了迫在眉睫的需求,中国的芯片产业终于受到了前所未有的关注,得到了更丰富的资金和资源。

追上世界先进水平的那一天,想必不会遥远。

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