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芯片的起源和发展
01 晶体管的发明源于战争诉求
芯片基于晶体管，它的发明要追溯到第二次世界大战时期。
二战是一场工业消耗的冲突。
战场上有无数成排的坦克，一波又一波的飞机，成千上万吨从空中坠落的炸弹，运送卡车、战车、石油产品、机车、轨道车、大炮、弹药、煤炭和钢铁的船队等等。二战比拼的是铜和铁、橡胶和石油、铝和锡等能源的储备和飞机大炮等制造业的力量。
彼时，数量有绝对优势。美国建造的坦克比所有轴心国的加起来还要多，船只、飞机也更多，大炮和机枪的产量是轴心国的两倍。
但是二战之后，开始比拼计算能力、精确打击能力。
早期的计算机使用真空管来实现计算能力。真空管是一种灯泡状器件，将金属丝密封在真空玻璃中。流经真空管的电流通过控制电极可以打开和关闭，打开的真空管编码为 1，关闭的编码为 0。
1945 年，宾夕法尼亚大学为美国陆军建造了一台名为“埃尼阿克”（ENIAC）的计算机。它是当时最先进的计算机，用来计算炮弹轨迹。它有 18000 只真空管，每一个都有拳头大小。它平均每两天坏掉一个真空管，导致整个机器停止运转，技术人员每天忙碌地寻找并更换损坏的部件。
越南战争早期的轰炸行动，比如1965 - 1968 年的 “滚雷行动”，投掷了超过 80 万吨炸弹，比二战期间太平洋战区投掷的炸弹还要多。但是它对北越军队的影响微乎其微，因为大多数炸弹都没有击中目标。
战后的一项研究发现，在越南发射的"麻雀”导弹中，66% 出现了故障。只有 9.2% 的导弹命中目标，其余的都打偏了。
清化大桥是一座约 165 米长的金属结构桥，横跨越南北部的马江，周围环绕着防空系统。大桥周围有 800 个坑点，是由美国炸弹或火箭造成的。还有数十枚甚至数百枚炸弹落在河里，没有留下任何痕迹。
越战后，那座桥仍然矗立着。
02 威廉·肖克利发现半导体可以控制电流，成为用于计算的理想元件
大多数材料要么导电（如铜线），要么绝缘（如玻璃），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，例如磷或硼，并施加电场时，电子就会开始流动。
如果半导体的电流可以被控制，就为新型器件的诞生提供了可能。
但当时它的导电特性神秘且无法解释，到 20 世纪 40 年代末，贝尔实验室（当时领先世界的科学和工程中心之一）的所有物理学家也没能弄清楚它的特性。
威廉·肖克利（William Shockley）出生于英国伦敦一个满世界跑的采矿工程师家庭。他在加州理工学院读本科，在麻省理工学院获得物理学博士学位，之后在贝尔实验室工作。他为人自大，同事都觉得他令人讨厌，但也都承认他是一位杰出的理论物理学家。
他假设，如果在硅这样的半导体材料上施加电场，就可以吸引其内部的“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。
1947 年，受肖克利启发，他的同事沃尔特·布喇顿（Walter Brattain）和约翰·巴丁（John Bardeen）观测到了流过锗的电流可以被控制并放大，后来把这种半导体命名为晶体管。
由于晶体管可以放大电流，人们很快就意识到晶体管可以用于助听器和收音机等产品，从而取代不太可靠的真空管。
03 集成电路使晶体管小型化成为可能
晶体管如果能够简化并大规模销售，就能取代真空管。
构建理论和发明晶体管仅仅是第一步，人们现在面临的挑战是大量制造它们。
晶体管很快就开始取代电脑中的真空管，但数千个晶体管之间的布线如同丛林般复杂。
1958 年，TI（Texas Instruments 德州仪器）的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）一直在琢磨，将不同晶体管串在一起所需的导线数量，如何可以减少。他没有用一块单独的硅或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晶体管。
杰克·基尔比发明集成电路 图片来自网络
肖克利在 1955 年成立了一家半导体公司。两年后，公司的八名工程师集体辞职，创立了仙童半导体（Fairchild Semiconductor）。肖克利虽然有发现人才的本领，却是一个糟糕的老板。
这八名叛逆者被普遍认为是硅谷的创始人。
其中一位尤金·克莱纳（Eugene Kleiner），后来成立了世界上最大的风险投资公司之一克莱纳·珀金斯（Kleiner Perkins）。戈登·摩尔（Gordon Moore）负责仙童的研发，后来提出了摩尔定律的概念，描述计算能力的指数级增长。
最重要的是罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce），他是“八叛逆”中的领袖，对微电子有着超凡的热情和远见卓识，他也发明了另一种形式的集成电路。
集成电路使晶体管小型化成为可能。更小的晶体管意味着更少的电力消耗。这将是一个强大的组合，它有可能为集成电路创造新的应用。
每个人都认为集成电路的发明很聪明，甚至绝妙。但它需要一个市场。
04 光刻技术使人们可以构想大规模生产
现有的工艺使集成电路小型化还很困难。
它需要在半导体材料的某些部位放置特殊形状的蜡球，然后使用专用化学品腐蚀未覆盖的部分。制造更小的晶体管需要更小的蜡球，但控制这些蜡球的形状很困难。
1958 年 9 月，TI 工程师杰伊·莱思罗普（Jay Lathrop）和助手詹姆斯·纳尔（James Nall）在通过显微镜观察晶体管时，有了一个想法：显微镜镜头可以拍摄一些小东西，让它们看起来更大。如果把显微镜颠倒过来，这些小东西看起来就更小。
那么，能用镜头把一个大图案“印”到锗上，从而在锗块上制作微型台面吗？
莱思罗普用柯达的光刻胶（这种物质在受到光照时会发生化学变化）涂在一块锗上。他将显微镜颠倒过来，用一个矩形图案覆盖目镜，这样光线就只能穿过矩形区域。当光线通过物镜聚焦到光刻胶涂层的锗上时，倒置的显微镜缩小了矩形图案的尺寸，形成了完美的微缩版。
当光线照射到光刻胶层时，化学结构发生了改变，使其显影时能被溶解，留下一个比任何一团手工蜡都要小得多的矩形小孔，其形状也更精确。
光刻技术使人们可以构想大规模生产微型晶体管。1957 年，莱思罗普申请了这项技术的专利。
柯达的光刻胶纯度不足以保证大规模生产，因此 TI 自己购买了离心机，来加工化学品。基尔比的集成电路所需的硅片必须是超纯的，市面上没有产品可以满足。因此，TI 也开始自己生产硅片。
化学品中含有当时无法检测到的杂质，温度和压力的细微变化可能会引起意外的化学反应，投射光线的掩模可能被灰尘颗粒污染，一点点杂质就可能使整批产品报废。
唯一的方法是反复测试，TI 组织了数千次实验来评估不同温度与化学物质组合对生产工艺的影响。
发明晶体管的诺贝尔奖授予了肖克利、巴丁和布喇顿。发明集成电路的诺贝尔奖授予了基尔比（诺伊斯在 62 岁时去世，否则他会与基尔比分享这个奖项）。
这些发明是至关重要的，但光靠科学还不足以建立芯片产业。芯片产业之所以起飞，是因为工程师们花了多年时间优化生产流程，使大规模生产成为可能。
正是工程和直觉，以及科学理论，使贝尔实验室的专利变成了一个改变世界的行业。
05 集成电路发明后，首先应用于军用市场
就在仙童成立的三天后，苏联发射了世界上第一颗人造卫星（Sputnik）。四年后，宇航员尤里·加加林（Yuri Gagarin）成为第一个进入太空的人，苏联再次震惊了世界。
在美国，苏联的太空计划引发了一场信心危机。美国本以为自己是世界科技超级大国，但似乎已经落后了。华盛顿启动了一项紧急计划以赶上苏联的火箭和导弹。罗伯特·诺伊斯立即意识到他的集成电路有了一个市场：火箭。
诺伊斯芯片的第一笔大订单来自 NASA（美国国家航空航天局）。阿波罗飞船制导计算机需要芯片。
最终将阿波罗 11 号带上月球的计算机重达约 32kg，占据了大约 1 立方英尺（约 28 立方分米）的空间。但比宾夕法尼亚大学的埃尼阿克计算机小 1000 倍，它用了仙童的芯片。
20 世纪 70 年代，美国军方让 TI 来改进导弹。TI 对炸弹的设计一无所知，因此从一枚 340kg 重的M-117 标准炸弹开始研究，也就是那个已经在越南清化大桥周围投下 638 枚炸弹却没有成功击中目标的型号。
TI 研发了 “宝石路”（Paveway）激光制导炸弹。它为炸弹增加了一组小翅膀，当炸弹从空中坠落时，小翅膀可以引导炸弹飞行。
1972 年 5 月 13 日，美国飞机在清化大桥上投下了 24 枚炸弹。
在那天之前，清化大桥一直矗立在数百个弹坑之中，就像一座纪念碑，纪念着 20 世纪中叶轰炸战术的偏差。
这一次，炸弹直接命中。一个简单的激光传感器和两个晶体管将一个命中率为 0/638 的武器变成了精确打击的工具。
1991 年 1 月 17 日凌晨，第一批美国 F-117 隐形轰炸机从沙特阿拉伯空军基地起飞，黑色机身迅速消失在黑暗的沙漠天空中。它们的目标是巴格达，伊拉克战争就要打响。
巴格达拉希德街上12 层高的电话交换大楼，是这次战争的重要目标。
两架飞机瞄准目标 ，释放了约 900kg 的激光制导 “宝石路” 炸弹，炸穿了大楼并将其点燃。几乎同时，116 枚 “战斧”巡航导弹从近海军舰发射，击中了巴格达及其周围的目标。
伊拉克建筑物、坦克和机场被武器精确摧毁。人们无法否认，战争的性质正在改变。
06 仙童总裁独具战略目光，认为有个更大的民用市场
到了 20 世纪 60 年代中期，从卫星到声呐，从鱼雷到遥测系统，美国军方在各种武器中都采用了芯片。
军事和太空计划对仙童的早期成功至关重要。诺伊斯在 1965 年表示，军事和航天应用将使用“今年生产的 95% 以上的电路”。
诺伊斯拒绝了大多数军事研究合同，选择将仙童的大部分研发目标瞄准大众市场产品。
第一个为商业市场生产的集成电路用于真力时（Zenith）助听器。挑战将是如何将价格降下来。军方可以支付髙价，但消费者对价格敏感。诱人的是，民用市场的利润远大于冷战时期五角大楼臃肿的预算。
20 世纪 60 年代初，美国国防部部长罗伯特·麦克纳马拉（Robert McNamara）改革军事采购以削减成本，引发了电子行业的“麦克纳马拉萧条”，仙童对平民芯片的设想似乎具有先见之明。
仙童是第一家为民用客户提供现成集成电路完整产品线的公司。20 世纪 60 年代中期，仙童大幅降价，从 20 美元降至 2 美元。有时甚至低于成本价，只为说服更多客户试用。
由于价格下调，仙童开始赢得私营公司的大合同。1966 年 ，计算机公司柏拉夫斯（Burroughs）从仙童订购了 2000 万只芯片，这是阿波罗计划消耗的 20 多倍。到 1968 年，计算机行业购买的芯片数量与美国军方一样多。仙童芯片服务于计算机市场的 80%。
诺伊斯的降价策略取得了回报——为民用计算机开辟了一个新的市场，这将推动未来几十年的芯片销售。
摩尔后来认为，诺伊斯的降价策略与仙童集成电路技术是同样重大的创新。
07 英特尔成立，推出 DRAM 芯片
1968 年，仙童创始人出走，成立英特尔。
在 20 世纪 70 年代之前，计算机“记忆”数据不使用硅芯片，而是使用一种称为磁芯的元件。磁芯是一种由金属丝网串在一起的微小磁环矩阵。当一个环被磁化时，它为计算机存储 1，而一个非磁化的环是 0。
但记忆 1 和 0 的需求正在爆炸式增长，磁环不能做得再小了。随着计算机内存需求的激增，磁芯无法跟上时代。
20 世纪 60 年代，一些工程师开始设想采用集成电路来“记忆”数据，DRAM 芯片应运而生。这是英特尔推出的第一款产品。
英特尔计划主宰 DRAM 芯片业务。存储芯片不需要专用化，同样的设计可以用于不同类型的设备。这使得大规模生产成为可能。
相比之下，负责“计算”的另一种类型的芯片——逻辑芯片，需要专门的设计，因为每个计算问题都不同。例如，计算器的工作方式与导弹制导计算机不同。
这种专用化提高了成本，因此英特尔决定将重点放在存储芯片上——大规模生产将产生规模经济。
但很快，他们增加了一条产品线。
1969 年，一家名为布西科姆（Busicom）的日本计算器公司与诺伊斯联系，要求为其最新的计算器设计一套复杂的电路。手持式计算器是那个年代的 iPhone，功能强大，可以放在每个人的口袋里。
诺伊斯请说话温和的工程师泰德·霍夫（Ted Hoff）来处理这个需求。霍夫在学习完神经网络后，来到了英特尔。
霍夫意识到计算机面临着定制逻辑电路和定制软件之间的权衡。
因为芯片制造是一项定制业务，需要为每个设备提供专门的电路，所以客户不会认真考虑软件。但英特尔在存储芯片方面的进步，以及存储芯片的功能将随着时间的推移呈指数级增强的前景，意味着计算机将很快拥有处理复杂软件所需的内存容量。
霍夫打赌，设计一个标准化的逻辑芯片，再加上一个可用软件编程的功能强大的存储芯片，可以完成许多不同的计算，而且芯片价格很快就会变得更便宜。
英特尔推出了一款名为 4004 的芯片， 并声称这是世界上第一款微处理器——正如该公司的广告宣传所说的 “芯片上的微型可编程计算机”。该芯片可用于许多不同类型的设备， 并在计算领域掀起一场革命。
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日本芯片业的兴衰
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。硅谷原以为自己是世界科技行业的佼佼者，但在经历了 20 年的快速增长之后，它面临着一场生存危机：来自日本的残酷竞争。
01 日本芯片业的崛起：从被扶持者到挑战者
二战结束时，美国曾想剥夺日本的高科技产业，作为其发动战争的惩罚。但在日本投降的几年内，美国采取了一项政策，即“一个强大的日本比一个弱小的日本风险更小”。除了短暂关闭过日本核物理研究外，美国政府支持日本作为科技大国复兴。
盛田昭夫的父亲是日本著名清酒厂的第十五代继承人，曾希望他的儿子成为第十六代继承人。盛田昭夫从出生起就被按接班人培养。但他儿时喜欢摆弄电子设备，长大后获得了物理学学位。
1953 年，盛田昭夫前往美国，对美国的幅员辽阔和非凡的消费能力感到震惊，尤其是与战后东京的贫困相比。在纽约，他会见了美国电话电报公司的高管，他们同意向盛田昭夫颁发生产晶体管的许可证。
索尼的第一个主要成就是晶体管收音机。几年前，TI 曾试图销售晶体管收音机，尽管它拥有必要的技术，但在定价和营销上搞砸了，随后放弃了这项业务。盛田昭夫却抓住了这个机会，很快就销售了数万台索尼收音机。TI 总裁帕特·哈格蒂（Pat Haggerty）后来感叹道，如果早一点找到做品牌产品的方法，TI “就会成为消费电子产品的索尼”。
1979 年 ，索尼推出了随身听，这是一款便携式音乐播放器。它彻底改变了音乐行业，每台设备集成了 5 块尖端集成电路。全世界的青少年，都可以把他们最喜欢的音乐放在口袋里。索尼在全球售出 3.85 亿台，使随身听成为历史上最受欢迎的消费品之一。
索尼的专长不是设计芯片，而是设计消费类产品和定制人们需要的电子产品。但复制索尼的产品创新和营销专业知识，与复制美国的半导体专业知识一样困难。
除了消费电子类产品，日本也在制造 DRAM 存储芯片。
20 世纪 80 年代，像东芝（Toshiba）和 NEC（日本电气公司）这样的公司，都在制造 DRAM 存储芯片。但硅谷的大多数人并不重视这些公司，惠普髙管理査德·安德森（Richard Anderson）也是其中一员。
但他在测试了日本公司的芯片后，发现其质量比美国产品好得多。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%。美国芯片故障率是日本的 4.5 倍。
战后几年，“日本制造”曾是 “便宜”的代名词。但像盛田昭夫这样的企业家，已经渐渐让这个词成为品质的代名词。
日本竞争对手的高质量、高效率让美国倍感压力。事实上，不止芯片行业，从汽车到钢铁，美国工业都面临着日本的激烈竞争。
日本芯片业的崛起有几方面的原因。
一是日本资金成本便宜。
下一代芯片大约每两年出现一次，需要新的设施和新的机器。建造先进的制造工厂极其昂贵，因此信贷成本非常重要。20 世纪 80 年代， 美联储试图对抗通货膨胀，利率高达 21.5%。
相比之下，日本 DRAM 公司获得了更便宜的资本。日立和三菱等芯片制造商是大型企业集团的一部分，它们与提供大型长期贷款的银行有密切联系。即使在日本公司无利可图的时候，银行也会在很长一段时间内通过发放信贷来维持它们的生存，而美国贷款机构的做法通常是迫使公司破产。
有了几乎无限的银行贷款，它们便能够在等待竞争对手破产的过程中承受住损失。20 世纪 80 年代初，日本公司在生产设备方面的投资比美国竞争对手高出 60%，尽管该行业的每家公司都面临着同样激烈的竞争，几乎没有人赢利。日本芯片制造商继续投资和生产，占据了越来越多的市场份额。
在 64K DRAM 芯片推出五年后，曾于十年前率先推出 DRAM 芯片的英特尔只剩 1.7% 的全球份额。AMD、美国国家半导体公司和其他行业领导者也放弃了 DRAM 芯片的生产。
随着硅谷被挤出，日本公司在 DRAM 生产上加倍努力。1985 年，日本公司在半导体上的资本支出占全球的 46%，而美国为 35%。到 1990 年，这些数字更加不平衡，日本公司占全球芯片制造工厂和设备投资的一半。
二是对国内市场的保护。
日本公司可以向美国出售产品，但硅谷难以在日本赢得市场份额。
1974 年之前，对于美国公司在日本国内销售的芯片数量，日本一直实行配额限制。即使后来这些配额取消了，日本仍然很少从硅谷购买芯片， 尽管日本消耗了世界上 1/4 的半导体（索尼等公司将这些半导体用于电视和录像机销往全球）。
日本一些大型芯片消费者，比如垄断了国家电信业的公司 NTT（日本电信电话公司），几乎完全从日本供应商那里购买芯片。硅谷在日本的低市场份额使美国公司损失了数十亿美元的销售额。
曾经被嘲笑为晶体管销售员的日本，后来成为世界第二大经济体。日本挑战了对美国军事力量至关重要的一些领域的工业主导地位。
02 英特尔被迫放弃 DRAM 市场，寻求转机
英特尔彼时的 CEO 安迪·格鲁夫（Andy Grove）意识到，英特尔销售 DRAM 芯片的商业模式已经完蛋。DRAM 的价格可能会从暴跌中复苏，但英特尔将永远无法夺回市场。
在 1985 年的大部分时间里，格鲁夫都坐在戈登·摩尔的办公室里，它位于英特尔圣克拉拉总部。两个人凝视着窗外大美洲游乐园的摩天轮，希望内存市场能够像摩天轮上的一间小屋一样，触底后再次上升。
不过，在不大的微处理器市场，英特尔是一个领导者，而日本公司仍然落后。最终，英特尔决定放弃存储器芯片，专注于个人电脑微处理器。
1980 年，英特尔与美国计算机巨头 IBM 签订了一份小额合同，为一种叫“个人电脑”的新产品制造芯片。IBM 与一位名叫比尔·盖茨（Bill Gates）的年轻程序员签订了合同，让他为计算机的操作系统编写软件。
20 世纪 80 年代中期，个人电脑市场蓬勃发展。除了苹果电脑，几乎每一台电脑都使用英特尔的芯片和微软的 Windows 软件。
英特尔进入个人电脑时代，垄断了个人电脑的芯片销售。
03 韩国的崛起：敌人的敌人就是朋友
1938 年，李秉喆创立三星。
他从鱼类和蔬菜行业开始，逐步涉足了糖业、纺织业、化肥业、建筑业、银行业和保险业。
早在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初，李秉喆观察东芝和富士通等公司抢占 DRAM 市场份额时，就想进军半导体行业。当时，韩国已经是美国、日本芯片进行外包组装和封装的重要地点。
李秉喆 图片来自网络
进军半导体行业将需要大量资本支出，且无法保证它会奏效。对李秉喆而言，这是一个很大的赌注。他犹豫了几个月，失败可能会毁掉他的整个商业帝国。
但韩国政府表示愿意提供财政支持，并承诺投资 4 亿美元发展半导体产业。韩国的银行将遵循政府的指示，再发放巨额贷款。
因此，与日本一样，韩国的科技公司并非来自车库，而是来自能够获得廉价银行贷款和政府支持的大型企业集团。
1983 年 2 月 ，在经历了一个不眠之夜后，李秉喆拿起电话，打给三星的电子部门负责人，宣布制造半导体。他宣称，他将公司的未来押在半导体上，并准备花费至少 1 亿美元。
硅谷打赌，应对来自日本的存储芯片竞争的最佳方式，是在韩国找到更便宜的来源，敌人的敌人就是朋友。
韩国的成本和工资大大低于日本，因此像三星这样的韩国公司有机会赢得市场份额，即使它们的制造工艺没有日本完美。
随着硅谷的 DRAM 生产商大多濒临倒闭，它们几乎毫不犹豫地将顶尖技术转移到韩国。
李秉喆提议资金紧缺的存储芯片初创公司美光提供 64K DRAM 芯片的授权，并在此过程中与美光创始人成为好友。美光正在寻找它能得到的任何资金，它热切地表示同意，即使这意味着三星将学习美光的许多工艺流程。
英特尔是 20 世纪 80 年代与三星签约，成立合资企业的几家硅谷公司之一，出售由三星生产的英特尔自有品牌芯片，并意图帮助韩国芯片产业，以减少日本的威胁。
1992 年，三星取代了日本的 DRAM 生产商，成为世界领先的存储芯片制造商。在此后的十年中，它抵挡住了来自中国台湾和新加坡的竞争，发展迅速。
三星的发展，主要受益于政府的支持和银行的放款。
三星的一位高管解释说，DRAM 市场就像一场“胆小鬼博弈”游戏。在经济好的时候，世界上的 DRAM 公司会向新工厂投入大量资金，将市场推向产能过剩，从而压低价格。继续投资是极其昂贵的，但停止投资，哪怕是一年，都有可能将市场份额让给竞争对手。
04 日本芯片业的衰退
1990 年，金融危机袭来，日本市场崩溃。很快，东京股市的交易价格就降到了 1980 年的一半，房地产进一步下跌。日本的经济奇迹似乎戛然而止。与此同时，美国在商业和战争中复苏。在短短几年内，“日本第一”似乎不再准确。
日本芯片的崛起是建立在过度投资基础上的。只要银行继续放贷，首席执行官们就习惯继续支出，建造新厂，而不考虑有没有利润。
然而日本芯片公司犯下的最大错误是错过了个人电脑的崛起。没有一家日本芯片巨头能够复制英特尔转向微处理器或其对个人电脑生态系统的掌控。NEC 尝试过，但它从未赢得过微处理器市场，哪怕是一小部分。
对于格鲁夫和英特尔来说，在微处理器上赚钱是生死攸关的问题。日本的 DRAM 公司拥有巨大的市场份额和很少的资金限制，却一直忽视微处理器市场，直到醒悟时为时已晚。
当日本股市崩盘时，日本的半导体主导地位已经在削弱。1993 年，美国重返半导体发货量第一位。
1998 年，韩国取代日本成为世界上最大的 DRAM 生产国，而日本的市场份额从 20 世纪 80 年代末的 90% 下降到 1998 年的 20%。
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台积电的发展与离岸外包
1985 年时 ，台湾是亚洲半导体器件封装的领导者之一。从岛外拿到芯片进行测试，并将其安装在塑料或陶瓷封装材料上。
台湾以创造了大量半导体工作岗位而自豪，但只获得了一小部分利润，因为芯片行业的大部分利润来自设计和生产最先进芯片的公司。
80 年代，三星和韩国其他大型企业集团正在向最先进的存储芯片投入资金。新加坡和马来西亚正试图复制韩国从组装半导体到制造半导体的转变。
台湾仅仅是保持其在半导体供应链最底层的地位，也必须不断努力。
改革开放后，中国大陆开始融入全球经济，吸引了一些台湾用来摆脱贫困的基本制造业和装配业工作。由于工资较低，数亿农民渴望从农村走向城市。
大陆进入电子组装行业可能会让台湾破产。
01 台积电的成立
张忠谋出生于浙江宁波，成长于二战时期的香港，他被哈佛大学录取，成为大一新生里唯一的中国学生。
在学习莎士比亚文学一年后，张忠谋开始担心自己的职业前景。“这儿有华裔洗衣店，有华裔餐馆”，他回忆道，“20 世纪 50 年代初，一个华裔美国人能从事的唯一真正严肃的中产阶级职业是技术性的。”张忠谋认定机械工程似乎比英国文学更可靠，所以他转到了麻省理工学院。
一位同事回忆道：“你和他一起工作时必须小心。他坐在那里，吸着烟斗，透过烟雾看着你。”在烟雾的背后，是一个无与伦比的大脑。一名下属回忆道：“张忠谋对待员工非常苛刻，如果你没有被他折磨过，你就没有在 TI 工作过。”
不过，张忠谋的方法产生了效果。几个月内，他的晶体管生产线的成品率跃升至 25%。很快，他被任命为 TI 整个集成电路业务的负责人。
TI 的超高效制造工艺是他专业实践和知识的结晶。他亲自帮助建立了世界半导体产业。
张忠谋虽然在中国大陆出生，但自从大约 40 年前离开后，就再也没去过大陆。到了 20 世纪 80 年代中期，张忠谋住得最久的地方是得克萨斯州。他持有美国最高机密安全许可证，为美国军方开发电子产品。可以说，他更像美国得克萨斯人，而不是中国台湾人。
在 TI 工作了 20 多年后，张忠谋没有被聘为首席执行官，于 20 世纪 80 年代初离开了该公司。他后来说，“被放鸽子了。”
1985 年 ，中国台湾地区经济部门负责人李国鼎把张忠谋叫进了他在台北的办公室，聘请他领导台湾芯片产业。“我们想在台湾推动半导体产业 。” 他说，“告诉我，你需要多少钱。”
张忠谋觉得很有意思，时年 54 岁的他正在寻找新的挑战。
台湾为台积电提供了 48% 的启动资金，只规定张忠谋找一家外国芯片公司提供先进的生产技术。
张忠谋被 TI 和英特尔的前同事拒绝了，但说服了荷兰半导体公司飞利浦（Philips）出资 5800 万美元，转让生产技术，授予知识产权，以换取台积电 27.5% 的股份。
其余的资金是从台湾富商那里“筹集”的。
台湾要求岛上几家最富有的家族提供资金，这些家族拥有专门从事塑料、纺织品和化工的公司。当一位商人在与张忠谋三次会面后拒绝投资时，台湾相关部门负责人打电话给这位吝啬的商人，提醒他：“过去20年里，台湾一直对你很好，你最好现在就为台湾做点什么。”不久，张忠谋的芯片厂收到了这位商人的支票。
台湾还为台积电提供了丰厚的税收优惠，确保该公司有足够的资金进行投资。
从第一天起，台积电就不是真正的私人企业，而是台湾当局的项目。
02 新业态的诞生：无晶圆厂的设计公司
还在为 TI 工作时，张忠谋就考虑创建一家半导体公司，生产别人设计的芯片。当时，像 TI、英特尔和摩托罗拉这样的芯片公司，主要生产自己设计的芯片。
1976 年 3 月， 张忠谋向 TI 的高管们介绍了这一新的商业模式。他认为，计算能力的低成本，将打开大量新的半导体应用。如果能为芯片创造新的需求来源，那么芯片很快将用于从手机到汽车到洗碗机的所有领域。
他认为，设计这些产品的公司缺乏生产半导体的专业知识，因此它们更愿意将制造外包给专业人士。此外，随着技术的进步和晶体管的缩小，制造设备和研发成本将上升，只有生产大量芯片的公司才具有成本竞争力。
TI 的其他高管并不信服，当时还没有任何“无晶圆厂”的公司设计芯片。TI 已经赚了很多钱，在还不存在的市场上赌博似乎有风险，这个想法被悄无声息地否决了。
在台积电之前，几家主要位于硅谷的小公司曾尝试围绕芯片设计开展业务。这些 “无晶圆厂”公司有时能够说服一家拥有闲置产能的较大芯片制造商生产它们的芯片。
但大型芯片制造商有自己的生产计划，它们总是处于二等地位。更糟糕的是，这些制造商有可能复制它们的创意。此外，它们还必须在各大芯片制造商略有不同的制造流程中进行调整。
台积电的成立为所有芯片设计师提供了可靠的合作伙伴。张忠谋承诺永远不会设计芯片，只会制造芯片。
通过降低启动成本，张忠谋的代工模式催生了一个新的行业——无晶圆厂芯片设计公司。通过将计算能力应用于各种设备，这改变了科技行业。
英伟达就是一个典型的例子。
早期的个人电脑是一个单调乏味的 2D （二维）世界，因为显示 3D 图像所需的计算量很大。20 世纪 90 年代，微软 Office 推出了一款形似回形针的小助手 Clippy，位于电脑屏幕的一边。这代表了图形技术的一次飞跃，但经常导致电脑死机。
英伟达不仅设计了能够处理 3D 图形的 GPU 芯片，还围绕这些芯片建立了一个软件生态系统。
2006 年，英伟达意识到高速并行计算可以用于计算机图形以外的用途，发布了CUDA（统一计算设备架构）软件，该软件允许 GPU 以标准编程语言进行编程，不需要任何图形参考。
通过使芯片在图形处理行业之外发挥作用，英伟达发现了从计算化学到天气预报的并行处理的巨大新市场。当时，CEO 黄仁勋只能模糊地感知到并行处理的最大应用——人工智能——的潜在增长。
如今，英伟达的芯片主要由台积电制造。
设计顶级芯片就足够困难了，如果英伟达还必须管理昂贵且耗时的制造环节，可能就没有足够的资源构建软件生态系统了。
03 英特尔守着护城河，错过手机市场
到 2006 年，英特尔已经为世界大多数个人电脑提供了处理器。其芯片使用 x86 架构。x86 是一套基本规则，规定了芯片的计算方式，这是个人电脑的行业标准。
在 20 世纪 90 年代初的员工会议上，格鲁夫勾勒出一幅图像，展示他对计算机未来的愿景：一座被护城河环绕的城堡。这座城堡是英特尔的盈利能力，守卫城堡的护城河是 x86。
英特尔的 x86 指令集架构也主宰了服务器业务。随着 21 世纪初各大公司建立了越来越大的数据中心，以及亚马逊云、微软云和谷歌云等云服务的推出，服务器业务蓬勃发展。
到 2005 年左右，就在云计算兴起之际，英特尔几乎垄断了数据中心芯片，仅仅与AMD 进行竞争。如今，几乎每个主要数据中心都使用英特尔或 AMD 的 x86 芯片。
自 20 世纪 90 年代初以来，在格鲁夫还是首席执行官时， 移动设备就一直是英特尔经常讨论的话题。彼时，在圣克拉拉总部的一次会议上，一位高管向空中挥舞着他的掌上电脑说：“这些设备会成长起来，取代个人电脑。”但在个人电脑处理器销售收入高得多的时候，向移动设备注入资金的想法似乎是一场疯狂的赌博。
2006 年，史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）带着一个想法找到了时任英特尔 CEO 的保罗·欧德宁（Paul Otellini）。
所有手机都使用芯片来运行操作系统，并管理网络通信。但苹果希望其手机能像电脑一样运行，因此需要一个强大的计算机式处理器。
欧德宁事后告诉记者：“苹果想付出一定的代价，但不会超过一分钱......我看不出来。这不是可以在销量上弥补的。事后看来，关于代价的预测是错的，而销量是所有人想象的 100 倍。”
当时，英特尔拒绝了 iPhone 的合同。
就在英特尔拒绝 iPhone 合同的几年后，苹果在智能手机上的收入比英特尔销售个人电脑处理器的收入还要多。英特尔曾多次尝试攀登苹果城堡的围墙，但已经失去了先行者的优势。
对于英特尔来说，花费数十亿美元获得第二名几乎没有吸引力，况且英特尔的个人电脑业务仍然利润丰厚，其数据中心业务增长迅速。如今，移动设备消耗了近三分之一的芯片。
英特尔的领导层一贯优先考虑生产利润率最高的芯片。这是一个理性的策略，但却有可能错过新机会。
04 台积电挺过金融危机
2008 - 2009 年的金融危机威胁着芯片产业的重组。消费者不再购买电子产品，科技公司也不再订购芯片，半导体的采购大幅下滑。台积电的一位高管回忆道，感觉就像是一部电梯在空旷的竖井里倾斜。
如果说还有什么能颠覆芯片产业的话，那就是全球金融危机。
不过，张忠谋并不打算放弃芯片制造业务的主导地位。自从他的老同事基尔比发明集成电路以来，他经历了行业的每一个周期。他确信这次衰退最终也会结束，过度扩张的公司将被挤出市场。
此外，张忠谋早就意识到智能手机将如何改变计算，从而改变芯片行业。媒体聚焦于年轻的科技大亨，比如脸书的马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg），但时年 77 岁的张忠谋有着无人能与之匹敌的视角。
他告诉《福布斯》，移动设备将成为芯片行业的“游戏规则改变者”。他决定不惜一切代价赢得这项业务的最大份额。
在金融危机中，张忠谋精心挑选的继任者蔡力行（Rick Tsai）做了每一位 CEO 都做过的事情：裁员和削减成本。张忠谋想做相反的事。他认为蔡是一个失败主义者，他解雇了这位继任者，重新获得了台积电的直接控制权。台积电股价当天下跌，投资者担心张忠谋会启动高风险的支出计划。
在危机最严重的时候，张忠谋重新雇用了前 CEO 解雇的员工，并加倍投资于新产能和研发。尽管面临危机，他还是宣布在 2009 年和 2010 年增加几十亿美元的投资。张忠谋宣称：“产能过大比产能不足要好。”任何想进入代工业务的人都将面临台积电的全面竞争，因为台积电全力抢占蓬勃发展的智能手机芯片市场。
21 世纪初，半导体已分为三大类。第一类是逻辑芯片， 是指运行智能手机、计算机和服务器的处理器。第二类是存储芯片，指的是 DRAM（提供计算机运行所需的短期内存）和 NAND（随着时间的推移记住数据）。第三类芯片比较分散，包括将视觉或音频信号转换为数字数据的传感器等模拟芯片、与手机网络进行通信的射频芯片，以及管理设备如何使用电力的芯片等。
第三类并不依靠摩尔定律来推动性能的改进，聪明的设计比缩小晶体管更重要。这类制造厂通常不需要每隔几年推出更小的晶体管，因此成本要低得多。如今，最大的模拟芯片制造商在美国、欧洲和日本。
DRAM 芯片主要由美光、三星、SK海力士（SK Hynix）生产。NAND 的市场也以亚洲为中心，三星占了 35% 的市场份额。而逻辑芯片，除英特尔内部制造的之外，所有最先进的逻辑芯片都是由三星和台积电两家公司制造的。
2012 年，张忠谋在进入半导体行业的第六个 10 年时宣布：“我们才刚刚开始。”
05 离岸外包的喜与悲
美国在亚洲的力量建立在技术优势、军事实力以及将日本、香港、韩国以及东南亚国家和地区联系在一起的贸易和投资联系之上。
半导体重塑了美国在该地区盟友们的经济和政治。曾经滋生政治激进主义的城市被勤劳的装配线工人改造，他们乐于放弃不稳定的职业或农活来争取工厂里的高薪工作。
到 20 世纪 80 年代初，电子行业占新加坡 GNP (国民生产总值）的 7%，占制造业就业的 25%。在电子产品生产中，60% 的产品是半导体，其余大部分是没有半导体就无法工作的产品。在中国香港，电子制造业创造的就业机会比纺织业以外的任何行业都多。
当然，离岸外包也有它的不利因素。
1999 年，台湾发生里氏 7.3 级地震，大部分地区停电，包括两座核电站。台积电的晶圆厂也失去了电力，这威胁到了台积电的芯片生产和全球许多芯片的供应。
1999 年的地震只是台湾在 20 世纪遭受的第三大地震，人们很容易想象出将来会发生更强烈的地震。台积电的客户被告知，该公司的工厂可以承受里氏 9 级地震。自 1900 年以来，全世界已经经历了 5 次里氏 9 级地震。任何人都不想验证这种说法。
此外，全球化使得实施严格控制听起来几乎是不可能的。
美国军方和政府的情报机构都将芯片的生产外包给“值得信赖的芯片制造厂”。这对于许多类型的模拟或射频芯片来说相对简单，因为美国拥有世界级的能力。
但是，当涉及逻辑芯片时，这就形成了一个两难的局面。英特尔的生产能力已经不是最领先的了，台积电和三星保持着最尖端的制造能力。芯片组装和封装的工作很大一部分发生在亚洲。
美国军方担心，在国外制造或组装的芯片更容易被篡改，容易增加“后门”或写入错误，不过即使是在国内设计和生产的芯片也可能存在意外的漏洞。美国军方依靠 TI 等公司设计、制造和组装尖端电子产品的日子早已一去不复返。如今，美国军方根本没有办法避免从国外购买东西。
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中国大陆的困境与机会
任正非在中国贵州农村的一个高中教师家庭中长大。
在到部队服役前，他在重庆接受过工程师培训，他说自己在一家生产服装合成纤维的工厂工作。离开军队后，他搬到了深圳，当时深圳是一个与香港相邻的小镇。那时，香港仍由英国管治，是中国南部海岸沿线一个繁荣的小前哨。
任正非看到了一个进口电信交换机的机会，这是连接呼叫方和被呼叫方的设备。有了 5000 美元的启动资金，他开始从香港采购这种设备。当他的跨境合作伙伴了解到他通过转售他们的设备赚了很多钱时，切断了与他的联系，于是任正非决定自己制造设备。
到 20 世纪 90 年代初，华为有数百人从事研发工作，主要专注于制造交换机。如今，华为与芬兰的诺基亚和瑞典的爱立信一起，成为全球三大手机基站设备供应商。
华为在研发方面的支出是世界领先的。
华为每年大约有 150 亿美元的研发预算，世界上只有少数几家公司可比，包括谷歌和亚马逊等科技公司，默克等制药公司，以及戴姆勒或大众等汽车制造商。
华为在设计自己手机的一些关键芯片方面取得了进展。
华为曾评估其供应链风险，认为公司有两个关键漏洞：安卓操作系统，以及智能手机的芯片供应。
华为确定了其产品所需的 250 种最重要的芯片，并开始自主设计尽可能多的芯片。这些芯片在很大程度上与建造电信基站的业务有关，但也包括智能手机的应用处理器。
像苹果和其他大多数领先的芯片公司一样，华为选择外包这些芯片的制造，它对工艺的需求只有为数不多的几个公司可以满足，台积电是一个自然而然的选择。
到 2019 年左右，华为的海思已能够为智能手机设计一些最复杂的芯片，并已成为台积电的第二大客户。华为的手机仍然需要其他公司的芯片，比如存储芯片或各种类型的信号处理器。但掌握手机处理器的设计是一个令人印象深刻的壮举。
华为正在成功复制三星或索尼几十年前的做法：学习先进技术，赢得全球市场，投资研发，挑战美国科技领袖地位。此外，伴随下一代电信基础设施 5G 的推出，华为似乎将在无处不在的计算新时代处于独特的有利地位。
然而，华为依然严重依赖美国制造的芯片。
日本《日经亚洲》对华为通信部门进行的一项研究发现，华为严重依赖美国制造的芯片，比如莱迪思（Lattice）的现场可编程门阵列。TI、ADI、博通（Broadcom）和赛普拉斯半导体（Cypress Semiconductor）也设计和制造了华为移动设备所依赖的芯片。根据这项分析，美国芯片和其他组件占华为系统成本的近 30%。
华为尚未实现技术自给自足，依靠多家外国芯片公司生产的半导体，并依靠台积电制造自己设计的芯片。
02 中国芯片业的困境：极其依赖境外技术
在半导体生产过程中的几乎每一个环节，中国都极其依赖境外技术。
美国乔治敦大学安全与新兴技术中心的数据显示，用于设计芯片的软件工具由美国公司主导，而中国大陆在全球的份额不足 1%。在核心知识产权方面，中国大陆的市场份额为 2%，其余大部分被美国或英国占据。
中国大陆供应全球 4% 的硅片和其他芯片制造材料，1% 的芯片制造工具和 5% 的芯片设计工具。中国大陆在全球芯片制造业务中只有 7% 的市场份额。这些制造能力都不涉及高价值和前沿技术。
美国乔治敦大学的研究人员表示，在整个半导体供应链中，综合芯片设计、知识产权、工具、制造和其他方面的影响，中国大陆的市场份额为 6%，而美国为 39%，韩国为 16%，台湾地区为 12%。
几乎所有在中国大陆生产的芯片都可以在其他地方制造。但对于先进的逻辑芯片、存储芯片和模拟芯片，中国大陆在很大程度上依赖于美国的软件和设计，美国、荷兰和日本的机器设备，以及韩国和台湾的制造业。
随着中国科技公司进一步涉足云计算、汽车自动驾驶和人工智能等领域，半导体的需求肯定会增长。x86 服务器芯片仍然是现代数据中心的主力军，由 AMD 和英特尔主导。目前没有一家中国公司能够生产具有商业竞争力的 GPU，这使得中国在这些芯片上也依赖英伟达和 AMD 。
中国越是成为人工智能超级大国，对境外芯片的依赖就越大，除非找到自己设计和制造芯片的方法。中国制定了《中国制造2025》战略规划，计划在 2025 年将中国芯片产品的进口份额从 2015 年的 85% 降至 30%。
中国要想处于有利地位，必须加强与硅谷的联系。
日本、韩国和荷兰通过与美国芯片行业的深度融合，在半导体生产过程的重要环节中占据主导地位。台湾地区的芯片制造业因美国的无晶圆厂公司而致富，荷兰公司阿斯麦最先进的光刻机则因该公司圣地亚哥子公司生产的专用光源而突出。
然而，这是一个由美国及其盟友主导的体系，中国难以寻找有利位置。
03 中国芯片业的机会：提供市场和资金
然而，也不是没有机会。
英特尔几乎没有动力与中国就数据中心处理器达成协议（尽管在移动芯片和 NAND 存储芯片市场上，英特尔分别与中国国有企业和地方政府达成协议，但英特尔在这些领域的地位较弱）。
然而，数据中心市场份额输给英特尔的美国芯片制造商正在寻找竞争优势。IBM宣布其会向中国合作伙伴开放芯片技术。IBM 的技术被认为是二流的，没有中国的批准，IBM 不可能扭转斯诺登事件后的市场萎缩。
大约在同一时间，专门出产智能手机芯片的高通正试图利用 Arm 架构打入数据中心芯片业务。作为高通芯片的最大市场，中国对高通拥有巨大的影响力。因此，在与中国解决价格纠纷后不久，高通同意与一家名为华信通的中国公司成立一家合资企业，开发服务器芯片。然而这家企业没有持续多久，于 2019 年关闭。
最具争议的技术转让例子来自英特尔的主要竞争对手 AMD 。2015 年左右，由于个人电脑和数据中心市场份额被英特尔夺走，AMD 离破产不远。它迫切需要寻求资金。
2016 年，该公司以 3.71 亿美元的价格将其在马来西亚槟城和中国苏州的半导体组装、测试和封装工厂中 85% 的股份出售给了一家中国公司。
同年，AMD 与一个由中国公司和政府机构组成的财团达成协议，授权为中国市场生产经过改版的 x86 芯片。英特尔向美国政府发出警告，暗示该交易损害了美国的利益，并将威胁英特尔的业务，但美国政府缺乏直接的手段来阻止这项交易。因此，该协议最终获得通过，但在美国国会和五角大楼引发了愤怒。
中国市场如此诱人，以致一些公司几乎不可能避免技术转让。一些公司甚至被建议转让其对整个中国子公司的控制权。2018 年，英国芯片架构公司 Arm 剥离了它的中国分部，将 Arm 中国 51% 的股份出售给一些投资者。
芯片制造商小心翼翼地保护着其关键技术。但几乎每一家芯片公司都有非核心技术，在不领先的子行业，它们很乐意以一定的价格分享这些技术。
此外，当失去市场份额或需要融资时，它们不会把重点放在长期的打算上。对于芯片公司来说，在中国筹集资金通常比在华尔街更容易。
与十年前相比，尽管中国在某些方面仍然落后于前沿技术，但在设计和生产数据中心所需的芯片方面，中国对境外的依赖程度已大大降低。
04 美国制裁的影响
2015 年左右，华为及中兴通讯开始引起美国公众的关注。这两家公司都销售有竞争力的电信设备，中兴通讯是国有企业，华为是私营企业，但美国官员指称华为与政府关系密切。
这两家公司都花了几十年的时间来反驳有关它们贿赂多个国家的官员以贏得合同的指控。2016 年，在奥巴马政府的最后一年，两者都被指控违反了美国的制裁法令，向受美国制裁的国家提供产品。
对华为的担忧不仅限于美国。澳大利亚禁止华为进入其 5G 网络，成为第一个正式切断华为 5G 网络设备的国家，日本、新西兰和其他国家也很快做出了类似决定。
也有欧洲大国试图找到一个中间立场。德国向中国出口了大量汽车和机械，中国驻德大使称，如果德国做出决定，导致华为被排除在德国市场之外，中国政府不会袖手旁观。英国尽管与美国有着“特殊关系”，但拒绝了美国的提议。许多欧洲人认为，中国的技术进步是不可避免的，不值得阻止。
特朗普政府在首次对华为施压时，禁止向华为出售美国制造的芯片。考虑到英特尔芯片无处不在，而且许多美国公司制造的模拟芯片几乎不可替代，这一限制很有破坏性。
但在经历了几十年的离岸外包之后，美国的半导体生产比以前少了很多。例如，华为设计的芯片不是在美国生产的，而是在台积电生产的。
但是，美国仍然有牌可打。芯片制造的工具、材料和软件掌握在少数公司手中。
世界上几乎每一块芯片都使用至少一家美国公司的软件，这三家公司分别是楷登（Cadence）、新思（Synopsys）和明导（Mentor）。明导为德国西门子所有，但其总部位于美国俄勒冈州。
除英特尔内部制造的芯片外，所有最先进的逻辑芯片都是由三星和台积电两家公司制造的。制造高级处理器需要荷兰阿斯麦公司生产的 EUV 光刻机，而阿斯麦依靠其位于圣地亚哥的子公司西盟（2013年收购）为其提供不可替代的光源。
其中，许多瓶颈仍然掌握在美国人手中，就算那些没有在美国手中的，也在美国的亲密盟友手中。
2020 年 5 月，美国政府进一步收紧了对华为的限制。其新规定不仅仅是阻止向华为销售美国生产的产品，还限制将任何使用美国技术制造的产品出售给华为。
在一个充满瓶颈的芯片行业，这意味着涉及几乎所有的芯片。
如果没有美国的制造设备，台积电就无法为华为制造先进的芯片。如果没有美国生产的软件，华为就很难设计芯片。即使是中国最先进的芯片制造工厂中芯国际，也广泛依赖美国的工具。除了美国商务部授权华为购买的芯片外，华为与全球整个先进芯片制造工厂完全隔绝。
世界芯片行业很快开始实施美国的规定。华为被迫剥离部分智能手机业务和服务器业务，因为它无法获得必要的芯片。中国 5G 电信网络的推出，是政府高度重视的优先事项，但因芯片短缺被推迟。
在美国实施限制后，其他国家，尤其是英国，决定禁用华为，理由是在没有美国芯片的情况下，华为将难以为其产品提供服务。
在华为被打击之后，其他多家中国科技公司被美国列入“黑名单”。在与美国讨论后，荷兰决定不批准向中国公司出售阿斯麦的 EUV 光刻机。
中国全球化的科技公司因制裁而步履蹒跚。
