芯片战争
芯片战争：世界最关键技术的争夺战（财之道丛书） 克里斯·米勒
◆ 术语
RISC-V：一种开放源代码架构，与Arm和x86不同，它的使用是免费的，因此越来越受欢迎。RISC-V的开发部分由美国政府资助，但现在在中国很受欢迎，因为不受美国出口管制。
◆ 13 英特尔的革命
诺伊斯和摩尔十年前离开肖克利的初创公司，现在放弃仙童，成立英特尔——集成电子公司(Integrated Electronics)。在他们看来，晶体管将成为有史以来最便宜的产品，全世界将消耗数万亿的晶体管。人类将被半导体赋予力量，并从根本上依赖半导体。
◆ 26 “大规模毁灭性武器”：抵消战略的影响
硅谷与美国的冷战盟友合作，形成了一种超高效的全球化分工。日本主导了存储芯片的生产，美国生产了大部分微处理器，日本的尼康和佳能以及荷兰的阿斯麦则分割了光刻设备的市场。东南亚的工人完成了大部分最终装配
◆ 28 “冷战结束了，你们赢了”
索尼是日本半导体公司中唯一一家从不在DRAM芯片上下大赌注的公司，它成功地开发了创新的产品，比如图像传感器专用芯片。当光照射在硅上面时，这些芯片会产生与光强度相关的电荷，将图像转换为数字信息。因此，索尼在引领数码相机革命方面处于有利地位，至今该公司感知图像的芯片仍然是世界级的
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。
◆ 31 “与中国人分享上帝的爱”
如果有人能在中国建立芯片产业，那就是张汝京。他不会依赖裙带关系或外国援助。世界级晶圆厂所需的所有知识都已经在他的脑海中。在TI工作期间，他为该公司在世界各地开设新工厂。为什么不能在上海做同样的事？他于2000年创立了中芯国际集成电路制造有限公司（SMIC，以下简称“中芯国际”），从高盛、摩托罗拉和东芝等国际投资者那里筹集了超过15亿美元。一位分析师估计，中芯国际一半的创业资金是由美国投资者提供的。张汝京利用这些资金雇用了数百名境外专家来运营中芯国际的晶圆厂，其中至少有400名来自中国台湾。
◆ 32 光刻战争
但卡拉瑟斯的要求远远超出了通常的研发项目。与业内其他人一样，卡拉瑟斯知道现有的光刻方法很快将无法生产下一代半导体所需的更小的晶体管。光刻机公司正在推出使用深紫外光的工具，其波长为248纳米或193纳米，人眼看不见。但不久之后，芯片制造商将要求更高的光刻精度。卡拉瑟斯想瞄准波长为13.5纳米的极紫外光。波长越短，可以制作在芯片上的器件尺寸就越小。只有一个问题：大多数人认为极紫外光不可能大规模产生。格鲁夫怀疑地问道：“你是想告诉我，你打算把钱花在一些我们甚至不知道是否会奏效的事情上？
芯片行业要么学会使用越来越短的波长进行光刻，要么摩尔定律对应的晶体管缩小将停止。这样的结果将给英特尔的业务带来毁灭性的打击，也会给格鲁夫带来耻辱。格鲁夫给了卡拉瑟斯2亿美元，用于开发EUV光刻技术。英特尔最终花费了数十亿美元进行研发，还花费了数十亿美元学习如何使用EUV光刻芯片。英特尔从未计划制造自己的EUV设备
20世纪80年代，美国芯片制造商抵挡住了日本的挑战，但美国光刻机制造商没有。佳能和尼康唯一真正的竞争对手是阿斯麦，这是一家规模虽小但正在成长的荷兰光刻机公司。1984年，荷兰电子公司飞利浦剥离内部光刻部门，创建了阿斯麦。
阿斯麦从飞利浦分拆出来的历史也以惊人的方式促进了与台积电的深厚关系。飞利浦一直是台积电的基石投资者，曾将其制造工艺技术和知识产权转让给初创的台积电。这给了阿斯麦一个内置市场，因为台积电的晶圆厂是围绕飞利浦的制造工艺设计的。1989年，台积电晶圆厂的一场意外火灾也在一定程度上起了推动作用，台积电因此购买了另外19台新的光刻机，这些费用由火灾保险支付。阿斯麦和台积电最初都是芯片行业边缘的小公司，但它们共同成长，形成了一种伙伴关系
1996年，英特尔与美国能源部运营的几个实验室建立了合作伙伴关系，这些实验室在光学和其他领域拥有使EUV工作所需的专业知识。一位行业内人士回忆道，英特尔召集了六家芯片制造商加入该联盟，但英特尔支付了95%的费用。英特尔知道劳伦斯·利弗莫尔(Lawrence Livermore)和桑迪亚(Sandia)国家实验室的研究人员拥有制造EUV原型系统的专业知识，但其重点是科学，而不是大规模生产。卡拉瑟斯解释道，英特尔的目标是“制造东西，而不仅仅是测量”，因此该公司开始寻找一家能够商业化和大规模生产EUV工具的公司
尽管长期拖延和巨额成本超支，但是EUV伙伴关系仍缓慢取得进展。尼康和佳能被排除在美国国家实验室的研究之外，决定不制造自己的EUV工具，使阿斯麦成为世界上唯一的生产商。
◆ 33 创新者的困境
自从英特尔首次采用x86架构以来，伯克利的计算机科学家们设计了一种新的、更简单的芯片架构——RISC（精简指令集）。该架构能够提供更高效的计算，从而降低功耗。相比之下，x86架构复杂而庞大。20世纪90年代，格鲁夫曾认真考虑将英特尔的主要芯片转换为RISC架构，但最终决定不这样做。虽然RISC的效率更高，但转换的成本很高，对英特尔事实上垄断的威胁非常严重。
一些公司试图挑战x86作为个人电脑行业标准的地位。1990年，苹果和两个合作伙伴在英国剑桥成立了一家名为Arm的合资企业。其目的是，使用一种新的指令集架构来设计处理器芯片，该架构基于英特尔曾考虑但拒绝的更简单的RISC原理
萨克斯比想将他的Arm架构出售给无晶圆厂设计公司，这些公司将为自己的目的定制Arm架构，然后将制造外包给台积电这样的芯片制造厂。萨克斯比的梦想不仅仅是与英特尔竞争，而是颠覆英特尔的商业模式。
◆ 第六部分 离岸创新？
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。
◆ 36 “无晶圆厂的革命”
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图形的称为GPU的芯片，还围绕这些芯片建立了一个软件生态系统。制作逼真的图形需要使用名为“着色器”(Shaders)的程序，该程序告诉图像中的所有像素应该如何在给定的灯光阴影下进行描绘。着色器应用于图像中的每个像素，这是一个相对简单的计算，在成千上万个像素上进行。英伟达的GPU可以快速渲染图像，因为与英特尔的微处理器或其他通用CPU不同，它们的结构可以在快速进行许多简单计算的同时对大量像素进行着色。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。
英伟达并不是唯一一家为专用逻辑芯片开发新应用的无晶圆厂公司。通信理论教授欧文·雅各布斯在20世纪70年代初的一次学术会议上，曾高举微处理器并宣称“这就是未来”。他相信未来已经到来。安装在汽车仪表板或汽车地板上的大砖块移动电话即将进入2G（第二代移动通信技术）时代。电话公司正试图就一项技术标准达成一致，以便移动电话能够相互通信。大多数公司希望有一种称为“时分多址”的系统，即多个电话呼叫的数据可以在同一无线电波频率上传输，当一个呼叫出现静音时，另一个呼叫的数据会被插入。
雅各布斯对摩尔定律的信念一如既往，他认为更复杂的跳频系统可能更好。他建议在不同的频率之间移动呼叫数据，将更多的呼叫塞进可用的频谱空间，而不是将给定的电话保持在特定的频率上。大多数人认为他在理论上是对的，但这样的系统在实践中永远行不通。他们认为，这样的话，语音质量会很低，通话会被中断。在不同频率之间移动呼叫数据并由另一端的电话进行解码，所需的计算量似乎太大。雅各布斯不同意这种观点，他于1985年成立了高通公司来证明这一点。他建了一个有两个基站的小网络证明他的理论行得通。很快，整个行业都意识到，高通公司的系统依赖摩尔定律运行能够解码所有无线电波的算法，使更多的移动通信进入现有频谱空间成为可能。
高通公司很快就涉足了一个新的业务线，不仅设计了与移动网络通信的调制解调器芯片，还设计了运行智能手机核心系统的应用处理器。这些芯片设计是巨大的工程成就，每一个都建立在数千万行代码之上。高通公司通过销售芯片和许可知识产权获得了数千亿美元的收入。但是，高通公司没有制造芯片：芯片虽然是自己设计的，却外包给三星或台积电等公司制造。
◆ 37 张忠谋的大联盟
多年来，每一代制造技术都是以晶体管栅极的长度命名的，栅是晶体管的一部分，可以控制晶体管的打开和关闭。180纳米节点是在1999年首创的，随后是130纳米、90纳米、65纳米和45纳米，每一代的晶体管都会缩小到足以在同一区域内容纳大约两倍数量的晶体管。这降低了每个晶体管的功耗，因为较小的晶体管需要较少的电子流过它们。大约在21世纪前十年早期，通过2D缩小晶体管来更密集地制造晶体管变得不可行。
一个挑战是，当晶体管按摩尔定律缩小时，即使开关关闭，狭窄沟道偶尔也会导致电流“泄漏”。除此之外，每个晶体管顶部的二氧化硅层变得非常薄，以致产生量子效应，比如“量子隧穿效应”（电子穿越经典物理认为不可能跨越的障碍）开始严重影响晶体管的性能。到2005年左右，每个晶体管顶部的二氧化硅层可能只有几个原子厚，这太薄了，无法抑制电子隧穿。
◆ 39 EUV光刻机
荷兰公司阿斯麦将美国国家实验室率先开发的一项技术商业化，该技术主要由英特尔提供资金。如果人们知道光刻或EUV光刻技术的历史，这无疑会激怒美国的经济民族主义者。但阿斯麦的EUV光刻工具并不是真正的荷兰式工具，尽管它们主要在荷兰组装，其关键部件来自加利福尼亚州的西盟，以及德国的蔡司和通快，甚至这些德国公司也依赖美国生产的关键设备。问题是，与其说一个国家能够对这些神奇的工具感到自豪，不如说它们是许多国家的产物。一个有几十万个零件的工具有很多“父亲”。
◆ 41 英特尔如何遗忘创新
在21世纪第二个十年早期，图形芯片设计者英伟达听说斯坦福大学的博士生使用它们的GPU做图形以外的事情。GPU与标准的英特尔或AMD CPU的工作方式不同，CPU具有无限的灵活性，但是以串行的方式运行所有计算。相比之下，GPU被设计为针对相同计算同时运行多次迭代。这种“并行处理”很快就变得清晰起来，它的用途不仅仅是控制电脑游戏中的图像像素，还可以有效地训练人工智能系统。在CPU逐条处理数据时，GPU可以同时处理多条数据。为了学会识别猫的图像，CPU需要一个像素一个像素地处理，而GPU可以一次“查看”许多像素。因此，GPU训练电脑识别猫所需的时间大大减少。
◆ 46 华为的崛起
华为开发了高效的制造工艺，降低了成本，并生产出客户认为高质量的产品。与此同时，华为在研发方面的支出是世界领先的。华为在研发方面的支出是中国其他科技公司的数倍。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。华为每年百亿美元的研发支出也表明了一种与苏联泽列诺格勒或其他试图以低价进入芯片行业的中国公司的“复制”心态截然不同的精神。
◆ 47 5G未来
蜂窝网络将识别手机的位置，并使用一种称为波束成形的技术直接向手机发送无线电波。典型的无线电波，就像向汽车收音机发送音乐一样，向各个方向发送信号，因为它不知道你的汽车在哪里。这会浪费电力，从而产生更多的电波和干扰。通过波束成形，蜂窝塔可以识别设备的位置，并仅向该方向发送所需的信号。结果，对于每个人来说，干扰更少，信号更强
◆ 54 台湾困境
分析人士一致认为，海峡两岸的军事平衡已经决定性地向中国大陆转变。与1996年的台海危机一样，美国可以简单地驾驶整个航母战斗群穿越台湾海峡迫使中国放弃的日子早已一去不复返了，现在这样的行动对美国军舰来说充满了风险。如今，解放军的导弹不仅威胁着美国在中国台湾地区周围的船只，还威胁着远至关岛和日本的基地。解放军越强大，美国为“保卫台湾”而冒战争风险的可能性就越小。如果解放军试图对中国台湾地区施加有限的军事压力，那么美国很可能会研究各种力量之间的相互关系，最后得出这样的结论：不值得冒反击这个风险。