芯片战争，国运背后的终极竞赛
全球第一块集成电路诞生于1958年，至今已经60多年的历史，从此拉开了全球半导体产业竞争的序幕，集成电路、微处理器、电脑、操作系统、互联网、手机等一系列伟大的发明，彻底改变了我们的生活方式，把人类社会从机械工业时代带入信息时代。芯片是整个信息社会的基石和心脏，也是推动整个信息社会向前发展的发动机。
献给世界的圣诞礼物
说到芯片，就要从晶体管说起。在晶体管诞生之前，放大电信号主要通过电子管 (真空三极管)，但由于制作困难、体积大、耗能高，且使用寿命短，人们一直希望能够用固态器件来替换它。1920年代，就有科学家提出用半导体制作放大器，受限于材料一直无法实现。二战结束后，AT&T贝尔实验室开始研制新一代的电子管，具体由肖克利负责。
在肖克利的指引下，约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿于1947年12月23日下午，做出了世界上第一个半导体放大器，其基本结构是在一小块锗片上放置两个金属触点（点接触式晶体管），将声音放大18倍。几个月后，贝尔实验室将这种固体放大器命名为“晶体管“（transistor），三人因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。
点接触式晶体管产量非常有限，商业上并不成功，但意义重大，为之后的集成电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。虽然肖克利是项目组长，但晶体管诞生之时他并不在场。1948年2月26日，巴丁和布莱顿为晶体三极管申请发明专利；同一天，肖克利递交了结型三极管专利申请。1950年，肖克利研制出了第一只结型晶体管，这项技术使得后来晶体管和集成电路的大规模生产成为可能。1950年11月，肖克利发表了《半导体中的电子和空穴》，从经典理论角度阐述结型晶体管原理。
1952年，肖克利三人所在的AT&T开始授权晶体管的专利了，意在调动更多力量改进晶体管。1952年问世的Sonotone助听器成为了最早使用晶体管的美国产品。AT&T还把晶体管用于其长途电话系统。
肖克利受斯坦福大学教授弗雷德里克·特曼邀请回到帕洛阿托，在离斯坦福大学五英里的圣安东尼奥街391号创办“肖克利半导体实验室”，生产晶体管。特曼在硅谷德高望重，惠普两位创始人比尔·休利特与戴维·帕卡德正是他的得意门生。
西海岸的加州本来是美国太阳升起最晚的地方，因为肖克利的到来，硅谷成为第三次产业革命最早迎来第一缕朝阳的地方。创业之前，肖克利在给即将成为第二任妻子的信中豪情满怀地写道：“很明显，我比其他人更聪明、更热心工作，也比大部分人了解人类。”
恰恰相反，人性比科学规律更善变。肖克利为实验室制定两大战略：一、研发硅管而不是锗管；二、用扩散法掺杂生长出P型区和N型区。锗是稀有元素，储量少，成本高，不宜提纯。肖克利认为用硅就可以了，一样具有半导体特性，地壳中26.4%都是它，说白了就是沙子嘛，不用才是傻子，肖克利甚至打算将成本控制在五美分以下。
肖克利确实是个大牛，但脾气不好，很难与人相处。即便这样，还是有八位科学天才慕名投奔：他们是通用电气制造工程师尤金·克莱尔；菲尔科－福特公司的罗伯特·诺伊斯；加州理工学院的金·赫尔尼来自；约翰霍普金斯大学应用物理实验室工作的戈登·摩尔；斯坦福研究所的研究员维克多·格里尼克；朱利叶斯·布兰克、杰伊·拉斯特和谢尔顿·罗伯茨都才华横溢。
肖克利亲自动手研发四层半导体材料构成的肖克利二极管，其他人集中力量做基础研究。事实证明，好的发明家不一定能成为好的企业家。公司决策一再更改，执行犹豫不决，肖克利实验室成立一年多都没有新产品诞生，两年内只推出一种相对简单的二极管装置，并非晶体管。悲观失望中，八位年轻人提议研究集成电路，用扩散方法将多个硅管电路放在一个晶体管大小的位置上，肖克利目空一切，拒绝。一帮年轻的工程师和科学家发现，很难斗得过一个新出炉的诺贝尔奖得主。于是在追随18个月之后，1957年八位天才把老板肖克利给炒了，集体辞职。肖克利怒不可遏，破口大骂他们是“八叛逆”。
之后，他们找来了仙童摄影器材公司创始人谢尔曼·费尔柴尔德投资3600美元启动资金。“风险投资之父”阿瑟·洛克很喜欢这批年轻人就想投资，由于身上没有带任何法律文件，有一个人就掏出了十张一美元的钞票，“如果我们同意一起来做这件事，就每个人在这个钞票上签个名字”。
1957年9月18日，仙童半导体公司诞生。10月，仙童在距离肖克利半导体实验室不远处的查尔斯顿路租下一间小屋，潜心研制一种双扩散基型晶体管，费尔柴尔德又提供了150万美元资金。到1958年底，仙童半导体生产的晶体三极管已实现50万美元的销售额。肖克利得知后鼻子差点没气歪了，自己半导体实验室越管越差，1960年卖给了克莱维特实验室（之后又被转卖给AT&T，肖克利1963年又接受特曼邀请，跑到斯坦福大学当教授了）。
仙童，半导体界的“西点军校”
1958年9月12日，德州仪器的工程师杰克·基尔比成功地实现了把不同电子器件集成在一块半导体材料上的构想，这就是世界第一款混合集成电路。通过德州仪器高层的检查，于1959年2月6日提交了专利申请。集成、是成本降低、功能聚集的前提。
仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯把注意力放在了硅晶片上。他的最初设想是：“把多种元件放在单一硅片上，同时用平面工艺将它们连接起来，这样可以大幅降低电路的尺寸、功耗及成本”。这和基尔比异曲同工。但诺伊斯创造性地在氧化膜上用平面工艺制作出铝膜连线，使电子元件和导线合成一体，为半导体集成电路工艺、和量产奠定了基础。诺伊斯1959年1月提出该设计，2月申请专利。为争第一，德州仪器和仙童开始了旷日持久的专利权诉讼。最后，法庭将集成电路发明权授予了基尔比，内部连接技术专利授予了诺伊斯。2000 年基尔比获得诺贝尔物理学奖，而诺伊斯1990年就已经去世。
到底IT产业会如何发展，其实谁也不知道。仙童半导体因发明集成电路而声名远扬，1960年费尔柴尔德决定以300万美元收购股权，“八叛逆”每人所持股票价值25万美元。1962年，贝尔实验室开发金属—氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），这成为半导体发展史上重要的里程碑，为半导体存储器的问世直接奠定了技术基础。1967年，仙童半导体营业额接近2亿美元，费尔柴尔德不断抽调利润支持摄影器材公司发展。“八叛逆”不满、相继出走，诺伊斯与摩尔带着得意门生安迪·格鲁夫在1968年创办英特尔公司。
硅谷开花，墙外香
1957年，苏联率先发射了第一颗人造卫星，美国上下举国震惊，称之为“斯普特尼克时刻”。为了追上对手，美国加大太空竞赛投入，在太空电子设备中尽可能使用硅晶体管。五六十年代，美国军方的采购订单，为硅谷初生的半导体企业提供了70%的研发经费。集成电路刚发明的那几年，70%的政府资助来自空军。
1969年7月16日，阿波罗11号飞船登上月球，人类文明向太空迈出了一大步。在这一史无前例的宏大计划中，共使用了100万块芯片。六十年代初，苏联与美国在尖端科技领域几乎看不出差别。发射了人类第一颗人造卫星，下水试航了核潜艇，掌握了亿吨级核武器和洲际导弹技术。赫鲁晓夫在演讲中狂妄地对西方外交官说：“我们将埋葬你们。”电子和计算机在当时还算新兴产业，苏联人紧跟不舍。1957年苏联便生产出自己的晶体管收音机。
核武器是个简单产业，芯片是个复杂产业。芯片必须大规模量产才有利润，而要量产，你得有可靠性。美国任何一个芯片制造商都不是独自制造芯片，依赖其他公司的支持。苏联的煤炭和钢铁工业是很厉害，但在先进制造业上却行不通。苏联没那些配套公司，生产的芯片质量、纯度都不行。
美国的半导体行业是以硅谷为核心的圈子，日本能挤进来主要是因为苏联助攻。美国战略家的逻辑是如果不允许日本加入欧美的经济圈，日本就有可能倒向苏联或者中国，所以美国愿给日本一些边角料。日本的科学家和工程师最早的时候是在美国驻东京占领区总部读到最新的物理期刊，其中就包括半导体相关的论文。索尼创始人盛田昭夫早在1948年就意识到晶体管的潜力巨大。1953年，他到美国直接拿下了生产晶体管的许可证，当然索尼只能生产落后一代的芯片。
日本并不打算跟美国竞争芯片业务，我们消消地搞民用。索尼第一个重大的成功产品就是晶体管收音机。本来德州仪器公司也搞过晶体管收音机，但是销售和定价策略出现失误，失败了。是索尼把晶体管收音机送进了千家万户，还反向出口到美国市场。索尼第二个特别成功的产品是手持式计算器。这也是德州仪器尝试过的领域。
1960年起，日本形成了官产学体系，即政府、企业和大学联合对集成电路进行技术攻关。1960年12月，通产省电气实验室研制日本第一块晶体管集成电路。1961年，东京大学与NEC合作，开始在晶体管集成电路上进行基础研究。1962年，NEC从仙童买来晶体管平面光刻生产工艺，进而解决了集成电路的量产问题。
日本做芯片做得理直气壮。不用偷技术、不用抄袭，直接拿许可证，而且老老实实地把自己生产芯片销售额的10%交给几家美国公司做专利费。美国人生产最先进的芯片，日本生产稍微落后一点的芯片；美国有强大的军工市场，日本则圈占消费电子领域。
日本依靠美国，自己做自己的产品；而东南亚则是给美国公司代工。当时的芯片生产并不是完全自动化的，尤其组装环节是个费事的体力活，需要很多工人，很适合女工。美国劳动力价格高，资本家不堪工会其扰，就想到外国办厂。仙童公司先在中国香港办了个芯片组装厂，发现当地工人不但廉价，而且生产效率比美国工人要快一倍。所以硅谷的半导体企业陆续到中国台湾、马来西亚、新加坡、韩国等地开厂，就把技术和产业链延伸到这些地区。
中国其实也很努力，当时中国外汇储备不过2亿美元，举国之力花费20亿美元，一举研制出原子弹、氢弹、导弹、卫星、核潜艇等国之重器。1960年，中科院正式组建了北京半导体所和河北半导体所（13所），并重点对半导体领域进行技术攻关。1964年中国人开发晶体管集成电路，仅比美国人晚两年。1963年在吴锡九先生带领下，中科院计算所研制出第一台国产晶体管大型计算机-109机，这是当时亚洲运算速度最快的计算机。
美国人呢？IBM为美军开发大型机，耗资52.5亿美元，6万名员工，新建5座工厂，攻克指令集、可兼容操作系统、数据库、集成电路等软硬件技术难关，1964年才推出运算速度超过百万次大关的第一款小规模集成电路计算机System-360。
不是，苏联和中国的IT产业不努力，而是都被排除在美国产业圈外，无法得到持续的研发资金。到1970年，英特尔公司发明了动态随机存取存储器（DRAM），也就是现在我们说的内存。从此之后芯片不但可以用于计算，而且可以用于记录信息。英特尔公司获得灵感，以前的芯片都是专用的，每一种芯片只能做某一种特定的工作，程序是固定的。现在英特尔可以生产一种通用芯片 —— 也就是「中央处理器（CPU）」。买回去根据自己的需要对它编程就行了。美军很高兴，在数量上已经落后苏联了，我们要在武器的准头上超过他们。到70年代初，美军终于用上了晶体管芯片驱动的精确制导导弹。
日本可以说不，美国说你gun
作为追赶者，日本人在半导体技术攻关上，采取了后来被屡次证明有效、今天也正在被我们使用的策略，那就是：整合资源，集中力量办大事。
1974年，日本政府批准“超大规模集成电路（俗称半导体芯片）”计划，确立以赶超美国集成电路技术为目标。随后日本通产省组织日立、NEC、富士通、三菱和东芝等五家公司，要求整合日本产学研半导体人才资源，打破企业壁垒，使企业协作攻关，提升日本半导体芯片的技术水平。
日本企业半信半疑，各企业之间互相提防、互相拆台，政府承诺投入的资金迟迟不到位（眼看就要投诚了）。日本半导体研究的开山鼻祖垂井康夫站了出来，他利用自己的威望，将各怀心思的参与方们捏合到一起。砸下720亿日元，花了6年时间就攻下了美国30%的内存市场。一座座现代化的半导体存储芯片制造工厂在日本拔地而起。随着生产线日夜运转，日本人发起了饱和攻击。
九州岛被称为日本的“硅岛”，曾集中了日本绝大部分半导体芯片企业。一家日本公司把一整幢楼用于存储芯片研发，第一层楼的人员研发16KB容量，第二层楼的人员研发64KB的，第三层人员研发256KB的。美国半导体协会曾对美国和日本的存储芯片进行质量测试，期望能找到对手的弱点，结果发现美国最高质量的存储芯片比日本最差质量的还要差。而且，日本人还拍着胸脯对客户保证：日本的存储芯片保证质量25年！
1981年，AMD净利润下降2/3，国家半导体亏损1100万美元。1982年，英特尔被逼裁掉2000名员工。格鲁夫意识到英特尔内存肯定要输给日本了。他跟摩尔有一番著名的对话，说如果咱俩被踢出大门，董事会再找个新CEO，你猜他会怎么做？两人的结论是新CEO肯定会放弃内存业务。所以他们就决定先放弃内存业务，专注于CPU生产。如果不是IBM施以援手，购买了它12%的债券保证现金流，这家芯片巨头可能已经倒闭或者被收购了。
当时CPU的市场并没那么大，毕竟只有大企业才用计算机。IBM公司推出了个人电脑又贵又重，1565美元还不带操作系统。IBM后来跟一个还在上大学的年轻程序员签了操作系统的合同，那个程序员叫比尔·盖茨。1986年英特尔放弃存储芯片，解雇8000多人，转向微处理器。
更让美国人难以容忍的是，富士通打算收购仙童半导体公司80%的股份。仙童半导体公司是硅谷活化石，仙童半导体神一般的存在，现在日本人却要买走他们的“神”，这不是耻辱么？看来，不来点阴的是不行了。
之前，硅谷科技公司成立了一个半导体行业协会（简称SIA），对政府各种游说，成果寥寥。1985年6月，SIA终于抛出一个让政府不得不思考的观点：国家安全说。
逻辑是这样的：超级武器技术离不开超级电子技术，超级电子技术又离不开最新半导体技术；美国的半导体技术落后，不得不使用外国产品包括日本货；外国货源不可靠，放任日本在半导体芯片领域称霸，就等于牺牲国家安全……
美国政府听进去了，立即行动。1986年春，日本被认定只读存储器倾销；9月《美日半导体协议》签署，日本被要求开放半导体市场，保证5年内国外公司获得20%市场份额；不久，对日本出口的3亿美元芯片征收100%惩罚性关税；否决富士通收购仙童半导体公司。
1987年，美国政府和14家美国半导体企业联合成立了一个财团，叫「半导体制造技术联盟。联盟的资金由企业和政府各出一半，专门用于扶植美国的芯片产业。
随着《美日半导体协议》的签署，处于浪潮之巅的日本半导体芯片产业掉头滑向深渊。日本半导体芯片产业从1986年最高40%，一路跌跌不休跌到2011年的15%。DRAM从最高点近80%的全球市场份额，一路跌到最低10%（2010年）。但日本人吐出的肉，并没有落到美国人嘴里，而是交给了三星，英特尔甚至允许三星把芯片挂英特尔的牌子。
19，1990年代，三星和面临美国发起的反倾销诉讼，如果三星无法正常制造芯片，日本企业就会卷土重来。美国人一听有道理，仅向三星收取了0.74%的反倾销税，日本最高则被收取100%反倾销税。此后，即使日本政府密集出台半导体产业扶持政策，并投入大量资金，但也无力回天，日本半导体芯片出局的命运已定。到1993年，美国已经夺回了半导体出货量的首位；1998年，韩国的内存产量超过了日本。
台积电崛起
干趴下日本，美国芯片业遇到了摩尔定律的阻击。摩尔在1964年以三页纸的短小篇幅发表新定律，他预测集成电路上可容纳的晶体管数目每隔24个月(1975年改为18个月)会增加一倍，性能也将提升一倍，十年内会持续保持这种增长势头。“摩尔定律”后来被称为“IT产业第一定律”。
芯片制造工艺的每一次提升，都需要巨量的资金投入。原来的芯片厂商采用的是IDM模式，即芯片设计、芯片制造、封装测试一把抓，在摩尔定律的压力下，专业分工势在必行。于是一批专注于芯片制造的公司出现：台积电、联电、格芯，其中德州仪器的资深副总张忠谋于1987年成立的台积电实力最强。
台积电在张忠谋的领导下，打赢了几场重大战役。比如独自研发130纳米的铜制程，击败采用IBM方案的联电；押注浸润式微影机，与英特尔、三星入股荷兰小厂阿斯麦ASML，对巨资研发干式微影技术的日本尼康和佳能降维打击；在45纳米以下和22纳米以下制程中，正确站队，选择HKMG的Gate-last方案。
……
会不会又是一个套？
上个世纪80年代初，美国就提出一个宏大的星球大战计划，这个计划就是在外太空领域建立反导防御系统，对未来可能爆发的核战争进行核弹拦截。美国总统里根宣布将投入1万亿美元来建立这个外太空的核盾牌。
美苏两强对立，双方都拥有足以将对手毁灭无数次的核力量，如果让美国单方面拥有了核盾牌，就意味着未来美国将对苏联拥有单方面的核威慑。苏联不得不跟进也要在外太空研制建立反导防御系统，把大量资源耗费在无效的军备竞赛中。91年苏联崩溃，美国立刻就宣布终止了这个星球大战计划。
高端芯片制造会不会也是一个坑，要烧掉几千亿美元？随着5G的普及，信息传输效率大幅度提高，届时我们的智能终端产品（手机、电脑、家电等等）会发生革命性的变化——大部分储存、计算功能都会放到云端来解决。届时我们耗费几千亿美元砸出来的这堆高端芯片产能陷入无米下锅的困境？全国造“芯”，那么我们在其他重要领域的投入（比如量子计算、人工智能、可控核聚变等等）将继续落后于美国？
亚洲模式的优势在于，政府主导、投资拉动，但这种模式无法持续。要发展归根结底只能靠创新，而创新可以是硬科技也可以是像索尼那样搞应用。政府扶植的原则必须是腾笼换鸟，而不是保护落后产能，去救那些即将失败的旧公司。