芯片战争

引子：芯片的诞生

1883年，美国发明大王爱迪生，发现了以他的名字命名的爱迪生效应。金属物质被高温加热之后，会释放出游离的电子；如果周围有正电压存在，游离电子会被吸引而在真空中流动。

基于此，英国物理学家弗莱明，制造出第一支二极真空电子管。加热之后，电子会从阴极跑到阳极，因而二极管起到了单向阀门的作用。

1907年，美国发明家德福雷斯特尝试着在二极管中增加一个电极。通过增减中间电极上的电荷量，可以调控二极管中的电流速度，从而让真空电子管拥有了放大电子信号的作用。

三极真空电子管（简称真空管或电子管）的发明，解决了电流或电波在传送信号的过程中逐渐衰减的问题，让信号的无线传送成为可能。

由于真空管能在不失真的前提下放大微弱的信号，使得收发电子信号的设备出现成为可能，为广播、电视和无线通信等技术的发展铺平了道路。与此同时，如果以真空管充当开关器件，其速度要比有百分之一秒延时的继电器快成千上万倍，因此真空管还受到计算机研制者的青睐。

真空管的发明，同时推动了通信和计算机两大产业的发展，因此被视作电子工业诞生的标志。由于以相同的电子元器件为基础，这两大产业在诞生后的几十年间逐渐融为一体，成为当今世界最为重要的信息通信(ICT)产业。

然而，真空管有着致命的弱点，比如体积大、易破碎、有慢性漏气风险且制造工艺复杂。由于要加热后才能使用，这导致真空管还有启动慢、能耗大的问题。为此，科学家一直在寻找着真空管的升级版。

1947年，贝尔实验室的两位研究人员约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿，基于半导体材料金属锗，发明了可替代真空管的点接触式晶体管（transistor）。不久，该项目的领导，大名鼎鼎的威廉·肖克利，继续推进并发明了结型晶体管(junction transistor)，使得现代半导体工艺成为可能。

晶体管的体积、重量和能耗远远小于真空管，而且结实可靠、寿命很长，可彻底解决真空管固有的缺陷。很快，由晶体管的发明所引发的半导体技术革命，就席卷了整个电子产业界。

由于金属锗的稀有性，以其为核心材料的晶体管，成本一直居高不下。1954年，跳槽德州仪器的前贝尔实验室研究人员戈登·蒂尔，研制出了第一个可商用的硅晶体三极管，成为又一次重大技术创新。从此，硅管取代了锗管。

当晶体管以优越的性能替代真空管之后，工程师们设计出许多复杂的电子设备。随着电子设备的数量增长，连接电子器件以形成电子线路的工作量也日益激增。完全依赖人工焊接出现两大问题，一方面整个工序耗时耗力且成本高昂，另一方面每个焊接接头都可能出现故障，导致越复杂的线路，可靠性越低。

为此，英国皇家雷达研究所的杰夫·达默第一个提出了集成电路的设想：把一个电路所需的晶体管和其他器件制作在一块半导体上。

想到这个主意也许并不难，难的是如何实现它。当时，人们提出了两种解决方法。一种方法是用薄膜制造各种器件，不能用薄膜做的器件后加上去，这一思路后来发展成了平面光刻工艺，成为芯片制造的主流。

另一种方法是美国通信兵团提出来的“微模块”计划。该计划的理念是将所有电子器件的尺寸和外形做得一模一样，并将接线内嵌至元件中，然后只要将各个模块卡在一起，就能组成电路，从而不再需要用电线连接。不难看出，今日Chiplet的想法，继承了这一思路。

1958年，新入职德州仪器的工程师杰克·基尔比，在五页纸上写下了如何把几种电子器件集成在一起的方法。在总裁哈格蒂的支持下，基尔比用他的设想做出一个叫相位转换振荡器的简易集成电路。现代电子工业的第一块用单一材料制成的集成电路，或者被通俗地称作芯片的东西，就这样诞生了。尽管它的制作很粗糙，后来却被称作是“轮子之后最重要的发明”。

芯片的诞生并没有马上被业界接受，相反，人们都怀疑这想法是否可行。当时，晶体管的良品率约为 20%，随着集成电路中晶体管数量的增长，整体良品率会低到微乎其微。

这个时候，晶体管的发明人肖克利，看到其发明在收音机等产品上取得了巨大成功之后，坐不住了。1956年，他离开贝尔实验室，回老家加州圣克拉拉谷创业，打算在硅管商业化的项目上发大财。

肖克利要创业的消息，就像17世纪的牛顿宣布要建立工场一样引起了轰动。一时间，许多科学家和工程师精英慕名而来。可以这么说，肖克利给硅谷带来了最初的火种。

然而，科学家出身的肖克利，既难与人共事，又不懂管理。公司成立了一年，竟没有研制出任何像样的产品，这引发了公司员工的普遍不满。最终，以诺伊斯和戈登·摩尔为首的 8名员工共同“出逃”，创办了著名的仙童公司。

在仙童公司，琼·赫尔尼发明了平面工艺，用类似印刷的方式一次从一块硅片上生产出多个晶体管，大幅提高了晶体管的可靠性。新的技术突破，让仙童公司收获了来自IBM的长期军事供货合同。然而，军方发现，用了仙童晶体管的“民兵”洲际导弹还是会发生故障。原来，平面工艺虽然解决了晶体管自身可靠性的问题，却没法保证导线连接在军品恶劣的使用环境下不出故障。

1959年，领导仙童的诺伊斯也有了发明集成电路的想法：既然可以批量生产晶体管，那为什么不批量制造电路板呢？最终，仙童研究出蒸发沉积金属铝的方法，替代热焊接导线将硅片上的电子器件连接起来。

就这样，仙童和德州仪器几乎同时发明了集成电路。两位发明者诺伊斯和基尔比，都是把当时已有的各项工艺技术整合起来一起使用，而这些技术大多来自贝尔实验室。

为了争夺集成电路的发明权，基尔比和诺伊斯打了十年的官司。最终，1969年，美国联邦法院认定集成电路是一项“同时”的发明。基尔比被认为是“第一块集成电路的发明者”，而诺伊斯则“提出了集成电路适合工业生产的理论”。德州仪器和仙童亦达成协议，互相承认对方部分地享有集成电路的发明专利权，共享集成电路的专利授权收益。

从此，芯片产业一发不可收拾，成为20世纪下半叶以来，世界各主要经济体激烈竞争的核心焦点。

接下来，我们从内存芯片、计算芯片、芯片制造三个角度，来梳理一下这长达半个多世纪、而且至今仍在继续的芯片战争。

内存芯片

第一轮：美国引领

1966年，IBM托马斯·沃森研究中心的罗伯特·登纳德博士提出，可以利用电容内存储电荷的多寡来代表一位二进制比特。基于这一设想，登纳德成功地发明了动态随机存储器(DRAM)，也就是在现在的计算机和手机上普遍使用的内存。

1968年，IBM注册了内存的发明专利。然而，同年IBM再次遭受美国司法部的反垄断调查。迫于压力，IBM在保留服务业务单独定价的同时，对内存等零部件实施对外采购的政策，这给英特尔带来了机会。

1970年，英特尔在自己的3英寸晶圆厂成功量产了划时代的1K容量的内存1103。每比特1美分的售价，让内存的性价比第一次超越传统的磁芯存储器，内存的生产真正实现了规模经济。1103也被业界称为“磁芯存储器杀手”，成为当时全球最畅销的半导体芯片。

凭借1103的热销，到了1972年，英特尔发展成一家拥有1000名员工、年收入2300万美元的产业新贵。IBM在新推出的大型计算机上也开始使用1103，这是英特尔标志性的成功。

此后，英特尔按照摩尔定律的节奏，每三年推出新一代产品，每一代新产品的存储容量是上一代产品的4倍。

在内存刚问世的那几年，英特尔拥有这一市场几乎100%的份额。1973年石油危机爆发后，欧美经济发展停滞，商用计算机的需求放缓，影响了半导体产业，给了其他公司赶超英特尔的机会。

先是德州仪器的前首席工程师，在马萨诸塞州成立莫斯泰克（Mostek）公司，为计算机企业配套生产存储器件。莫斯泰克的杀手锏是低价，迅速在4K内存市场占得一席之地。紧接着，莫斯泰克在16K内存上取得了技术领先，市场份额一度超越英特尔。

再下一个回合，则是德州仪器赶了上来。内存市场上的玩家越来越多，美国内存市场一片繁荣。

直到20世纪80年代，内存市场上出现了一波新的竞争者，日本公司上场了。

第二轮：日本反超

1973年，第四次中东战争打响，石油价格翻了4倍，这对石油完全依赖进口的日本产生了严重的打击，持续了多年高速增长的日本经济出现了急刹车。

不仅是日本，石油危机的爆发，让全球经济的发展速度放缓，美国也不例外。由于盈利受损，美国各大半导体公司放缓了对新技术的投资，这就给了日本一个赶超的机会。

1976年，日本启动了“下世代电子计算机用超大规模集成电路”(VLSI)研究开发计划，要在半导体技术上超越美国。VLSI计划由通产省牵头，五大做芯片和电脑的企业，日电、日立、东芝、富士通和三菱共同参与。计划的核心，是先进制程内存及半导体生产设备的研发。

VLSI计划的灵魂人物是垂井康夫，他在半导体产业有着20多年的资历，是日本半导体研究的开山鼻祖。在垂井康夫的鞭策下，日本企业摒弃门派之别，整合半导体产学研人才，在四年时间内搞出上千件专利。

在产业化方面，日本政府为半导体企业提供了高达16亿美元的巨额资金，以及税赋减免、低息贷款等扶持政策。结果，日本的半导体产业从设备、原料到芯片的三个方面都取得了重大突破：

设备：以尼康和佳能的光刻机为核心的半导体设备国际市场占有率超过美国；

原料：信越化学（Shin-Estu）和胜高（SUMCO）在全球硅晶圆市场占据超过一半的份额，日本整体在全球半导体材料市场上的占有率超过了70%；

芯片：富士通与IBM几乎同步研制出64K内存，日本企业凭借64K内存拿下全球一半以上的内存市场，256K内存也实现了量产。

通过VLSI计划，日本构建起了相对完整的半导体产业链。VLSI计划结束时，垂井康夫满意地认为：

日本的半导体技术已和IBM并驾齐驱。

1980年初，惠普电脑招标采购16K内存，日电、日立和富士通完胜英特尔、德州仪器和莫斯泰克等美国芯片企业。惠普发现，在合格率指标上，日本公司都在90%以上，美国公司仅有60%~70%。而且，日本芯片的交货总是很准时，并很少发生退货。

当时，美国内存相对日本内存还有先进制程上的技术优势。很快，通过采用“三箭齐发”的研发节奏，芯片制程也被日本赶了上来。

1982年，日本成为全球最大的内存生产国。与产量暴涨相伴的是价格暴跌，一个两年前还卖100美元的64K内存，现在只要5美元就能买到。就算价格跌去了95%，日本厂商还能赚钱，而美国厂商由于成品率低就得亏钱了。

1983年，销售256K内存的公司中，除了富士通、日立、三菱、日电、东芝之外，只有一家摩托罗拉是美国公司。这一年，日本厂商的海量产能导致内存价格暴跌了70%，这使得正在跟进投资、更新技术设备的美国企业普遍陷入巨额亏损状态。

1985年，东芝公司历时三年完成了“W计划”，率先实现了1M内存的量产，这也是东芝第一个超越世界水准的半导体产品，为日本的内存产品称雄国际市场奠定了基础。

1986年，日本半导体产值已大幅超越美国，并且在全球半导体产业中所占的份额超过了一半。1990年，全球前10大半导体企业中，有6家来自日本，日电、东芝和日立占据了前3(IC Insights数据)。

一向阳光明媚的硅谷，此时被笼罩在大片的乌云之下。

第三轮：韩国崛起

朝鲜战争结束后，韩国一片废墟，满目疮痍。

为了让孩子得到良好的学习环境，三星集团的会长李秉喆把三个儿子都送去日本学习。之所以如此，是因为李秉喆坚信：

“我们可以从日本的变化过程中找到我们自己的发展道路。”

1974年，李秉喆的小儿子李健熙用其个人资产买下一家因资金不足而经营不下去的韩美合资的半导体工厂，开启了日后三星电子庞大的半导体业务。

起初，李秉喆并未支持李健熙的半导体工厂。稻叶秀三博士告诉李秉喆，大力发展半导体产业是日本产业结构演进中最重要的一步。三星电子的姜社长告诉李秉喆：“半导体产业的胜负关键在于数量，而存储器和计算元件在全世界都是一个规格，市场规模大，需求量也很大。”

这两次谈话，前者让李秉喆下定了决心进入芯片产业，而后者则是三星电子未来成为存储器全球领导者的起点。

三星电子首先要做的是从国外引进内存生产技术，可是没有一家一线半导体厂家搭理它。几经周折，三星电子从美国西翠克斯(Citrix)公司拿到了CMOS工艺技术，从美国美光公司拿到64K内存技术的授权，并从夏普买来了几乎全套量产设备。

1983年夏，三星电子大规模兴建位于器兴的晶圆厂，正式进军内存市场。为了尽快缩小与日本的差距，三星电子变本加厉地以搭乘周末往返航班的方式从东芝那里邀请技术人员来韩指导。

1985年，三星电子又从濒临破产的美光手中拿到了256K内存技术的授权，只用了7个月就完成了这一产品的量产，进一步缩小了与日本的技术差距。

与此同时，韩国政府希望能像日本一样通过出口半导体产品赚取大量外汇，开始重视半导体产业的发展。1982年，韩国政府颁布类似日本VLSI计划的“半导体产业振兴计划”，提出要实现电子配件和半导体生产的本土化，而非通过跨国公司的投资来发展。

韩国政府对本土半导体企业的最大帮助，是通过银行不断地输血。1981年，通过民营化政策，韩国政府陆续把15家普通银行交给大企业集团经营。最高时，政策性贷款在韩国各大银行所有贷款中的占比高达60%。

当时，日本的东芝公司在半导体产业中如日中天，因而成为了三星电子效仿的主要对象。借助参观东芝最先进的芯片厂的机会，三星电子组织了一个庞大的考察团进行了详尽的考察。考察归来，三星电子迅速挖来了东芝管辖生产线的部长，然后建了一个几乎一模一样的工厂。后来，为了攻克1M内存的量产，三星电子不惜花高价组织了一个近百人的日本顾问团。

同时，三星电子发现日本企业对消费者需求的调研不够重视，随之组建了强大的战略市场部门，仔细研究用户需求。不仅如此，三星对情报工作的重视上升到了集团战略的层面，聚集最优秀的人才，组建集团秘书室，成为当时韩国最强大的情报分析组织。

在三星进军内存领域的时候，正逢国际半导体产业进入低谷期。领跑的日本内存企业在设备折旧后就通过大幅折价打价格战，导致三星将所投资本全部亏光。但为了缩小与日本企业的差距，三星仍然按计划启用了1M内存厂，并追加投资进行4M内存工厂的建设。

4M是当时内存芯片最先进的制程，已无可能取得国外公司的技术授权。1986年，韩国政府将4M内存列作国家项目，由韩国电子通信研究院牵头，三星等大企业与高校联合攻关。最终，历时三年拿下了4M内存的量产，韩国政府承担了多数的研发费用。

1985年，三星电子迎来了转机。这一年，被打得惨兮兮的美国内存厂向日本发起内存反倾销诉讼，日本企业屈服，大量停产转售1M内存生产线。国际市场上内存价格回升，三星电子和美光一样坐收渔利，刚刚扩大的产能正好填补了日本企业让出的市场空白。由于韩元跟随美元，相对于升值的日元贬值，三星电子的内存项目在这一年第一次实现了盈利。

1988年，三星半导体与无线通信合并进三星电子，三星的几个电子业务版块抱团取暖。实际上，三星的内存业务之所以能够坚持，主要是依靠通信和家电业务的利润来输血。三星电子的规模是它的一大竞争优势。

1989年，三星电子实现了4M内存的量产，赶上了东芝的进度，达到了世界领先水平。

就在这时候，市场出现了重大变化：个人电脑成为计算机市场的主流。与强调高质量、长寿命的商用计算机不同，消费者一般五年左右就会升级个人电脑，以便使用英特尔新一代的CPU，来流畅地运行微软的新一代视窗操作系统。

日本企业原本为商用计算机研发的高端内存号称能保质使用二十五年，进入个人电脑时代后没能及时改变思维模式，仍然生产技术过于先进且质量过高的内存，竟因为价格太贵而打不进个人电脑市场。

个人电脑一般用五年就要淘汰，谁还在乎你长达二十五年的保质期？

三星电子这时候上演了一场“低端颠覆式创新”的大戏，技术水平较差、但价格低廉的三星内存，无意中迎合了个人电脑市场的需求，抢占了这块大市场。

对日本半导体产业来说，1991年是一个重要的转折点。

在此之前，6英寸晶圆主导了全球芯片产线足足十一年，时间之长远远超过此前更小尺寸的晶圆。与之相比，8英寸晶圆生产效率约可提高二三十个百分点。1991年正是日本泡沫经济的转折年，股市开始大跌，房市还在上涨，在这种形势下，日本企业普遍对8英寸晶圆线的投资产生了犹豫。

这时候，已接替李秉喆担任三星集团会长的李健熙意识到，8英寸晶圆是芯片工厂的一次非常难得的产能迭代的机会，三星电子终于可以和竞争对手站在同一条起跑线上。三星电子连续五年在8英寸晶圆线上投入超过5亿美元的巨资。

凭借极大的成本优势，几乎一夜之间，三星电子就让16M内存的价格暴跌至之前的 4%，从而掌控了内存市场。1992年，三星电子超过日电成为世界第一大内存制造商。

三星电子从此进入全球半导体一线企业阵营，日本内存产业则受到了巨大的打击。

计算芯片

英特尔：微处理器

1971年，英特尔造出了历史上第一个微处理器 4004。4004芯片用10微米制程的工艺生产，拥有2250个晶体管，时钟频率为740KHz。4004可以完成指令的读取与执行，并和其他计算机部件进行信息交换。它每秒能运算6万次，计算能力是ENIAC的12倍，体积却小到可以用两根手指捏起来。4004微处理器和4001内存、4002只读存储器(ROM)、4003寄存器(Register)四兄弟一起，再加上键盘和显示屏，就可以构成一个微型计算系统。

摩尔认为4004是人类历史上最具革命性的产品之一。在4004诞生之前，芯片的功能是事先定义好了的。如果想要改变功能，就必须改变硬件。而现在，只要改变4002中保存的用户指令，就可以让4004实现不同的功能，独立的软件行业因此诞生。

1974年，法金设计出首款商业化的8位单芯片微处理器8080，真正开创了微处理器市场。随之而来，美国出现了电脑爱好者利用业余时间购买散件、在家里的车库内组装电脑的热潮。这其中，就包括苹果的两位创始人斯蒂芬·沃兹和乔布斯。

1976年，“苹果一号”诞生，这是第一台在出厂前就组装好的家用电脑。后续的“苹果二号”，配备了彩色显示器和外部磁盘存储器，除了办公之外还可以打游戏。一夜之间，有娱乐用途的家用电脑就流行开来了。

1978年，苹果二号卖了2万台，苹果公司迅速成为年销售额突破3000万美元的明星企业。家用电脑市场的兴起吸引了蓝色巨人IBM的关注，为了迅速开发出能在市场普及的家用电脑，IBM决定实行“开放”政策，借助其他企业的现成软硬件集成。英特尔凭借良好的合作关系以及更好的问题解决方案，成为IBM的微处理器供应商。

然而，对于英特尔，IBM也留了一手。为了防止英特尔一家独大，IBM要求英特尔必须将其CPU的设计对外授权，英特尔只好把CPU技术授权给超威（AMD）。这为超威日后的发展，提供了不可忽视的时代背景。

1981年，IBM通过对苹果二号电脑的模仿，推出IBM PC，强势进入家用电脑市场。从此，PC(个人电脑)从此成为家用电脑的代名词。IBM的订单使英特尔微处理器的销量陡然上升。然而，此时的英特尔却在坚持它的定位：一家存储器公司。毕竟，内存刚问世的那几年，英特尔拥有这一市场几乎100%的份额。

在日本芯片企业咄咄逼人的攻势下，美国芯片企业招架无力。即使借助《美日半导体协议》和《广场协议》，美国最终也没有挽回芯片产业的溃败。在日本人“定价永远低10%”的疯狂进攻下，英特尔无力反击，其内存的市场份额直线下滑，最低时竟到了10%，其中最新推出的256K内存的市场占有率更是少到只有1%。

公司的经营者无法相信这样的事实：他们竟然在自己开创的市场上被人甩在了后面。1985年，几经犹豫的格鲁夫与CEO摩尔有了如下的经典对话：

格鲁夫：“如果我们被踢出董事会，他们找个新的首席执行官，你认为他会采取什么行动？”

摩尔犹豫了一下，答道：“他会放弃内存的生意。”

格鲁夫俯身向前，死死地盯着摩尔，然后说：“那我们为什么不自己动手呢？”

这是关系英特尔生死存亡的战略转折时刻。最终，英特尔董事会决定，彻底退出内存市场。

战略转折的过程是相当残酷的：1986年，英特尔关闭了8家工厂中的7家，解雇了7200名员工，亏损超过1.7亿美元。这也是英特尔自上市以来经历的唯一一次亏损。

在退出内存业务的同时，英特尔投入3亿美元的研发费用，打造80386(简称386)微处理器。386是英特尔第一款32位的处理器，其速度是16位处理器的286的3倍，而且可与后者兼容。它还具备多任务处理能力，即它可在同一时间运行多个程序。

386芯片是计算机技术的一个真正里程碑，消费者开始把他们的个人电脑称作“386”，就好像这个数字是电脑的品牌。与此同时，微软和其他软件开发商都开始青睐这个产品。

1989年，英特尔推出了486处理器。并于1993年，推出了划时代的奔腾(Pentium)处理器。此后，英特尔的微处理器以两年更新一代的节奏不断将性能翻倍，把所有竞争对手都越来越远地甩在了后面。

1990年，微软推出的视窗3.0操作系统，正是为在386芯片上运行而设计的。从此，微软的视窗操作系统功能越来越强大，代码越写越多，英特尔也必须不断研发出更加强大高速的微处理器，否则视窗操作系统的运行就快不起来，软件反过来又推动着硬件的进步。

就这样，微软每次发布新的操作系统，就带来微处理器和内存等硬件厂商的新一轮商机。微软与英特尔，就这样结成了独特的软硬件联盟，共同称霸个人电脑时代。

安谋：移动处理器

计算机程序最终要变成一系列指令才能在处理器上运行。早期的处理器，从IBM到英特尔，在设计的时候都想着实现尽可能多的指令。这一做法的优势是功能齐全、性能强大，但劣势则是设计复杂，每个指令执行时间不一样，导致处理器在运行时出现不必要的等待，而且产生较大的功耗。这一类处理器被归作“复杂指令集计算机”(CISC)的类型。

1977年，针对复杂指令集的缺陷，美国加州大学伯克利分校的戴维·帕特森教授提出了精简指令集（RISC）的处理器设计思想，主张只保留很少的常用指令，较为复杂的指令则利用常用的指令去组合。这样的话，由于每条指令的执行时间相同，处理器的运作就会比较流畅，速度比较快，功耗也会比较低。

精简指令集大幅简化了计算机处理器的设计，它的出现是计算机发展史上的一次革命。在当时，学术界一边倒地认为复杂指令集的设计已经过时，许多厂商纷纷转入精简指令集处理器的设计，甚至微软都公然支持精简指令集，鼓吹“RISC代替英特尔原有芯片是大势所趋”。

格鲁夫在复杂指令集和精简指令集技术的路线选择上犹豫不决。坚持复杂指令集会有被行业发展趋势淘汰的风险，选择精简指令集就要从零起步，而且会面对很多的竞争对手。考虑到复杂指令集是英特尔的强项，英特尔的复杂指令集技术已成为行业的标准，技术授权收入的价值超过百亿美元，格鲁夫最终决定选择复杂指令集，放弃了精简指令集。

为了保险起见，英特尔自己也试着推出了基于精简指令集的80860处理器，由于该处理器与X86架构不兼容而不被消费者接受，于是英特尔铁了心专注发展复杂指令集。与此同时，当微软发现IBM和苹果这样的老冤家居然破天荒地结盟开发精简指令集操作系统时，它清醒了过来，回归Wintel联盟。

复杂指令集在工作站领域也击败了精简指令集。持续的产品迭代，让英特尔推出的工作站处理器，性能提高速度大大超过所有精简指令集阵营的处理器。最终，包括IBM、摩托罗拉、惠普在内的精简指令集阵营的6大工作站服务器厂商全军覆没，连戴维·帕特森教授也不得不在教科书上添加关于复杂指令集的内容。

尽管在个人电脑时代不敌牢固的Wintel联盟，退出了个人电脑和工作站的领域，精简指令集却在移动时代卷土重来、稳居上风。根本原因在于，复杂指令集有一个致命的缺陷，那就是能耗太高。

在个人电脑时代，消费者对耗电问题没有太大的感觉。以英特尔的酷睿处理器为例，如果昼夜不停使用，一年的耗电量已经等同于它的价格。这种耗电量到了移动时代，是智能手机和平板电脑所无法承受的。此时，精简指令集低能耗的优势就显现出来了。

1978年，也就是精简指令集诞生的第2年，一家名叫艾康电脑的公司在英国剑桥创立。艾康基于精简指令集研发了一个32位、6M Hz、使用自研指令集的处理器，并将其命名为ARM(Acorn RISC Machine)。

20世纪80年代，艾康曾与苹果合作开发新版的ARM微处理器内核，苹果想用ARM来为牛顿(Newton)掌上电脑开发芯片。1990年，在获得苹果和VLSI科技的投资后，艾康电脑成立了独立的子公司安谋，专门从事低成本、低功耗、高性能芯片的开发。

由于牛顿掌上电脑的失败(这是乔布斯离开时苹果推出的产品)以及企业自身实力的弱小，安谋没法自己直接卖芯片，被迫踏上了一条新路：自己不生产芯片，甚至不设计芯片，只将芯片架构的知识产权(IP)内核授权给其他公司。

在知识产权授权模式中，一次性技术授权费用(通常为数百万美元)和版税提成(通常在1%～2%)是安谋的主要收入来源。

各大芯片设计厂商从安谋购买其所设计的ARM微处理器内核，并根据自身定位在向细分领域发展时加入适当的外围电路，构建符合市场需要的微处理器芯片。通过这一合作生态，安谋快速主导了全球精简指令集微处理器的架构，其客户也可节省设计微处理器内核的资源，相对较快地切入芯片设计市场。

安谋与比它早三年成立的台积电类似，都是半导体产业链各环节专业化分工的产物。它们共同构成了移动智能产品的“IP授权+Fabless+Foundry”模式，从苹果、华为到小米等目前市场上的几乎所有智能手机品牌都是这一模式的受益者。基于移动系统芯片的整合优势，ARM架构授权合作的企业已达上千家。截至2020年，ARM合作伙伴已经出货了超过1600亿个基于ARM架构的芯片。

不仅如此，在移动领域已占据绝对优势的ARM架构开始侵入台式和笔记本电脑的地盘，越来越多的电脑采用建立在ARM架构基础上的CPU。2020年6月，苹果宣布旗下电脑未来将改用基于ARM架构的自研芯片Apple Silicon，放弃其采用了十五年的X86架构。高通也在与惠普、联想和华硕等电脑厂商合作推出使用ARM架构骁龙芯片的电脑。

X86所赖以生存的软件生态，在ARM的眼里完全不是个问题。建筑在ARM架构上的手机应用软件，已高达数百万个，相对于电脑上可用的应用程序来说毫不逊色，连微软都宣称要从Windows 8开始支持ARM架构。

ARM架构甚至攻入了服务器的处理器市场，安谋逐步将发展重心转移至数据中心、智能汽车以及物联网领域。相比X86架构，ARM架构还有开放的优势，可以通过授权知识产权核给客户，开发多元化的芯片产品，更适合物联网这样的复杂应用场景。

2019年1月，海思发布首款基于ARM架构的服务器芯片——鲲鹏920，它将部分替代英特尔的服务器芯片，大大降低华为运营数据中心的成本。年底，亚马逊宣布，使用ARM的新一代架构NEOVERSE N1的处理器芯片GRAVON2将用在它自己的服务器上，可为客户节省高达40%的成本。谷歌、阿里云等服务器大户也都在联合高通、超威等芯片设计公司，推动ARM架构的“英特尔替代方案”。

安谋无意中与台积电共同完成了芯片产业的一次革命：各自重塑了芯片上端的架构设计和下端的芯片制造。如今，安谋占据了95%智能手机和平板电脑的架构设计，台积电则占据了全球一半的晶圆代工市场，两家公司形成了一个与Wintel联盟迥异的垄断格局。

安谋和台积电都诞生在小小的岛屿上，这似乎不是巧合。正是因为缺乏广阔腹地市场的支持，这两家企业才被迫走上专业分工的道路，在全球范围内寻求订单，由小公司成长为国际性的大企业。

英伟达：并行处理器

1993年，30岁的黄仁勋和两个工程师看好电子游戏计算市场，用4万美元的启动资金创办了英伟达。

在随后四年时间里，英伟达推出了两款芯片。由于押错技术方向，这两款产品都失败了，公司也奄奄一息。黄仁勋决定将公司发展的方向从游戏机调整到正在兴起的个人电脑，并从游戏设计公司晶体动力请来大卫·柯克博士担任首席科学家，组织了一支庞大的研发团队。英伟达的第三款芯片采用微软显卡的标准，获得微软的垂青，这才大获成功。

早期的显卡只包含简单的存储器和帧缓冲区，实际上只起到图形的存储和传递的作用，一切操作都必须由CPU来控制。20世纪90年代，一些工程师意识到：在屏幕上进行图像渲染，本质上是个能并行处理的任务——每个像素点的色彩可以独立计算，不需要考虑其他像素点。GPU就此诞生，并成为比CPU更高效的图形处理工具。

2000年，在推出第二代GPU的时候，黄仁勋大胆地提出了自己的“黄氏定律”：显卡芯片每6个月性能提升一倍。于是，英伟达按照这个战略每半年将产品升级一次，将众多的竞争对手一一超越，最终成为图形计算领域的老大。

CPU适用于多功能任务处理，只能一步步连续计算，按照目前的技术力量能做到几十个核。而GPU只为大计算量而生，采用高度并行的方式运作，可以做到上千核。CPU是通用型的，什么场景都可以适用，GPU则在一些特定的大计算量的领域拥有非常强大的性能，可以超过CPU数十倍甚至上百倍。

如今的显卡普遍都以GPU作为主要处理单元，这样就大大减轻了CPU的负担，提高了电脑的显示能力和显示速度。一些专业显卡具有的晶体管数量甚至比同时代的CPU的晶体管数量还多。GPU重新定义了现代计算机图形技术，极大地推动了个人电脑游戏市场的发展。

GPU的计算能力如此强大，在图形处理之外还可以有更多的用途，比如华尔街的量化交易员，就在用英伟达的GPU跑交易。这些人深受GPU编程麻烦之苦，2003年，柯克说服黄仁勋大力发展统一计算设备架构(CUDA)技术。CUDA支持C语言环境的并行计算，这意味着工程师们很容易在CUDA架构的基础上编写程序，轻松上手使用GPU来做并行计算。

GPU变身为通用图形处理器(GPGPU)，可处理非图形的通用计算任务。通用图形处理器拥有强大的并行处理能力，当数据处理的运算量远大于数据调度和传输的需要时，可以在性能上大大超越传统的CPU。CUDA技术成熟后，柯克再次说服黄仁勋，让英伟达未来所有的GPU都必须支持CUDA。

2007年，英伟达正式推出CUDA架构的Tesla GPU，几乎一夜之间，地球上的超级计算机都采用了Tesla GPU来进行运算。

2012年，深度学习兴起，人工智能取得了新的突破。基于海量数据的深度学习计算量巨大，需要在云端完成，然后通过算法在终端对新输入的数据进行智能推断。人工智能芯片相应地分成云端训练芯片和终端推断芯片两大类，最常用的云端训练芯片就是GPU。在同样的计算量上，GPU在价格和功耗上相对传统的CPU都有巨大的优势。

目前世界上约有3000多家人工智能初创公司，大部分都采用了英伟达提供的硬件开放平台。这就像20世纪90年代的人们都基于Windows创业，或者在21世纪初的人们都在安卓和iOS上创业一样。

黄仁勋毫不谦虚地宣称：英伟达不仅仅处在人工智能的浪潮之中，而且是人工智能浪潮得以成型和推进的重要原因。在云端训练芯片上，英伟达占据80%的市场份额。

受益于人工智能应用对数据中心处理器算力的强劲需求，英伟达的数据中心业务自2016年起开始爆发性增长，同比增长率连续7个季度超100%。

全世界数据量的年增长速度大约是40%，并在不断提升。CPU的性能提升却在放缓，已经跟不上数据增长的速度。而GPU中所容纳的晶体管数量还在呈指数级增长，让GPU的性能以40%左右的速度提升，跟上数据大爆炸的脚步。

除了在云端训练芯片市场上占据主要份额外，英伟达在终端推断芯片市场上也有布局。终端推断芯片最大的一块市场是汽车芯片，英伟达推出自动驾驶解决方案，销售了大量的硬件给特斯拉、奥迪、沃尔沃等车企和谷歌、博世这样的汽车技术供应商。除了一线车企，英伟达还为100多家初创公司供应了自动驾驶套件。

2020年7月8日，一个分水岭式的历史事件发生了：英伟达当日市值接近2500亿美元，首次超越英特尔，成为全美市值最大的半导体企业。多家媒体都迫不及待地宣告：一个时代结束，另一个时代开始了。8月30日，英伟达的市值继续涨至3240亿美元，整整甩掉市值跌至2140亿美元的英特尔一个千亿级。

芯片制造

光刻机：王冠上的明珠

芯片的生产过程大致如下。

首先，要做出高纯度的硅，将单晶硅锭像香肠切片一样横向切割，得到厚度不超过1毫米的硅片，也就是晶圆(wafer)。

然后，就要在硅片上做出电路。这个过程大致包括：(1)画出线路图；(2)把线路图刻到玻璃板上，制成掩膜(也叫光罩)，相当于做出照片的底片；(3)把掩膜上的线路图用强光投射到涂了一层非常薄、非常均匀的光刻胶的硅片上，光刻胶被强光照射的部分变得可以溶解，就像洗照片一样，在硅片上曝光出线路图；(4)对硅片上的线路图多次使用刻蚀、扩散、沉积等工艺做出复杂的晶体管和电路网络，最终做出来的芯片就像是迷你的多层城市交通网络。

最后，将晶圆切割成一块块芯片内核，将芯片内核与衬底、散热片等封装到一起，就形成了一个完整的芯片。芯片还得通过测试，确保达到设计的功能，才能最终出厂。

如果把制作芯片比作刻版画，芯片生产的过程就是在硅衬底这张“纸”上，先涂上一层名为光刻胶的“油墨”，再用光线作“笔”，在硅衬底上“拓”出需要的图案，然后用化学物质作“刻刀”，把图案雕刻出来。其中，以光线为笔拓印图案这一步被称为光刻，图案线条的粗细直接影响后续雕刻的精细程度。

在芯片制造的几百道工序里，光刻是最重要的步骤。一块芯片在整个生产过程中需要光刻二三十次，耗时占生产过程的一半，成本能占到三分之一。光刻不仅影响晶圆厂的生产效率及成本，还决定了芯片的工艺制程，晶体管的尺寸必须由光刻来确定，所以光刻机在半导体产业中占据着极为重要的地位。

从芯片诞生到20世纪80年代末的30年，是芯片产业的草莽时期。在美日两大半导体产业阵营对峙的背后，是美日两国光刻机厂的对垒。

光刻技术的诞生比芯片还早。1955年，贝尔实验室的朱尔斯·安德鲁斯和沃尔特·邦德合作实现了在硅片上用光刻加工出电子元器件的方法。

芯片诞生之初，晶体管的尺寸还比较大，光刻没有多少技术含量。1961年，美国地球物理学公司(GCA)造出了第一台重复曝光光刻机(photo repeater)。GCA的绝活是“微米轮”，能够定位到1微米的精度。在整个20世纪60年代，GCA占据了光刻机市场的主导地位，拥有60%-70%的市场份额。

这一时期的光刻机是接触式的，掩膜直接放在硅片上进行曝光，技术思路来自于相片洗印技术。缺点也显而易见，掩膜与光刻胶多次触碰容易产生污染，而且掩膜在和硅片接触后会造成磨损，大概用个十来次就报废了。

有人想到将掩膜和硅片拉开距离，却需要解决光线的散射问题。为此，人们在掩膜和硅片之间加上透镜，这就有了投影式光刻机。投影式光刻，还能够达到缩印的效果，突破了此前掩膜分辨率决定了硅片分辨率的限制，从而实现了光刻精度从微米级向纳米级提升。

1973年，珀金埃尔默科学仪器公司(Perkin Elmer)率先推出了第一台投影式光刻机。率先试用的德州仪器发现，节省的掩膜成本，叠加良率几十个百分点的提升，在10个月内就回收了光刻机采购成本。一时间，各芯片厂的订单蜂拥而来。此后，英特尔用珀金埃尔默公司的投影光刻机造出了8086处理器，而珀金埃尔默公司在20世纪70年代后期占据了90%的光刻机市场。

1978年，不甘落后的GCA公司推出了世界第一台自动化步进投影式光刻机(stepper)。随着晶圆面积变大，一块晶圆上要制作出的芯片数量也越来越多，步进光刻机显示出巨大的优势，GCA重新成为光刻市场的领导者。Stepper是第一台现代意义上的光刻机，后续的光刻机基本上都属于这种类型，差异只在于光学系统的变化。

早期的光刻机公司，都不自产镜头。在光刻机进入投影时代以后，镜头质量越来越重要。于是，尼康和佳能这样能自己造高质量镜头的专业相机厂家有很大的优势。

1976年，尼康和佳能受日本国家项目VLSI计划委托，开发将电路图案缩小为十分之一的晶圆曝光装备。20世纪80年代初，尼康发售了自己首台商用步进式光刻机NSR-1010G，采用自研镜头，拥有比GCA和佳能更先进的光学系统。1982年，尼康在硅谷设厂，开始从GCA手里夺下一个又一个大客户：IBM、英特尔、德州仪器、超威等。

1984年，GCA获利2亿美元，成为全球最大的半导体设备供应商，但这也是它最后的辉煌。这一年，全球卖出1100台光刻机，其中600台被日本芯片制造商买下。尼康成为日本芯片崛起最大的受益者，它的市场份额上升到和GCA平起平坐的地位，两个公司各享三成市场占有率。优特(Ultratech)、伊顿(EATON)、珀金埃尔默、佳能、日立等公司瓜分剩下的40%。

此后，随着美国在芯片市场上的份额急剧下降，加上全球半导体市场大滑坡，美国芯片制造商的光刻机采购量大幅下降。1987年，美国三大光刻机生产商GCA、优特和珀金埃尔默全部陨落，美国光刻机产业从此一蹶不振。

与此同时，20世纪80年代后半期，依托日本发达的芯片产业，尼康和佳能得以双雄称霸，成为当之无愧的全球光刻机巨头。

然而，谁也不曾想到，远在荷兰的一家小公司，此刻正在积蓄力量。它的成功，离不开芯片产业一次重大的产业链重构。

台积电：晶圆代工的兴起

就在美日之间，围绕着半导体产业大打贸易战的时候，我国台湾地区，也在讨论未来的经济发展方向。

自20世纪50年代以来，台湾的经济发展战略发生过几次改变。一开始是劳动密集型的出口替代策略，通过发展来料加工的出口工业来替代初级产品出口，后来调整为资本密集型的出口扩张型策略，优先发展面向国际市场的重工业。到了20世纪70年代，台湾经济整体达到了一个全新的高度，那么下一步该往哪里走？

讨论的结果之一，是工研院成立了电子工业研究中心，后升格为电子工业研究所(简称电子所)。一方面，工研院电子所从美国积极引入专利技术，选送青年人才赴美培训；另一方面，耗资5亿台币，兴建了台湾第一座3英寸晶圆、7微米制程示范工厂。

1990年前后，台湾半导体工业开始爆炸式发展，其中有很大一部分都要归功于工研院电子所的付出。可以说，工研院电子所凭一己之力，硬是将整个台湾的半导体产业撑了起来。

1985年，华人中顶尖的半导体大咖张忠谋被请到中国台湾，出任工研院院长。那时，工研院正在计划建造台湾的第一座6英寸晶圆实验工厂。张忠谋认为，这么大的投资，如果只是用来研究，那实在太浪费了，为何不让它进行商业化运营呢？

当时，全世界的半导体企业都是IDM模式，集芯片设计与制造于一体。张忠谋知道，业界有许多芯片设计师都想独立创业，自己设计芯片，但苦于自建晶圆厂的门槛太高，市场上又不存在专业提供晶圆代工服务的供应商。因此，张忠谋设想，成立一家史无前例的专业做晶圆代工的公司。这家公司本身不设计芯片，只为用户制造芯片，可以通过面向全球客户寻求订单来跑满产能。

为了让这家新工厂的产品有竞争力，张忠谋还特别坚持一点：资本规模必须向美国中小型晶圆厂看齐。为此，张忠谋亲自给美国、日本的10多家半导体企业写信，大多数公司都拒绝了，他们都认为单一的晶圆代工生意行不通。

张忠谋跑遍全球，终于从欧洲的一个小国家找来了一个合作者：飞利浦。1987年，在张忠谋的主导下，中国台湾当局、飞利浦和台湾民间资本分别出资，共同成立了台积电，张忠谋担任台积电的董事长兼执行长。

由于台湾企业都不看好这个项目，台积电用了五年时间才把资金凑齐。投产第一年，基本上接不到大公司的订单，整个公司以亏损的状态运行。

与台积电成立同一年，英特尔换帅，格鲁夫接替摩尔成为首席执行官。为了应对日本芯片企业的低价竞争，格鲁夫想将低端芯片的生产转移到亚洲去，自己好集中精力生产微处理器。张忠谋与格鲁夫的私交甚好，于是就请英特尔来对台积电进行代工生产的认证。

于是，在台积电芯片制造工艺落后英特尔两代半的情况下，格鲁夫将部分订单交给了台积电。英特尔的订单是对台积电产能与质量的最好背书，相当于给台积电打了一个全球性的广告，台积电就此打开了市场。

英特尔的订单让台积电尝到了甜头，台积电专门制定了一个“群山计划”，目标是要拿下5家类似英特尔这样在半导体制造技术上比较领先的公司，为他们量身定做技术解决方案。

让人意想不到的是，当台积电的晶圆代工业务真正跑起来之后，世界各地大大小小的独立芯片设计公司似乎都在一夜之间冒了出来，一口气占到了台积电7成的营收占比。这些半导体初创公司的共同点是没有资金和人力建自己的晶圆厂，对外部晶圆代工服务有极强的需求，台积电成了它们唯一的选择。

独立晶圆代工企业的出现，让半导体产业产生了巨变。从此，半导体行业的进入门槛大大降低，催生了大量的芯片设计企业。大浪淘沙中，一批芯片设计公司成长为行业巨头，比如高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、美满(Marvell)，它们在通信信号、网络连接和Wi-Fi等芯片设计领域各有专长，它们的市值甚至能够超过一些IDM大厂。

对于这些芯片设计巨头来说，它们发送给台积电的芯片设计图都是高度机密的资料。如果泄密了，那绝对是灾难性的。为此，张忠谋一方面严守“只做代工、不与客户竞争”的本分，另一方面用一套异常严苛的诚信管理系统来管理台积电员工，防止有任何泄密的可能。也因为台积电对诚信的严守，才能让那些在芯片市场上斗得你死我活的竞争对手，都不约而同地让台积电为它们代工。

1994年，台积电上市，张忠谋辞去工研院院长职务，专心经营台积电。

1995年，晶圆代工全面被业界接受。台积电的订单源源不断，产能却满足不了需求。台积电于是让新客户交订金来预购产能，引发了一些客户的不满。

随着晶体管越做越小，技术难度越来越高，芯片厂的投资也越来越大。摩尔正是在1995年预见到摩尔定律将受到经济因素的制约，提出了“摩尔第二定律”，具体来说，就是建厂成本平均每四年翻一番。

2000年，正逢全球芯片制造从8英寸转进12英寸的迭代，建一条普通12英寸线的成本高达15亿美元。相比之下，建一条8英寸线只需10亿美元。当时正逢全球互联网泡沫破裂，加上“911”恐怖事件的阴影，全球信息产业出现前所未有的萧条局面。但半导体行业建厂一定要在行业低潮期，逆周期投资才能实现赶超。张忠谋猛踩油门，连续投了3座12英寸晶圆厂，将竞争对手远远甩在后面。

1997年，拜会超威创始人桑德斯的时候，张忠谋表示：

只有内存适合IDM，微处理器也适合做晶圆代工。

桑德斯不以为然，认为微处理器必须得靠IDM。结果，十年后超威处理器转型代工，将制造部门分拆出来，成立了格罗方德（简称格芯）。二十年后，连行业老大英特尔的微处理器也不得不转向代工。我们不能不佩服张忠谋的深谋远虑。

1998年，英伟达(Nvidia)将显卡交给台积电代工。台积电也因为英伟达的订单而切入了通用处理器的市场。

可以毫不夸张的说，张忠谋当初设立台积电的决定，对整个世界的半导体产业链都产生了深远的影响。从此，Fabless + 晶圆代工，取代IDM模式，成为了半导体产业的主流。

阿斯麦尔：光刻机的王者

除了美国和日本的企业之外，欧洲的飞利浦也曾是光刻机产业的一员。

飞利浦的光刻机在工程技术上拥有巨大的优势，然而由于公司内部的官僚气息，研发部门(物理实验室)与生产部门(科学与工业部)之间有很深的隔阂，做出来的原型机很难被生产部门接受。不仅如此，由于欧洲缺乏足够的半导体产业，飞利浦的光刻机不能像美日的同行那样，得到足够的生态支持。

最终，飞利浦决定，必须尽快把光刻机这个不赚钱的“个人爱好”处理掉。这时候，有家叫先进半导体材料公司(简称阿斯麦)的荷兰小公司的老板亚瑟·德尔·普拉多听说了这事，主动跑来要求合作。

普拉多出生于荷兰殖民时代的印尼，父亲有犹太血统。26岁时，他到硅谷旅行，被刚刚起步的芯片产业深深吸引。从哈佛毕业后，普拉多回到荷兰，创建了阿斯麦（ASM），从做半导体设备的代理起家，然后转型为半导体设备供应商。普拉多干得很成功，阿斯麦于1981年成为第一家在纳斯达克上市的荷兰公司。在普拉多看来，他已经能够造出除光刻机外的几乎所有芯片生产设备，只要加上光刻机，他就可以成为一站式的芯片设备供应商。

对于普拉多的请求，飞利浦犹豫了一年时间。最终，飞利浦终于同意与阿斯麦合作设立50∶50的合资公司。1984年4月1日，愚人节当天，由飞利浦的光刻机项目剥离而来的阿斯麦尔（ASML）公司成立了。

入职一个多月，斯米特即前往美国参加一个半导体设备展。一位美国应用材料公司的高管，看在飞利浦的面子上，给了一些建议：

芯片厂一般只会固定向一家供应商购买光刻机，而且要董事会级别才能决定。

斯米特意识到，光刻机的销售并不是件一锤子买卖的事情。芯片制造商被卷入的是一场无情的竞争，率先采用新设备的公司将受益于超高的毛利和巨额的利润，慢一步的公司就会被迫在供过于求的市场上忍受价格战的煎熬。对芯片厂来说，芯片的质量和产量最重要，一台好的光刻机就是一台印钞机，他们根本不在乎光刻机的价格。因此，芯片制造商可以接受新研发的还不成熟的光刻机，并愿意花大约一年的时间来使用、调试、适配新型光刻机来试生产新一代的芯片，直到设备成熟，设备商能够进行批量生产。

不仅如此，斯米特发现，还没有一个光刻机供应商能够制造VLSI的光刻机。当光刻机从LSI向VLSI演进的时候，大家都站在同一条起跑线上，阿斯麦尔就有机会跑到前面。此外，当时处于市场主流的4英寸晶圆也将很快被6英寸晶圆取代，这意味着光刻机供应商的新一轮商机。

为了能够在两年后交付一台成熟的VLSI光刻机，斯米特为阿斯麦尔制定了独特的发展路线，即绝大部分零部件都进行外包，使得阿斯麦尔能够集中精力于研发和组装。这样的企业定位，也使得阿斯麦尔在光刻机领域最擅长的两大优势“定位精准”和“唯快不破”得到了充分的发挥。

确定了企业定位之后，下一步的重点是要找到愿意“陪太子读书”的外部芯片制造厂。阿斯麦尔诞生之际，正逢世界面临美元贬值带来的糟糕经济形势，半导体行业衰退周期之长出乎大多数人的预料。但这对于阿斯麦尔来说是一种幸运，半导体行业必须在产业衰退期建厂，这条规律也适用于光刻机产业。

刚刚出道的阿斯麦尔不可能得到一线厂家的订单，于是就把市场开拓的重点放在二线厂家上。1987年，超威签署了购买25台PAS2500光刻机的合同，成为阿斯麦尔的最大客户。

更大的转机，来自于飞利浦与台积电的合作。

当时的背景是，正当日本和美国在内存芯片大打出手的时候，欧洲坐不住了。为了在高科技领域与美日竞争，欧洲共同体推出由欧洲各国政府资助主导的“尤里卡计划”。欧共体打算投资35亿美元，用八年时间做出0.3微米制程、64M的内存，以摆脱对美国和日本的依赖。

在这个计划中，飞利浦负责SRAM，并与西门子合作进行1M存储器的开发。以飞利浦那种极官僚的企业文化，根本不可能跟得上摩尔定律的要求。最终，飞利浦做SRAM失败，其巨大的产能需要找出路。

适逢当时，张忠谋正在全球范围内为台积电寻找合作伙伴。飞利浦一拍即合，毫无保留地把SRAM的生产线开放给台积电学习，然后再原封不动地把整条生产线搬到台湾，给了台积电。

台积电要生产芯片，当然要用到光刻机。由于飞利浦在阿斯麦尔和台积电分别占50%和27.5%的股份，于是，不管台积电有多挑剔或是多能砍价，阿斯麦尔那些库存里卖不动的光刻机，最终还是顺顺当当地漂洋过海，来到台积电。

台积电项目给阿斯麦尔带来意外的惊喜。1988年年底，台积电的芯片生产线快装好的时候，发生了一场火灾。台积电把所有被烟熏了的光刻机退回阿斯麦尔，并新下了个17台光刻机的订单。正急缺资金的阿斯麦尔靠这个意外的订单救了急，而且被退回来的光刻机有不少擦洗一下就能正常销售。为台积电的火灾买单的保险公司成了阿斯麦尔1989年最大的客户。

1988年是阿斯麦尔最困难的时候，市场也正是在这一年出现了明显的转机。除了台积电，阿斯麦尔又赢得了一个重要的新客户：美光。阿斯麦尔为美光配备了专门的现场服务团队，并与美光签署协议，可分享美光的利润。到了1989年，成立了五年的阿斯麦尔终于第一次有了利润和正现金流，但它很快又将陷入亏损。

阿斯麦尔要投入巨额资金开始下一代的光刻机的研发，它需要重点考虑采用哪种光源的问题。

20世纪六七十年代，芯片制造商使用可见光作为光刻机的光源。20世纪80年代，改用高压汞灯产生的紫外光(UV)。紫外光中能量最高的两个谱线是G线和I线，两者的波长分别是436纳米和365纳米。波长越短，光刻分辨率越高，镜头的制作难度也越大。

随着芯片制程向0.5微米以下挺进，紫外光不够用了。1982年，IBM的坎蒂·贾恩提出了用波长更短的深紫外光(DUV)，也就是准分子激光(Excimer Laser)来进行光刻。准分子激光无热效应，是方向性强、波长纯度高、输出功率大的脉冲激光，光子能量波长范围为157～353纳米，可以将芯片制程继续往下推进。

1982年，美国西盟(Cymer)公司成立，专攻准分子激光。当时市场的主流是G线光源，佳能和尼康决定押宝西盟，跳过I线光源，直接进行准分子激光光刻机的研发。阿斯麦尔则决定采用稳妥路线，进行I线光刻机的研发并打算率先将它推向市场。

结果，佳能和尼康为了这个激进的决定付出了惨痛的代价，直到1995年西盟才成功推出准分子激光光源产品。1991年，阿斯麦尔推出首台I线光源光刻机PAS5500，可加工8英寸晶圆，拥有业界领先的分辨率和生产力。不久，PAS5500通过了IBM的测试。获得IBM的认可就等于是获得全球8英寸晶圆厂的敲门砖，三星电子等重要客户都对PAS5500产生了浓厚的兴趣。

1993年和1994年，阿斯麦尔分别取得50%和60%的收入增长，以及1100万美元和2000万美元的可观利润。阿斯麦尔进入了稳步上升的阶段，于是开始正式筹备上市。

1995年，阿斯麦尔的股票在阿姆斯特丹及纽约同步上市，用27%的股份募得6300万美元的资金。上市当天，阿斯麦尔的市值上升到近7亿美元。1998年，阿斯麦尔的市值突破50亿美元。

三星电子和现代电子在拿到它们的第一台PAS5500后，很快就决定将几乎全部光刻机都改用成阿斯麦尔的。韩国和中国台湾成了阿斯麦尔仅次于美国的第二和第三大市场。

阿斯麦尔一上市，飞利浦即出让了一半的股份。可是，阿斯麦尔却才开始真正腾飞。2000年8月，阿斯麦尔的首台TWINSCAN系统光刻机出货。“双工件台”的创新模式，使得生产效率提高大约35%。而“磁悬浮驱动”，大幅度提高了加工速度和精度。更重要的是，阿斯麦尔的TWINSCAN正好赶上了一个绝佳的时机，全球芯片制造开始进入从8英寸厂转进12英寸厂的迭代。

反正要进行机器的更新，那为什么不引入效率更高的阿斯麦尔的TWINSCAN呢？

使用TWINSCAN光刻机的韩国和中国台湾的芯片制造业相对日本进一步加大了成本优势。

随着台积电与阿斯麦尔在光刻机上的深度绑定，21世纪初，台积电的几个技术牛人相继发力，竟不仅改变了台积电和阿斯麦尔的命运，甚至改变了全球半导体产业的面貌。

其中的代表性案例，就是林本坚的故事。2000年，林本坚加盟台积电，摆在他面前的难题是：

准分子激光的波长被卡死在193纳米，摩尔定律遇到了大麻烦。

林本坚提出了一个颇具创意的方案：利用水来降低光的波长！由于光线照到水中会发生折射，而水对193纳米激光的折射率是1.44，因而通过折射就可以获得波长约为134（193/1.44）纳米的光线。

张忠谋和蒋尚义给了林本坚的浸没式光刻方案很大的支持。同时，当时尚是小角色的阿斯麦尔决定赌一把：相比之前在传统干式微影上的投入，押注浸没式技术更有可能以小博大、换道超车。

2004年，阿斯麦尔与林本坚合作推出了浸没式光刻机，并顺利投入使用。浸没式光刻技术很快获得国际半导体大厂的普遍认同，也帮助阿斯麦尔取得了与尼康竞争的关键胜利。

林本坚带领团队乘胜追击，将光刻精度从130纳米做到90纳米、65纳米、40纳米、28纳米、20纳米、16纳米直到10纳米。在林本坚于2015年底从台积电退休后，浸没式光刻机通过不断改进，继续往前做到了7纳米的制程，苹果A12和华为麒麟980都还在用这一技术，再往前的5纳米制程才由极紫外(EUV)光刻来接班。

毫不夸张地说，林本坚和阿斯麦尔的合作改写了全球半导体产业的格局。2007年，阿斯麦尔成功击败尼康，成为全球光刻机市场的新霸主。到了2009年，阿斯麦尔已经占据全球光刻机70%的市场份额。

使用浸没式光刻方案，193纳米波长的浸没式光刻机能做到的极限分辨率是10纳米(相当于台积电的7纳米制程)。再往前，就只能用极紫外线光刻，而极紫外线的波长，仅仅13.5纳米。

极紫外线算是软X光，几乎能被任何介质吸收，所以不能穿过水——浸没式光刻方案用不上了；不能穿过空气，光刻机内部得做成真空的；也不能穿过透镜，传统光刻机用到的透镜技术全部得推倒重来。

光刻机需要用反射镜来传导光线。极紫外线的反射效率很低，每反射一次就要损失30%的能量，极紫外线需要经过十几次反射后才能到达晶圆，能量仅剩不足2%。这就需要非常强大的光源，而且对光的集中度要求极高，相当于拿个手电照到月球上所产生的光斑都不得超过一枚硬币大小。反射镜的工艺精度要求极高，直径30厘米的反射镜要求起伏不到0.3纳米，这相当于是做一条从北京到上海的铁轨，要求起伏不超过1毫米。

此外，过短波长的绕射现象会造成掩膜、晶圆边缘过度曝光，极紫外光对配套的抗蚀剂和防护膜的要求很高。可以说，极紫外线光刻机几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。

1997年，英特尔说服克林顿政府，组建了EUV LLC联盟。从1997年到2003年，EUV LLC的科学家们用了六年时间表了数百篇论文，攻克了在光源、抗蚀剂和防护膜上的3大难题，最终验证了极紫外线光刻机是可行的。

1999年，国际半导体技术路线图将极紫外线光刻确定为下一代光刻技术的首选。

极紫外线光刻机最关键的技术在于光源和镜头。阿斯麦尔通过收购美国西盟公司掌控了极紫外光源技术，又通过参股德国卡尔蔡司SMT公司获得了镜头的保障。所以，表面上看，阿斯麦尔只是一家荷兰企业，但在它崛起的背后，是欧美高科技产业与资本的大联手。

2016年，第四代极紫外线光刻机，也是第一批能搞定5纳米及以下制程的NXE3400B正式开始发售，并于2017年第一季度开始交付。虽然售价高达1.2亿美元一台，但还是收到大量的订单，芯片厂排队等交货都要等好几年。一台极紫外线光刻机重达180吨，超过10万个零件，需要40个集装箱运输，安装调试的时间都要超过一年，一年产量不超过30台。

2019年，综合阿斯麦尔、尼康和佳能的财报数据，三家公司的光刻机出货分别为229台、84台和46台，阿斯麦尔占比高达约64%。阿斯麦尔在高端光刻机方面实际占有接近9成的市场。而在极紫外线光刻机市场中，阿斯麦尔的市占率则是100%，仅此一家。这一年，阿斯麦尔出货了26台极紫外线光刻机。

从2016年到2019年，阿斯麦尔一共出货了59台的极紫外线光刻机。台积电拿走其中的一半，其余大部分被三星电子和英特尔买走。可是，由于美国的阻挠，中国大陆至今还没有一台极紫外线光刻机，这也成为中国发展先进制程的最大障碍。

后记：邻国的教训

过去半个多世纪，芯片产业在美国诞生，随后在全球范围内迎来了蓬勃的发展。美国之外，欧洲和东亚国家与地区，陆续参与到芯片产业的大潮之中。

我们看到，国家之间的半导体产业竞争，除了有成功的经验之外，还有着惨痛的教训。

1991年，以上百枚“战斧”巡航导弹为先导的火力突击持续两小时后，时任美国总统布什郑重宣布代号为“沙漠风暴”的军事行动开始，以美国为首的多国部队对阵伊拉克的海湾战争正式打响。

经受过八年两伊战争洗礼的伊拉克几十万大军严阵以待，可是他们连一个敌人都没有看到。从1月17日到2月24日，多国部队对伊军实施了38天不间断的高强度空中火力打击，毫无制空权的伊军只能消极防守、被动挨打。等到多国部队发起地面进攻的时候，伊军一触即溃，毫无还手之力。地面战役仅仅历时100个小时，伊拉克即宣布接受停火。战争以一边倒的结果告终，伊军伤亡人数大约10万人；多国部队亡140人，伤458人。

海湾战争实质上是一场以芯片技术为核心的高科技战争，精度和速度取代数量成为制胜的关键，被媒体称为“硅对钢的胜利”。海湾战争引发了一场从机械化战争向信息化战争转变的世界范围的军事革命。

海湾战争也是苏式装备与美式装备的对决。美国在海湾战争中既是打伊拉克，也是在打苏联。苏式装备的落伍在很大程度上是由芯片技术的落后导致的。以海湾战争中大出风头的精确制导武器为例，苏联导弹有60米的偏差，美军的偏差仅有15米，而且还在不断地缩小。

海湾战争暴露了苏联的虚弱，加速了苏联的解体。海湾战争结束后不过五个月，华沙条约组织解散；不过十个月，苏联宣布解体。海湾战争、华约解散和苏联解体这三件大事，居然在1991年短短的一年时间内相继完成。

不只是苏联，1991年对日本半导体产业来说，同样是一个重要的转折点。

此前成功超越美国、主导了全球半导体市场的日本，盛极而衰。1991年，正是日本泡沫经济的转折年，股市开始大跌，房市还在上涨。此时，半导体产业正在经历6英寸晶圆向8英寸晶圆的关键转换。在这种形势下，日本企业普遍对8英寸晶圆线的投资产生了犹豫，这给了三星电子一次难得的产能迭代的战略性机遇。

到了1992年，手握CPU的英特尔和掌控内存的三星电子成为全球半导体产业的新领袖，美国和韩国击败了狂妄的日本。到1995年年底，外国半导体在日本市场的占有率超过了30%。日本进口的半导体除了美国的微处理器，就是韩国的内存。

此后，日本的半导体产业一蹶不振。这也为之后日本所谓“失去的三十年”，提供了重要的产业参照视角。正是在芯片产业以及更广阔的信息产业上未能及时调整，跟上时代前进的步伐，才导致了日本经济长期发展的停滞。

而这两个教训的背后，更深刻的共同点都是缺乏足够的全球开放性。

摩尔定律，决定了半导体技术的研发难度呈指数级的增长。在发展的早期，凭借一国之力，尚有可能后来居上。时至今日，半导体产业早已成为人类社会最尖端、最复杂的产业之一，再没有任何一个国家能够凭借一己之力把整个半导体产业链给打通。

所以，保持开放精神，找准比较优势，顺应全球产业发展的大趋势，才是一国芯片产业保持长远竞争力的关键。

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