中国芯能否登顶？从芯片产业发展史找答案（上）
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美国对准备对华为实施新禁令，这是对中国脱钩战略的预演，必须要抗过这一波新的攻击。芯片产业长期是中国高科技的软肋，如何突出重围？如何才能发展壮大直至登上顶峰？要回答这些问题不仅需要对现状的了解，还要对眼前问题的来龙去脉做一个完整的把握。本文从芯片产业发展史的角度进行分析，希望能带给读者一些启发，了解我们的信心与力量从何而来。
本文分为五个部分：
一、美国的禁令与张忠谋的话
二、晶体管的发明与美国科技的上位之路
三、六场产业战争确定当今芯片产业格局
第一战：硅锗路线之战
第二战：集成电路工艺之战
第三战：CPU架构之战
第四战：美国芯企的生死之战
第五战：先进制程之战
第六战：新兴市场之战
四、三条经验与两条规律
五、为什么我们能赢？我们怎样能赢？
一、美国的禁令与张忠谋的话
2020年5月15日，美国商务部公布了对华为实施许可证禁令的计划。其实质就是，美国准备禁止业界公司代工生产华为设计的芯片。
美国商务部发布《商务部针对华为削弱实体清单的努力，限制使用美国技术设计和生产的产品》文章
大家知道，去年美国就专门针对华为发布了一个禁令，代工产线如果美国技术来源超过25%，就不能给华为代工。经过一年以后，华为并没有在这一场“一家公司对一个超级大国”的斗争中被击垮，相反，其业务还有相当的成长。所以这次，美国搞的是“必杀技”：芯片代工厂为华为生产任何芯片，只要用了美国的软件和硬件设备，就需要许可证。比例搞成了无限小，全球任何产线都绕不过去。
这则新闻一出，引发了舆论的热烈关注。绝大多数国人都希望华为能挺过这一轮新的打击，中国芯片产业能突出重围。许多人也希望国家能采取强有力回击措施，改变中国高科技企业被动挨打的局面。在新一回合的斗争中，有一个关键角色的作用更加凸显，那就是华为最主要的芯片代工厂台积电。台积电能否继续给华为代工，引起了各种各样的猜测。同时，要打造出国内先进的完善的芯片产业链也渐成国人共识。而正在此时有报道称台积电创始人张忠谋说，即便大陆以举国之力发展芯片制造，也很难取得成功。
后来，澄清了这并非是近期的采访，而是出自2018年1月凤凰卫视的访谈节目《领航者》。当年张忠谋正计划于6月退休，被问到如何看待大陆厂商竞争时，他做了上述表示。在当前时间点，被有心人掐头去尾地拿出来，无非是想借别人的嘴说一句：算了，斗不过的，放弃吧！
先不管这些人的用心，因为按他们的预测，中国前进的路上早就该失败不知道多少回了。但无论如何，我们面对的事实是，芯片已经被美国当作打压中国高科技企业的王牌打了出来，我们该如何破局？关关难过关关过，新中国走到今天，有些关绕不过去不得不闯。再难，即使是天险，无论付出多大代价也必须咬牙冲过去。对手的攻击如排山倒海般汹涌而来，而我们必须头脑冷静，先对对手拥有的力量做一个系统的分析，需要知道美国在芯片产业压倒性的优势从何而来？是不是存在突破的缺口？取胜的机会又在哪里？而这一切需要我们追根溯源，从芯片产业的出现开始讲起。
二、晶体管的发明与美国科技的上位之路
美国如今拥有的科技优势并不是与生俱来的。从世界边缘走向世界中心，既有美国人民的努力，又有历史进程的原因。大家都知道现在无比重视的芯片，技术源头是电子管（也叫真空管）。而在电子管出现的年代，当时世界科技的策源地是欧洲，美国还处在消化吸收与追赶的过程之中。我们一项项来看。
虽然发明电子管的灵感来自美国发明大王爱迪生于1883年发现的“爱迪生效应”，但公认的“电学之父”是英国物理学家法拉第。法拉第在1831年发现了电磁感应现象，开启了人类的电气时代。而且爱迪生并没有对“爱迪生效应”做出合理的解释，要到1897年，由英国物理学家约瑟夫·汤姆生（Joseph John Thomson）发现了电子后，人们才明白爱迪生效应是属于热电子发射（Thermionic emission）。爱迪生没有拿出理论是当时美国的普遍现象。因为美国作为一个新兴的经济体，市场非常繁荣，做应用研究收益很高，各种大王不断出现。高大上的理论往往是科学家底丰厚的欧洲人的贡献。
1904年，英国物理学家约翰·弗莱明（John Ambrose Fleming）利用爱迪生效应发明了电子二极管（或真空二极管）。接着在1906年，美国发明家李·德福雷斯特（Lee de Forest）在二极管中增加一个电极——称为栅极（Grid），发明了电子三极管。三极管的发明被看作电子工业真正的起点。电子管发明之后，主要的应用场景是在无线电与长途电话传输。无线电之父是意大利发明家马可尼，而电话的专利则由美国发明家贝尔于1876年获得，但贝尔发明电话时国籍还是英国（他是苏格兰人，1882年加入美籍）。除了在通信领域的应用，让电子管大显身手的另一领域是计算机制造。在1940年，第一台电子计算机在美国爱荷华州立大学诞生，机器以两位发明人命名，称为为阿塔纳索夫—贝里计算机（Atanasoff–Berry computer），简称ABC机。
虽然最早的电子计算机是由美国人首先制造出来，但计算机科学的理论奠基人却是英国数学家阿兰·图灵（Alan Turing），他在1936年提出了使其成为“计算机科学之父”的图灵机。美国人在电子工业理论方面最早做出贡献的是克劳福德·香农（Claude Elwood Shannon），他在1938年发表了自己的“硕士毕业论文”《继电器和开关电路的符号分析》，奠定了数字电路的理论基础。但是香农这篇论文更多是在应用层面的论述，图灵论文的理论水平比它不知高到哪里去了。
看到这里我们可以发现：美国人依然技术发明不断，理论研究也逐渐出成果，但是理论贡献还是不如欧洲人。联想到中国现在技术方面的成果也主要集中在应用层面，我们能够明白这其实就是一个新兴科技国家逐渐上位的必然路径。不要急，应用方面的积累很重要。我们继续往下看。
因为电子管有着明显的缺点，体积大、能耗高、可靠性差，而且价格还很贵。这些缺点无法从根本上解决，必须用新的材料替换电子管。突破的希望放在了半导体器件上。最早也是最原始的半导体器件是矿石检波器，它是对半导体的单向导电特性的一种应用，作用与电子二极管相同。而矿石检波器是由英属印度（今孟加拉国）科学家贾格迪什·博斯（Jagadish Chandra Bose）在1894年发明的。而半导体又是由法拉第在1833年最早发现。半导体共有四种特性，除法拉第发现的第一特性之外，其它三种特性分别由法国物理学家A. C. 贝克勒尔（Antoine Cesar Becquerel，发现天然发射性并于1903年获得诺贝尔物理学奖的A. H. 贝克勒尔是他孙子）于1839年、英国工程师威勒毕·史密斯（Willoughby Smith）于1873年和德国物理学家卡尔·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）于1874年分别发现。而半导体理论模型则来源于三大块：1928年由德国物理学家、量子力学创始人之一马克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）在应用量子力学研究金属导电问题中，提出的固体能带理论；1931年，英国物理学家查尔斯·威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson）在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型；1939年，苏联物理学家А.С.达维多夫（А.С.Давыдов）、英国物理学家内维尔·莫特（Nevill Francis Mott）、德国物理学家华特‧肖特基（Walter Hermann Schottky）各自独立地提出了解释金属—半导体接触整流作用的理论。达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论”。这些欧洲科学家共同完成了半导体理论模型。几乎与此同时，1922年，苏联奥列弗拉基·洛谢夫（Oleg Vladimirovich Losev）、1925年，波兰朱利叶斯·李林菲尔德（Julius Edgar Lilienfeld ，1926年移民美国）、1938年，德国希尔胥（R.Hilsch）和波尔（R.W.Pohl）都对半导体三极管发起冲击，可惜没有成功。
大家可能注意到了一个年份，那就是1939年，所有前面提到的源自欧洲的理论与发明，都是在1939年之前。因为1939年是第二次世界大战爆发的年份。欧洲人有一种作死的天性，在20世纪前半叶，这片大陆上爆发了两次世界大战。第一次世界大战没有让欧洲人伤筋动骨，甚至还有点意犹未尽，所以消停了没多久就来了第二次。但这第二次真正搅成了一个天翻地覆慨而慷，不仅损失了数不尽的人命，更是把经济、科技打得倒退了几十年，还有一些科学家直接死于战火与迫害。前面提到的苏联的洛谢夫就是死在列宁格勒围城战中。而孤悬海外的美国此时却是一片人间乐土，在缺心眼的日本1941年把它拖进战场之前都是“赶上了盛世享太平”，是整个世界的大后方。它在战争中有三大收益：一是经济收益，忙着给参战各方提供物资，供需两旺，忙得不可开交，赚得盆满钵满；二是政治收益，成为各方争相拉拢的对象（除了缺心眼的日本）；三就是科技收益，欧洲的同行们复不了工，美国的科学家们独领风骚，在强大社会需求驱动下理论应用两开花，成果不断涌现。同时，欧洲的大批科学家因为家园破碎，不得已只能投奔这最后的净土。人才、钱财都有了，美国科技登顶仅有一步之遥！
二战之后，发明半导体三极管的长跑到了冲刺阶段。1947年12月23日，在美国电话电报公司（AT&T）旗下的贝尔实验室终于诞生了世界上第一支点接触型锗晶体管。接着，第二年11月，贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）又设计出实用价值更高的更先进的“双极结型晶体管”（Bipolar Junction Transistor，BJT），并在1950年4月由贝尔实验室的戈登·蒂尔（Gordon K Teal）和摩根·斯帕克斯（Morgan Sparks）成功实现。因此，肖克利与发明点接触型晶体管的两位同事巴丁（John Bardeen）、布拉顿（Walter H. Brattain）共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。
世界上第一支晶体管与晶体管的三位发明人（左：巴丁，中：肖克利，右：布拉顿）
晶体管的发明是影响世界的重大历史事件。首先，三极管才是电子工业的灵魂，只有发明了半导体三极管，才能实现对电子管的升级换代。电子产品从原来的功能越强、体积越大换轨成体积越小、功能越强。有了这种转变，电子产品才能做到小型、便捷，深入世界每个角落，最终使人类社会发生根本性的变化。其次，晶体管是美国科技彻底脱离欧洲母体，独立发展起来的技术，标志着世界科技中心已经完成了一次完整的转移。屈指一算，美国成为世界科技中心至今其实还不到80年。
三、六场产业战争确定当今芯片产业格局
晶体管发明之后，技术先是在美国国内扩散，产业霸主几经更替，城头变幻大王旗。而后技术向国外扩散，并同时在产业链发生分化后，国际上新的玩家不断加入，揭竿而起、遍地狼烟给美国本土企业带来了巨大压力，芯片产业分布正在加速向东方转移。这段历史基本以十年为一个阶段，每一阶段都有一场激烈的大战。而在每场大战中旧主王冠落地，新王登基走向巅峰的同时，反叛的种子又悄悄种下，下一场争夺蓄势待发。我们需要看明白产业发展演进的历史趋势，弄清楚在背后是什么神秘力量在主宰这种变化。
第一战：硅锗路线之战
1952年，德州仪器从西方电子公司（Western Electric Co.，AT&T的制造部门）以25,000美元的代价购买了生产晶体管的专利授权。这是贝尔实验室的传统，在电子管时代，贝尔就开放了购自发明人德福雷斯特的三极管专利，让更多厂商参与进来一起做大产业，类似于中国乒乓球的“养狼计划”。同年12月，戈登·蒂尔加入德州仪器，回到家乡得克萨斯州工作。他建立了德仪的中央研究实验室，并担任负责人。
1953年，由于与同事的分歧，威廉·肖克利离开贝尔实验室，回到他获得科学学士学位的加州理工学院。1956年初，肖克利受斯坦福大学副校长弗雷德里克·特曼（Frederick Emmons Terman）邀请，回到家乡帕洛阿托，在距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”，准备生产晶体管。
肖克利与蒂尔选择了相同的技术路线：生产硅晶体管。而当时的主流产品是锗晶体管。硅将代替锗成为晶体管的未来理由很简单，硅是地壳中第二丰富的元素，占地壳总质量的26.4%，而锗是一种稀有元素，含量少，分布不集中，导致锗的原材料成本居高不下。锗贵，锗晶体管自然也贵。锗还有一个短板，就是难以提炼到足够的纯度，纯度不够就意味着晶体管性能低下。锗所有的先天不足都是硅的先天优势，只是当时硅晶体管还没有大规模商业化，市场空白蕴藏着巨大的机会。
在这一轮竞逐中德州仪器抢得先机，于1954年研制出了第一个商用硅晶体管。1957年美国共制造了近3000万个晶体管，德州仪器凭借20%的市场份额，成为晶体管行业的第一任霸主。而作为技术发源地的贝尔实验室在经历大量人才流失并错过技术升级机会之后，被自己养的狼咬得不轻逐渐沉默最终退出竞争。
肖克利有着天才的头脑与神准的眼光，还有诺奖光环加持。但他在经营管理上以糟糕著称，白白错过了这次重要的机会。他手下有八位年轻的科学家，不愿再被他耽误下去，在风险资本的支持下离职创业，于1957年9月18日在距离肖克利实验室不远处建立了后来著名的仙童半导体（Fairchild Semiconductor），这就是半导体发展历史上的“八叛逆”事件。刚刚开张的仙童凭借来自IBM的100个硅晶体管的订单在市场上站稳脚跟之后，就加入到一次新的技术革命之中。
创建仙童半导体的“八叛逆”。上图从左至右依次为：摩尔、罗伯茨、克莱纳、诺伊斯、格里尼克、布兰克、赫尔尼和拉斯特。
第二战：集成电路工艺之战
1958年，德州仪器中央研究实验室的杰克·基尔比（Jack Kilby）研制出了世界上第一个集成电路，开创性地将多个电子器件集成到一块晶片上。6个月后，仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯（Robert Norton Noyce，八叛逆带头大哥）也独立地开发出集成电路。基尔比与诺伊斯被公认为集成电路的共同发明人。集成电路，也就是我们常说的芯片，从此登上历史舞台，新一轮产业战拉开了帷幕。
图左为基尔比与他的锗基集成电路，图右为诺伊斯与他的硅基集成电路
而作为祖师爷的肖克利，此时却只能干看着小字辈们在场上热血厮杀。他的实验室在1960年被投资人出售，倒在了新时代开始之时。但肖克利半导体实验室作为“硅谷”第一家半导体公司的历史意义让人铭记至今。
仙童的集成电路方案比德仪的更加具有商业价值。它有三大优势：一是使用硅晶片，而德仪方案使用锗晶片。二是用蒸发沉积金属铝的方法代替热焊接导线，这是解决元件相互连接的最佳方案。三是开发出“平面处理工艺”：使用强光源透过画出电路图的掩膜投射到涂了感光材料的硅片上，再用酸液清洗掉曝光的部分，然后在暴露出的部分以扩散技术制作晶体管，最后连接导线。这个过程通过仙童发明的“步进重复（step and repeat）”相机，可以在单个晶圆片上重复相同的步骤制造出许多完全一样的硅晶体管。平面处理工艺就是现代光刻的前身，这项技术把硅晶体管的制造变得像印书一样简单、高效，同时大幅降低了成本。仙童半导体能够开发出这项工艺与其母公司的技术积累是分不开的，它的母公司叫做仙童照相机与仪器公司（Fairchild Camera & Instrument）。德州仪器没有这项技术，基尔比的锗晶集成电路最后进了博物馆。
富有创意的技术与先进的制造工艺使得集成电路一出世就具有显著优势与巨大的商业价值，迅速得到广泛应用。1965年，时任仙童半导体研究与开发部主任的戈登·摩尔（Gordon Moore，八叛逆成员之一）在美国《电子》杂志发表了一篇文章《让集成电路填满更多元件》。文章中预言，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这就是大家津津乐道的摩尔定律。这条定律既是对当时集成电路经历的发展过程的总结，更是对所有行业内公司的鞭策：这个行业将不会存在代代相传的传统技术，只有不断创新不断追求技术进步来满足市场需求，企业才能在竞争中生存，同时必定有数不尽的企业倒在芯片行业前进的道路之上。而仙童半导体正是因为取得工艺路线胜利从而进入了它的黄金时期。到1967年，公司营业额已接近2亿美元，在当时是天文数字。
但是在仙童公司烈火烹油的繁荣背后却早已埋下了后来失败的诱因。德州仪器虽然此时已经退位让贤，但它干成了一件特牛的事：下克上。德仪本来和仙童半导体一样是有母公司的。它的母公司叫地球物理业务公司（Geophysical Service Incorporated，GSI），主要业务是为石油工业提供地质探测。而德仪因为发展迅猛，在改组之后竟然农奴翻身做主人，反倒把GSI弄成了自己的子公司。而仙童半导体就没有那么好运了。它的老板是大亨谢尔曼·费尔柴尔德（Sherman Fairchild，仙童其实就是他的姓的音译），他不会容许当年求上门的那些年轻人有更多的妄想，反倒不断从仙童半导体抽血支持自己的其它业务。因为利益分配的问题双方渐成水火不容之势，芯片行业的巨大利润又使得各种资本纷纷入场不断诱惑仙童成员离职创业。此后仙童公司人才不断流失，许多初创芯片企业如雨后春笋般涌现。作为创始人的八叛逆陆续出走，诺伊斯、摩尔带着他们的得意门生安迪·格鲁夫（Andy Grove）也于1968年7月离开仙童创立了一家新的芯片企业，名叫英特尔（Intel）。
英特尔三位创始人，左起：格鲁夫、诺伊斯、摩尔
直接或间接由仙童派生出的著名企业有26家之多。1969年在森尼维尔（Sunnyvale，硅谷组成城市之一）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。
最后，掏空了身体的仙童半导体日渐难以支撑，于1979年夏季，被法国石油公司Schlumberger收购。
第三战：CPU架构之战
成立之初的英特尔并没有心思参与产业战争，它的首要任务是生存下来。最开始它定位自己的核心业务是做内存。当时市场上流行的存储器是由华裔科学家王安在1948年发明的磁芯存储器。磁芯存储器有两大缺点。一是需要手工制造，大规模量产困难；二是难以小型化，体积大耗电量也大。盯住这个市场机会，英特尔要做的就是用芯片把内存实现出来。
1969年，英特尔推出开山之作，世界上第一款存储器芯片：Intel 3101静态随机存储器（SRAM）。后来又接连推出了1101与1103。1103是世界上第一款动态随机存储器（DRAM），容量达到1024比特，这是内存芯片第一次在单位比特的价格上低过磁芯存储器，从此半导体内存取代磁芯内存成为定局。
用内存打开局面以后，英特尔于1971年推出了4004与8008两款微型CPU（中央处理器）。但是英特尔进行CPU的研制并不是主动的行为，而是应客户要求做的定制产品。4004是日本公司Busicom定制用于电子计算器，而8008是为CTC（Computer Terminal Corporation）公司定制用于电传打印机。两家客户都在账款上出了问题，英特尔就把产品所有权拿回来自己卖。这两款CPU的性能太弱。4004主要用在智能电梯、传感器等领域。8008曾经被爱好者拿来做计算机，但由于其性能低下没得到推广。而且在英特尔当时的市场观念中，做内存，每台机器能卖几百块芯片；而卖CPU，每台机器只能卖一块。做CPU是不划算的。而且英特尔也担心自己做CPU会让计算机公司认为在抢他们饭碗，影响以后向他们卖内存。所以在推出8008的升级款8080时就非常犹豫，一再推迟其上市时间。8080于1974年4月上市以后在营销时，又故意回避计算机等字眼，定位在嵌入式设备。
左图为8080的内部结构图，右图为8080和一片阿司匹林药片的对比照片
英特尔的这种做法激怒了这三款芯片的设计师弗得里克·法金（Federico Faggin），他觉得英特尔鼠目寸光待在这种公司没有前途。他拉上同事罗夫·安杰曼（Ralph Ungermann）一起离开英特尔，在1974年9月创办了半导体公司Zilog，并获得埃克森美孚公司的投资。英特尔生生给自己逼出一个强劲的竞争对手。
本来英特尔并不看好8080的前景，但是没想到却因为这款产品当了一回“上帝之手”。此时美国的个人电子产品消费市场已经蓄积了足够多的能量，而在这其中计算机是广大电子迷最渴望得到的产品。奈何当时的计算机都是大家伙，能拥有计算机的都是大机构、大公司，都宝而贝之地放在专门的大机房，普通人少有机会能接触到。而8080这款CPU恰恰处在市场需求的一个非常巧合的点。它的性能不行，但是基本功能有，最关键是价格便宜。许多厂家开始尝试用它来制造微型计算机，面向计算机爱好者销售，其中最成功的一款产品是Altair 8800。
Altair 8800
Altair 8800是计算机历史上一款神级产品。它本身基本没有任何实用功能，却取得了巨大的成功，共卖出6万多台。它的成功激起了市场的狂热，不断有厂家推出类似产品，从此形成了一个崭新的产业——面向个人用户的微型计算机。Altair 8800还催生了一硬一软两款产品，最终成长起来两家顶级大公司。那款硬件是苹果计算机，软件则是Microsoft Basic（微软从公司建立起办公电话数字中就带8080）。这个故事我们在别的文章再详细讲述。微型计算机市场的火爆，使各大芯片厂商如梦初醒纷纷撸起袖子参战。摩托罗拉推出Moto 6800，摩斯太克推出MOS 6502。最成功的反而是Zilog的Z80。Z80的性能比8080强，价格反而更低廉，被使用在许多微机上。比如当时销量第一的TRS 80，世界上第一台便携式计算机Osborne 1，80年代在日本南美等地流行一时的MSX平台。除此之外，任天堂Game Boy搭载的芯片也是Z80的变种。Z80是迄今为止销量最大的CPU，今天还可以买到。
英特尔眼看着自家开疆辟土倒让跟屁虫吃香喝辣，知耻而后勇地终于开始重视CPU市场。不久它看准了一个新的技术升级机会，那就是CPU由8位升级到16位，在1978年6月推出新款CPU 8086，并投巨资进行推广。此时，计算机行业的霸主IBM看上了微型机的市场，决定入场干掉那些渣渣。霸主入场，派头自然与别人不同，首先就重新给这类产品取了一个响亮的名字：个人计算机（PC）。其次，IBM决定不做当时主流的8位计算机，升级换代做16位机，提供更大的内存。最后，也是最重要的，沉重如一头大象的IBM居然灵活了一回，破天荒地决定从第三方采购软硬件，以降低成本缩减研发时间。英特尔这次没有再失手，击败了德州仪器的TMS9900，摩托罗拉的68000，Zilog的Z8000，成功地拿下了IBM PC的订单（最后实际使用为阉割版的8088）。
英特尔与IBM的这次合作，当时参与的人们可能都没有想到，给计算机行业创造了一种新的玩法。原来的计算机都是针对极少数用户，使用的软件都是量身定制，软件很少，基本上都在同一台机器上用。而到了PC市场，购买的用户多了，机器量上去了，一个软件可以运行在数以万计的机器上，这开创了新的软件市场。许多技术人员纷纷变身程序员为PC开发软件，产生了许多财富神话。而这些软件大部分是基于8086的指令集编写的，新的机器如果要使用原来的软件，必须包括原有的CPU指令集，这种需求叫做“兼容”。出于兼容的目的，英特尔后续推出的新CPU都是在8086指令集基础上的扩展。而这一套做法，被归纳为“架构”。英特尔CPU的架构就是现在人们熟知的“x86架构”。这套新玩法的意义不亚于当年冯·诺依曼提出的“冯·诺依曼结构”。冯·诺依曼结构规定了计算机组成部分以及内部的逻辑关系，避免了计算机随心所欲地发展。而x86架构的出现，为CPU立了法，使软件开发有了共同的基础，人类的智慧产品有了沉淀积累的底座，这才有了计算机软硬结合，相互促进的快速演进。这对于英特尔具有决定性的意义，它从此拥有了CPU的标准。以前的行业霸主顶多是占了一个山头的山大王，很容易被攻下来，而英特尔则成了拥有自己坚固城堡的国王，并以此为基地横扫天下。前面说了IBM PC是采购的第三方软硬件，硬件是英特尔，软件就是来自微软。后来这两家勾搭成奸，踢开了IBM闹革命，结成Wintel联盟，完全控制了个人计算机市场。个人计算机CPU的王座从那时起被英特尔牢牢占据，直到今天。
第四战：美国芯企的生死之战
文章写到这里，我们可以从之前的历史发现两个现象：第一个现象是芯片公司的崛起有三大决定因素：优秀人才、好产品、先进工艺。优秀人才能创造先进技术并以精准的眼光发现市场的需要；好产品是适合当时市场需要的产品，解决市场的痛点，不一定是最先进，而是最合适；先进工艺能提高生产效率，降低产品价格，使得产品拥有最大化商业价值。拥有这三大决定因素，即使是一个初创企业，也能在短期内迅速崛起，成为行业的王者。
第二个现象是美国芯片产业的这些公司，似乎太不稳定了。好不容易聚拢一帮优秀人才，搭好架子，明星产品才刚刚火起来，人心就散了，一个接一个地跑掉。一个公司经常会分裂繁殖出一批小公司，许多曾经风光无限的企业经不起这种折腾就倒闭了。这就是硅谷发展模式的一大特点。根源是当时美国电子产业市场的快速繁荣，以及风险投资在背后的推波助澜。这种模式以市场为导向，效率很高，但同时也使企业体量小，公司之间资源整合难，还有一点就是抗风险能力差。
但作为世界头号强国美国的公司，又能有什么风险需要担心呢？可就有一股力量不信邪要搅出一波巨浪。这股力量来自神秘的东方：日本芯片企业崛起了。
前面的文字中已经提到了一家日本做计算器的公司Busicom。日本公司在70年代已经在电子消费品市场做出非常不错的成绩，这一点很多文章已经讲述很详细，我就不再多说。但是日本企业并不满足于在应用层面努力，很早就开始在产业上游布局。索尼在1953年同样从西方电子公司购买了晶体管技术的授权。而且日本人的玩法与美国这种完全的自由市场不一样，政府扮演了积极的角色。1974年，日本政府批准“超大规模集成电路的共同组合技术创新行动”（简称VLSI），确立以赶超美国技术为目标。一方面以“以市场换技术”引入美国先进芯片技术，另一方面由日本通产省组织日立、NEC、富士通、三菱和东芝等五家公司，整合产学研半导体人才资源，打破企业壁垒协作攻关，整体提升日本芯片产业技术水平。开始时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，计划几乎功败垂成。关键时刻，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。
日本通产省工业技术院电气试验所骨干成员，左二为垂井康夫
之后计划得以顺利实施。4年间日本取得上千件专利，一下子缩小了和美国的技术差距。然后，日本政府又推出贷款和税费优惠等措施，日本芯片企业一时间兵强马壮，弹药充足。在九州岛搞起了日本的硅谷，一座座现代化的半导体存储芯片制造工厂拔地而起。随着各项准备到位，日本人开始发起了进攻。
美国人的噩梦开始了。日本产品不仅质量好，价格还故意压低，总是在同类美国产品的90%。美国做半导体的基本上都是纯粹的半导体公司，而日本则是三菱、东芝、富士通、日立等综合性的巨无霸企业，可以利用其它业务赚来的钱支撑价格战。凭借这种策略，1980年，日本攻下30%的半导体内存市场，5年后，日本的份额超过50%，美国被甩在后面。
1981年，AMD净利润下降2/3，国家半导体亏损1100万美元。第二年，英特尔裁员2000人。1985年英特尔缴械投降，宣布砍掉DRAM存储业务。这场战争让它亏掉了1.73亿美元，是上市以来的首次亏损。在英特尔最危急的时刻，如果不是IBM施以援手，购买了它12%的债券保证现金流，这家芯片巨头很可能会倒闭或者被收购，美国芯片产业史就要改写。更让美国芯企难以忍受的是，日本富士通公司准备收购仙童半导体，这是要刨他们的祖坟了。
美国老罗砸日本半导体产品
面对前所未见的惨况，一盘散沙的美国芯企终于想起要联合了。诺伊斯出面攒了个局，成立了SIA（Semiconductor Industry Association，半导体行业协会）。一帮大佬在一起合计怎么对付日本人。但日本产品实在是无懈可击，最后大家得出个结论：还是找政府吧。当他们经过几年游说，得到的成果却不过是降税与允许养老基金进入风险投资，根本救不了命。苦捱到1985年6月，受高人点拨的SIA终于抛出一个爆炸性的理由，一举扭转局面：美国半导体行业削弱将给国家安全带来重大风险。（来了来了，内味出来了！）此前，政府的回应总是：美国是自由市场，政府权力不应染指企业经营活动。这次，SIA的“国家安全说”一出，美国政府马上元神归位，杀招连连：
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；美国还逮捕了日立6名高管，指控他们涉嫌窃取IBM技术，指控东芝非法向苏联销售高技术国防产品（是不是很眼熟）。
美国政府这一波操作开创了两个记录：第一次对盟友的经济利益进行全球打击；第一次以国家安全为由，将贸易争端从经济问题变成政治问题。
随着《美日半导体协议》的签署，处于世界之巅的日本芯片产业立即滑向深渊。日本芯片所占市场份额从1986年最高40%，一路跌跌不休跌到2011年的15%。其中的DRAM受打击最大，从最高点近80%的全球市场份额，一路跌到最低10%（2010年），回吐近70%。
但日本人吐出的肉，并没有落回美国人嘴里，因为硅谷超过7成的科技公司砍掉了DRAM业务（包括英特尔和AMD）。1986年之后，美国企业占有内存市场份额一直都在20%左右。那么，这70%的巨量市场谁吃了呢？
答案是韩国。
在日本被美国胖揍的1986年前后，韩国DRAM趁机起步。1990年代，三星也面临美国发起的反倾销调查，但其掌门人李健熙利用美国人打压日本半导体产业的机会，派出强大的公关团队游说克林顿政府：“如果三星无法正常制造芯片，日本企业占据市场的趋势将更加明显，竞争者的减少将进一步抬高美国企业购入芯片的价格，对于美国企业将更加不利。”
于是，美国人仅向三星收取了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，却也无力回天，日本半导体芯片出局的命运已定。
三十多年前美国对日本芯片企业的制裁措施是美日贸易战的重要组成部分，美国人至今对其回味无穷。而当今中美贸易战及美国对华为的一系列打压，理由手法都是一脉相承。但其实，我们仅从战果而言，美国企业失去的内存市场份额并没有拿回去，仅仅只是不再让损失更扩大而已。而且就当前的世界格局而言，美国人要想再次取得当年的成绩，已经不可能。至于理由，我们后面再说。
第五战：先进制程之战
齐心协力干趴下日本之后，美国芯片企业喜滋滋地开始了新的征程。芯片行业经过30多年发展，已经形成四大种类，分别是CPU、内存芯片、专业芯片与片上系统（SoC）。除了内存芯片被韩国人拿走，其它种类统治权都还在美国企业手里。而全球芯片产业总产值也在90年代初突破500亿美元，并持续保持高速增长。
在营收大幅增长的同时，各家企业却感觉压力徒增，甚至很难继续支撑下去。这是什么原因呢？日本人又来了？不是，他们现在乖着呢。一切都是摩尔定律在搞鬼。摩尔定律预示着约每隔18-24个月，集成电路上可容纳的元器件的数目便会增加一倍。也就是说每隔18-24个月，就是芯片制造工艺提升的一次节点，而每次提升必定伴随着巨量的资金投入，资金投入的增加并不是线性的，而是倍数甚至指数级的增长。在长期的游戏中，上一个工艺节点突破后，厂商在市场上赚取的利润，会拿出一部分用于下一工艺节点的研发投入，由此形成良性循环。然而到了上世界八十年代中期以后，越来越多的芯片厂商发现，产品如果缺乏足够的生产规模巨量的研发投入只能导致亏损。许多中小型芯片公司逐渐陷入了经营困境。同时由于芯片的分类非常繁多，即使是大型芯片厂商，也只能维持一部分芯片品类生产线的工艺进化。而市场规律是无情的，跟不上工艺的进步，等待企业的就是被市场淘汰！又是一场产业危机！
根据历史的经验，危机严重到了一种程度往往就是转机的开始。解决的办法很简单：进行产业分工。以前产业内也有分工，但那是根据产品种类进行的横向切分，每个厂商有自己擅长的产品种类，如英特尔主攻CPU，德州仪器以专业芯片见长，摩托罗拉与IBM则各样都做点……各家经过多年较量也都划定了基本的势力范围，避免两败俱伤。而这一次的分工则是要进行纵向切分，按芯片制造的流程（设计、制造、封装测试）来切分。原来所有的芯片厂商生产模式叫做IDM（IntegratedDeviceManufacture，集成器件制造），即负责芯片生产的全流程。现在则出现三种新的厂商模式：Fabless、Foundry、OSAT。Fabless是Fabrication（制造）和less（无）的组合，即“没有制造业务、只专注于设计”的一种经营模式。Foundry则是专门负责生产、制造芯片的厂家，也称为晶圆代工厂商。OSAT是Out Sourced Assembly and Testing，委外封测代工，也就是常说的封测代工厂商。大型芯片企业因为能扛住工艺成本上升压力，继续选择IDM模式，如英特尔、IBM、德州仪器。而许多规模较小的企业则纷纷卸下生产包袱，转做Fabless。显而易见三种新的厂商模式中，投入成本最高的是Foundry。新的战争中下场较量的就只有Foundry厂家与IDM厂家了。而在Foundry厂家中，最早出现的一家也是至今最成功的一家是1987年成立的台积电（台湾积体电路制造公司，TSMC）。
台积电的创始人是张忠谋，他早年在德州仪器工作，做到了资深副总裁（第三把手），对芯片行业有深刻的理解，非常清楚芯片产业链当时困境的症结所在。他首倡晶圆代工的模式，又经过十余年的稳步发展后打响了芯片制程之战。
首先给大家解释一下制程的概念。我们现在常听到10纳米制程、7纳米制程，这个长度的含义可以简单理解成芯片上制作的一个晶体管的尺寸。晶体管的作用，简单地说，是把电子从一端（源极，S极），通过一段沟道，送到另一端（漏极，D极），这个过程完成了之后，信息的传递也就完成。这个沟道的长度，和前面说的晶体管的尺寸，大体上可以认为是一致的。
那么缩小制程有什么好处？第一，制程越小，传送电子的沟道越短，信息传递越快，性能也就越好。第二，缩减元器件之间的距离之后，晶体管之间的电容也会更低，可以提升它们的开关频率，同时能更加省电。第三，晶体管越小，同一片晶圆可切割出来的芯片就可以更多。即使因为制程工艺提升而采用更昂贵的设备，其投资成本也可以被更多的晶片所抵消。
制程之战比之前的历次产业战争都要更激烈更复杂，总共有三大战役。
第一场战役是攻占130纳米制程。晶圆代工厂的技术大多是从IBM得到授权 ，台积电也是这样。2003年，IBM希望把新开发的130纳米铜制程工艺卖给台积电。IBM的研究表明用铜作为连接导线将比传统的铝导线电阻低大约40%，并使芯片的速度提高15%。但经过研究以后，张忠谋认为IBM技术不成熟，提出要自己干。这是一个很大胆的决策，类似的研发他们之前并没有开展过，如果不成功台积电将错过制程发展节点，从此处于被动局面。率队研发的是蒋尚义，成员包括余振华、梁孟松、孙元成、杨光磊、林本坚，他们大多有贝尔实验室、德州仪器、IBM、AMD等美国半导体大企业的工作经历。经过一年多的攻关，台积电铜制程率先突破。而同在台湾地区的另一家代工厂联电（台湾联华电子）选择继续与IBM合作，最后遭遇失败。经此一役，台积电拥有了自己的技术研发团队，同时与联电拉开了距离。
第二场战役是押注浸润式光刻机。当制程进展到65纳米时陷入了瓶颈，当时绝大多数行业厂商认为解决的办法需要将光刻机光源波长由193纳米缩小至157纳米，并投入巨资进行研发。但这条路极其艰难，进展很慢。时任台积电研发副总经理的林本坚来了个脑筋急转弯：既然157纳米难以突破，为什么不退回到技术成熟的193纳米，再把透镜和硅片之间的介质从空气换成水。水的折射率为1.4，波长可缩短至193/1.4=132nm，反而大大小于久攻不克的157纳米。林本坚曾在IBM从事成像技术的研发长达22年，是世界上顶尖的微影专家。但是如果采用这项技术，已经花费在157纳米光源上的巨额投资怎么办？占市场领导地位的光刻机设备厂商如尼康、佳能等纷纷抵制，只有一家荷兰的小厂商愿意尝试，这家厂商叫ASML。
ASML（Advanced Semiconductor Material Lithography）成立于1984年，之后20年一直默默无名，因为产品没有特色，主要靠较强的销售能力维持公司生存。长期干销售形成的敏锐，让它抓住了历史的机遇。2004年，ASML和台积电共同研发出第一台浸润式微影机，能够助力芯片制程持续突破到10纳米节点。凭借产品先进的技术和优异的性能，ASML对尼康、佳能进行了降维打击。只用了5年时间，尼康、佳能就失去了大部分市场份额，变得无足轻重。芯片行业中企业的兴衰，往往就在很短的时间内发生。2004年，顺利突破制程节点的台积电拿下了全球一半的芯片代工订单，位列世界晶圆代工厂第一。
一步登天的ASML与台积电建立了良好的合作关系，为了深度绑定发展ASML提出了“客户联合投资专案”，台积电在2012年以8.38亿欧元获得了ASML合计5%的股权，并承诺未来5年投入2.76亿欧元支持ASML的研发。同样地，ASML也将英特尔与三星发展成为它的股东。再加上现在最新的EUV（极紫外光刻）和DUV（深紫外光刻）光刻机高昂的价格。ASML为头部晶圆制造厂商筑起了一道又一道高墙，阻挡着后来者的进攻。
第三场战役是革新晶体管架构。当制程继续缩小到45纳米以下时，原来的晶体管架构存在的问题被放大了。前面说到在晶体管中电子从S极到D极要经过一段沟道，这个沟道的开闭由晶体管的第三极（即栅极）控制。栅极与这段沟道不直接连通，中间隔了一层薄薄的（约为一点几纳米）氧化物绝缘体。但是这层绝缘体做不到完全绝缘，会有轻微的漏电，称为隧穿泄漏。这本来不算什么，不太影响性能。但是到45纳米节点时，晶体管的尺寸使得这个问题突然变得严重了。解决办法是使用HKMG（High-K Metal Gate，高介电质金属栅极）。HK好理解，就是更好的材料换掉原来的氧化物绝缘层，减小漏电。而MG则是用金属栅极更换原来的多晶硅栅电极，以配合新的绝缘层。但是MG出现了两种技术方案，分别叫Gate-first与Gate-last，IBM、英飞凌、NEC、格罗方德、 三星、意法半导体以及东芝等采用Gate-first方案，而英特尔与台积电采用Gate-last。结果证明真理掌握在少数派手里。因为正确的判断和严格的工艺，台积电良率大幅提升。
制程继续向22纳米以下进发时，又有事了，还是老问题：尺寸缩小后漏电变严重了。为了解决这一问题分为两派，一派是采用FinFET（Fin Field-Effect Transistor，鳍式场效晶体管），原理简单说是将S极和D极由水平改为垂直，沟道被栅极三面环绕，增厚绝缘层增加接触面积，减少漏电现象的发生。阵营成员包括台积电、英特尔、三星。而且FinFET的发明人胡正明在2001年被台积电聘为第一任CTO。另一派是采用SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘层上硅），该技术是在顶层硅和衬底之间增加一层氧化绝缘体，减少向底层的漏电，成员是继承IBM遗志的格罗方德。结果证明真理不是掌握在少数派手里，是掌握在台积电手里。FinFET胜，2015年台积电顺利实现16nm制程。
台积电在关键制程技术的演进
经过这几场战役后，路线错误的晶圆制造玩家损失惨重，场上的战友越来越少。2014年IBM倒贴15亿美元将芯片生产线转给格罗方德。当制程工艺节点来到14纳米时，联电止步于此；来到10纳米时，英特尔长期无法突破；来到7纳米时格罗方德宣布放弃。现在7纳米及以下制程只剩下台积电与三星两家，而台积电在良率、性能上均优于三星，成为晶圆制造无可争议的霸主。
台积电通过三场战役确定市场领先地位，这个过程让人印象最深刻的是其自身技术力量的成长与强大。如果没有最初下决心培养并信任自己的技术团队，就不可能形成可以依赖的技术力量，也不可能拥有在一次次技术变革中准确的判断能力。芯片企业过硬的技术队伍，是其在行业的立身之基、力量之源、制胜法宝。
第六战：新兴市场之战
前面说了芯片有四大种类，在CPU领域里，英特尔是无法撼动的王者。英特尔地位牢固的基础自然是其强大的技术能力，但它还有放肆的资本：x86架构建立起来的生态系统，也就是它与微软结成的“Wintel联盟”。吃尽苦头知道打不过的对手们纷纷下线，退出与英特尔的直接竞争。高傲如苹果最后在PC领域也不得不采用英特尔的CPU。好在还有一个AMD这么多年一直和它相爱相杀，不然英特尔太无趣了。AMD也是从仙童分化出来的公司，只是它的创始人是仙童的销售负责人杰里·桑德斯（Jerry Sanders），并非八叛逆之一，辈份上低点，名字里虽然有德，但其实是鹤字科的。而AMD之所以能与英特尔直接竞争，是因为它有x86架构的授权，而这个授权是当年IBM趁英特尔幼小无助又可怜时，用霸王条款逼着给AMD的。但AMD实力实在不够看，市值长期只有英特尔的零头。好不容易，AMD在2003年抓住一次历史机会，率先推出64位桌面CPU，打了英特尔一个措手不及。但是微软此时态度却非常端正，一定要精益求精慢工出细活，花了一年多才拿出64位操作系统。巧了，英特尔的64位产品正好也赶上上市了。
AMD功亏一篑，之后再也没能发起像样的威胁，英特尔无敌了。无敌是寂寞的，于是英特尔懈怠了，每次拿出的新产品改进少，亮点少，得了个“牙膏厂”的美誉。
但是英特尔的对手们并没有停歇，水面下暗流涌动。在老战场无法取胜，那就开一个新地图吧。2007年，穿着一成不变黑T恤蓝牛仔套装的乔布斯亮出了令人惊艳的iPhone手机，从此全新的移动互联网战争正式开打。你说苹果卖手机就卖吧，它还开始做芯片。苹果从iPhone 4开始使用自家设计的A系列处理器，所以它成为了一家芯片Fabless厂商。其它手机厂商没有芯片设计能力，就直接购买高通、联发科这几家Fabless厂商的处理器芯片。还有一家最特殊的手机厂商：三星，它是唯一一家移动互联网领域的IDM，芯片设计、制造一条龙全是自家的。英特尔呢？英特尔是谁？在移动互联网领域，基本没英特尔什么事。虽然英特尔也后知后觉地推出了自家的手机芯片，却没有激起什么水花。当年它在PC领域让别人流的泪，现在手机市场里自己都偷偷流干了。后来，英特尔试图在通信基带上寻求突破，但在5G时代来临时却碰了壁，只得将相关资产出清退场，留给人们一个昔日霸主的背影，这次它是真的寂寞了。
新兴市场不仅是新的产品领域，更是新的地域。随着中国的崛起，中国成了世界移动互联网最大的市场。在这个市场上，被外国厂商启发的中国人渐渐看明白了套路，推出了自己的手机产品。本来觉得中国人只会山寨的外企们，脸上的笑容渐渐凝固甚至开始抽搐：中国人要追上来了！在中国的厂商中，华为是直接对标苹果，拥有自主芯片设计能力，也是一家Fabless厂商。但华为依靠其通信领域深厚的积累，推出的通信基带与CPU集成的片上系统（SoC）在5G时代独步天下，让芯片外企心中更是升起阵阵寒意。而在晶圆代工领域，以中芯国际为首的中国Foundry也在稳步追赶。具体的情况我就不多说了，读者们都已经很清楚。
话说人红遭嫉，树大招风。美国人想起了三十多年前对日本的那场酣畅淋漓的大战，不禁面色潮红，按捺不住想要再来一次。于是许多参与当年行动的老运动员们纷纷下场，要对中国企业施以老拳。这就是我们当前的局势。这场发生在新兴市场的战争还没有打完，但是我们有信心能赢！
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