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2022-11-07 20:22
用系统思维审视芯片竞争

本文来自微信公众号:经济观察报观察家 (ID:eeoobserver),作者:吴晨,题图来自:视觉中国


1989年,日本索尼公司创始人盛田昭夫和右翼政客石原慎太郎合作出版了《日本可以说不》。在美国政商两界人脉亨通的盛田昭夫选择与右翼政客合作,直接驳斥美国不要再对日本指手画脚,这让美国人感到了一丝寒意。他们担心,随着经济的快速发展,日本商人开始浮现出民粹的倾向。


上世纪八十年代,盛田昭夫经常在纽约曼哈顿第五大道的寓所举办晚宴,与美国政商巨头相从过密,盛田的太太甚至专门出版了一本教日本人如何在美国开派对的指南。一位美国富豪邀请盛田昭夫加入顶级高尔夫球俱乐部,发现他几乎认识俱乐部里的所有会员,一晚上能约十场饭局,走马灯式地巩固与美国政商界的纽带。


整体而言,盛田昭夫在上世纪八十年代扮演了民间外交家的角色。那个年代是一个此升彼降的年代。以索尼、东芝、佳能等一系列日本消费电子为代表的企业,无论是研发还是制造,都走到了世界的前列,把美国企业甩在了后面。美国创新乏力,日本制造占据优势,这是盛田昭夫在《日本可以说不》中直言不讳表达的,也是他在各种饭局中试图委婉地传达给美国的领导者的。所不同的是,在书中,盛田昭夫的直率批评听起来要刺耳得多。


美国中央情报局(CIA)第一时间将《日本可以说不》翻译成英文,印成小册子小规模流传,一时洛阳纸贵,美国政商学界人人争相先睹为快。一位众议员甚至将英文版全文输入进了国会议事记录中,目的就是为了让议员们人人都能读到。


在新书《Chip War》(芯片战争)中,塔夫茨大学历史系的米勒(Chris Miller)教授描绘了二战之后芯片的发展史和竞争史。上世纪八十年代,在闪存芯片领域,日本的竞争力显然远远高出美国,以至于英特尔做出了生死攸关的战略转向,放弃存储,转而押注刚刚兴起的个人电脑所需要的逻辑运算芯片CPU。


当然,日美之间的贸易纷争仍然局限在贸易领域,最终在美国的压力之下,日本主动限制闪存的出口,美国PC行业因此付出昂贵的成本。美国为了扶植日本的竞争对手,转而支持韩国三星发展芯片行业,加剧了本国高端制造业的空心化。


Chip War: The Fight for the World's Most Critical Technology,Chris Miller/著,Scribner出版 2022年10月


未来并没有像盛田昭夫所预想的那样。日本超越美国只是昙花一现,从上世纪九十年代初,日本就步入了失落的二十年,经济增长停滞。事后看来,盛田昭夫需要检讨两点:


首先,日本显然低估了美国的实力,也对整个创新过程的“非线性”——投入与产出不是简单的正相关——缺乏深入理解,用上世纪六十年代到八十年代的飞速线性发展来简单预测未来,低估了全球化新格局中产业发展和技术突破的曲折;


其次,一成不变的日本模式显然在繁荣中埋下了衰落的种子,到九十年代,问题就显现了出来。日本芯片业最大的问题是在产业政策和廉价资金的推动下,管理者注重产量而忽略营利性,导致市场中产能过剩,却缺乏市场竞争所激发出的真正创新。当智能手机所引领的下一轮颠覆来临之际,日本公司已经落在了后面。


不大为人了解的芯片历史片段


从仙童半导体、英特尔与微软视窗操作系统的Wintel联盟独霸个人电脑市场,到智能手机带来的一系列颠覆,芯片在硅谷的发展史是耳熟能详的故事。但芯片作为移动互联时代最重要的运算和存储单元,作为正在展开的物联网和万物互联时代最重要的基础设施,为什么会成为中美技术竞争中“卡脖子”的关键技术,则需要从技术、市场和地缘的视角,重新梳理芯片发展史中不大为人知的片段。


理解“卡脖子”技术,绕不开光刻机巨头荷兰公司阿斯麦(ASML)。阿斯麦几乎垄断了全球高端光刻机市场,一台售价超过一亿美元。没有阿斯麦的光刻机,全球三大芯片制造商台积电、三星和英特尔就根本无法取得芯片制造技术在7纳米、5纳米乃至3纳米领域的突破,摩尔定律也将失效。


不大为人知的是,阿斯麦的成功是一场接近三十年,花费了几百亿美元的全球豪赌。1990年代,英特尔负责技术的副总裁卡鲁瑟斯(John Carruthers)与CEO格鲁夫(Andy Grove)有过一番对话,建议投资最新的光刻机技术。


俩人的对话可以让我们对研究和开发有更深入的理解。“你的意思是告诉我,你想在我们现在无法知道是否能成功的技术上砸钱?”格鲁夫问道。“对,安迪,那叫研究。”卡鲁瑟斯回答。格鲁夫一开始很犹豫,但在征询摩尔的意见之后,决定投资2亿美元研究光刻机技术。最终,英特尔向阿斯麦公司投资了40亿美元,台积电和三星也跟着投入了巨额资金。


阿斯麦还是一个地缘政治妥协的产物。光刻机技术来自美国国家实验室,由英特尔大力推动应用商业化,但之所以落脚在一家名不见经传的荷兰公司身上,却是因为美国对日本竞争的担忧。经历了美日贸易纠纷之后,美国不希望过度依赖光刻机领域内的两大日本公司理光和佳能。荷兰被认为是中立地带,美国不用担心光刻机的被“卡脖子”。


从阿斯麦身上,我们最应该学到的是什么?


首先是冒险精神。在工程技术领域想要突破天花板,必须敢于冒险,而且要持之以恒。因为突破不会马上到来,即使技术突破完成了,技术工程的商业化应用仍然需要不断去试错,需要耐心。


其次是充分利用全球零部件供应商的整合能力。与日本完全自主研发不同,阿斯麦的主要零部件都来自全球采购。光是研发最重要的光学零部件,阿斯麦就向德国光学巨头蔡司投入了10亿美元。阿斯麦的高端光刻机有超过45万个零部件,采用人工智能预测方式来预判哪个零部件可能需要更换,整台光刻机需要在阿斯麦工程师的全程指导下才能安全有效运行。


最后,阿斯麦也凸现了芯片行业前沿投入之巨大,需要参与的国家和机构之众多,专业细分度之高,想要突破必须坚持长期主义,商业化应用需要不断试错,尖端技术更需要大量资金投入的保障。


光刻机之所以重要,与芯片行业在过去三十年发展中的专业化细分分不开。套用印刷术来比喻,芯片行业最重大的变化就是写书、制版和印刷三者完成了分工。在印刷术发明之前,书籍以手抄本的形式分享,英特尔代表了这种芯片“印刷术”发明之前的垂直整合状态,既是芯片的设计者,也是印刷商。


市场需求井喷推动了芯片业爆炸式增长,也加速了产业的分工。分化出了专注于芯片设计的服务提供商,“无工厂”(fabless)的芯片制造商,比如华为就设计出全球领先的手机芯片麒麟系列,但自己却不生产,交由专业的代工厂生产;也有专业的芯片制造商如台积电和三星;还有专门提供光刻机的设备提供商,光刻机的作用就是制版,将日益精密的芯片设计印制在硅片上。


早在上世纪七十年代中期,台积电的创始人张忠谋在德州仪器内部就提出新规划——为其他芯片设计者代工生产芯片是充满潜力的未来。他当时就认为,当芯片变得更复杂,设计和制造很可能分离。随着摩尔定律推动的芯片不断迭代,其制造工艺日益复杂,所需要投入的资本越来越高,需要的经验越来越丰厚,积累的门槛也越来越高,并不是所有芯片设计者都希望自己参与到芯片制造中。


此外,随着芯片算力的提升,芯片的应用场景将更为广阔,不只是存储、大型机,还会有个人计算机、手持设备、通讯等一系列全新的引用场景。设计与制造的分离有助于推动制造出更多种类的芯片,芯片应用场景的扩大也为第三方代工商带来巨大发展前景。


张忠谋的想法与摩尔定律的联合发明人加州理工学院的米德教授(Carver Mead)不谋而合。米德在上世纪七十年代开辟芯片设计课程,让每位参与的学生设计芯片,然后将设计邮寄到芯片加工厂,六周之后学生就能收到芯片。米德与张忠谋的构想要等到1987年台积电成立之后,才能可以得以实现。


不同驱动模式:产业政策扶持与DARPA创新引领


全球芯片产业的发展背后有两种不同的模式驱动:一种以日韩的发展模式为代表,政府政策引领,提供廉价资金支持,帮助企业壮大;另一种以引领创新著称的美国国防部研究局(Defense Advanced Research Projects Agency,简称DARPA)为代表,军工需求引领,同时不断推动科研的纵深发展,推动科技产业化。


韩国和日本都是产业政策推动发展的典型,其创业的路径与美国创业公司的路径完全不同,有方向,有政策,有廉价的资金,受益者也是索尼、三星这样的大型企业。类似的发展道路为其他市场所学习。


日、韩之所以能推动芯片行业的发展,首先依赖的是美国的扶植政策。美国在二战之后很快就改变了完全扼杀日本制造能力的政策,明确一个产业恢复却与美国结盟的日本符合美国利益。所以无论是索尼还是三星,背后都是美国容忍与扶持的结果,当然也与美国的高科技产业构成了紧密整合共荣的合作模式。


在技术端,美国企业乐见对外转移中低端技术,收取2%到4.5%的授权费用。在产品端,日本企业则看准了全球消费电子市场的发挥机会,擅长产品设计、了解客户需求和市场推广的索尼一跃成为全球最大的消费电子厂商,而三星紧随其后,成为芯片制造大厂。


三星模式在日韩芯片企业中最具代表性,总结一下,它的发展主要依赖三大推动力——


首先,与中央政府紧密联系,赢得产业政策的扶持,同时获得银行廉价资本的支持。


其次,在刚起步的时候就紧盯西方芯片业具有优势的产品,力求制造精益求精,质量相当但价格低廉,靠性价比取胜。在这一过程中,一开始可能是通过逆向工程来抄袭技术,之后则通过利用美国公司之间的竞争和美国本身地缘政治的考虑——比如对日本企业独大的担心,在缝隙中抓住发展壮大的机会。


最后,从一开始就放眼全球,拥抱全球化策略,超越本土在全球开拓市场,更重要的是在全球竞争中锻炼能力。


台积电的发展故事又有所不同。当时张忠谋因为没有被选任为德州仪器的CEO而赋闲在家,也因此与中国台湾地区的产业政策制定者一拍即合,应邀创建台积电。政府投入巨资,邀请台湾各路商业大佬,比如台塑,投入资金。


最大的一笔外部投资则来自于飞利浦的合作,飞利浦将自己的芯片生产技术授权台积电使用,转移技术,并投入5800万美元资金,占台积电27.5%的股份。飞利浦的加盟不仅为台积电提供了资金,也奠定了未来台积电与ASML的深入合作,当时飞利浦刚刚把ASML分拆出去。


台积电让张忠谋得以实现自己的“代工”梦想。所以台积电的成功,不仅仅是产业政策的结果,也是有先见的商业模式的结果。过去十年,智能手机、云计算、人工智能、自动驾驶、物联网等一系列新应用的兴起应验了张仲谋的前瞻性。高端芯片的需求量不断增加,应用场景不断丰富,对芯片代工商的需求也日益增长。


与另外两家高端芯片制造商英特尔和三星不同,台积电自己不设计芯片,反而让它有更大的机会构建“大联盟”。张忠谋很清楚,如果台积电能撬动整个产业的创新能力,涵盖高端仪器和装备制造商、创新企业,那么台积电的发展就可能更快。台积电和其前十大客户的研发投入的确比三星和英特尔加起来还多。


DARPA则代表了一条不断强化美国优势的发展道路。


芯片行业天然与军工有着千丝万缕的联系,上世纪九十年代的海湾战争就展示了芯片精确制导武器相对常规武器的战斗力。美国芯片行业发展的原初推动是美国在冷战竞争中保持优势的技术研发投入,DARPA在其中扮演重要角色。当然,芯片行业的发展早已脱离美国军工复合体所能撬动的范围,巨头苹果对芯片行业的影响力早已超过美国国防部。


DARPA推动了芯片设计和芯片制造的分离。米德教授在加州理工推出了芯片设计课程之后,DARPA投资推广了这一范式,鼓励领先的大学都开设类似课程,让研究者可以将芯片设计送到前沿的芯片制造商那里去。DARPA此举颇具前瞻性,它确保了美国有足够广阔的教育基础来培养出足够多的芯片设计师。目前芯片设计软件公司前三强Cadence、Synopsys和 Mentor Graphics(后被西门子收购,现为 Siemens EDA)都是美国公司。


DARPA意识到随着芯片算力的提升,未来的应用场景会越来越多,需要它来推动科研人员找到更多的应用场景并且商业化。高通的创始人雅各布(Irwin Jacobs)就是学而优则商的典型。他看到了芯片算力的提升有机会改变通讯行业的巨大前景,因为算力可以将更多的数据压缩之后在既有的频谱中传播。DARPA成了雅各布的第一推动者,DARPA最初的资助和国防部的采购合同确保了高通从零到一的发展。


很多人对DARPA用纳税人的钱招待科学家好吃好喝找到技术的全新应用场景很不理解,但这恰恰是政府推动应该去做的。创新源自基础科学的研究,但帮助科学家破圈,找到新的应用场景,则需要外部推动。


DARPA所代表的创新推动与日韩的产业拉动策略最大的区别也恰恰在此,它专注于强化美国的优势,即提供资金帮助科学家和研究者将科研突破实现商业化,做创新企业的推动者。


当然,DARPA并没有忽略本职工作。小规模分散式防御体系与新的传感器、精密制导武器和通讯设备在战场上的整合运用在俄乌冲突中得到充分的体现,也将重塑未来战场格局。面向未来,DARPA研究有两个重要的方向:分布式指挥和通讯系统,如何更好相互协作;战场上会有哪些人机合作新模式,机器如何帮助指挥员更好决策。


芯片业的“一叶知秋”


观察二战之后芯片业发展,不难发现它也是全球化历史一个重要的横切面。


上世纪六七十年代,亚洲各个国家和地区都积极参与芯片的生产制造,芯片行业日益全球化,从精密仪器装备制造到检测封装,最后组装到消费电子中,大多在亚洲完成。


冷战结束之后有一段“历史的终结”的天真期,认为全球化会真正将世界变成地球村,消弭主要分歧。在此期间,美国也放松了对全球技术扩散的管制,一方面觉得这样的管控费力不讨好,另一方面也笃信自己“跑得更快”的策略,殊不知一旦自满自大起来,持续领先并不容易。


芯片是全球化的风向标。芯片的广泛运用推动了芯片行业的大发展,催生了从材料学到精密制造仪器在内的一系列全新产业。而这种发展依赖的是全球研发、全球协作和全球分工。芯片作为核心,带动了一个复杂的供应链和价值链。这种复杂是全球化的产物。


恰恰因为每个细分产业都有比较高的集成度,需要巨额的资金投入和长时间的技术与经验的积累,反而催生出一系列垄断的“卡脖子”节点:中国台湾地区的台积电生产了全球37%算力所使用的芯片,两家韩国企业三星和SK海力士生产了全球44%的存储芯片,荷兰公司阿斯麦则垄断了全球最高端光刻机100%的份额。


全球芯片产业原本“你中有我,我中有你”的状态,理应推动更好地全球协作,然而吊诡的是,与最近几年全球化转向中的美元武器化、大宗商品武器化一样,芯片行业这种相互依赖的关系也被武器化了,成为美国制约中国高科技发展的科技战中最具代表性的案例。而美国商务部10月进一步加大对华芯片限制,更是推动了芯片竞争升级。


数据是新的石油,中国进口芯片的金额已经连续几年超出石油的进口额。芯片,尤其是高端芯片,是数字经济运行最重要也不可或缺的基础设施。芯片的“一叶知秋”,推动我们去深入思考未来发展的策略,去探索出一条“自主研发+开放创新”的新路,依赖中国庞大的市场优势和应用场景创新的优势,突破“卡脖子”的技术,同时还能广泛应用全球创新的成果。分享三点思考——


第一、如何定义自主创新。自主创新一方面需要有自我独特创新的能力,另一方面不能忽略培养大企业调动全球价值链上各种资源以及整合全球供应链的能力。切忌,自主创新不是关起门来闭门造车。


华为代表了中国潜在的发展实力。经历了三十多年的成长,华为已经从一个跟随者变成了一个技术领域的引领者。让美国鹰派最担心的是华为不断取得技术的突破,会增加对美国高端技术如芯片的需求,也会让美国高科技企业更依赖中国。更重要的是,华为是“顶天花板”者,随着它技术的不断进步,也会推动国内芯片设计和通讯领域高科技的不断进步。从这一意义上来讲,美国禁止高科技芯片出口给华为,是打一场先发制人的战争,扼杀竞争对手的战争。


反制美国,需要鼓励更多华为式的创新。华为之所以能成为全球领先的企业,恰恰在它对全球供应链和价值链整合的能力;能够真正做到客户第一,理解客户的需求;此外还勇于全球竞争,也善于全球推广。


其次,减少对美国的软件、设备依赖的同时,需要继续拥抱开放式创新。


芯片行业的竞争是技术工程的竞争,不是研究的竞争。换句话说,目前高端芯片的竞争并不需要科研的突破,却需要在工程和工艺上补短板,找差距。这就需要我们正视中国与全球尖端技术工程之间的差距,要有耐心,保持开放式创新的状态,利用一切可以调动的全球资源,逐渐拉近与前沿的距离。


纳米级别的代工厂在现有路径上再提升的空间已经很有限,超越3纳米再想取得算力的提升,需要新突破。这一方面给了中国企业在既有路线上追赶的时间,另一方面,也需要中国企业放眼全局,审视整个芯片行业作为一个价值链的整合体的其他发展可能。比如RISC-V作为全新开源的芯片设计架构就是x86和Arm之外的选择,而基于人工智能应用的芯片设计也是未来发展的热点。


从发展路径上,扶植有真正实力的大企业,通过大企业撑起天花板,带动整个产业的繁荣,应该是首选。另一方面仍然需要拥抱开放式创新,重点在于吸引更多全球科研人员,推动从科研到实践的转化。


第三,要牢记科学研究和工程应用的“非线性”特点,系统审视芯片行业高度关联性的特点并为我所用。芯片行业发展需要精密仪器、软件、芯片设计、先进材料和精密制造等一系列领域的整合。在目前高度相互依赖且短期内每一个环节都几乎由寡头控制的全球产业格局中,耐心寻求合作伙伴,推动正向循环发展,是破解“卡脖子”问题的正道。


市场是中国最大的优势。目前,中国大部分的芯片市场采用的是成熟技术,不受技术出口限制影响,这是全球博弈的重要杠杆。打破封锁需要有耐心和恒心,拥抱长期主义,积累技术、经验,培养人才,但不能寄希望于一蹴而就。


一句话,应对芯片竞争,系统思维是总抓手。


本文来自微信公众号:经济观察报观察家 (ID:eeoobserver),作者:吴晨

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