《芯片战争：世界最关键技术的争夺战》第六部分：无晶圆厂的革命

《芯片战争：世界最关键技术的争夺战》是美国经济史学家克里斯·米勒撰写、蔡树军翻译的科技类著作。该书以半导体产业全球分工为主线，追溯从冷战至今的芯片技术发展历程，阐释芯片在现代军事、经济和地缘政治中的战略地位。全书涵盖美国通过技术博弈确立主导地位、台湾半导体产业崛起、华为5G技术受限等案例，分析全球芯片短缺与供应链危机背后的国家竞争。书中提及美国《芯片法案》补贴政策、EUV光刻机研发困境等议题，揭示大国在人工智能与军事技术领域的核心博弈。

“无晶圆厂的革命”

“真正的男人”可能有晶圆厂，但硅谷的新一波半导体企业家没有。自20世纪80年代末以来，无晶圆厂芯片公司的数量呈爆炸式增长，这些公司设计芯片，将芯片制造外包，通常依赖台积电提供这项服务。1984年，戈登·坎贝尔（Gordon Campbell）和达多·巴拿道（Dado Banatao）创立了芯片和技术公司（Chips and Technologies），该公司被公认为是第一家无晶圆厂公司。一位朋友声称，这家公司“不是一家真正的半导体公司”，因为它没有自己制造芯片。但事实证明，这家公司为个人电脑设计的图形处理芯片很受欢迎，可以与一些业内最大的厂商生产的产品竞争。芯片和技术公司最终衰落，被英特尔收购。但该公司证明了一个无晶圆厂的商业模式是可行的，只需要一个好主意和数百万美元的启动资金即可，这只是建造一个晶圆厂所需资金的很小一部分。

对于半导体初创公司来说，计算机图形处理仍然是一个吸引人的专营市场，因为与个人电脑微处理器不同，英特尔在图形处理领域并没有事实上的垄断。从IBM到康柏，每一家个人电脑制造商都必须使用英特尔或AMD的芯片作为主处理器，因为这两家公司实际上垄断了个人电脑所需的x86指令集。在屏幕上呈现图像的芯片市场上，竞争更加激烈。半导体芯片制造厂的出现，以及启动成本的下降，意味着不仅仅是硅谷的贵族可以设计最好的图形处理器。最终主宰图形处理芯片市场的英伟达（NVIDIA）并非诞生在时尚的帕洛阿尔托咖啡馆，而是在圣何塞一个落后地区的丹尼快餐店（Denny's）。

英伟达成立于1993年，其创始人是克里斯·马拉科夫斯基（Chris Malachowsky）、柯蒂斯·普里姆（Curtis Priem）和黄仁勋（Jensen Huang），黄仁勋至今仍是英伟达的首席执行官。普里姆在IBM工作时，在计算图形方面做过基础性工作，然后与马拉科夫斯基一起在太阳微系统公司（Sun Microsystems）工作。黄仁勋在中国台湾出生，小时候搬到了肯塔基州，之后在一家名为LSI的硅谷芯片制造公司工作。他现在是英伟达的首席执行官和公开代言人，平时总是穿着深色牛仔裤、黑色衬衫和黑色皮夹克，拥有一个类似于史蒂夫·乔布斯的光环，显示他已经看到了计算机的未来。

虽然英伟达的第一批客户——视频及电脑游戏公司——可能看起来不像是最前沿的，但英伟达打赌，图形的未来将是制作复杂的3D图像。早期的个人电脑是一个单调乏味的2D（二维）世界，因为显示3D图像所需的计算量很大。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。尽管英伟达正在大量出产一流的图形处理芯片，但根据该公司2017年的一项估计，为了让程序员而不仅仅是图形专家都能使用英伟达的芯片，黄仁勋在这项软件工程上花费了至少100亿美元。黄仁勋赠送CUDA软件，但该软件只适用于英伟达的芯片。通过使芯片在图形处理行业之外发挥作用，英伟达发现了从计算化学到天气预报的并行处理的巨大新市场。当时，黄仁勋只能模糊地感知到并行处理的最大应用——人工智能——的潜在增长。

如今，英伟达的芯片主要由台积电制造，这在大多数先进的数据中心可以找到。幸好英伟达不需要建立自己的晶圆厂，否则在启动阶段很可能筹集不到必要的资金。给在丹尼快餐店干活的芯片设计师几百万美元已经是一场赌博，即使对硅谷最有冒险精神的投资者来说，当时赌上1亿美元（那时建一个新晶圆厂的成本）也是一个难题。此外，正如杰瑞·桑德斯所指出的，运行一个晶圆厂是昂贵且耗时的。像英伟达那样，简单地设计顶级芯片就足够困难了。如果英伟达还必须管理自己的制造环节，它可能就没有足够的资源构建软件生态系统。

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。

对于2G之后的每一代手机技术，高通公司都提出了关于如何通过无线电频谱传输更多数据的关键想法，并销售了具有能够破译这种不和谐信号的计算能力的专用芯片。该公司的专利是如此重要，没有它们，手机就不可能被制造出来。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。采访高通公司两位高管，2021年。

人们容易为半导体制造业的离岸外包感到悲伤。但是，如果像高通这样的公司每年不得不投资数十亿美元来建造晶圆厂，它们就可能无法生存下来。雅各布斯和他的工程师是将数据塞进无线电波频谱的奇才，他们设计出了聪明的芯片来解码这些信号。就像英伟达的情况一样，他们不必尝试成为半导体制造专家，这是一件好事。高通公司多次考虑开设自己的制造工厂，但考虑到成本和复杂性，它决定放弃。多亏了台积电、三星和其他愿意生产芯片的公司，高通公司的工程师才可以专注于他们在频谱管理和半导体设计方面的核心优势。

还有许多其他美国芯片公司受益于无晶圆厂的模式，让其专注于新的芯片设计，而不必花费数十亿美元建造一个晶圆厂。全新的芯片种类出现了，这些芯片只在台积电和其他芯片制造厂制造，而不是自主制造。现场可编程门阵列芯片是由赛灵思（Xilinx）和阿尔特拉（Altera）等公司率先开发的，这些公司最初就依赖于代工。但是，最大的变化不仅仅是新型芯片。通过使移动电话、高级图形和并行处理成为可能，无晶圆厂公司实现了全新类型的计算。