晶片戰爭

閱讀時間約 19 分鐘
晶片戰爭:矽時代的新賽局,解析地緣政治下全球最關鍵科技的創新、商業模式與台灣的未來
CHIP WAR: The Fight for the World’s Most Critical Technology
Chris Miller 2023 天下雜誌
分類:論說--理論(歷史)

★★★★☆

【一句話】

完整介紹半導體的發展史,及為何半導體有如此重要的戰略意義。

【重要字句】

矽晶圓(wafer):一種超純的圓形矽片,可以切割出晶片。
電晶體(transistor):微小的電子開關,可開啟電流(1)或關閉(0),用於所有的數位運算。
半導體:在絕對零度時為絕緣體,但溫度升高或加入某些材料後,可以產生電導度和電流。
晶片(又稱積體電路或半導體):一小片半導體材料,通常是矽,上面刻著數百萬或數十億的微型電晶體。
CPU中央處理器:一種「通用」晶片,是個人電腦、手機、資料中心的運算主力。
GPU圖形處理器:一種有並行處理能力的晶片,可用於圖形及人工智慧。
記憶體晶片(目前多為東亞製造):
  • DRAM動態隨機存取記憶體:把微型記憶體和電容器結合,借助電流用來暫時儲存資料,是電腦記憶體的核心。主要廠商為南韓的三星與SK海力士、以及美光。
  • NAND快閃記憶體:用於較長期的資料儲存,斷電後仍可持續記憶資料。主要廠商為三星、SK海力士、及日本的鎧俠(Kioxia)
其他類晶片:如類比晶片(把視訊音訊轉為數位資料,目前最大製造商為德儀)、無線射頻晶片、管理用電的晶片等等,此類晶片設計比把尺寸縮小重要,約在180奈米或更大的處理器上生產,生產成本也較低。一部新手機需要十幾種半導體,記憶體晶片、無線射頻晶片、音訊晶片等均來自不同國家的企業。
微影成像(photolithography):把紫外光照射到有圖形的光罩上,在矽晶圓上刻下圖案。
晶片製造鏈:一個工程師團隊,使用美國的設計軟體,根據總部位於英國的ARM公司的架構設計。設計完成後送到台積電,台積電從日本取得特殊氣體和矽晶圓,再用全球最精密的機器(荷蘭、日本和美國製造)將設計刻在矽上。通常在送到東南亞進行封裝測試,才運到中國組裝進手機或電腦。有任何一個步驟中斷,全球新運算力的供給就會受到威脅。
晶片製造中東亞生產90%記憶體晶片、75%處理器晶片。
  • 南韓:44%記憶體晶片
  • 日本:17%晶片
  • 中國:15%晶片,低階為主
  • 台灣:41%處理器晶片,90%以上的最先進晶片
關鍵控制點:機台、軟體、化學物。有些東西甚至只有一家公司生產。如EUV曝光機都是由荷蘭的ASML製造。

【摘要】

半導體和電子產品的貿易塑造了全球化,美國的軍事霸主地位主要源自晶片的運用,亞洲經濟的崛起也建立在矽的基礎上。

晶片的歷史

二次大戰:製造力和鋼鐵為戰力,美國製造了多於軸心國總合的坦克和飛機。但戰爭也增加了運算力的需求,工程師運用真空管的電流代替早期計算器的機械齒輪,利用0和1兩個編碼產生任何數字,執行不同的運算。
威廉蕭克利(William Shockley):於1946年發明接面型電晶體以取代真空管,因研究電晶體於1956年和巴丁及布萊頓共同獲得諾貝爾物理獎,利用外部電場來影響半導體的導電性。
基爾比(Jack Kilby):任職於德州儀器(以下稱德儀),1958年發明積體電路(integrated circuit)也因此獲得諾貝爾獎,他把好幾個電晶體嵌入一塊鍺片,減少串接電晶體所需的電路數量,缺點是灰塵等雜質會和電晶體產生反應。
快捷半導體:1957年由八位離開難相處的蕭克利的工程師成立,可說是矽谷的開創者,當中最重要的是諾伊斯(Robert Noyce),用二氧化矽做為保護絕緣層,利用金屬沉積的方式把原本獨立的電路放在晶片上,將電晶體嵌入半導體材料中,這樣的積體電路可以縮小和省電,增加簡化和量產銷售的可能性。
積體電路的崛起:在蘇聯發射了世界第一顆衛星史普尼克之後,美國為阿波羅計畫的導引電腦向快捷半導體購買積體電路。1959年快捷開始行銷Micrologic晶片。德儀也獲得美國軍方的晶片合約,到了1964年底,德儀已經為義勇兵導彈計畫提供了10萬個積體電路。
微影成像:因為電晶體越來越小,德儀的萊斯羅普(Jay Lathrop)利用把顯微鏡到轉,在鏡頭上刻上圖案後利用光線聚焦到塗了柯達光阻劑的鍺片上蝕刻出電路圖案。他製造的電晶體直徑僅0.1吋,使微型電晶體量產成為可能,為了這種技術德儀開始自己製造光罩和矽晶圓。張忠謀和萊斯羅普同於1958年加入德儀,負責改善電晶體生產線的製程,幾個月內良率從接近零上升到25%。這些過程證明了半導體業的發展不單只靠物理學等科學理論,也需要精巧的製造技術和工程學。
「他對固態物理學瞭若指掌,足以凌駕任何人。」「如果你沒有被他痛罵過,那不算待過徳儀。」-- 同事回憶張忠謀
至少在未來十年,矽晶片上可容納的電晶體每年會增加一倍,因此運算力將呈指數成長且每個電晶體價格更低 -- 摩爾(Gordon Moore),快捷半導體和英特爾的共同創辦人, 1965
民用晶片的成長:1965年時國防資金仍購買了72%的積體電路,但快捷開始大幅降價以擴展民用市場,到了1968年,快捷晶片在電腦市場市占率達80%,電腦業採購的晶片數已和軍方一樣多。
諾伊斯和摩爾在1968年離開快捷建立了英特爾(Intel),兩年後推出DRAM。當時不同的設備需要設計不同的邏輯晶片,因此製作成本較高,但記憶體晶片不需專門設計,於是擁有日漸強大的記憶體晶片生產線的英特爾推出了通用邏輯晶片,只需搭配不同的軟體程式就可以做各種運算。運算力的爆增讓數位世界取代了工業社會,矽晶片融入了各式日常設備,也改造了新的國防武器系統。

亞洲融入半導體業

二戰後美國的冷戰策略是支持日本以科技與科學重生,把日本經濟和美國主導的體系綁在一起。1946年盛田昭夫成立索尼Sony,之後美國同意授權讓他生產電晶體,盛田昭夫意識到,當電晶體越來越小且耗電量更少,消費電子產品的市場將會來臨,於是以當時日本較低的工資水準和高生產效率,創新和設計電子產品,但也付了可觀的授權費給快捷(銷售額的4.5%)和德儀等公司。索尼的第一個熱賣產品是電晶體收音機,夏普則研發了手持式計算機(德儀當時覺得沒市場放棄了這個專案),日本的電子產品出口在1980年代增加到600億美元,1979年索尼創新設計的隨身聽(Walkman)在全球賣了3.85億台。
快捷半導體是第一家把組裝外移到亞洲的公司(1963年位於香港),當時需要大量的人力手工組裝半導體,亞洲不但工資低(為美國的十分之一)、效率高,也沒有工會的問題,可說早在全球化之前半導體產業就依賴國際生產與組裝了。
越戰戰敗後,台灣希望藉由經濟整合加強美國對台灣的軍事承諾。1968年,德儀的高層和張忠謀首度造訪台灣並獲得批准在台設廠。
1980年代,當時最大的科技公司和半導體買家惠普(HP)發現,美製DRAM的故障率是日製的4.5倍,日本也開始生產更高品質但成本更低的商品。日本當時的優勢是廉價資本、政府補貼、保護市場(對美國晶片實施配額限制)及竊取智慧財產權,其中廉價資本最重要,因為半導體進步速度加快,新的設施成本很高,而日本人民儲蓄多,銀行可以不論獲利與否提供大型企業長期低利貸款,相對美國當時利率高達21.5%。1985年,日本占全球半導體資本支出的46%,而美國占35%,日本DRAM的市占率越來越高,美國GCA在微影成像的領先地位也被Nikon取代,隔年日本生產的晶片量已超過美國,日本成為世界第二大經濟體。
隨著矽谷和日本在DRAM市場的激烈競爭,南韓政府在80年代也把半導體列入優先產業。在「敵人的敵人是朋友」的狀況下,矽谷的公司開始和三星簽約合作並轉移DRAM的生產技術,銷售三星代工的晶片。DRAM需要強大的財力突破每個技術節點且市場低迷時也需持續支出,因此南韓政府要求銀行的大量融資相當重要,讓三星不斷成長,在1992年成為世界領先的記憶體晶片製造廠。
因為日本缺乏創新的動能(東芝研發了快閃記憶體NAND卻忽略,而讓英特爾發揚光大)、過度投資且營利不高、忽視個人電腦市場、加上金融崩盤,1993年美國重新奪回晶片出貨量的冠軍,1998年日本DRAM的市佔率從80%降至20%,被南韓超越。

美國的復興

雷根時代,美國政府降低資本利得稅、通過法案保護智慧財產權、與日本達成冒易協定限制晶片出口量(但反而造成價格提高)、成立半導體製造技術聯盟(Sematch),由諾伊斯領導,由於微影成像是製造半導體的關鍵,聯盟將當中一半的資金給予GCA,但未來不確定的GCA還是得不到客戶青睞,敵不過Nikon、Canon、ASML而關門大吉。

美光:

創立於1978,矽谷紛紛抽離DRAM事業時,得到因冷凍馬鈴薯和麥當勞簽下一億美元合約的辛普洛(Jack simplot)資助,靠著簡化製程和縮小晶片尺寸(而非縮小上面的電晶體),削減成本以降低價格,經過十年的煎熬終於在DRAM市場反敗為勝。

英特爾:

葛洛夫(Andy Grove,80和90年代的總裁),在當時大膽地「破壞式創新」,放棄雖然慘敗但當時還是業績主力及企業根基的DRAM市場,押注個人電腦的微處理器。同時也改變企業文化,除了創新也更重視控制生產程序以提高良率。1985年廣場協議簽署後,日元對美元的匯率漲了一倍,美國的利率也下降,使美國的出口產品售價降低,加上個人電腦的普及,英特爾逐漸壟斷這個市場。

米德康維革命(Mead-Conway VLSI chip design revolution):

兩人用程式將晶片設計標準化,為自動化晶片設計奠定了基礎。國家和晶片業也資助大學研究晶片設計,目前每家晶片公司都使用三家晶片設計軟體公司的工具,皆為當時的學生創立的,讓美國成為晶片設計業的龍頭。

晶片世界戰

台積電:

1985年,台灣是組裝半導體的領先國家之一,但多數利潤是被設計及生產晶片的公司賺走,加上中國的工資優勢威脅,於是台灣政府請張忠謀回來,並給予極大的預算和空間,建立台灣的半導體產業。張忠謀在1970年代就思考將晶片設計分離出來讓晶片設計公司來外包,因為隨著製造設備和研發成本的提高,只有大量生產晶片的公司才有成本競爭力,然而當時每家設計晶片的公司都有自己的晶圓製造廠,德儀並不看好張忠謀提出的商業模式。於是張說服荷蘭的飛利浦公司技術轉移,加上台灣政府與民間的投資,成立了台積電,實踐他的「晶圓代工模式」。台積電早期的成功,來自於和矽谷晶片業的緊密結合,以及不與客戶競爭(不設計晶片)而讓許多無晶圓廠(fabless)的小晶片公司有崛起的機會。台積電讓數十家公司圍繞著它來設計產品,不論是設備、材料公司或無晶圓廠公司,都必須與台積電的製程相容。為了持續創新,即使在金融危機期間仍每年增加數十億美元的資本支出,成功搶占智慧型手機的晶片市場。

微影製程戰:

隨著摩爾定律的延續,1990年代電晶體不斷縮小至幾百奈米,需要更小的波長來做微影成像。1984年飛利浦將微影成像部門分拆成立ASML,因成本不如Canon或Nikon龐大,位於荷蘭不受的地緣政治影響ASML決定從世界各地的供應商購買元件來組裝系統,而非自己製造,也因為飛利浦的關係和台積電展開合作。1992年成攻復興的英特爾投資兩億美元開發極紫外光(EUV,波長13.5奈米)技術,當時全球化風潮正盛,不如現在強調地緣政治考量,華盛頓的主流觀點是擴大貿易與供應鏈,因此英特爾決定和ASML合作,使ASML成為全球唯一的EUV生產商,最終經過三十年,花了數百億美元才於2015年成功開發出來。儘管EUV的科學技術來自全球化(美國的Cymer發明產生EUV的方法、德國的Trumpf製造雷射器、蔡司製造奈米級的反射鏡,ASML本身只生產EUV機台數十萬個組件的15%),但製造卻是一家公司一手壟斷。

行動裝置:

當年英特爾靠著x86晶片主宰市場並不是x86架構特別好,而是剛好IBM的個人電腦使用這種架構。之後柏克萊的科學家設計了更新、更簡單節能的晶片架構RISC,但英特爾放棄轉換過去,現在雲端資料中心的晶片也都使用x86。1990年,蘋果成立了合資公司ARM決定使用RISC原則來設計架構,再把ARM架構賣給無晶圓廠的設計公司。ARM正好適合小型的隨身裝置,但這在當時仍屬小眾市場,利潤遠不及製造個人電腦的晶片,在財務考量下英特爾錯過了這次機會進軍行動事業,英特爾拒絕蘋果之後,賈伯斯決定為iPhone使用ARM架構。也可看出英特爾的權力從工程師或物理學家轉移到經理人手上,以短期利潤目標取代了追求長期的技術領先。

先進製程外移:

2010年代,美國認為本身的晶片業發展健全,設備製造商和晶片設計軟體(Cadence, Synopsys, Mentor三家公司占了75%的市場)的頂尖公司都在美國,因此主張放鬆管制,和中國和其他國家積極貿易。但當時葛洛夫已提出警訊,擔心如製造電池業和先進晶片的技術美國將逐漸落後,如今預言成真。

輝達:

1993年創立,設計了圖形處理器(GPU),利用同時進行大量簡單的運算,改變畫素繪出圖像。2006年輝達發布和推廣CUDA軟體可以讓除了電腦繪圖以外的產業來設計GPU,甚至後來的人工智慧,GPU「並行處理」的特性很適合用於訓練AI系統。如果輝達需要自己管理製程和興建營運晶圓廠(成本至少上億美元),恐怕就無法設計如此先進的晶片了。另外高通設計出新型的通訊數據機晶片,靠的也是無晶圓廠代工模式,才能專心開發新產品。

中國的挑戰

華為於1987年成立,當時中國的技術因文革和難以吸引外國投資,落後約十幾年,在鄧小平的現代化之後才開始重視半導體。華為不像阿里巴巴或騰訊以國內市場為主,它找出國外優秀的產品,以較低的成本生產較好的版本,然後銷往世界各地,類似三星的策略,年度研發預算更高達150億美元,目前與芬蘭的Nokia和瑞典的Ericsson並列為全球三大基地台設備供應商,旗下的海思半導體也能為智慧型手機設計複雜的晶片。
更多的資料傳輸讓無線網路本身、周邊裝置、以及資料中心都需要更多的運算力。例如5G行動網路需要強大的半導體運算把更多資料塞進現有的頻譜空間中以及把無線電波傳得更遠更準確;電動車也有如智慧型手機,需要大量的晶片來運作和管理電源。華為在5G的設備終處於領先地位,但除了主處理器仍需要大量美國製的晶片。
2000年曾於德儀任職的張汝京創立中芯國際(SMIC),有一半的資金來自美國投資者,員工約有三分之一來自海外,當中有四百名台灣人,另外也獲得政府大力支持,到2000年代末期,中芯在技術上只落後最頂尖的企業兩年,但仍難以對抗台積電。因「物聯網、雲端運算、大數據」的需求,中國在2000和2010年帶進口半導體的支出超越石油。

中國的困境

  • 技術遭到地緣政治對手(美台日韓)的壟斷。
  • 政府、國有企業或皇親國戚的干預,半導體公司多半只重視政府補貼。
  • 國家重視安全,想推動半導體自給自足,不希望依賴世界晶片業與供應鏈,但全球晶片業每年的資本支出就超過1000億美元,難以匹敵。

中國的應對

  • 市場:IBM、高通、AMD皆以技術授權換取市場或資本。
  • 中國政府可能施壓外國公司轉讓中國子公司的掌控權。
  • 採用新的RISC-V架構(地緣政治中立)設計晶片。
  • 加強發展較低階的舊有技術,如電動車及長江存儲發展NAND。

晶片鎖喉戰

「全球化幾乎已經死亡,自由貿易也幾乎消失了,我認為它們不會回來了。」-- 張忠謀於美國亞利桑那台積電設備移機典禮,2022

美國受到的挑戰

  • 中國的威脅(發展AI且應用至武器系統)超過冷戰時期的蘇聯(抄襲與落後)。
  • 美國政府的發展預算(每年數十億元)比起晶片業的研發預算已微不足道。
  • 國防晶片無法避免需從國外採購。
  • 美國在晶片製程的某些環節,尤其是需依賴台灣的先進邏輯晶片製造,已明顯落後。
  • 亞洲國家與中國的政府都大力支持本國晶片業,而美國還陷在全球化和獲利的迷思中,忽視自己的技術漸漸落後,晶片業已被少數無可取代的公司壟斷。
  • 美國晶片業想獲得政府協助(減稅或放寬監管就好)卻又擔心中國報復(不想改變其跨國商業模式)。
我們的問題在於,我們的頭號客戶就是我們的頭號競爭對手 -- 美國半導體高層

制裁華為

比華為協助解放軍更重要的是,華為提升了中國的晶片設計與微電子技術的整體水準,還用美國的軟體和機台設計和製造晶片並提供產品給美國消費者,因此美國決定把華為當成戰略挑戰,而非商業挑戰,川普政府決定禁賣美國製晶片給華為。雖然晶片製造外移,但晶片設計軟體(美國)、邏輯晶片製造(台韓)、EUV曝光機(美國提供光源)皆為美國可以掌控的鎖喉點。2020年五月美國商務部宣布「限至華為使用美國技術與軟體在海外設計及製造半導體的能力」,全球化關係轉變為「武器化的互賴關係(weaponized interdependence)」,原本的互相依存不但沒有促進合作,反而增加衝突和新的競爭。

出口管制

  • 2022年10月
  • 美國限制中國取得先進的GPU晶片和牽制中國的晶片製造力,想阻止中國在AI領域的進步。
  • 禁止出口美製16奈米以下的晶片製造設備。
  • 限制美國公民與綠卡持有者與中國半導體公司合作。

美國推動國內晶片製造

  • 張忠謀的疑慮:同級工廠美國的成本比台灣高出50%。
  • 晶片與科學法案:2022年簽署通過,提撥520億美元透過補助和貸款擔保,激勵美國的晶片製造。提供120億美元設立國家半導體技術中心。
  • 承諾補貼說服台積電與三星在美建廠。
  • 接受該法資助的公司不得投資中國的製造廠(除了低技術的晶片廠),但目前主要的晶片製造商(三星、台積電、美光、英特爾)都在中國經營晶圓廠或組裝廠。

【短評】

書末提到,在1958年的12月,還在德儀的張忠謀,和摩爾、諾伊斯一同在華盛頓特區參加了一場電子大會,他們一起在街上飲酒高歌時,誰也沒料到,這幾人將成為科技巨擘,徹底改變我們的未來。疫情造成的晶片荒(作者認為真正造成晶片荒的原因是需求太大,而非供應鏈斷裂),甚至造成汽車和電玩無法出貨,才讓我們驚覺這巨觀上小到不能再小的東西,對我們生活影響有多大。
本書不只著眼於當今最熱門的美中科技戰,它完整描述了半導體發展的歷史與發展脈絡,除了必備的科學和技術研發(當然還有不可或缺的戰爭推動科技發展),半導體產業能走到今天,還需要很多有遠見和勇於冒險的人,在行銷、供應鏈管理、控制成本、精進製程上做出特別的貢獻和創舉。也和任何商業故事一樣,充滿優勝劣敗及達爾文式的競爭。一個國家或企業的領導者,能不能有遠見,大膽資助創新的概念,也是成功的關鍵。
半導體製造發展至今,已成為盤根錯結的網絡,不論是晶片製造或地緣政治衝突,台灣都位處重中之重的中心。除了感謝李國鼎、張忠謀等人當年的開創,我們更應該思考,如何守住和繼續發展,好好運用強大的運算力,為人類做出更有意義的貢獻。台灣人人每天關心台積電股價的同時,建議人手一本好好了解這個產業。
為什麼會看到廣告
26會員
89內容數
看完如何閱讀一本書之後,決定開始將每本書整理起來,成立這個部落格強迫自己練習維持寫作的習慣
留言0
查看全部
發表第一個留言支持創作者!