1 月 23 日，《經(jīng)濟學(xué)人》刊發(fā)兩篇芯片相關(guān)文章，探討芯片行業(yè)的發(fā)展趨勢。本文為其中一篇，原文標(biāo)題為“新構(gòu)架——芯片制造在被重構(gòu)，影響深遠”。觀察者網(wǎng)特此編譯全文，謹供讀者參考。

　　【文/經(jīng)濟學(xué)人】

　　1 月 13 日，日本汽車制造商本田表示，其不得不暫時關(guān)閉位于英國南部小鎮(zhèn)斯溫頓(Swindon)的工廠。不是因為英國脫歐，也不是因為有員工感染了新冠病毒，而是因為缺乏芯片。其他汽車公司也在掙扎。大眾汽車是汽車生產(chǎn)量最大的公司，其已表示受芯片短缺影響，本季度的產(chǎn)量將減少 10 萬輛。和現(xiàn)在所有東西一樣——從銀行到聯(lián)合收割機——汽車也離不開計算機。

　　芯片制造業(yè)正在蓬勃發(fā)展。全球上市的半導(dǎo)體公司市值現(xiàn)在超過 4 萬億美元，是五年前的四倍(見圖1)。在新冠大流行期間，隨著工作轉(zhuǎn)移到網(wǎng)上，消費者轉(zhuǎn)向直播和電子游戲，芯片制造商股價飆升。

　　圖 1 膨脹的全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)市值。截圖自《經(jīng)濟學(xué)人》，數(shù)據(jù)來源：彭博社;麥肯錫咨詢公司;經(jīng)濟學(xué)人(下同)

　　這推動了一波交易浪潮。今年 9 月，為游戲和人工智能設(shè)計芯片的英偉達(Nvidia)表示，將斥資 400 億美元收購總部位于英國的 ARM，ARM 的設(shè)計幾乎可見于所有智能手機。今年 10 月，設(shè)計制作圖形和通用芯片的 AMD 宣布了另一筆巨額交易——以 350 億美元收購可再編程芯片制造商賽靈思(Xilinx)。

　　硅“極奢”

　　資本支出也在增加。韓國三星集團計劃未來十年內(nèi)投資 1000 多億美元在芯片業(yè)務(wù)(盡管其中一部分將不是用在微處理器、而是閃存驅(qū)動器等產(chǎn)品中的存儲芯片上)。1 月 14 日，替 AMD 和英偉達等公司將設(shè)計藍圖轉(zhuǎn)化為實體晶片的臺積電(TSMC)在強勁的預(yù)期需求驅(qū)使下，將 2021 年的計劃資本支出從 172 億美元增加到 280 億美元，震驚市場。這堪稱世上所有私人公司的最高預(yù)算之一。

　　所有這一切都發(fā)生在芯片制造業(yè)“洗牌”的大趨勢之中。一方面，這個行業(yè)充滿了競爭和創(chuàng)新。老牌芯片設(shè)計商，包括 AMD、英偉達(Nvidia)和全球營收最高的芯片制造商英特爾(Intel)，正在受到新晉者的挑戰(zhàn)。亞馬遜和谷歌這些網(wǎng)絡(luò)巨頭都曾是他們的大客戶，現(xiàn)在亞馬遜、谷歌也在打造自己的芯片設(shè)計。一批初創(chuàng)企業(yè)也加入了亞馬遜、谷歌的行列，熱切地投身于解決人工智能、網(wǎng)絡(luò)或其他專用硬件的需求。

　　如果不是因為在產(chǎn)業(yè)鏈另一端——那些將設(shè)計轉(zhuǎn)化為蝕刻在硅片上的電子電路的芯片工廠正在發(fā)生的事情，這一切對每個人來說都應(yīng)該是好消息。追趕技術(shù)發(fā)展導(dǎo)致的成本不斷膨脹，意味著芯片設(shè)計雖然百家爭鳴，具有實際生產(chǎn)能力的芯片制造企業(yè)數(shù)量卻在不斷萎縮(見圖2)。世界上只有三家公司能夠制造高端處理器：英特爾、臺積電和韓國三星。美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會估計，目前全球 80% 的芯片制造產(chǎn)能在亞洲。

　　圖 2 銳減的芯片制造企業(yè)數(shù)量

　　這一先鋒梯隊可能很快就會減少到兩名成員。在過去 30 年里，英特爾一直試圖在推進其在行業(yè)的領(lǐng)先地位，如今卻步履蹣跚。1 月 18 日的新聞報道顯示，英特爾可能會開始將部分芯片生產(chǎn)外包給已經(jīng)超越它的臺積電。

　　世界經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)似乎正在進一步兩極分化，進入更大的設(shè)計泡沫和更加集中的生產(chǎn)。這種新架構(gòu)對芯片制造商及其客戶都有著深遠影響——在當(dāng)今時代，幾乎所有人都是芯片的客戶。

　　投資一開始是分散的。多年來，科技公司都是購買現(xiàn)成的芯片。在蘋果公司 44 年的歷史中，蘋果為自家的臺式機和筆記本電腦采購過 MOS Technology、摩托羅拉、IBM 和英特爾的微處理器。然而，2007 年第一代 iPhone 發(fā)布后不久，蘋果公司就決定“單干”。后來 iPhone 都采用了自己設(shè)計的芯片，這些芯片先是由三星代工生產(chǎn)，后來又由臺積電代工生產(chǎn)。事實證明，這種方法非常成功，于是蘋果公司在 2020 年宣布，將其臺式 Mac 電腦上英特爾產(chǎn)品替換為蘋果定制產(chǎn)品。

　　兩年前，電商巨頭亞馬遜的云計算部門亞馬遜云計算服務(wù)(Amazon Web Services)開始用自己的“Graviton”設(shè)計取代亞馬遜數(shù)據(jù)中心中的一些英特爾芯片。亞馬遜聲稱其芯片的成本效益比英特爾的高出 40%。大約同一時間，谷歌開始向其云客戶端提供定制的“張量處理單元”(TPU，Tensor Processing Unit)芯片，該芯片旨在提高人工智能計算能力。中國搜索巨頭百度聲稱，其“昆侖”人工智能芯片性能超過了英偉達(Nvidia)產(chǎn)品。微軟據(jù)傳也在研發(fā)自己的芯片設(shè)計。

　　在這個領(lǐng)域，聰明的初創(chuàng)公司能穩(wěn)定獲得 10 億美元級別的估值。一家設(shè)計人工智能芯片的美國公司 Cerebras 已經(jīng)賺到 12 億美元。與微軟合作的英國人工智能芯片公司 Graphcore 去年 12 月估值為 28 億美元。1 月 13 日，以設(shè)計智能手機芯片而聞名的高通公司，以 14 億美元收購了 NUVIA——一家由蘋果內(nèi)部芯片設(shè)計團隊的資深員工組成的初創(chuàng)公司。

　　十年前，“定制硅產(chǎn)品”仍是一個不確定的命題。得益于摩爾定律(Moore 's law，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗之談，稱集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過 18 個月便會增加一倍)，“通用芯片”(對應(yīng)“專用芯片”)的性能得到了迅速改善。今天，納米級原件受基礎(chǔ)物理的限制，摩爾定律被打破。研究公司 Linley Group 的負責(zé)人林利·格溫納普(Linley Gwennap)指出，現(xiàn)在晶體管數(shù)翻番的時間需要近三年，而且改進后的收益較過去也更少。

　　這使得通過調(diào)整設(shè)計來維持業(yè)績增長更具吸引力，尤其是對縱向整合的大型公司而言。沒有誰比蘋果更清楚其芯片如何與 iPhone 的其他硬件和軟件交互。云計算巨頭擁有大量關(guān)于他們的硬件如何使用的數(shù)據(jù)，并可以調(diào)整他們的設(shè)計以相適應(yīng)。

　　過去，自己設(shè)計芯片意味著自己制造芯片，但現(xiàn)在不一樣了。如今，大多數(shù)設(shè)計者都將制造流程外包給臺積電或美國 GlobalFoundries 等專業(yè)公司，消除了擁有工廠的必要性，大大降低了成本。大量的自動化工具使得芯片設(shè)計過程變得順利。“這可不像在 Etsy 上設(shè)計一件定制t恤那么簡單。”芯片行業(yè)分析機構(gòu) Future Horizons 的負責(zé)人馬爾科姆·佩恩(Macolm Penn)稱。不過，這也不是難出這個世界之外的事情。

　　雖然現(xiàn)在設(shè)計芯片比以往任何時候都更容易，但制造芯片卻從未如此艱難。要跟上摩爾定律，即使其速度放慢了，也需要在芯片工廠建設(shè)方面投入大量資金——并且投資額還在不斷上漲——這些工廠配備了超先進的設(shè)備：等離子蝕刻機、蒸汽沉積機以及 180 噸重、雙層巴士大小的光刻機。芯片制造的資本支出在總收入中所占比重下降過之后，又開始回升(見圖3)?？梢越^對地說，高科技“晶圓廠”(芯片工廠)的成本一直在持續(xù)增長，而且看不到盡頭。

　　圖 3 芯片行業(yè)資本支出在下降過后，再度開始回升。截圖自《經(jīng)濟學(xué)人》數(shù)據(jù)來源：Future Horizons

　　今天最先進的技術(shù)是 5 納米芯片(盡管“5 納米”不再像前幾代人那樣指晶體管的實際尺寸)。三星和臺積電都在 2020 年開始大量生產(chǎn) 5 納米芯片，其“接班人”3 納米芯片將于 2022 年問世，而 2 納米“接班人”將在幾年后問世。

　　局外的英特爾

　　進入千禧之年，一家尖端工廠可能要花費 10 億美元。管理咨詢公司麥肯錫(McKinsey) 2011 年的一份報告指出，一家先進晶圓廠的通常成本為 30-40 億美元。最近，臺積電 2020 年在臺灣南部建成的 3 納米制程工廠耗資 195 億美元。臺積電已經(jīng)在考慮 2 納米芯片，其耗費的投資肯定會更高。英特爾的步履蹣跚使其被孤立在 10nm 業(yè)務(wù)之中，其老板鮑勃·斯旺(Bob Swan)也因此丟了工作，其繼任者帕特·格爾辛格(Pat Gelsinger)將需要決定公司是否要繼續(xù)生產(chǎn)芯片。與臺積電不同，英特爾也設(shè)計自己的芯片。潛在的新入圍者面臨著超高的門檻。每有一項技術(shù)進步，晶圓廠的經(jīng)濟效益就會將入圍門檻推得更高。

　　并非所有的芯片制造都需要尖端的制造技術(shù)。汽車大多使用“老式愚鈍”一些的半導(dǎo)體芯片。在場地寬敞的數(shù)據(jù)中心，微型化似乎也不是必須的。但有一點至關(guān)重要：有些運算只有最強大的芯片才能處理。

　　隨著硅越來越普及于超級互聯(lián)的“物聯(lián)網(wǎng)”的中各種產(chǎn)品，從恒溫器到拖拉機，對最強芯片的需求可能還會增長。在它們之中，臺積電和三星的客戶已經(jīng)是大科技公司——蘋果、亞馬遜、谷歌、英偉達、高通(如果新聞報道屬實，英特爾很快也會加入)的“座上賓”。隨著汽車等產(chǎn)品變得更加電腦化和電動化，汽車使用的芯片也將變得更加先進。美國電動汽車制造商特斯拉已經(jīng)在依靠臺積電的 7nm 晶圓廠來生產(chǎn)自己的自動駕駛芯片。

　　由于三星和臺積電都對對方保持警惕，亞洲納米領(lǐng)域的“雙頭壟斷”競爭仍然激烈。自 2005 年以來，這家臺灣企業(yè)的營業(yè)利潤率基本保持穩(wěn)定，當(dāng)時尚有 15 家公司在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。但制造成本無情上漲的邏輯終點在于，在某個時候一家企業(yè)——很可能是臺積電——可能會成為最后一家屹立不倒的先進晶圓廠。據(jù)一位業(yè)內(nèi)資深人士說，多年來，科技公司的老板們大多無視了這個問題，并希望該問題自動消失。但這并沒有發(fā)生。

　　而該行業(yè)日益增加的政治籌碼加劇了這種擔(dān)憂。作為對中國發(fā)動的經(jīng)濟戰(zhàn)的一部分，美國一直試圖阻止中國企業(yè)發(fā)展自行建造先進芯片工廠的能力。為了在 2025 年前實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的自給自足，中國已經(jīng)把半導(dǎo)體放在其數(shù)十億美元計劃的核心位置——尤其是美國的制裁阻礙中國從外國進口芯片之后。

　　集中程度提高這一現(xiàn)狀背后的結(jié)構(gòu)性力量，將持續(xù)存在。美國擔(dān)心失去最先進的芯片工廠，于是向臺積電發(fā)放補貼，以換取其在亞利桑那州建設(shè)晶圓廠。三星可能會擴大自己在得克薩斯州的業(yè)務(wù)。另一套補貼和激勵措施正在等待國會的撥款。歐盟在比利時和荷蘭擁有大量的高科技設(shè)備，并且還想要更多。12 月 17 日，歐盟成員國同意在新冠大流行之后投入數(shù)百億美元的刺激資金，試圖在 2020 年之前創(chuàng)建先進的芯片工廠。芯片行業(yè)的發(fā)展歷史表明，隨著時間的推移，這些投資金額只會變得越來越令人瞠目結(jié)舌。
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