万字长文：揭开全球芯片制造之争内幕
几周前，美国总统拜登要求荷兰政府限制ASML公司对中国的出口。ASML 是世界上唯一一家制造最先进光刻机的公司。没有这台机器，苹果就无法生产 iPhone 芯片。ASML 不仅塑造了荷兰经济——它塑造了全世界经济。那是怎么发生的？
塔夫茨大学教授《芯片战争：为世界上最关键的技术而战》的作者 Chris Miller 写了很多这方面的内容，并深入探讨了地理政治学和十分吸引人的芯片制作的完整过程。这本书应有尽有包括：外交政策、高功率激光、能干的高管、垄断、物理学的基本极限。
最近的一则新闻报道让人印象非常深刻，它报道了科技界和芯片行业正在发生的各种事情，其中最明显的是，拜登正试图向荷兰政府施压，要求其停止运送芯片——供给中国制造设备。乍一看，这似乎是一个非常令人惊讶的地理政治学局势。你能讲解一下发生了什么吗？
眼下美国正试图切断中国制造先进半导体的能力，理由是先进半导体对训练AI系统至关重要。如果没有办法获得最先进的芯片，那么你就无法在 AI 方面取得有意义的进步。
要制造先进的半导体，你需要从世界上少数几家具有制造这些工具的精密能力的公司购买机床。这一些企业中最重要的公司之一是总部在荷兰的名为 ASML 的公司。它具有独特的能力——世界上无另外的人可以复制的能力，它生产EUV 光刻工具的机器，没有光刻机目前就不可能制造出先进的芯片。
大多数人没意识到芯片制造是国家经济的核心。通过阅读您的书，EUV 的开发过程始于美国的英特尔，然后完全脱离了英特尔。一家荷兰公司如何拥有这项关键的芯片制造技术？
光刻的概念，即使用光在硅晶片上创建图案的过程，于 20 世纪 50 年代末在美国发明，并从第一代半导体的早期就部署在芯片行业中。芯片行业起源于美国得克萨斯州和硅谷，因此光刻技术的早期用户主要是美国公司。在 1980 年代和 1990 年代，该行业试图转向一种更先进的光刻技术，称为 EUV（极紫外）光刻，它指的是这些系统中的光类型。
许多研究由英特尔和其他几家美国芯片公司资助，并在美国国家实验室完成，这些实验室拥有实际制造所需波长的紫外线所需的设备类型和测试能力。尽管科学和技术主要是在加利福尼亚完成的，但没一家美国公司可以将这种设备商业化。ASML 是一家已经制造了老一代光刻工具并有能力将科学转化为大规模制造设备的公司。这让 ASML 走上了今天的轨道：世界上唯一一家可以生产 EUV 光刻机的企业。
首先，什么是光刻？如果你想在硅晶片上制作图案，能够最终靠掩模照射光线来实现。掩模会阻挡某些区域的光线，而让其他区域的光线通过，这就是你在芯片上获得微型版本图案的方式。今天的先进芯片中嵌入了数百万甚至数十亿个微型电路。它们通常只有病毒大小甚至更小，因此确实需要超精确的功能。
EUV 光刻使用波长为 13.5 纳米的光，这是一种远小于可见光波长的超小光。因为雕刻的电路很非常小，它们本身的尺寸通常只有几纳米，需要非常小波长的光。产生这种类型的光十分艰难，因为它紧邻 X 射线光谱，它的制作很复杂，反射它的镜子的研制也很困难。
一个锡球被威力惊人的激光粉碎，爆炸成比太阳表面热几倍的等离子体。以下是该过程的工作原理。一个锡球在真空中以每小时几百英里的速度下落，直径约为百万分之三十米。它被商业设备中使用过的最强大的激光器中的两次发射粉碎，并爆炸成比太阳表面高出几倍的等离子体，温度高达数十万华氏度。这种等离子体发射的EUV光波长正好为13.5纳米，然后通过一系列大约十几个反射镜收集，这些反射镜本身就是人类制造过的最平的反射镜。反射镜反射光线的角度正好合适，这样光线就会照射到硅片上，并在芯片上刻出电路，从而使iPhone成为可能。
台积电必须从 ASML 购买这台机器，ASML必须制造那台机器，然后把它卖给台积电，然后台积电用它来制造 iPhone 芯片或其他任何东西。ASML把这台机器卖给台积电是不是就结束了？但这听起来是一件操作起来很复杂的事情。
这非常复杂。光是运送这台机器就需要多架飞机，每架要花费 1.5 亿美元。在这些工具的整个生命周期内，都有 ASML 工作人员在现场。ASML 是唯一一家知道在出现一些明显的异常问题时如何为它们提供服务的公司，也是唯一一家在出现故障的情况下提供备件的公司。没有 ASML 员工，你就无法操作它们。
这些机器十分复杂和精确，以至于学习怎么样在大规模生产设施中操作它们不仅需要像台积电这样的半导体公司对它们的使用进行大量研究，还需要与 ASML 建立深厚的合作伙伴关系，因为它们对光学系统的工作原理以及光在不同环境下的反射和折射有着独特的知识。你需要与 ASML 进行非常非常深入的合作，以了解如何在大规模制造中实际使用这一些机器。
听起来 ASML 垄断了这个晶圆厂设备。他们卖给其他供应商吗？英特尔能买这些机器吗？其他代工厂可以吗？三星能买这些机器吗？
是的。ASML 向世界各地的客户销售产品，虽然现在对中国销售有一些限制，但只有几家公司能够真正合理地使用 EUV 机器。它是台积电、三星、英特尔以及一些存储芯片制造商，如 SK 海力士和美光。因为价格太高，其他潜在客户很少，而且实际使用它们所需的精密制造技术水平确实非常小众和独特，以至于 ASML 知道它的客户群永远只有只有10几家或者20多家公司。
因为ASML 不知道怎么制造芯片。他们是一家非凡的公司，但一个企业只能做这么多。这台机器只是制造芯片所需的多台超复杂机器中的一台。除了通过这一种很复杂的光学器件以完全正确的波长照射光线外，你还需要不同的机器来铺设只有几个原子厚的材料薄膜，或者在硅中蚀刻只有几个原子宽的部件。这些机器由不同的公司生产，它们有自己独特的能力，而 ASML 对此一无所知，同时这一些企业对光刻技术知之甚少。
芯片制造商本身也有独特的能力。台积电比任何人，都更擅长使用这一些机器来实际有效地制造芯片。我们确实需要所有这些不同的公司、像 ASML 这样的工具制造商和像台积电这样的芯片制造商建立合作伙伴关系，以实际生产有效的半导体。
这是正确的。了解怎么样去使用它是一个过程，不仅需要从电气工程或材料科学博士学位开始，而且确实需要多年使用这一些工具。开发 EUV 工具的过程耗时 30 年。
回到我们刚开始讨论的地方，就是拜登总统正在施压限制 ASML 设备出口到中国。你说世界上只有少数几家企业能使用这些机器，你点名的公司都不是中国大陆的公司。那为什么担心荷兰政府会允许对中国出口？
如果你能接触到先进的芯片制造工具，比如ASML和世界上少数其他先进工具制造商生产的工具，你就有机会制造先进的芯片。现在，这些工具是关键的瓶颈之一，只有几家公司可以生产，而且没有一家是在中国大陆生产的。美国正在考虑将利用人工智能构建下一代军事和情报系统。但是人工智能系统需要在庞大的数据中心进行训练，打造数据中心需要很多 GPU 等复杂芯片。
如果你不能大规模制造尖端芯片，那么你就无法获得训练 AI 系统所需的数据中心容量。美国最终试图阻止中国开发先进的数据中心。它使用光刻机作为瓶颈，阻止美国公司以及日本和荷兰公司将这些设备转移到中国。
有许多中国公司试图变得足够先进以购买 ASML 的 EUV 工具。中国领先的代工厂就是最好的例子，但是现在美国希望荷兰对更广泛的光刻工具集实施控制——不仅是最先进的，而且是第二先进的工具。这是美国政府提出的新要求，需要美国和荷兰就是否允许这样做进行广泛的谈判和讨论。
理由是，即使是第二代最先进的工具也可以用来生产一些相当复杂的芯片，这当然是事实。反对的论点是，ASML 和其他公司失去市场份额的代价高昂，因为中国客户在过去十年中一直在芯片制造能力方面投入巨资，并得到中国政府的大力补贴。
对于许多芯片工具制造商来说，中国已经成为非尖端工具的一个非常重要的市场。如果荷兰不仅限制最尖端工具，而且限制第二代最尖端工具的出口管制类型，这将是一次代价高昂的停止出口。对于领先的工具制造商而言，成本将达到数十亿美元。
你描述的是针对中国不断升级的制裁制度，包括芯片制造、美国公司向中国公司的技术转让以及其他国际公司向中国公司的技术转让。这就是全部吗？那是一种策略吗？还是说，现在拜登政府因为疫情才意识到芯片短缺？ 所有这些举措是否具有连贯性，还是只是被动的？
不，我认为确实有一个连贯的战略，我会把现在发生的事情与特朗普的关税贸易战区分开来，我还将其与半导体短缺区分开来。短缺与哪个国家有能力生产最先进的芯片无关。在过去七年左右的时间里，你能在美国国家安全官僚机构、国家安全委员会和情报机构内部发现，人们越来越担心中国在芯片制造能力方面取得真正的进步。
从奥巴马政府后期到现在，包括特朗普政府在内，在限制中国获得先进芯片技术方面的政策上已经存在相当程度的连贯性。不仅美国做过，日本、韩国也做过。在先进半导体方面，许多不同的国家已采取措施实施新的投资筛选机制或限制向中国转让技术或知识。
嗯，这是个大问题。如果中国不能靠自己赶上，美国的战略就会成功。美国打赌答案是中国赶不上，或者至少短期内赶不上。但围绕这一点存在一些不确定性。很难预测中国是否会想办法在国内生产一些必要的技术，或者他们是否会想办法分裂西方联盟并从不愿效仿美国出口管制的国家那里获得一些技术。
我最好的猜测是，美国和日本很明显将要实施的控制在未来几年内对中国来说确实是个问题，而且在未来 10 年左右的时间里，在制造先进半导体方面可能会出现问题。参与这些控制的国家越多，这就是荷兰如此重要的原因。
我们怎么会最终陷入这样的境地，即我们必须控制一家荷兰公司以确保中国不会获得这些能力？同样，在功能性市场中，尤其是对于芯片这样的东西，它对任何事物都非常重要，因此会有多家公司采用多种不同的方法来制造芯片。但事实是只有一个公司在荷兰占领了绝对优势。这是怎么发生的？
在过去的几年里，整个芯片行业都出现了真正的集中趋势，在许多情况下只有少数几家公司，在某些情况下只有一家公司能够生产这类软件和机器设备。有两个原因，一是芯片制造过程的许多部分都是资本密集型的，制造这种机器非常昂贵，这确实会抑制竞争，因为新进入者必须花费数十亿美元才能看到他们的产品是否有效。
第二个原因是，生产这些类型的工具所需的知识和专业知识类型是你无法抽象研究的。必须在制造过程中磨练它。没有多少培训或博士课程可以让你了解这些系统在实际制造时是如何工作的。随着时间的推移，必须人工在机器上调整它。
这意味着在公司中使用这一些工具的人拥有真正独特的知识，其他人很难获得。这为这些公司提供了一道真正强大的护城河，因为对于那些不在这些公司工作的人来说，没有直接的方法来发展必要的知识。因此，资本密集度加上真正独特的知识使得很难建立任何类型的竞争公司。
几个月前，我采访了Pat Gelsinger关于 EUV 的问题，现在他们打算从 ASML 购买机器，放在俄亥俄州，试图制造下一代芯片。我问，“EUV 发生了什么事？” 他说：“我们一直在打赌。当我们觉得不需要 EUV时，我们做了一些尝试来避免需要EUV，但尝试并没有成功。结果表明，我们至少应该有一个关于 EUV 的并行程序，我们当时有多蠢会觉得不需要 EUV？”
EUV 是一种本应在实际出现前十年就可以投入生产的技术。开发过程一再延误，数十亿美元的成本超支，在 2000 年代末和2010 年代初的很长一段时间里，它似乎可能会彻底失败。直到 2015 年，对于EUV是否会成功以及如果成功，它有没有远程成本竞争力，都非常不确定。
在这种不确定的背景下，你可以理解为什么英特尔的一些人想要赌一把在 EUV上，而不是押注所谓的四边形图案化。这意味着使用现有的光刻机，并进行更多的光刻运行来雕刻更精密的电路，显然比减少光刻的运行成本更高。某些方面，尝试这样做是低风险的选择。但事后看来，它没有用。这是一个糟糕的赌注，你可以理解他们为什么下这个赌注。
正如 Gelsinger 所说，为研发准备多种途径，看看哪一种有效。可能有一点成本削减在当时看来可以有效的使用资源，但是事后看来这对英特尔来说是一个巨大的成本，因为新方案被证明效率低下并且在某些情况下完全无用——它生产不出英特尔所需的精度。
这就是为什么英特尔在每个连续的工艺节点上都落后于台积电的原因吗？因为他们的技术没有发挥作用？
这是部分原因。我认为这是一个复杂的答案，但 EUV 的延迟肯定是一个重要的部分。
台积电的商业模式只是制造芯片，它所有的精力都集中在制造芯片上。但是现在英特尔必须加紧努力，成为一家代工厂。如果AMD 想在英特尔制造芯片，Gelsinger会在英特尔晶圆厂的一侧贴上 AMD 标志，但他必须去 ASML 购买 EUV 机器。之后英特尔必须学习如何制造 ARM 芯片，同时开发下一代英特尔自己的 x86 芯片。那可能吗？这看起来是不是我们对这家公司施加了太大的压力？
是的，毫无疑问他已经扭转了英特尔的文化，但我认为英特尔在工艺技术制造方面、设计方面和商业模式方面面临的挑战是创建新的代工业务，这很难。
我认为同时应对这三个挑战是他唯一的选择，因为英特尔必须应对所有这些挑战。但你说得对，这是摆在他面前的一项艰巨任务。我认为对美国来说，半导体是否能成功很大程度上取决于英特尔是否成功。
之所以特意问英特尔，是因为它是美国唯一的选择。没有另一家大规模的美国芯片生产商与之媲美。英特尔就是我们所拥有的唯一赌注，如果他们更成功，那么国家安全对话、供应链对话和出口管制对话可能会大不相同。但由于英特尔正处于转型时刻，它对我们与中国打交道的方式产生了影响。
我认为这是对的。我认为，在生产处理器芯片的三大领先公司中，英特尔是自然会在美国投资的公司，因为它在美国本土。不过，我认为还值得注意的是，英特尔在美国没有现成的代工业务。就在美国建立代工能力而言，我们的起点非常低。三星和GlobalFoundries 都有工厂，虽然不是最前沿的设施。
但就建立规模和代工厂而言，都得从一个非常基本的起点开始。在某些方面，这就是为什么美国最终可能不会只押注于一个企业，而是押注于所有这三家公司——英特尔、台积电和三星——试图让它们都在美国投资更多，然后看看谁能够在美国开发最大的设施、最实用的商业模式，谁会赢得比赛。
这是一种非常美国式的做法，对吧？就像，“我们将补贴市场的创造者，然后谁赢了，谁就赢了。” 难道不会觉得如果以某人赢得比赛而告终，然后在美国又出现了另一种奇怪的垄断吗？有没有想过，“实际上，你需要的是供应链各个层面的多元化”？
挑战在于多元化非常昂贵。仅仅一个新的尖端芯片制造设施就花费 200 到 250 亿美元，而且它的尖端技术只能用几年。我不认为美国真的有太多的经费来承担建设过剩产能所需的巨额资本支出。
我们需要那些在我们帮助他们在美国的代工业务起步后将拥有功能性商业模式的公司。这就是为什么我认为押注多家公司并看看哪些公司能够做到这一点确实有意义。
我认为我们不一定会以一家公司获胜而其他公司失败而告终。很可能我们最终会在美国拥有多家具有商业可行性的代工厂，这将是一个很好的结果。这个特定市场不是必须有一家占主导地位的公司而其他公司远远落在后面。
有没有考虑到代工玩家之外的投资？“我们应该资助 ASML 的竞争对手，”或者，“我们应该寻找超越 EUV 的下一项技术，并让政府补贴它，以便我们可以使该层多样化”？拜登总统总是强调一件事“请不要把这台机器卖给中国。”
当谈到“我们应该有一个ASML和先进光刻术的竞争对手吗？” 我认为答案是成本效益并没有发挥作用。我们很可能让荷兰实施与美国控制非常相似的控制。在接下来的几个月里，我认为我们会看到这些结果。
荷兰的供应风险不大，没有人担心荷兰不向美国公司发货。建立一家替代光刻公司的成本将非常昂贵，因为 ASML 再次拥有他们 30 多年来积累的独特能力。复制它或建立竞争对手将非常困难。所以我认为我们的生产和研发资金最好花在其他地方。
但是当谈到下一代光刻和下一代工具时，这是一个投资的好地方。如果看看商务部计划使用芯片法案资金的方式，你会发现四分之三的资金将用于激励更多的制造业，另外 25% 将用于资助研发。其中一部分将用于下一代工具，包括可能在五年或十年内需要的下一代光刻系统。
是的。下一代将被称为高数值孔径 EUV，它将拥有更精密的光学器件，让你可以雕刻出更精确的芯片。这些机器应该在三年左右的时间内上市。它们的成本将是基本 EUV 工具的两倍。
除此之外，ASML 称之为超数值孔径的研发正在进行中，因此更具体的光学技术也在进行，目前尚不清楚其是否可行。距生产还有 10 年的时间，但这正是研发已经在进行的地方，如果我们要在越来越复杂的芯片上制造越来越小的晶体管，这就是我们所需要的。
书中有一章是关于越来越小的晶体管的。摩尔定律的概念是芯片行业每年将芯片上的晶体管密度增加一倍。摩尔定律有限制吗？我们现在谈论的是原子层面。芯片行业是否存在限制，“我们不会超越单个原子的水平”？
在某种程度上，答案是肯定的，但我们还不是在谈论单个原子。我们谈论的是在单个原子中测量的材料层，但晶体管本身有很多原子，即使在目前的微观尺度上也是如此。我认为在台积电和英特尔等公司的现有计划中，我们有一个非常清晰的视野——至少到 2030 年左右他们将如何继续缩小晶体管，将它们堆叠在一起，并使用更多的技巧将更多的晶体管用于芯片，2030 年以后就更难说了。
同时，我们正在谈论限制中国先进的芯片制造设备，涉及到下一代 GPU 或其他 AI 加速芯片。即使在所有这些方面受到限制，中国是否也不可避免地会迎头赶上？我们只是在争取时间，还是真的在创造持久的持续优势？
好吧，我认为中国在某个时候赶上目前的现状是不可避免的。我不知道是在 2027 年还是 2035 年。它不会在 2024 年出现，而是多年以后。中国会赶上前沿吗？我也不确定这个问题的答案。
这取决于我们说“摩尔定律失效”时的意思。在某些时候，进一步缩小晶体管是不可能的，但这并不一定意味着你可以从单个芯片中获得的计算能力必然会停止。你可以用不同的方式封装它们，你可以让内存更接近处理能力，你可以改进你的互连，你可以把光子学放在芯片上。有许多不同的技术在许多情况下还处于起步阶段，它们正在创造新的方法来从芯片中获得更多的计算能力，而所有这些都需要创造性的设计和真正精确的机床来制造。
即使你告诉我晶体管在 2030 年后不会缩小一纳米，我仍然会说，在整个 2030 年代及以后，我们将从一平方英寸的硅井中获得更多的计算能力其他技术。因此，如果你对摩尔定律采取这种最广泛的观点，并说出你可以做的所有不同的事情来调整芯片以从中获得更多收益，我认为就我们可以做的事情而言，2040年之后还有很长的路要走。
当我想到在推动特定芯片的计算能力向前发展方面做得最好的三家公司时，它们是苹果、英伟达，在某种程度上还有 AMD——也有可能是三家半公司，还有台积电。苹果非常擅长包装，非常擅长为自己的硬件优化软件，并且非常擅长突破 ARM 的极限。英伟达显然是 GPU 领域的领导者。AMD 并没有超越一般的英特尔芯片，但是他们做得更好，因为他们利用台积电的制造能力来提高电池寿命与性能比。
这三家半的公司他们依赖的是台积电。 如果台积电不能推动制造，他们制造和设计更好的芯片的技术实际上将成为泡影，对吧？他们完全依赖于台积电，而台积电又完全依赖于 ASML。这种关系是什么样的？蒂姆库克早上醒来是否担心荷兰对 ASML 出口的限制？或者他是台积电的客户？或者这只是一个 API，他下订单，芯片就出来了？
我想台积电的大多数客户已经认证了这样一个事实，即台积电在管理自己的供应链和确保问题在实际发生之前得到解决方面有着非凡的成绩。客户喜欢与台积电合作的原因之一是他们不必在早上醒来时担心台积电生产的上游会发生什么。
我们是如何走到世界上最重要的芯片工厂都在台湾地区的地步的？我们如何结束台积电时代？
台积电于 1987 年诞生，这要归功于公司创始人张忠谋。实际上，他的职业生涯是在德州仪器 (TI) 度过的，在此之前他一生的大部分时间都住在德克萨斯州。他是那个有远见的人，想创建一个代工企业，不设计任何芯片，只制造它们，这在当时似乎是一个疯狂的概念，因为没有无晶圆厂芯片设计公司。他刚开始的时候没有客户，但他开始说服公司，他会为他们做所有的制造工作，并承担所有的生产风险；他们所要做的就是给他芯片设计，他会返回功能芯片。
该模型被证明非常成功，因为它让台积电通过服务许多不同的客户来扩大规模。这种规模反过来又让台积电磨练了它的生产流程，因为他们生产的芯片越多，他们从实际制造每个芯片的过程中学到的东西就越多。台积电既是全球最大的芯片制造商，又是全球最先进的芯片制造商，这两者之间有着直接的关系，而这两者都源于张忠谋发明的代工模式。
在我们开始采访之前，你告诉我们，张忠谋是整本书中你最喜欢的角色。书中有一句话你说他可以说是德州人而不是中国台湾人。为什么他是你最喜欢的角色？
我认为他是过去 100 年来最被低估的商人。大多数人从未听说过他，尽管我们每天都依赖他的公司生产的产品。我认为他的一生是整个芯片行业迷人的缩影。他出生在中国大陆，革命后移居美国，就读于哈佛大学，是班上唯一的美籍华人学生，然后在德州仪器的生产线上亲手打造芯片行业，然后创立台积电。
在过去的 75 年里，芯片行业和计算技术的所有重大转变都是他促成的。我们都非常感谢张忠谋，我希望更多的人听说过他，因为我认为他的重要性真的被低估了。
我认为台积电被严重低估了。这是一家非常不透明的公司。很难知道它们是如何工作的。你对台积电的感觉是什么？我的意思是，张忠谋已经不在位了。台积电文化如何延续？它的新领导人是什么样的？
是的，张忠谋正式退休了，但他经常出现在台积电的办公室和台积电的活动中，所以我不确定我们是否真的应该说他已经不在了。我认为，在研发决策、资本支出决策以及台积电磨练其制造工艺的不屈不挠方面，他所建立的文化是持久的。
张忠谋在 1950 年代的同事们谈论他会在制作的完整过程中发现效率低下的因素，然后尽可能快地把这些因素赶出生产线。我认为对卓越制造的承诺是台积电今天的成就，这在很大程度上源于张忠谋和他灌输的文化。
本文根据Verge主编Nilay Patel对塔夫茨大学教授、《芯片战争：为世界上最关键的技术而战》一书的作者Chris Miller的采访整理编译。