从晶体管到芯片

2023年，我们可能会经历一场重大的技术革命，这就是人工智能产业革命，而这种技术革命，一定会有芯片半导体的参与，2023年下半年很可能也会出现全球半导体的周期拐点。

中国每年芯片的进口额超过了石油。如果欧美断供我们最先进的芯片，我们将束手无策。这也成了我们最大的被卡脖子的短板，这种情况之下，我们在努力地想要发展半导体产业，但是做芯片，可不比其他，这属于是最尖端的技术产业，需要有相当的积累。

本书主要内容

这本书从商业的角度，带大家回顾了整个芯片的产业发展史。把国际巨头，英特尔，三星，海力士，美光，德州仪器等都讲清楚了。也把中国的几个未来之星，中芯国际，兆易创新，中微公司，紫光国微，寒武纪的前世今生，做一定的分析。

华为受到制裁

华为受到制裁，大家都知道，本来麒麟芯片大有可为，是唯一能与苹果对抗的，国产5纳米工艺芯片。

美国商务部下令，任何厂商没有许可证，都不能给华为设计和制造芯片

但是，在2020年麒麟芯片就无法再生产。美国商务部下令，任何厂商，没有许可证，都不能给华为设计和制造芯片。华为旗下的海思半导体，瞬间面临无米下锅的尴尬。但一开始，华为还是绕开了禁令，自建系统，自建生态应用，但很快，美国进一步升级，只要用到美国技术，就都属于受限范畴。很快台积电宣布，无法再向华为供货。他是华为5纳米制程芯片的唯一供应商，另外有能力供货的就是三星和英特尔，但显然他们也不可能绕开美国禁令为华为代工，所以这也就意味着，麒麟芯片彻底被断供。以至于华为手机后来始终无法实现5G版本。

中芯国际因缺乏光刻机，还无法生产先进制程芯片

至于中国大陆自己的晶圆代工厂，作者说，目前中芯国际已经实现了14纳米技术，7纳米还在研发当中。所以根本不可能为华为提供5纳米先进制程的芯片。

那么，我们为什么生产不了5纳米芯片呢？主要是因为缺乏关键设备，也就是那个光刻机，目前只有荷兰的阿斯麦尔一家企业能生产极紫外线光刻机。中芯国际之前企图定了一台，但因为受到美国阻挠，而拿不到货。中国本土光刻机生产商，还停留在90纳米制程芯片的光刻机，所以差距不是一般的大。

到了2020年8-9月，美光，三星海力士也相应宣布，不再向华为提供存储芯片，一时之间中国企业被扼住了咽喉。这几年我们最大的一个国内基本面，就是要搞半导体芯片的国产替代，说白了也就是挣脱这只扼住咽喉的手。这个事我们一直在努力，但暂时还没有定论。技术差距依旧很大。

晶体管替代真空管

从二极管到三极真空管，为无线电技术铺平了道路

那么为什么小小的一个芯片，中美差距如此之大呢，我们还得从他的历史讲起。大家都知道爱迪生发明了电灯泡，但其实也是爱迪生，开启了电子学的大门。

后来人们就知道，高温会导致金属物质上的电子活性增强，并产生游离现象，如果有正电压强力吸引，电子就会在真空状态中流动。于是英国人费莱明就造出了全世界第一支二级真空电子管，也就是我们说的二极管。后来又有人，在里面加了一个电子，从而形成了一个三极真空管。让信号的无线传送成为可能。为广播电视等无线电技术，铺平了道路。

但是一开始的真空管，体积大，易破碎，还得加热才能使用。导致启动很慢，二战当中，他的缺点暴露无遗，让真空管雷达极不稳定。用真空管做出来的电子计算机，重量超过了30吨，占地170多平方，耗电量惊人。 平均每15分钟，就要烧坏一个真空管。而且这样的计算机，还几乎啥都干不了，只能算数。如果当年有网民，一定会喷死这个东西。即便用现在的眼光看，也觉得这是一个毫无用处的创新。

AT&T在真空管基础上研发出晶体管

所以真空管的发明人，干脆把专利给卖了。卖给了美国电话电报公司，也就是AT&T，他的前身就是美国贝尔电话，当时他的利润极其丰厚，所以有的是钱，还创建了贝尔实验室。他们买下这个专利的目的是为了改造他。用半导体制造一个电子管，替代真空管的作用。到了1947年底，才获得成功。搞出了晶体管。在体积，重量和能耗上，都要远小于真空管，而且结实耐造。

但遗憾的是，贝尔实验室，并没把他用到通信领域，而只是接着研究，或者出售专利赚钱，这已经成为了贝尔实验室重要的商业模式。后来美国政府反垄断，让AT&T开放贝尔实验室的技术，给他的竞争对手。于是有二三十家企业，以极低的价格，获得了这个晶体管技术授权。其中就包括通用电气和美国无线，还有IBM和摩托罗拉，也都把晶体管技术，拿去做通信领域的研究。

德州仪器和仙童发明芯片

德州仪器将晶体管的材料从锗金属换成硅

1954年，贝尔实验室做出来了第一台晶体管计算机，是当年真空管计算机效率的200倍。而且功耗低了很多。但直到此时，晶体管的主要材料都是锗这个金属，但是他的价格太贵，也不怎么耐造，所以后来大家就不断地找替代品，最后发现硅这个东西似乎更合适。但唯一的麻烦就是提纯温度更高，制作起来对技术的要求更高。于是就有一家公司，盯上了这个痛点，这就是现在大名鼎鼎，当年非常不知名的德州仪器。

德州仪器的戈登蒂尔研发出商用的硅晶体三极管

这家公司原来是做石油勘探的，二战期间给国家生产国防电子产品，慢慢的电子部门成了支柱产业，他也得到了晶体管技术的授权，而且他们也很有战略眼光，甚至直接去贝尔实验室挖墙脚。一个叫做 戈登蒂尔的人，跳槽到了德州仪器，他的理由很简单，就是想回故乡工作。但那会德州可不是什么好地方，基本被视为一个只有石油和牛仔的蛮荒之地。大概相当于中国40年前的深圳。

1954年，蒂尔终于研发出了一个可商用的硅晶体三极管，当时就震惊了整个学术界。美国军方，马上跑到德州仪器，下了大单。大规模采购硅晶体管，用于雷达和导弹系统。军方对于这种稳定性的材料，需求度极高。价格完全不是问题。所以在整个50年代，其实美国军方，才是支撑半导体行业快速发展的第一大客户。后来，美国人又跟苏联让在航天领域对抗，无论是卫星还是火箭，美国人都尽量使用硅管，这也支撑了硅谷的需求。

德州仪器发明第一台晶体管收音机

后来德州仪器还发明了，第一台晶体管收音机。也投入巨资建立了硅管生产线，批量生产能力启动，让价格从16美元，降到了2.5美元。作者说，当年的收音机跟现在的手机差不多，当时卖50美元一台，相当于现在的1000美元，而德州仪器一年就卖出去了10万台。

但是当时德州仪器却并没怎么赚钱，甚至这个业务还是亏欠的，他的目的就是规模。有了规模他就能进一步把硅的价格打下来，这样锗的性价比就会越来越差。一旦大家都只能用德州仪器的产品，那么他就会代表整个半导体产业。

最早的集成电路思路来自美国军方的航空母舰需求

后来，美国军方又提了一个要求，说我们的航空母舰上，有35万个电子设备，这太复杂了，你们能不能把电子元器件整合在一起。让他们彼此相连，给我们提供一个半成品。这样稳定性会高很多，其实这就是最早的集成电路的想法。当时有两种逻辑，1是用薄膜制造各种器件，2是做微模块。

杰克基尔比突发奇想发明芯片：将所有的元器件都集中在一个小小的半导体芯片上，然后让他们相互链接

1958年一个新入职的工程师杰克基尔比，正在德州仪器加班。他认为微模块的技术路径是错误的，对这个项目没啥兴趣，但他有一天突发奇想，能不能将所有的元器件，都集中在一个小小的半导体芯片上，然后让他们相互链接呢？干脆做一个小型的微型电路出来。这其实就是芯片的由来。

台积电的创始人张忠谋当时也不在意芯片这个想法，因为很难规模化生产，良品率太低

他把这个想法告诉了自己的同事，叫做张忠谋。这个张忠谋后来成为了台积电的创始人，号称芯片教父。当时也在德州仪器工作。

不过当时张忠谋对基尔比的想法不屑一顾，他觉得这东西很难实际应用。后来公司为了鼓励他，还是让他自己去尝试一下。然后他通过一块小小的锗片，手工集成了20来个电子元器件，这就形成了一个最简单的集成电路，或者通俗的说，芯片就这么诞生了。但当时没人重视这个玩意，因为很难规模化生产，良品率太低。

8叛逆成立仙童公司

1956年，一个叫做肖克利的人，他也看到了德州仪器的成功，并认为硅管取代真空管是迟早的事，所以他离开了贝尔实验室，回到老家加州圣克拉拉谷创业，而这个地方十几年以后就叫做硅谷。肖克利当时已经是大名鼎鼎，是个诺奖的科学家，很多人也是慕名而来，加入其中。他们认为跟肖克利一起工作，就是接到了上帝的召唤。

但是现实给他们好好上了一课，由于肖克利的独断专行，所以公司成立一年，没有研制出任何像样的产品，这引发了公司员工普遍不满。有8个人因此叛变公司，这8个人被肖克利称为8叛逆。

这八个人决定要创造一家公司，于是找了一个摄影器材公司拿到可转股的贷款，138万美元，为了感谢，以这个投资人的姓氏命名了公司，这就是大名鼎鼎的仙童公司。美苏冷战，给仙童带来了巨大的发展机会，当时他们得知，超音速轰炸机计算系统，找不到晶体管，德州仪器也没能通过IBM的测试，所以是一个巨大的市场痛点，于是仙童抓住机会，从IBM手里接到了第一张订单。

仙童公司发明平面技术解决可靠性问题，拿下IBM军事供货单

后来仙童还参与了洲际导弹项目的晶体管竞标，但这次并不顺利，经过多次修改，发明了平面技术，才达到可靠性要求，但也正是因为这次巨大的进步，让他们淘汰了市场上的很多竞争对手。其他半导体公司，都得向仙童购买平面技术授权。IBM更是跟仙童签了长期军事供货合同。当然，这里还有个内幕，仙童的投资人，也是IBM的大股东，所以才给仙童带来了巨大的业务。促进了他的快速发展。

仙童发明集成电路工业生产理论

1958年底，仙童已经做到50万美元销售额和100名员工了。此时他们继续推动技术进步，把整个晶体管封装为成品，焊到电路板上，做成电子设备。从而继续提升稳定性，而这正是军方所最需要的东西。所以巨大的需求推动技术进步，仙童开始发明集成电路。但此时德州仪器，提前申请了专利。为了争夺集成电路的发明权，基尔比和仙童创始人诺伊斯，打了10年的官司。1969年，和稀泥的美国法院，认定他们同时发明。并且认定，基尔比是第一块集成电路的发明者，而诺伊斯则提出了集成电路工业生产理论。德州仪器和仙童也达成协议。共享集成电路专利授权的收益。

美国政府投入大量半导体产业研发经费

在芯片发明后的6年时间里，政府对于芯片项目的资助高达3200万美元，其中70%来自于空军，同期美国半导体产业研发经费，大概有85%的比例来自于政府，所以你看，美国政府在这些重大技术创新上的支持，是很给力的。

芯片从军用走向民用

军工和芯片天然就是一个组合，国内紫光国微是这方面的典型公司

芯片刚问世的时候，他的性能其实并不强，产量也小，成本极高，大概每块芯片100美元，那时候是天价了。几乎是没有市场的，如果不是美国军方持续的投入，硅谷这些公司根本就活不下去。1962年，德州仪器给洲际导弹系统供应了22套芯片，到了1969年，美国阿波罗飞船，就已经耗用了100万块芯片。所以这个产能扩张的速度是惊人的。也正是芯片技术的广泛应用，让美国的军事装备能力大幅反超了苏联。甚至到90年代初的时候，军用市场仍然占了芯片总量的40%。所以军工和芯片，天然就是一个组合。那么国内最典型的公司就是紫光国微。

仙童公司在香港建厂让成本下降到了1美元，让芯片进入民用市场

仙童公司为了降低成本，1964年的时候，把工厂开到了中国香港，成本下降到了1美元，这才让芯片开始进入民用市场。此时摩尔定律已经开始起作用，18个月，价格就会跌一半。所以市场被迅速打开，仙童公司低价销售，扩需求，通过需求带动产能，最后名利双收。

日本全力发展民用半导体，日本索尼将晶体管收音机卖向全世界

当时主要的芯片企业，就是德州仪器和仙童，此外还有一个巨头，就是大家更熟悉的摩托罗拉。 当时半导体产业，就是全球最新兴的产业。全世界也看到了这个产业的优势，比如日本，他们二战战败，军用市场几乎消失，所以全力发展民用半导体，虽然德州仪器发明了晶体管收音机，但是真正把这玩意卖向全世界的，确实日本索尼。

当年美国人也是没看上日本人，所以慷慨地向他们转让技术，电视机，录音机，电冰箱，洗衣机啥的。日本人很快就学会了，而且还干得又快又好。日本人也是野心极大，盛田昭夫亲赴美国学习技术，然后回来就创办索尼。并且推出袖珍收音机。然后返回美国推销。此时德州仪器竟然放弃了这个市场，他们说我们为什么要制造这么小的收音机呢，美国人喜欢大个的收音机。但盛田昭夫不这么认为，他觉得，每个人都有自己喜欢的频段和节目，所以一堆人聚在一起听广播可能会走向一人一台设备。

在摩尔定律的加持下，日本的袖珍收音机也一直在降价，曾经跌到10美元以下，而美国厂商的产品，则成本就要15美元，无法与日本产品竞争，日本制造的电子产品开始席卷全球，他们主要以小巧，廉价，精致而闻名世界。

日本建立芯片产业集群，日本如饥似渴地跟美国学技术，美国人则利用日本人帮他们赚钱

日本制造不断降价的背后，也是晶体管产业在日本方兴未艾，后来德州仪器发布芯片产品，对日本制造一度产生强烈刺激。

紧接着，1962年日本电气也就是NEC，买下了平面光刻技术授权。从零起步，三年做到了5万块芯片产量，NEC一度成为日本计算机市场的领导者。

后来日立公司与美国无线电公司合作，1966年发布了15微米制程的MOS芯片，也叫作金属氧化物半导体晶体管，用这个生产计算器，1970年的时候NEC的芯片产量就达到了4000万块，然后NEC把技术开放给，富士通，东芝，三菱等其他日本企业，日本迅速形成了芯片的产业集群。

当时日本还搞了贸易保护主义，提高进口关税，保护中低端芯片产业，德州仪器想打开日本市场，不得不用技术去换市场，跟索尼成立合资公司。这变相扶持了日本芯片产业的崛起。最后德州仪器惊讶地发现，严谨的日本工厂的良品率大大高于美国工厂，甚至高出了一倍。于是日本企业的名声开始传遍美国，仙童，美国无线，通用电气，纷纷开始跟日本合作。在日本雇佣日本人建立工厂。60-70年代，也是美日经贸合作最密切的年代。日本如饥似渴地跟美国学技术，美国人则利用日本人帮他们赚钱。