情报一流的苏联为何输掉了芯片战争?

  

情报一流的苏联为何输掉了芯片战争?

  克里斯·米勒的《芯片战争》十分精彩,有科技冒险,有商战故事,更有大国博弈,还获得《金融时报》2022年最佳商业图书奖,在全球范围内都很受欢迎。

  毕业于麻省理工学院,在贝尔实验室工作的美国物理学家肖克利在1948年发明晶体管,即使是从不低估自己重要性的肖克利,也没办法想象,未来很快就会有成千上万、数十亿这样的晶体管在微观尺度上取代人脑来完成计算任务。肖克利很快就因为他的半导体理论而获得了诺贝尔奖,但如何使晶体管变得更实用是一个工程难题,而不是理论物理问题。

  肖克利认识到自己发明的重要性,1955年在硅谷创办公司,他虽然有发现人才的本领,却是一个糟糕的经理。他矛盾的性格所制造的有害工作氛围,致使1957年他招募的八名工程师决定离开肖克利半导体公司,用东海岸一位百万富翁的种子资金创办自己的公司——仙童半导体。

  肖克利半导体公司的八名叛逆者被一致认为是硅谷的创始人。八位中的一位——尤金·克莱纳(Eugene Kleiner),后来成立了世界上最大的风险投资公司之一。戈登·摩尔负责仙童的研发,后来提出了摩尔定律的概念,以描述计算能力的指数级增长。最重要的是罗伯特·诺伊斯,他是“八叛逆”中的领袖,对微电子有着超凡的热情和远见卓识,他直观地意识到要哪一些进步技术才能使晶体管变得更小、廉价和可靠。将新发明与商业机会相匹配,这正是像仙童这样的初创公司成功所需要的,也是芯片行业起飞所需要的。

  1962年仙童公司的芯片被用在美国阿波罗太空计划,将仙童从一家小型初创公司转变为一家拥有1000名员工的公司,其销售额从1958年的50万美元飙升至两年后的2100万美元。正是他们的芯片使阿波罗计算机正常运转。

  1958年,TI公司,也就是德州仪器公司的工程师杰克.基尔比成功研制出世界上第一块集成电路,但直到2000年,他才因集成电路的发明被授予诺贝尔物理学奖。

  1958年,基尔比把晶体管串在一起,称他的发明为“集成电路”,但它被通俗地称为“芯片”,因每个集成电路都是由一块从圆形硅片上“切”下来的硅制成的。

  到1964年底,TI已经为美国“民兵”导弹计划提供了10万块集成电路。张忠谋就是TI的工程师。

  1957年TI公司的杰伊.莱思罗普,发现他能够最终靠添加一层超薄的铝,将锗与外部电源连接起来,从而印出“电线”。莱思罗普称这一过程为光刻。1957年,莱思罗普申请了这项光刻技术的专利。光刻技术使大规模生产芯片成为可能。

  发明晶体管的诺贝尔奖授予了肖克利、巴丁和布喇顿。基尔比后来因发明了第一个集成电路而获得诺贝尔奖。如果诺伊斯没有在62岁时去世,那么他会与基尔比分享这个奖项。这些发明是至关重要的,但光靠科学还不足以建立芯片产业。半导体的传播既得益于学术物理,也得益于巧妙的制造技术。麻省理工学院和斯坦福大学等学校在发展半导体知识方面发挥了关键作用,但芯片产业之所以起飞,是因为这些院校的毕业生花了多年时间优化生产流程,使大规模生产成为可能。正是工程和直觉,以及科学理论,使贝尔实验室的专利变成了一个改变世界的行业。

  仙童是第一家为民用客户提供集成电路完整产品线的公司。诺伊斯大幅降价,因为他认为这将大大扩大芯片的民用市场。20世纪60年代中期,仙童芯片的售价从20美元降至2美元。有时,仙童甚至以低于制造成本的价格销售产品,希望说服更多的客户试用。

  由于价格下调,仙童开始赢得私营公司的大合同。美国计算机年销售量从1957年的1000台增长到十年后的18700台。到20世纪60年代中期,几乎所有这些计算机都依赖于集成电路。1966年,计算机公司柏拉夫斯(Burroughs)从仙童订购了2000万只芯片,这是阿波罗计划消耗的20多倍。到1968年,计算机行业购买的芯片数量与美国军方一样多。仙童芯片服务于这个计算机市场的80%。诺伊斯的降价策略取得了回报——为民用计算机开辟了一个新的市场,这将推动未来几十年的芯片销售。摩尔后来称,诺伊斯的降价策略与仙童集成电路技术是同样重大的创新。

  苏联的半导体行业起步并不比美国晚多少,而且他们拥有顶级科学家和巨大的情报网络。

  1959年,美国在罗伯特·诺伊斯发明集成电路几个月后,那一年苏联人造卫星已经绕地球运行两年了,也就是同年,苏联就通过交换生向美国派出了强大的包括特鲁特在内的专业间谍进驻美国最有名的高校。

  考虑到美国担心苏联正在科学技术方面追赶,美国让特鲁特科等苏联科学家在斯坦福大学研究半导体的决定着实令人惊讶,他们竟然成了包括诺贝尔物理奖获得者肖克利在内的最著名教授的学生。可见美国从来都不怕被模仿。

  其实就像五角大楼一样,克里姆林宫意识到晶体管和集成电路将改变制造、计算和军事力量。从20世纪50年代末开始,苏联在全国各地就建立了新的半导体工厂,并指派最聪明的科学家来建立这一新产业。对于尤里·奥索金(Yuri Osokin)这样雄心勃勃的年轻工程师来说,很难想象还有比这更令人兴奋的工作。不久,奥索金被分配到里加的一家半导体工厂,这里招募了苏联最好大学的应届毕业生,让他们为苏联太空计划和军队制造半导体芯片。工厂负责人要求奥索金在一块锗上制造含有多个器件的电路,这在苏联是没有人做过的。1962年,他研制出了集成电路原型。奥索金和同事们明白他们处于苏联科学的前沿。

  早在1956年,美国情报人员就被命令购买苏联半导体器件,以测试其质量并跟踪改进情况。1959年,美国中央情报局(CIA)的一份报告表明,在晶体管的质量和数量上,美国只比苏联领先两到四年。当时,美国怀疑至少有几名早期苏联交换生是克格勃特工,但直到几十年后才得到证实,苏联把交换生和国防工业目标捆绑在了一起。

  苏联领导人赫鲁晓夫致力于在所有的领域超越美国,从玉米生产到卫星发射。赫鲁晓夫本人对技术一无所知,却痴迷于“追赶并超越”美国。就像苏联赶上美国的另一个领域——核武器,苏联有一个秘密武器:情报集团。

  苏联国家无线电电子委员会第一副主席亚历山大·肖金(Alexander Shokin)意识到,利用赫鲁晓夫与美国竞争的冲动可拿来赢得更多的微电子投资。

  20世纪30年代,俄裔美国人巴尔和萨兰加入苏联情报集团。他们在美国两家领先的技术公司——西部电器(Western Electric)和斯佩里陀螺仪(Sperry Gyroscope)从事机密雷达和其他军事系统的研究工作。20世纪40年代末,当联邦调查局开始瓦解克格勃在美国的情报网络时,萨兰特和巴尔逃离了美国,最终抵达了苏联。他们告诉克格勃的管理人员,他们想制造世界上最先进的计算机。巴尔和萨兰特不是计算机专家,苏联其他人也不是。他们作为情报人员的身份本身就是一个备受钦佩的凭证,他们的光环让他们可以获得资源。20世纪50年代末,巴尔和萨兰特开始制造他们的第一台电脑——UM(在俄语中是“头脑”的意思)。他们的工作引起了管理苏联电子工业的官员肖金的注意,他们与肖金合作,让赫鲁晓夫相信苏联需要一个专门生产半导体,并有自己的研究人员、工程师、实验室以及生产工厂的城市。甚至在美国旧金山南部半岛上的城镇于1971年被称为硅谷之前,巴尔和萨兰特在莫斯科郊区就想出了他们自己的版本。

  赫鲁晓夫痴迷于宏大的项目,尤其是那些他可以因之声名鹊起的项目,因此他热情地支持建立苏联半导体城市的想法。为学习美国硅谷,几个月后,苏联政府批准了在莫斯科郊区建造一座半导体城的计划。“微电子是一个机器大脑,”赫鲁晓夫向同行的其他苏联领导人解释道,“这是我们的未来。”

  苏联很快就破土动工修建了泽列诺格勒(Zelenograd),这在俄语中是“绿色城市”的意思。事实上,它被设计成一个科学天堂。肖金希望它完美,有研究实验室和生产工厂,还有学校、日托所、电影院、图书馆和医院,这些都是半导体工程师所需要的。靠近中心的是一所大学——莫斯科电子技术学院,其砖墙立面模仿了英国和美国的大学校园。从外面看,这座城市就像硅谷,只是少了一点阳光。

  大约在赫鲁晓夫宣布支持建造泽列诺格勒的同一时间,一位名叫鲍里斯·马林(Boris Malin)的苏联学生从宾夕法尼亚州学习一年后回来,他的行李箱里装着一个小东西——TI的SN-51芯片,这是美国销售的首批集成电路之一。马林拥有瘦削的身材、深色的头发和深邃的目光,是苏联半导体器件领域的主要专家之一。他把自己看作科学家,而不是情报人员。负责苏联微电子的官员亚历山大·肖金认为,SN-51是苏联一定要通过任何手段都要获得的芯片。肖金把马林和其他一组工程师叫到他的办公室,把芯片放在显微镜下,通过镜头观察。肖金命令他们:“复制它,一一对应,不能有任何偏差。我给你们三个月的时间。”

  苏联科学家对他们只是复制外国先进的技术的说法做出了愤怒的反应。他们的科学理解与美国化学家和物理学家一样先进。事实上,苏联拥有一些世界领先的理论物理学家。2000年,杰克·基尔比因发明集成电路而最终获得诺贝尔物理学奖(当时集成电路的共同发明人罗伯特·诺伊斯已去世),他与一位名叫佐瑞斯·阿尔费罗夫(Zhores Alferov)的俄罗斯科学家分享了该奖项,后者在20世纪60年代对半导体器件产生光的机理进行了基础研究。1957年发射的人造卫星,1961年尤里·加加林的首次太空飞行,以及1962年制造的奥索金集成电路,为苏联正在成为一个科学超级大国提供了无可争议的证据。就连美国中央情报局都认为苏联微电子产业正在迅速赶上。

  但是,肖金的“复制”策略从根本上是有缺陷的。“复制”在制造核武器方面发挥了作用,因为美国和苏联在整个冷战期间制造了数万枚核武器。但在美国,TI和仙童已经在学习怎么样大规模生产芯片。规模化生产的关键是可靠性,这是芯片制造商张忠谋和安迪·格鲁夫在20世纪60年代就关注的一个挑战。与苏联同行不同,他们能够借鉴其他公司的专业相关知识,制造先进的光学、化学、净化材料以及其他生产机械。假如没有美国公司提供帮助,仙童和TI还可以求助于德国、法国或英国,这些国家都有自己的先进产业。

  苏联虽然生产大量的煤炭和钢铁,但在几乎所有类型的先进制造业中都落后。苏联在数量上表现出色,但在质量和纯度上表现不佳,这两个方面都是大规模芯片制造的关键。

  情报搜集活动只能让肖金和他的工程师们走这么远。仅仅得到一块芯片并不能知道它是怎么来制作的,就像得到一块蛋糕无法知道它是怎么烤出来的一样。芯片制造工艺极为复杂。在斯坦福大学向肖克利学习的外国交换生能成为聪明的物理学家,但安迪·格鲁夫或玛丽·安妮·波特等工程师知道某些化学物质需要加热到什么温度,或者光刻胶应该曝光多长时间。芯片制作的完整过程的每一步都涉及专业相关知识,而这些知识很少在特定公司之外共享。这类专门知识往往没有写下来。苏联情报人员是该行业中最好的情报人员之一,但半导体生产的全部过程需要更加多的细节和知识,即使是最有能力的情报人员也无法搜集到。

  此外,按照摩尔定律规定的速率,技术前沿不断在变化。即使苏联人设法复制了一个设计,获得了材料和机械,并复制了生产的全部过程,这也需要一些时间。TI和仙童每年都会推出更多晶体管的新设计,到20世纪60年代中期,最早的集成电路已经过时了,因为太大且太耗电,所以没有多大价值。与几乎任何其他技术相比,半导体技术都在快速的提升。晶体管的尺寸和能量消耗也在降低,而每平方英寸硅上的计算能力大约每两年增加一倍。无另外的技术发展得如此之快,因此只有半导体行业会把搜集去年的设计当成如此无望的策略。

  苏联领导人从未明白“复制”策略是如何使他们落后的。整个苏联半导体行业的运作就像一个保密的、自上而下的、面向军事系统的国防承包商,在就没有创新的情况下完成订单。肖金的一名下属回忆道,复制过程由肖金“严控”。实际上,复制是硬连接到苏联半导体行业的,尽管苏联使用公制,然而一些芯片制造机器使用的是英寸而不是厘米,以便更好地复制美国的设计。

  “复制”策略意味着苏联半导体的创新道路是由美国设定的。因为他们一直在模仿,所以永远也无法超越,而且越拉越远,完全被甩出了圈。

  第一个错误认知是任何高科技都可以用“堆积”的方法获得。他们都以为,只要你投入充足多的人力物力资源,就能做成别人能做成的所有的事情。其实世间很多事情的确是“可堆积的”,比如修个桥、铺个路,只要人多势众,总能做成;但有些事情是“不可堆积的”,比如足球。

  他们认为以前能搞出核武器,现在为啥不能搞出高端芯片呢?因为核武器其实是个“简单”技术,是可堆积的。

  而要造芯片,从芯片设计软件到光刻机,再到硅材料,每一个步骤都需要很多个聪明人的奇思妙想,需要成千上万个“邓稼先”和“于敏”。

  芯片的科学原理没有秘密,都是公开的。但是要做到技术上的可行性,尤其是商业上的可盈利性,那可就太难了。花一亿元造出一颗芯片是毫无意义的,一定要保证大规模制造、保证良品率、保证更新速度,还得保证做出来很便宜才行。需要整个生态系统。而这样的系统,只能由全世界顶尖科技公司共同完成。

  米勒在书中不厌其烦地讲当今世界芯片技术的格局。就拿能生产5纳米以下芯片的EUV(极紫外光)光刻机来说,最初的设计原理来自美国,实际形成产品的是荷兰的阿斯麦(ASML)公司,它用了30年的研发才完成了商业化。而阿斯麦并不是自己研发,它始终需要各大公司的投资和合作,尤其是需要上千家小型高科技公司做零部件供应商。比如EUV光刻机中的激光器是德国一家公司受命研发出来的,它有457329个部件——所有这些零部件哪怕有一个性能不达标,光刻机的总体性能就会大打折扣。

  请问中国有没有可能以一己之力把所有这么多东西做出来?现实是中国制造从未离开过全世界的技术支持。

  而当今中国除了华为和字节跳动,全球品牌还很少,独家技术也很少。中国排在前列的大公司都是像石油、银行、电网和电信这些国有企业,而我们的真实经济实力,特别是创造新兴事物的能力,距离发达国家还很远。

  中国被“卡脖子”的绝不仅仅是芯片。我们在工业母机、医疗仪器、农牧业育种等很多领域都受制于人。我们的产业升级远远没有完成。

  第二个错误认知是创新应该由政府来主导。考察美国、日本和苏联研发芯片的历程不难发现,恰恰是政府参与度越高,就越不成功。

  政府主导创新最好的结果可能是扶植起来几家没有竞争力的本土公司,最差的结果是制造一大堆债务。

  现实是就芯片技术而言,连美国都不能独立自主。美国必须依赖荷兰的光刻机、日本的硅片和中国台湾的制造。

  现代化已形成了一个全球“圈子”,只有圈里人得到这个圈的各种好处和帮助,互相依赖,才能把事情做成,独立于圈外没有一点前途。

  中国最大的优势就是中国是当今世界第一大芯片使用国。只有一直留在牌桌上,才有好牌可以打。

  没有自由思想、灵动创新的市场经济生态环境,苏俄必然在芯片领域竞争中失败。



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