全球芯片危机或将终结摩尔定律

芯片能提供更快，更便宜的计算能力，然而，全球芯片的短缺可能会减缓未来几十年的创新步伐。

在Covid-19大流行的一年里，为适配不断增长的设备需求，苹果公司为其定制的M1芯片做了广泛的宣传，其中包括拍摄了一个名为“令人难以置信的使命”的电视广告短片，在这个短片中，一个年轻人穿越了Cupertino “飞船”校园的屋顶，利用校园里的装备，窃取了MacBook的微处理器，将其植入iPadPro之中。

苹果的这款定制芯片是摩尔定律的最新胜利，它成功地实现了摩尔定律的预言：即芯片制造商在短短几年内便可以使芯片上的晶体管数量增加一倍。M1在一枚邮票大小的微处理器芯片中封装了160亿个晶体管，这不愧是创造了当今半导体制造界的一个奇迹。

然而，就在苹果庆祝M1的同时，世界范围内同时也面临着毁灭性的微芯片短缺问题，特别是那些在现代技术中应用较为广泛的相对便宜的芯片，短缺问题尤为严重。

由于缺少价格为1美元左右的芯片，汽车制造商不得不关停装配线，并进行裁员。由于芯片供应不上，汽车制造商开始制造无导航系统、数字后视镜、显示触摸屏和燃料管理系统芯片的车辆。总而言之，由于 2021年的芯片短缺，可能使得全球汽车行业损失超过1100亿美元。

智能手机、笔记本电脑、视频游戏机、电视，甚至智能电器的生产也有所放缓，所有这些都是因为缺乏廉价的芯片。芯片是如此重要，以至于一些观察人士认为，芯片危机可能会威胁到全球经济从Covid-19大流行中复苏。

全球市场的芯片短缺问题促使半导体行业提供更便宜、更强大的微芯片，为实现具有更多功能的芯片的长期供货，工程师、程序员和产品设计师创造一代又一代的新产品和服务。摩尔定律不单单是半导体行业的一条路线图，实际上，它在过去的半个世纪里控制着半导体行业的技术变革。

现而今，关于更多计算能力的承诺正在被突破，这不是因为芯片制造商遇到了制造更小晶体管技术的物理极限。而是维持摩尔定律的成本在不断增长，从而促进了芯片制造商之间的整合，并在极其复杂的芯片生产业务中引发了更多的瓶颈。

芯片是众多电子产品中必不可少的部件，它们的开发和制造却被少数生产商主导，所以当今主要大宗商品中用到的芯片产能受到限制。而且，由于制造芯片需要数百个生产步骤和数月的时间，导致半导体行业无法迅速转向市场，以满足Covid-19大流行引发的需求激增。

在过去的几十年里，一直关注的是将如何在硅片上雕刻出几纳米的晶体管。摩尔定律的精神实质是：获得廉价而功能强大的芯片。然而，摩尔定律现在正受到多其它因素的威胁：不灵活的供应链。

孤独的先行者

20年前，世界上有25家制造商生产前沿芯片。如今，只有台湾的台湾半导体制造公司(TSMC)、美国的英特尔和韩国的三星拥有生产最先进芯片的晶圆厂。长期以来一直是技术引领者的英特尔一直在努力跟上步伐，它已经多次错过最新一代产品的交货期。

行业整合的原因之一是成本问题，制造最先进芯片的晶圆厂的设备成本在50亿至200亿美元之间。这些晶圆厂制造的芯片小到几纳米，在行业术语中，称为5纳米和7纳米节点。晶圆厂的大部分成本用于购买新设备，比如：一种称作超紫外线光刻(EUV)机的工具，成本便超过1亿美元。EUV机器仅由荷兰的ASML公司制造，用于蚀刻纳米尺寸的详细电路图案。

芯片制造商研究EUV技术已经超过20多年，在投入数十亿美元的投资之后，EUV机器于2018年首次应用于商业芯片生产。“机器学习的开放工程联盟”的执行董事David Kanter 说：“这个工具的问世晚了20年，实际投入比预算多了10倍，但它的功能非常强大，令人惊叹，它完全是一个奇迹，就像科幻小说一样。”

EUV技术的诞生使得在苹果M1芯片中嵌入数十亿个微型晶体管成为可能，它是第一代完全依赖EUV的前沿芯片之一。

而且只有排行老大的科技公司才愿意而有能力支付数亿美元来设计前沿节点芯片。

为最好的芯片买单对苹果公司来说是非常有意义的，这些芯片可以用于最新的MacBook和iPhone机型，以奢侈品牌的价格售出，从而获利数百万美元。Kanter说：“唯一真正使用EUV的公司是苹果公司，苹果智能手机售价为1000美元，利润空间相当巨大。”

Imec公司CMOS技术高级副总裁，比利时鲁汶国际研发中心主任，Sri Samavedam说：“不仅制造这类芯片的晶圆厂价格昂贵，而且设计这些极其复杂的电路的成本也已经超出了许多公司的承受范围。除了苹果公司，只有那些需要极高计算性能的科技公司，如高通、AMD和英伟达，才愿意支付数亿美元来设计前沿节点芯片。”

许多公司使用旧技术制造的芯片来生产笔记本电脑、电视和汽车，对这些采用旧技术生产的芯片的需求激增，是当前芯片短缺的核心。简单地说，大多数芯片客户负担不起——或者不想支付——最新EUV技术的芯片。通常，一辆汽车会用到几十个芯片，电动汽车中芯片的用量会更多，所以对芯片的需求量增加了。出于成本上的考虑，汽车等产品的制造商会坚持使用旧技术制造的芯片。

更重要的是，许多当今最受欢迎的电子产品根本不需要用到前沿芯片。前卡内基梅隆大学的博士研究员Hassan Khan目前在苹果工作，研究了摩尔定律结束的公共政策影响之后，他说：“在全球每一台电脑上安装A14[iPhone和iPad]芯片并没有实际意义，没有必要在家里的智能温度计里安装A14，也没有必要在汽车里安装15个A14，因为它非常耗电，而且价格也不便宜。”

问题是，即便越来越多的用户依赖于更旧、更便宜的芯片技术，半导体行业的巨头们却一直专注于建造新的前沿晶圆厂。TSMC、三星和英特尔最近都宣布了为最新的制造设备提供数十亿美元的投资。是的，虽然新设备很贵，但这却是利润所在——在过去的50年里，它一直是未来的利润所在。

TSMC是全球最大的芯片制造商，其2020年收入的近60%来自于生产具有16纳米及更小的前沿芯片，其中包括苹果用5纳米工艺制造的M1芯片。

更糟糕的是，“没有人在建造支持旧技术的半导体制造设备，所以我们被困在了一块岩石和一个难点之间。”电子元器件行业协会首席分析员Dale Ford说。

低端芯片

所有这些技术对用户来说都很重要，不仅仅因为供应链中断问题，而且因为它威胁到许多潜在创新的发展。除了更难获得之外，较为便宜的大宗商品芯片价格也在逐步上升，因为生产每一代新技术芯片都需要更昂贵的装备和设施。

许多消费品需要功能更强大的芯片：5G移动网络的建立依赖于5G速度的计算应用程序的兴起，从而迫使人们投资设计网络设备的专用芯片，这些芯片可以与数十个或数百个互联网连接设备通信；先进的驾驶员辅助系统和车载“信息娱乐”系统等汽车功能也可能受益于前沿芯片，电动汽车制造商特斯拉与TSMC和三星在自动驾驶汽车芯片开发方面的合作关系应证了这一点。

但是，许多公司开发产品时，购买最新的前沿芯片或投资于专门的芯片设计可能并不现实。Kanter说：“支持wi-fi的消费设备的制造商不太可能为了开发更高级的功能而花钱开发专门的芯片。相反，他们可能会使用旧技术制造的芯片。”

出于成本和性能之间的权衡，当今的大多数芯片用户都使用更便宜的大宗商品芯片。

Kanter说：“服装等低成本产品的利润率非常微薄，几乎没有为昂贵的芯片留下一点回旋空间，即便每件产品的价格增加一美元，都会反映到价签上，——更不用说10美元或20美元了。这意味着芯片价格的上涨，例如，可以检测和响应语音命令或天气变化，会直接影响到服装的价格。

即便缺少更时髦的虚拟机器，地球可以照转，生活依旧继续，但是如果缺乏价格更便宜、功能更强大的芯片，将会大大增加成本：从而终结摩尔定律几十年的承诺，而可负担得起的计算能力将成为下一个创新点。

如今，大多数芯片用户出于成本和性能之间的权衡，都使用更为便宜的大宗商品芯片。随着全球对计算能力的需求的增长，这类大宗商品芯片的供应似乎还远远不够。

哈佛商学院管理学实践教授Willy Shih说：“汽车中的半导体使用量仍在上升，烤面包机、烤箱中的半导体使用量也在上升。那么问题是，接下来，芯片短缺会发生在哪里？”

全球关注

2021年初，拜登总统签署了一项行政命令，要求对芯片供应链进行审查，并支持国会两党批准至少500亿美元用于半导体制造和研究。拜登还与半导体和汽车行业的领导人举行了两次白宫峰会，其中包括4月12日的一次会议，在会议上，他展示了一块晶圆。

这些行动不会很快解决芯片需求和供应之间的不平衡。但至少，专家说，今天的危机为美国政府提供了一个机会，他们试图修复供应链，扭转半导体行业创新的整体放缓趋势。

据估计，截至2019年，75%的芯片生产产能都设在东亚，美国的市场份额约为13%。仅台湾的TSMC就拥有近55%的Foundry市场，处理消费类芯片制造订单。

如何搞定一切，看看美中两国之间的赛跑。中国最大的芯片制造商SMIC一直在生产比前沿技术落后五六年的晶圆，但SMIC有可能帮助满足全球对老节点芯片的需求。Khan说：“由于能获得国家补贴，在22纳米和14纳米节点的晶圆厂中，SMIC有可能成为成本最低的制造商，中国的晶圆厂在最新技术上可能没有竞争力，但却可以满足不断增长的需求。”

我们还没有准备好迎接摩尔定律的终结

它推动了过去50年的繁荣。但现在，即将结束。

据半导体行业协会(SIA)称，全球半导体行业的需求量到2030年会翻一番。半导体行业协会是一个总部位于华盛顿的行业集团，该组织主张加强全球供应链，而不是试图建立完全“自给自足”的国内产能。

为了表彰前沿芯片对国家安全和关键基础设施的重要性，SIA建议美国提供“市场驱动的激励”，让企业在国内建造两三个新的前沿晶圆厂。这可能有助于确保美国的核心电信网络和数据中心，确保美军方芯片的本土化供应。

白宫的这张照片与总统一起出现，让人想起了美国政府为“硅谷”命名，为半导体行业的诞生扮演了极其重要的作用。西雅图华盛顿大学的历史学家Margaret O’Mara说：“自从罗纳德·里根以来，总统不曾这样谈论过的，拜登坐在那里挥舞着晶圆，我从来没有在前总统手里看到过晶圆。”