硬核科技有国界—大国芯片战争启示录(上)

卓乎 2023-12-12 18:28:49

美国为什么要对我们的芯片产业极限打压?

因为这芯片产业的背后是硬核科技,硬核科技是一个国家科技、经济、军事、政治等综合实力的体现。

一定程度上,芯片之战就是国运之战。

16世纪到1950,芯片诞生前传

1833年,英国科学家法拉第观察到硫化银的电阻率与温度呈反比关系:温度升高,电阻降低。这是人类发现半导体具备的第一个特性。

此时的英国,正处于第一次工业革命的爆发前夕。16世纪开始,英国打败西班牙成为全球殖民霸主,加上受文艺复兴的影响,英国的科学家和技术人员受到古希腊和罗马的启发,开始对自然现象进行观察和实验,发展了数学、物理、天文、化学、医学等学科,而随着17世纪君主立宪制的确立,为资本主义发展创造了有利条件,英国逐步成为世界经济、科技、文化、教育中心。到18世纪中期,随着瓦特改良蒸汽机以及约翰·凯义发明的纺织机器开始商业化量产。英国爆发了第一次工业革命,国力得到迅速的提升。

欧洲大国陆续通过战争实现了统一,重构欧洲了政治版图。他们一边开始学习英国,逐步建立起自己的经济贸易科技体系,第一次工业革命也进入了第二阶段,钢铁、煤炭、化学、机械的重工业成为了主要竞争领域,与之相关配套的物理和化学、电力相关的实验室陆续得以开设,欧洲大陆上,法国和德国走在了前面,半导体的第2个到第4个特性也在逐步被发现。

1839年法国物理学家贝克莱发现光生伏特效应效应(半导体和金属接触时,在光照下会产生电压);

1873年英国物理史密斯发现光电导效应(半导体在光照下的电导率会增加);

1874年德国物理学家劳布恩发现整流效应(半导体的导电有方向性,加正向电压是导通,加反向电压时,不导通)这个时间段的美国,通过美墨战争、美英战争、南北战争、西进运动、淘金热、太平洋铁路建设,顺带还商业忽悠了沙俄以比“白菜价”都要低的价格,获取了阿拉斯加地区,大规模扩充了边界的同时也完成了统一,为美国的崛起打下了基础。17世纪开始,以英国为主的欧洲人开始批量化移民到美国寻找新机会,这其中的一部分人及其子女,成为了美国半导体发展中不可或缺的中坚力量。

1885年美国物理学家霍尔发现掺杂效应(半导体的导电性可以通过在其加入少量的杂质元素来改变),这个是半导体的第五个特性。而霍尔的祖先就是17世纪从英国移民到美国的农民。

第一次工业革命实际上对半导体发展的影响并不显著,因为当时的科技水平还没有达到能够制造和利用半导体的程度,主要还是停留少部分科学家在实验室的理论探索阶段。

1894年,美国工业总产值超过英国成为全球经济“一哥”。

但是此时英国在政治、金融、科技、文化等依旧是老大。美国并没有选择硬刚,而是退一步“韬光养晦”,闷声发大财,持续三四十年。美国在海外殖民利益上,避免与英国、法国和德国这些一线玩家发生直接竞争和冲突,而是挑了个“软柿子”西班牙,把西班牙海外的市场基本吞并,期间拿日本和菲律宾练手,还陪着英国通过战争进入了中国等市场。后来在一战,美国采取“两头吃”的策略,大发战争财,在综合实力上基本超过英国。

而德国,在1871年德国完成统一后,摸着英国的鼻子走,从仿制英国的商品开始逐步发展其自己严谨的工业体系,于1913年工业产值超越英国,仅次于美国。

19世纪中后期在美国和德国意识到以电力、石油和内燃机为代表的第二次工业革命会迅速对蒸汽机取代的时候,英国依旧停留在“蒸汽和马车时代”的傲慢,以“红旗法案”为代表,英国工业和经济开始衰落。

半导体的探索开始从英国向德国和美国倾斜,国运也开始转移。

1890年英国科学家弗莱明利用爱迪生效应(加热的金属导通会发射电子)发明了二极管(能够单向导通电流的器件),这个是世界上第一个电子管,可以用来检波和检流(将交流电转换为直流电,对无线电通信和电力等领域的技术落地有重要的作用),为后续电子技术的发展奠定了基础。

1906年,美国物理学家德福雷斯特在弗莱明的二极管中增加了一个栅极,发明了第二种电子管:三极管。三极管的诞生,使得电子管可以实现信号的放大和控制,构成开关电路,实现二进制的逻辑计运算,为计算机技术的诞生提供了可能性。随后的四级管、五级管都是以此为原型升级改造。电子管的出现,开启了电子技术的新时代,后续广泛应用于无线电、电话、电视、雷达、收音机等领域。

1914年德国科学家哈尔在实验中发现了铜硫化物的热敏效应(电阻值随温度的变化而变化),发明了热敏电阻,为电子元器件的过热、过流保护打下了技术基础,这个是第一个半导体器件。

同年,第一次世界大战爆发,波及33个国家和15亿人口,欧洲打的乱成一锅粥。

1918年,这场造成了900万士兵和500万平民死亡,2000万人伤残的战争以德国签署停战协议结束。一战导致欧洲版图再一次重组,德国、俄国、奥匈帝国和奥斯曼帝国被瓦解,诞生了许多新国家,一战也改变了世界的政治、经济、社会和文化格局,大家积怨和矛盾更加深。一战使得战争正式从冷兵器时代进入热兵器时代,飞机、坦克、机关枪、潜艇、无线电通信开始投入使用。大国之间对于科技的能量有了新的认知,尤其是德国和美国。此后的60年,围绕着战争与备战,成为了硬核科技研发落地最大的推手。

德国在一战之后被迫签订了《凡尔赛条约》承担了巨额的赔款和责任,失去了大片的领土和殖民地,军事力量也被大幅度削减,经济陷入困境。但是德国在经过一系列的内部改革和工业技术创新等政策后,也在美国“道奇计划”的援助下,短短几年时间以“德国经济奇迹”重返舞台,并且在机械制造、汽车制造、航空航天等领域达到了世界领先水平。

1922年,12月30日,俄罗斯、乌克兰、白俄罗斯和南高加索四个苏维埃共和国签署了《苏维埃社会主义共和国联盟条约》,“苏联老大哥”诞生了,从此世界半导体产业多了一个重要玩家。20年代期间,苏联开始在物理学和化学两个方面,对半导体进行基础研究,如晶体结构、热电效应、光电效应等。

1926年,德国物理学家莱纳斯发现了铜氧化物的光敏效应(电阻值随光照强度的变化而变化),发明了光敏电阻,可以检测光照的强度实现光控开关等,为后续光线相关的半导体技术打下了基础。

在动荡的19世纪中后期,日本也已经崛起。日本在被美国“打醒”后,发起“明治维新”,向西方学习,综合国力迅速崛起,与此同时,“八纮一宇”复苏且迅速蔓,狼子野心养成,对东亚各国接连发起战争,获得了巨额的经济赔偿。

1924年,日本物理学家寺田寅彦在《日本物理学会志》上达标了一篇论文,介绍了他在铜氧化物上发现了整流效应,这是日本最早的半导体研究之一。

番外篇: “八纮一宇”:在一部分日本人骨子里,认为自己是岛国,终究会被淹没,而“大和民族”天生就是这个世界最优越的种族,为了保存这个最优越的民族,第一步是要西进大陆,顺便改造东亚其它国家的“低劣民族”,最终逐步征服世界的四面八方,把全世界合并成一个国家,而日本天皇是世界的最高君主。所以对于部分日本人的另一面就是:兜里有钱就会飘,手上有枪就敢抢,这一面在整个19到20世纪表现的淋漓尽致。

1928年,德国物理学家朔特基认为金属与半导体间存在能障,并提出著名的“扩散理论”,这个是半导体有关整流理论的重要论断。

1929年,美国爆发经济大萧条,激发了主流大国之间的矛盾和竞争,大国为了自保,关税战、倾销战和货币战轮番上线,期间法西斯和极端主义开始兴起和发展,以德国、日本和意大利为主,法西斯势力利用民众的不满和恐惧,推行极端的独裁和侵略主义。再对比下今天的后疫情时代的全球情况,是不是熟悉的不能再熟悉?

历史是最好的教科书。

1930年,麦克德莫特和他的伙伴创建GSI(Geophysical Service)的地球物理业务公司,起初业务是为石油企业提供地质勘探,后遇到经济大萧条转型为开发军工产品和地震监测。这个公司是TI德州仪器的前身,而德州仪器也堪称半导体尤其是模拟IC的“黄埔军校”。

1931年英国物理学家威尔逊提出半导体的物理模型,基于能带理论给出半导体明确的定义,奠定了半导体物理的理论基础。

1935年美国匹卡发明了无线电波侦测器,以金属与硅或者硫化铅相接触产生的整流功能,用于检测无线电波,这个是第一个固态电子元件。1937年,美国物理学家欧姆 (Georg Ohm)发现了半导体的欧姆定律(半导体的电阻与电流成正比,与电压成反比)。

20世纪30年代,苏联在半导体进入了应用研究,主要集中在无线电和雷达方面,用于军事。这也为整个苏联存在期间,半导体的发展定下了基调:政府主导,为了军工。

1935年日本无线电公司成立半导体研究小组,开始对硒、碲、锗等半导体材料的研究,并且在2年后,制造出第一批硒整流器,用于无线电接收机的电源转换,这个是日本最早的半导体应用之一。后续投放在侵华战争等各个战争。

1939年,按照GNP(国民生产总值)来计算,美国997亿美金位居全球第一,占据40%,苏联636亿美金位居第二,占全球25%,德国440亿美金排名第三,占18%,随后是英国12%,接着是日本5%。

在欧洲大陆,德国重新占据霸主地位,在东亚,日本一家独大,而此刻,经济大萧条及一战后积怨的矛盾仍未消除,法西斯和军国主义进一步扩张,一场世界大战,即将到来。

1939年9月1日,德国入侵波兰,9月3日英法向德国宣战,第二次世界大战欧洲战场爆发;1941年,日本偷袭珍珠港海军基地,美国宣布进入太平洋战争,第二次世界大战全面爆发。1945年,战争结束。第二次世界大战是人类历史上死伤人数最多的战争,约7000人人死亡,军人约1800万,平民约5200万。中国在这场浩劫中死亡约1800万(军人约148万,平民约1652万)。

1945年,一名叫盛田昭夫的日本年轻人在日本海军担任中尉,从事海军技术工作,另外一个同样在海军从事雷达和通信技术研究的,叫井深大的人相识。在末期,他们的部分战友都在忙着接受“神风特攻队”的训练,他们没有加入其中,当然,也没有和他们战友一样按照日本的传统习俗,以切腹来表示宁死不屈效忠天皇,而是在思考战后的规划,二战结束后他们合作创立了东京通信工业株式会社,后改名为索尼。

1945年,在上海,14岁的张忠谋就读于南洋模范中学,同年随家人回到香港,进入香港培英中学,与1949年离开香港前往美国就读哈佛大学,开始了他在半导体的传奇生涯.

1945年,在韩国大邱市的海鲜水果批发市场,一个小微企业的老板李秉喆还在忙着向中国东北倒买倒卖水果和海鲜,日本的战败让他看到了新的希望,决定把他的公司“三星商会”的业务向制糖和纺织扩张。

番外篇1:第二次世界大战是以“石油和钢铁”为基础的战争。

二战的时候,美国生产的坦克比所有轴心国都要多,而生产的大炮和机枪更是轴心国的两倍。第一次世界大战的时候,战场有骡马运输队和骑兵,实际表现已经弱于飞机、坦克、轮船,到了二战,空军从原来的给陆军打辅助变成了绝对独立的军种,这些背后就是石油和钢铁。

日本这个“贫油缺铁国”在1931年发动“九一八事变”到1941年可以肆无忌惮对中国进行掠夺侵占,背后也是因为有美国人的撑腰,源源不断的输送石油、武器、钢铁、橡胶等战略物资,后面1941年美国停止对日出售上述战略物资,日本狗急跳墙,反咬主人一口发起珍珠岛偷袭。

德国战争初期“横扫”欧洲,背后就是苏联提供的原油支持,德国缺乏石油,只能进行短期的快速进攻,以求迅速击溃敌人,夺取其资源,这也是德国“闪电战”发起的核心影响因素。美国盟军和苏联对日德进行石油和钢铁强有力的封锁后,日德迅速败退,二战后期德国甚至出现“木柴汽车”,日本用松树根提炼石油的情况。

番外篇2:美国和苏联在二十世纪上半叶的人才引进。

二十世纪上半页,美国通过对欧洲进行大规模的科学家和工程技术人才引进,完成了从“技术引入国”到“技术创新国”的转变.在人才引进的领域,1910年到1950年,美国科学家总数从3.5万人增长到18.5万人,大部分为自然科学和工程技术领域,1910年到1950年美国的外国出生科学家人数从约1.5万人增长到3.5万人,大部分来自德国、英国和俄罗斯,而随着美国本土科学教育的发展和移民政策的变化,外国出生科学家占美国科学家总数比例从43%下降到19%。

以美国的在二期及战后的 “回形针行动”计划为例,以说服和招募的方式挖猎德国的科学家、工程师和技术人员,将其安置在美国,为美国军方和科研机构服务,据估计,美国通过这个计划吸纳了大约1600多名德国科学家和技术人员(加上家属大超过3700人),比如火箭技术的领导者沃纳·冯·布劳恩,这些德国专家对美国的航空航天、核能、化学、生物等领域的发展有着重要的贡献,也加速了美国在冷战中的科技优势。

嗯,苏联杀到德国后,主要是通过“奥萨瓦根行动”以强制手段,抢走了大量的德国的设备、图纸和材料,以及2000多名德国的专家和技术人员,加上家属超过6000人,运往苏联进行研究和生产。

美国注重的是人和核心的前沿基础技术,苏联注重的是设备和量产技术,而对待科技人员的态度和线路的不同也为后续科技差距的拉大埋下了伏笔。

二战期间,随着全世界最优秀的科学家涌入美国,以及美国推出了一系列科技扶持政策,各项研究开始得到开展,半导体产业也不例外。

1943年,为了抢占战争先机,美国需要开发新的大炮和导弹用于战争,为了更精准的投放,研究弹道轨迹成为了重要方向,然而弹道轨迹的数学模型是极其复杂的方程组,依托于人力是不现实的,需要借助先进的计算工具,ENIAC埃尼阿克项目立项,主要目的在于执行复杂的科学和工程计算,尤其是支持原子弹的设计和研究,1946年ENIAC埃尼阿克诞生,其计算速度比当时已有的计算机要快1000倍,达每秒5000次运算,也开启了人类的第五次信息革命。

算力,从此成为大国之间核心的竞争落地方向。

在埃尼阿克上,半导体技术得到了一定的应用,比如使用了17468个电子管作为主要的开关元件以实现数字逻辑和算术运算,使用7200个水晶二极管走位辅助的开关元件,用于实现存储器的学下控制,而当时最常用的存储技术水银延迟线也应用在了这台巨型的计算机上,实现可以存储1000个10位数的十进制数。

但是作为决定算力的核心“开关”,电子管的体积太大了,能耗也高,想要有新的突破就得寻找新的替代品。

1945年贝尔实验室成立由肖克利、巴丁和布拉顿等人参与半导体小组,研究新型的半导体材料和器件,1947年12月,他们成功制造了第一个点接触式的锗晶体管,实现了电信号的放大功能。1950年,肖克利又发明了三明治结构的双极晶体管,为后来的集成电路奠定了基础。晶体管比电子管小、省电、稳定、耐用,成为了20世纪“最伟大的发明”之一。

1947年3月12日,美国提出“杜鲁门主义”,冷战开始了。

苏联对于埃尼阿克的诞生尤非常关注,于1948年在苏联科学院成立了计算机研究所,于1950年研制出苏联的第一台电子计算机MESM,虽然每秒运算只有3000次,但是更小的体积(埃尼阿克18000个电子管,MESM6000个)、更低的能耗(埃尼阿克174千瓦,MESM25千瓦)、和更可靠灵活的性能(比如埃尼阿克用10进制,MESM是二进制),此时苏联人认为自己和美国的差距只有2-3年。

1949年,美国为了遏制苏联和其盟友的影响力,于1949年11月发起且领导巴黎统筹委员会(简称“巴统”),对社会主义国家启动出口管制和检视,禁运物品包括三类:军事武器装备、简短技术产品和战略产品,原子能、导弹、计算机、半导体、雷达等都在其中。

硬核科技,从此,有了国界,也有了政治的属性。

1949年,新中国成立,70年后,成为美国在半导体领域最强有力的竞争者。

番外篇1:bug的由来

埃尼阿克计算机虽然算力远超人类,但是体积大、能耗高、故障率也居高不下,以故障率来说,其重要的原因就是其采用的电子管短路,而电子管短路短路的原因很大一部分是因为其在运行时会发光发热,以飞蛾为代表的虫子基于“趋光性”而扑向电子管,造成短路。埃尼阿克平均每两天就得更换一个电子管,这在当时可是和手臂一样粗的元器件,而整个排查的过程中,有一次有个工程师把因为飞蛾引发的短路故障直接描述成飞蛾的英文单词bug,而消除这个故障的行为描述成Debug,于是后续Bug变成了大家对电子系统故障的别称。

番外篇2:贝尔实验室

1925年由AT&T和西方电气公司共同出资,旨在为贝尔系统提供技术创新和支持,核心方向为基础研究、系统工程和应用开发,涉及到数学、物理学、材料科学、行为科学、程序设计理论等多个领域,在其黄金年代(1940-1980年代),诞生了许多改变世界的产品:晶体管、太能能电池、数字交换机、通信卫星、C语言、信息论、UNIX操作系统等,与之对应的还有15名诺贝尔奖的科学家在贝尔实验室产生。

1984年,贝尔实验室被美国政府以反垄断名义拆分为AT&T实验室和朗讯贝尔实验室,后开始衰落,2006年朗讯与阿尔卡特合并为阿尔卡特-朗讯,2016年诺基亚完成对阿尔卡特-朗讯的收购,贝尔实验室划分至诺基亚,更名为诺基亚贝尔实验室,研究方向为5G、人工智能和物联网方向,虽然也取得很多成就,但是与黄金年代相比,相去甚远。

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卓乎

简介:专注半导体、新能源、人工智能、云计算等科技领域