“唯一的操作員是在天花板上的機器人”，Chris Belfi說，他身著 Tyvek 兔子套裝，在photo-safe燈下染成黃色。機器人則在高架軌道上匆匆而過，眨眼和呼呼。每隔幾秒鐘，就會有一個機器人在一臺巨大的機器上方停下來。從它洗衣籃大小的肚子里，一個塑料盒子掉在細線上，就像湯姆克魯斯穿著緊身連衣褲一樣。它裝載著珍貴的貨物：多達 25 個閃亮的硅片，每個大小為 12 英寸。我們將它們轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿陀嬎銠C大腦的過程——稱它們?yōu)槲⑿酒雽?dǎo)體或只是芯片——需要近三個月的時間。“我使用一個像烤蛋糕這樣的類比，”芯片制造商GlobalFoundries的自動化工程師 Belfi 說。“唯一的區(qū)別是我們的蛋糕大約有 66 層。”

　　這座價值 150 億美元的綜合設(shè)施隱藏在紐約Albany以北的樹木后面，是美國少數(shù)先進的半導(dǎo)體工廠或“晶圓廠”之一，其接收碼頭可接收 256 種特種化學(xué)品，如氬氣和硫酸。它的運輸碼頭發(fā)出成品硅片，準(zhǔn)備好以供切割，然后裝入金屬和陶瓷外殼中，然后組裝成從安全氣囊到攪拌機、耳機到戰(zhàn)斗機的所有物品。

　　自 2011 年開業(yè)以來，F(xiàn)ab 8 一直保持低調(diào)。但與衛(wèi)生紙和雞翅一樣，這場大流行震驚了全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈，導(dǎo)致令人驚訝的地方出現(xiàn)短缺，并將美國半導(dǎo)體行業(yè)拉到了舞臺中央。汽車行業(yè)受到的打擊最為嚴重。這主要因為當(dāng)最初的封鎖導(dǎo)致汽車銷售崩潰時，汽車制造商削減了包括半導(dǎo)體在內(nèi)的零部件訂單。（一輛典型的新車可能包含超過一千個芯片。）芯片制造商看到了這種疲軟，并改變了他們的產(chǎn)能，以滿足對網(wǎng)絡(luò)攝像頭和筆記本電腦等消費電子產(chǎn)品的激增需求。

　　但是，當(dāng)去年秋天汽車銷量回升時，一個戲劇性的失誤變得明顯：汽車制造商無法獲得足夠的芯片。知道現(xiàn)在，他們?nèi)匀徊荒堋，F(xiàn)在預(yù)計芯片缺貨將導(dǎo)致 2021 年全球汽車產(chǎn)量減少 390 萬輛，即 4.6%。僅福特就預(yù)計將減少 110 萬輛汽車的產(chǎn)量，從而導(dǎo)致 25 億美元的收益受到影響。

　　隨著汽車制造商和芯片制造商爭先恐后地尋求平衡，白宮介入提供幫助，敦促行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者理清供應(yīng)鏈并增加產(chǎn)量。問題不僅在于美國生產(chǎn)的芯片數(shù)量不足。問題在于根本沒有人關(guān)注芯片的制造地點——更重要的是，制造它們需要多長時間。6 月，美國參議院通過了一項撥款 520 億美元的兩黨法案，旨在增加芯片生產(chǎn)和尖端研究——直接與中國成為全球半導(dǎo)體冠軍的雄心競爭。但新的芯片工廠需要數(shù)年時間。分析師現(xiàn)在擔(dān)心，汽車芯片短缺將再次影響到消費電子產(chǎn)品，影響制造業(yè)一直到圣誕節(jié)。

　　“從未見過這樣的事情，”特斯拉首席執(zhí)行官埃隆馬斯克在推特上寫道。

　　芯片長期以來被尊為現(xiàn)代社會的大腦，現(xiàn)在它已成為其最頭疼的問題，當(dāng)前的風(fēng)險也超出了大流行時期的短缺。由于芯片是眾多戰(zhàn)略技術(shù)的重要組成部分——從可再生能源和人工智能到機器人和網(wǎng)絡(luò)安全——它們的制造已成為地緣政治的刺。在 20 世紀(jì)，石油是至高無上的全球資源。但今年的短缺在政策制定者和外交官中引發(fā)了 21 世紀(jì)的流行語：芯片是新的石油。隨著美國重新回到大流行后的生活，穩(wěn)定的半導(dǎo)體供應(yīng)已成為準(zhǔn)備和恢復(fù)能力的高度優(yōu)先基準(zhǔn)。除了有一個更大的問題：半導(dǎo)體是在美國發(fā)明的，但是像 GlobalFoundries 這樣的晶圓廠已經(jīng)成為一個垂死的品種。1990年，37%的芯片是在美國工廠生產(chǎn)的，但到 2020 年，這個數(shù)字下降到只有 12%。成長中的所有新蛋糕都流向了亞洲：中國臺灣、韓國和中國大陸。芯片廠不僅僅是工廠，還是美國自力更生的關(guān)鍵。

　　半導(dǎo)體令人震驚，因為在制造過程中需要將數(shù)十億個晶體管裝在一個一角硬幣大小的空間中，而且它們的制造難度驚人。如果亨利福特想象一條裝配線，那么硅片通過工廠的路徑更像是一個迷宮。在 GlobalFoundries，從原材料到成品芯片的旅程——像 Belfi 這樣的工程師稱之為“工藝流程”——通常需要 85 天，包括一千多個步驟。一直以來，芯片都在稱為 FOUP 的密封艙中運輸，完全不受人手的影響。機器人在小型房車大小的機器上方的懸掛軌道上行駛。在制造過程中，有機器人用像液體砂紙一樣的漿料拋光晶片。另一些機器人則使用激光來壓印僅 12 納米寬的電路——大約是你的指甲在 12 秒內(nèi)生長的長度。電子顯微鏡檢查晶片是否有缺陷，機械臂一次性地將 25 個硅片浸入化學(xué)浴中，就像狂歡節(jié)的灌籃池一樣。“我們基本上每天都在晶圓廠的每個部分之間來回移動晶圓，”Belfi說。“putting things on, taking it off, printing, putting more on, taking more off。”在這個過程中，有很多事情要做，而人類只有在出現(xiàn)問題時才會介入。停止器（showstopper）是其中一臺光刻機的問題，它決定了整個操作的節(jié)奏。每個成本都超過 1 億美元。“當(dāng)其中一個倒下時，所有人都停下來。”Belfi說。其實，在COVID-19 來襲時，晶圓廠從未停止過。“我們從來沒有關(guān)閉過一家工廠——一個小時都沒有，”GlobalFoundries 的首席執(zhí)行官 Tom Caulfield 在他位于晶圓廠樓層上方兩層的辦公室里回憶道。長期以來，工程師們一直習(xí)慣于戴口罩和全套個人防護裝備，照常監(jiān)視機器人。事實證明，商業(yè)沖擊更難處理。與許多行業(yè)一樣，Caulfield最初的財務(wù)模型讓他為最壞的情況做好了準(zhǔn)備。“我們告訴我們的團隊，‘我們一起進入了這場大流行；我們要一起退出。世界需要我們繼續(xù)制造半導(dǎo)體。’”這不是輕描淡寫。芯片為大流行應(yīng)對提供了動力——網(wǎng)絡(luò)攝像頭、筆記本電腦、COVID-19 測試機。僅在紐約市，教育部就購買了 350,000 臺 iPad。

　　大流行器件，似乎沒有人需要的唯一一個東西就是一輛新車，至少一開始是這樣。2020 年 4 月、5 月和 6 月，汽車的銷售額下降了三分之一。汽車零部件制造商——不是名牌汽車公司，而是他們的供應(yīng)商及其供應(yīng)商的供應(yīng)商都取消了訂單。

　　但是半導(dǎo)體晶圓廠不能turn on a dime。代工是芯片行業(yè)合同制造商的術(shù)語，就好像價值 150 億美元的 Kinko。僅 GlobalFoundries 就為 250 多個客戶制造芯片，這些客戶又為設(shè)備制造商提供組件——蘋果或三星等知名品牌，以及大陸或博世等工業(yè)品牌，整個供應(yīng)鏈很長。制造一個芯片則需要三個月的時間，但在此之后的幾個月內(nèi)，它不會最終出現(xiàn)在汽車發(fā)動機或智能揚聲器中——而且到消費者手中，還需要幾個月。在 GlobalFoundries 的任何一天，在某個生產(chǎn)階段可能只有 10 種不同的芯片。每個獨特的新芯片設(shè)計都以 6平方英寸的面積出現(xiàn)。 一塊石英玻璃稱為標(biāo)線（reticle）。就像一張舊的照片幻燈片，它包含一張芯片圖，準(zhǔn)備好用激光投影到硅片上。標(biāo)線是它自己的商業(yè)秘密，屬于設(shè)計它的公司的受保護知識產(chǎn)權(quán)，并根據(jù) GlobalFoundries 專有工藝的獨特規(guī)格進行了調(diào)整。切換晶圓廠并不容易，而且絕對不會很快。

　　感恩節(jié)前后，大流行八個月后，Caulfield 的電話開始響起，哪些從未聽說過 GlobalFoundries 的汽車高管意識到?jīng)]有他們就無法制造汽車。“如果你是一家汽車制造公司的供應(yīng)鏈所有者，并且你沒有發(fā)貨汽車的原因是因為你沒有 5 美元或 10 美元的芯片，那么你永遠不會讓這個再次發(fā)生，”Caulfield 說。到了新年，其影響令人震驚。2019 年，汽車行業(yè)在芯片上花費了 430 億美元，但它們僅占整個芯片市場的 10%。全球最大代工廠臺積電（TSMC） 為汽車行業(yè)提供的芯片比其他任何公司都多，但汽車行業(yè)僅占其收入的 3%。（蘋果占 20% 以上。）在 GlobalFoundries，用于汽車的芯片占其業(yè)務(wù)的不到 10%——這足夠重要，但還不足以警醒。

　　今年情況發(fā)生了變化，當(dāng)時芯片制造商的政治風(fēng)險急劇上升。Caulfield 呼吁他的工程師“重新混合他們的輸出”，擱置一些訂單并優(yōu)先考慮汽車芯片。“我們做出了非常艱難的決定，”Caulfield 說。“無論我們在哪里可以創(chuàng)造更多產(chǎn)能，我們都會將其有限提供給汽車，以確保我們不再是制造的大門。” 其影響對他來說是顯而易見的。“我不需要白宮的來信就可以做正確的事。”

　　但白宮正在關(guān)注。今年之前，立法者將芯片制造視為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟問題。參議院多數(shù)黨領(lǐng)袖查克舒默支持在他的家鄉(xiāng)紐約州建設(shè) GlobalFoundries 的晶圓廠，并游說更多晶圓廠渠道當(dāng)?shù)亍５罅餍薪沂玖诵酒圃斓南陆挡粌H與就業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟影響有關(guān)，而且在全球范圍內(nèi)也具有戰(zhàn)略意義。2 月，拜登總統(tǒng)簽署了一項行政命令，啟動對關(guān)鍵供應(yīng)鏈的審查。如果大流行可能導(dǎo)致跨行業(yè)的芯片引發(fā)的沖擊，還會發(fā)生什么？“我們明確地將地緣政治視為我們供應(yīng)鏈的風(fēng)險之一，”一位高級政府官員表示。

　　在半導(dǎo)體制造的早期的1960 年代，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾觀察到，他和他的同事們能夠?qū)⑺麄兠磕昕梢詳D在芯片上的晶體管數(shù)量增加一倍。十年后，這種創(chuàng)新步伐放緩（略微）至每兩年翻一番。芯片變得更快、更便宜、更高效，最終實現(xiàn)了一種社交提升——為裝在口袋里的計算機提供動力。

　　但是眾所周知，摩爾定律并不是自然事實，而是為構(gòu)思新的芯片設(shè)計并找到制造它們的方法而在研發(fā)上投入巨資的來之不易的結(jié)果。實際上，每一代的半導(dǎo)體都需要一個新工廠來制造。眾所周知，每一個新的“工藝”都以芯片最小特征的尺寸命名，就像珠寶商的指尖越來越細一樣。在 1970 年代，芯片以微米或百萬分之一米為單位進行測量。自 1980 年代以來，“前沿”晶圓廠以納米或十億分之一米為單位來測量他們的工藝。今天，該基準(zhǔn)由臺積電設(shè)定，臺積電運營著 5 納米晶圓廠，用于生產(chǎn)蘋果最新的電腦和平板電腦的新 M1 芯片。工藝尺寸的每一步縮小——以及性能的提高——都需要用最新一代的光刻機對晶圓廠進行改造，以“打印”芯片，以及環(huán)繞它們的設(shè)備群。最新的晶圓廠耗資至少 120 億美元。

　　今天，半導(dǎo)體行業(yè)主要分為設(shè)計芯片的“無晶圓廠”公司和制造芯片的代工廠。“確實有兩個巨大的固定成本，”彼得森國際經(jīng)濟研究所的經(jīng)濟學(xué)家查德鮑恩說。“一套固定成本就是所有的研發(fā)——你需要想出芯片的想法。另一個固定成本是所有資本設(shè)備——你需要建造這些晶圓廠之一。” 幾十年來，像英特爾這樣的領(lǐng)先公司都做到了這兩點。“真正的男人有晶圓廠，”Advanced Micro Devices 的前首席執(zhí)行官杰里·桑德斯 （Jerry Sanders） 在 1990 年代的一句著名的言論中強調(diào)了這個。但這現(xiàn)在已經(jīng)過時了，AMD 也在 2009 年開始無晶圓廠——將其芯片工廠出售給 GlobalFoundries。

　　中國臺灣的臺積電率先區(qū)分了晶圓廠和無晶圓廠，并主導(dǎo)了今天的行業(yè)。其創(chuàng)始人Morris Chang出生于中國大陸，在美國接受教育。1960年代和1970年代在德州儀器工作時，他的工程創(chuàng)造力和管理敏銳度堪稱傳奇。他幫助提高了一家芯片廠的“產(chǎn)能”——足以出售的芯片數(shù)量——并壓低了價格。但在管理了 TI 的整個半導(dǎo)體部門之后，Chang 得出的結(jié)論是，他永遠不會成為美國的 CEO。“我覺得我基本上是被放牧了，”張在出版的口述歷史中回憶道。“我進一步發(fā)展的希望破滅了。”

　　在德州儀器工作期間，Chang 看到了芯片工廠成本的上漲，以及它阻礙創(chuàng)新的方式。他的同事們渴望通過新的創(chuàng)新來實現(xiàn)自己的突破，但永遠做不到。如果您必須經(jīng)營自己的晶圓廠，進入門檻就太高了。為此他抓住了他所謂的“純代工廠”的想法——一家專注于為他人制造芯片的商業(yè)半導(dǎo)體公司——并在中國臺灣政府的支持下，于 1987 年創(chuàng)立了臺積電。

　　這是全球貿(mào)易政策的一個美好時刻。里根政府制定了政策來對抗日本不斷增長的半導(dǎo)體生產(chǎn)——但第一任布什政府采取了更加不干涉的方式。“薯片，電腦芯片，有什么區(qū)別？” 喬治·HW·布什的經(jīng)濟顧問邁克爾·博斯金有句名言。隨著臺灣的臺積電，韓國和中國大陸公司開始加大芯片制造，建設(shè)高科技晶圓廠，而這通常特是在政府補貼的幫助下。到 1990 年代，即使是英特爾，也開始將一些生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到海外。“雖然這一切都在發(fā)生，但我們強烈地堅持我們的市場經(jīng)濟學(xué)原則”，領(lǐng)先的貿(mào)易組織半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會的首席執(zhí)行官約翰·紐弗說。普遍的態(tài)度是不理會公司——不讓政府做生意。

　　當(dāng) 2010 年蘋果公司宣布其首款定制設(shè)計芯片 A4 時，在半導(dǎo)體行業(yè)中不言而喻的是，它將由亞洲的一家代工廠制造。這尤其刺痛了英特爾，在此之前，英特爾一直設(shè)計和制造蘋果芯片在其設(shè)備中使用。但該行業(yè)的這種劃分已經(jīng)成為常態(tài)，并且一直延續(xù)到今天：最復(fù)雜的芯片可能仍是在美國設(shè)計但在海外制造。硅谷仍然名副其實——但這要歸功于數(shù)十家無晶圓廠芯片設(shè)計初創(chuàng)公司，而不是曾經(jīng)取代果園的代工廠。如果沒有亞洲國家提供的政府激勵措施，這種情況不太可能改變。“美國的政策是‘我們不創(chuàng)造贏家；我們讓資本主義運轉(zhuǎn)，’”GlobalFoundries 的 Caulfield 說。“如果世界各地的每個人都這樣玩，那是一種偉大的哲學(xué)。”

　　現(xiàn)在美國立法者正在改變方向。6 月的參議院法案，正式的美國創(chuàng)新和競爭法案，旨在與中國競爭，部分是通過補貼半導(dǎo)體制造。“幾年來，兩黨越來越達成共識，美國需要進行更多國內(nèi)投資以保持我們的競爭優(yōu)勢，尤其是在與中國進行某種戰(zhàn)略競爭的時代，”一位高級政府官員表示。“這是一個簡單的政治監(jiān)督，”半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會的 Neuffer 說。“這不再是疏忽了。”

　　特朗普政府激進的貿(mào)易政策為共和黨人支持更大的經(jīng)濟干預(yù)打開了大門。現(xiàn)在他們要求更多。“這里確實有一個錯誤，”保守派智庫 American Compass 的執(zhí)行董事奧倫·卡斯 （Oren Cass） 表示，他將半導(dǎo)體視為美國經(jīng)濟政策必要轉(zhuǎn)變的“終極案例研究”。“它們顯然是高科技，它們長期以來一直是美國的主導(dǎo)領(lǐng)域，它們顯然具有國家安全意義，你可以很好地量化誰領(lǐng)先或落后，”卡斯說。“它以其他幾件事無法做到的方式將問題具體化。”

　　對于拜登總統(tǒng)來說，半導(dǎo)體是刺激美國高科技產(chǎn)業(yè)的機會。“這是基礎(chǔ)設(shè)施，”總統(tǒng)在 4 月說，當(dāng)時在白宮的他還舉著一塊閃閃發(fā)光的硅片。

　　但將領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造帶到美國需要數(shù)年時間。今年 3 月，英特爾宣布計劃斥資 200 億美元擴建其位于亞利桑那州的工廠，專門為他人制造芯片，作為新成立的英特爾代工服務(wù)部門的一部分。但與臺積電不同的是——它自己在建一座新工廠。據(jù)估計，亞利桑那州將耗資 100 億至 120 億美元，甚至可能更多——但它將無法制造尖端芯片。更小意味著更快，因為您可以將更多的晶體管擠進更小的空間。但英特爾一直在努力使其 7 納米節(jié)點上線，而臺積電正在超越其 5 納米節(jié)點并準(zhǔn)備生產(chǎn) 3 納米節(jié)點。（據(jù)報道，蘋果將再次成為其主要客戶。）英特爾負責(zé)美國政府關(guān)系的副總裁 Al Thompson 表示，這關(guān)乎“產(chǎn)能和能力”。“我們將在美國投入大量資金，創(chuàng)造大量就業(yè)機會，讓我們走上一條道路，確保我們盡自己的一份力量保護我們國家的經(jīng)濟和國家安全。” 但是要趕上還有很長的路要走。

　　4 月，一家名為 Cerebras 的硅谷初創(chuàng)公司宣布推出一款名為 CS-2 的新計算機。它并不適用于 Zoom 通話或 Netflix 派對，而是適用于人工智能領(lǐng)域最復(fù)雜的研究——例如發(fā)現(xiàn)抗癌藥物或模擬融合反應(yīng)。它的核心是一個定制設(shè)計的芯片，具有非凡的新設(shè)計。

　　和其他芯片是通過切碎一個 12 英寸晶圓制造不一樣，Cerebras 找到了一種方法來制造一個巨大的芯片，就像一個餅干蛋糕。今天的智能手機芯片包含數(shù)十億個微型晶體管，像微型城市一樣蝕刻在硅片上。Cerebras 的定制芯片包含數(shù)萬億個晶體管。為了讓它發(fā)揮作用，Cerebras 工程師找到了一種方法來解決硅晶片的基本缺陷。通常，它們是從硅錠上切下來的，比如熟食意大利臘腸。但即使是這些水晶盤中最復(fù)雜的也有缺陷，這會毀掉芯片。半導(dǎo)體設(shè)計人員和制造商通過保持每個芯片的尺寸小，并扔掉壞的來解決這個問題。（產(chǎn)能是剩下的。）

　　Cerebras 的工程師創(chuàng)建了一個包含 850,000 個相同塊的設(shè)計，以及一個可以關(guān)閉任何有缺陷部分而不損壞整個芯片的系統(tǒng)。大多數(shù)超級計算機將數(shù)千個單獨的芯片鏈接在一起。但是在這些芯片之間移動信息會減慢速度。Cerebras 將所有這些都保存在一個巨大的芯片上。Cerebras 首席執(zhí)行官安德魯·費爾德曼 （Andrew Feldman） 表示：“我們找到了一種方法，可以利用硅以接近光速的速度傳輸信息這一事實，而且只需將比特移動到其他地方所需的功率的一小部分。” 對于制藥商葛蘭素史克和阿貢國家實驗室等客戶而言，它提供了人工智能突破所需的動力——這是美國技術(shù)政策的一個關(guān)鍵目標(biāo)。

　　這種大膽的想法定義了硅谷創(chuàng)新的早期，以及美國芯片設(shè)計師的持續(xù)創(chuàng)造力。但如果在 1960 年代和 1970 年代，芯片廠遍布山谷，那么到了 Cerebras 為其芯片尋找晶圓廠的時候，就沒有本地選擇了。“如果你想在最前沿的晶圓廠制造芯片，只有兩種選擇，”費爾德曼意味深長地說。“你可以選擇中國大陸，也可以向非軍事區(qū)扔石頭”——他的意思是中國臺灣的臺積電和韓國的三星。與蘋果公司（其總部距離酒店僅 10 分鐘車程）一樣，Cerebras 使用臺積電進行制造，使用其 7 納米晶圓廠。

　　如果美國創(chuàng)新與競爭法案在眾議院通過并成為法律，數(shù)十億聯(lián)邦資金將流入半導(dǎo)體行業(yè)——這已經(jīng)是最賺錢的行業(yè)之一。但要將這些投資轉(zhuǎn)化為新的芯片工廠、新的芯片設(shè)計和新的工程人才管道，還需要數(shù)年時間。該行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)不僅是要趕上臺灣今天的水平，而中國計劃在 2025 年達到這一水平，還要在未來達到他們的水平——或者走得更遠。

　　除了芯片非線性改進。3 納米節(jié)點比 5 納米節(jié)點貴。“保持領(lǐng)先地位所需的資金不斷增加，”獨立芯片制造專家 Alisa Scherer 說。時間跨度也是如此。幾乎不可能跳過一代。僅環(huán)境許可一項就可能需要數(shù)年時間。“這些不是塔可鐘，”費爾德曼說。“你不會把他們擊倒。他們不是裝在盒子里的。” 對于他的巨型 AI 芯片，臺積電和三星是唯一的兩個選擇，“眼見為實”。

　　在那之前，芯片制造——以及它引起的所有地緣政治和經(jīng)濟影響——將繼續(xù)依賴于一個微妙地橫跨海洋的全球網(wǎng)絡(luò)。