长文解读中美半导体争端

长文解读中美半导体争端拜登政府认为，通过切断先进计算机芯片的供应，可以保持美国的技术领先地位。这个计划会适得其反吗?去年十月，美国工业与安全局发布了一份文件，涵盖139页的繁杂官僚术语和详细技术细节。这一行动的重要性由于其来源的相对不为人知而显得更为显著。作为商务部下属的13个局之一，工业与安全局规模微小：其2022年预算仅为1.4亿美元左右，约为单个“爱国者”防空导弹系统成本的八分之一。该局约有350名特工和官员，共同监控全球价值数万亿美元的交易活动。在冷战高峰期间，当对苏联集团的出口控制最为严格时，工业与安全局成为西方国家防线的关键枢纽，每年处理高达10万个出口许可证。在相对和平稳定的上世纪90年代，该局失去了部分存在理由，也减少了人员和资金，并且许可证数量减少到每年约1万个。如今，这个数字已经达到了4万个，并且还在不断增加。工业与安全局拥有一个庞大的贸易黑名单，被称为实体清单（当前有662页并不断增加），还参与了众多现有的多边出口控制协议，并针对俄罗斯和中国采取行动，工作比以往任何时候都要繁忙。商务部负责出口管理的副助理部长马特·博尔曼表示：“我们百分之百的时间用在对俄罗斯的制裁上，还有另外百分之百的时间用在其他事情上。”近年来，半导体芯片成为该局工作的核心。芯片是现代经济的命脉，是各种电子设备和系统的核心，从iPhone到烤面包机，从数据中心到信用卡。一辆新车可能有超过一千个芯片，每个芯片管理车辆运行的不同方面。半导体还推动着即将在未来一个世纪改变生活的创新，如量子计算和人工智能。据报道，OpenAI的ChatGPT模型就是在目前最先进的一万个芯片上进行训练的。这一措施的逻辑很简单：先进的芯片以及由其驱动的超级计算机和人工智能系统，使得新武器和监控装置的生产成为可能。然而，这些措施的影响范围和意义远远超出了仅仅瞄准安全体制的目标。“关键在于要理解美国希望影响中国的人工智能产业”，华盛顿智库战略与国际问题研究中心瓦德瓦尼人工智能与先进技术中心主任格雷戈里·C·艾伦表示，“芯片只是达到这个目标的手段。”如果这些控制措施成功，它们可能受挫一代人；如果失败，可能会产生严重的逆效果，加速美国竭力避免的未来。控制措施的结果可能会塑造未来几十年的中美格局和全球秩序。“2022年将有两个日期在历史上回响”，艾伦说道，“第一个是2月24日，俄罗斯入侵乌克兰的日子；第二个是10月7日。”尽管其设计极为复杂，但半导体从某种意义上来说相当简单：它们是由硅片制成，上面刻有一系列电路。电路根据名为晶体管的开关的活动进行开关操作。当电路开启时，它产生1；关闭时，产生0。第一批芯片于20世纪50年代末发明，只有少数几个晶体管。如今，新款智能手机中的主要半导体芯片拥有100到200亿个晶体管，每个晶体管的尺寸大约与病毒相当，像一层蛋糕一样雕刻在硅的结构中。在过去的六十年中，进展速度以著名的摩尔定律来描述，该定律观察到芯片上可以容纳的晶体管数量大约每两年翻一番。克里斯·米勒（ChrisMiller）是《ChipWar》一书的作者，也是塔夫茨大学弗莱彻学院国际历史副教授，他喜欢指出，如果飞机的改进速度与芯片相同，那么现在飞机的速度将是光速的数倍。在人类文明史上，没有任何一种技术能够与计算能力的惊人提升相媲美。半导体制造工厂，也被称为晶圆厂，是世界上成本最高的工厂，进行着前所未有的最复杂制造，以前所未有的规模生产任何其他设备。与此同时，整个芯片行业是一个相互依存的网络，遍布全球高度专业化的地区和公司，其成就得益于异常长且复杂的供应链——换句话说，它是全球化的典范。“很难想象在没有全球最聪明的人们共同努力的情况下，他们达到的能力是如何可能的，”米勒说道。然而，正是这种相互连接性使得该行业容易受到像拜登政府正在追求的那样的监管措施的影响。只有少数几家公司可以在尖端领域进行竞争，那里的突破需要数十亿美元的投入和数十年的研究。结果形成了一个由一系列瓶颈点构成的行业。最著名的例子是由荷兰制造巨头ASML生产的极紫外（EUV）光刻机，用于印刷芯片的层。1997年，ASML聘请了一位名叫JosBenschop的年轻工程师，他拥有物理学博士学位，负责领导一个新系统的创建，这个系统将帮助ASML的半导体行业客户制造比以往更小、更快、更密集的芯片。花了四年时间才达到了必要的概念验证，才能正当地分配一个小团队来开展任务，然后又花了五年时间团队才建造出一台原型机。2010年12月，在韩国的一个研究设施里，一台更新的原型机——TWINSCANNXE:3100，终于进行了首次成功的测试。直到将近十年后，第一批支持EUV技术的产品才会上市。"这台机器是人类创造出的最复杂的东西，我真心相信这一点。”

这台最新版本的机器可以制造出小到10纳米的结构；相比之下，人类的红血细胞直径约为7,000纳米。它使用激光产生比太阳表面热40倍的等离子体，发射出对人眼不可见的极紫外光，通过一系列镜子折射到硅芯片上。这台激光器来自德国一家公司，有457,329个零件；整个极紫外机器则拥有超过100,000个同样复杂的部件。极紫外机器只是整个过程的一部分：一个尖端的晶圆厂可以包括500多台机器和1,000多个步骤。然而，单独一个极紫外机器就是一个几乎神奇的人类成就，能够在难以想象的尺度和精度上工作。“我真的相信我们的机器是人类创造出的最复杂的东西，”现任ASML技术公司副总裁的本斯霍普说道。如今，距离TWINSCAN首次试运行已经过去十多年，没有其他公司能够复制ASML的成就。通过对该行业的自然瓶颈施加压力，拜登政府旨在阻止在芯片技术的未来方向上取得进展。如今，科学进展通常是通过运行模拟和分析大量数据来实现的，而不是通过试错实验。模拟被用于发现新的挽救生命的药物，模拟气候变化的未来，探索碰撞星系的行为，以及高超音速导弹和核爆炸的物理学。田纳西大学创新计算实验室的创始主任杰克·东加拉告诉我：“拥有最好的超级计算机的人可以做出最好的科学研究。”东加拉负责一个名为TOP500的计划，定期发布全球最快超级计算机的排名。截至今年6月，中国占据了134个名额，而美国则为150个。但这个画面还不完整：大约在2020年左右，中国的提交数量暴跌，这让东加拉认为中国有意避免引起不必要的注意。有关新型超级计算机的传闻透过科学论文和研究公告流出，观察者只能猜测竞争的真实状况以及中国所谓的领先规模。“令人瞩目的是，2001年中国没有任何一台计算机上榜，”东加拉说，“现在它们发展到了主导地位。”2020年，中国国内芯片生产商只满足了该国总需求的15.9%。就在今年4月，中国在进口芯片上的支出超过了对石油的支出。长期以来，出口管制法律被视为一种陈旧而晦涩的边角领域，与美国实际行使的权力相距甚远。但在华为事件之后，美国发现自己在半导体供应链中的主导地位是一种尚未发掘的潜在杠杆。在新芯片上容纳数十亿个晶体管的排列方案中，三家均位于美国的公司主导着芯片设计软件市场。先进芯片制造工具市场也类似集中，少数几家公司能够对关键机器或工艺拥有实际垄断地位，而几乎所有这些公司都是美国公司或依赖于美国的组件。在整个供应链的每一步中，都经过美国、美国的条约盟友或台湾（地区），它们都在一个由美国主导的生态系统中运作。“我们偶然发现了这一点，”希恩说。根据市场分析公司Canalys的数据，2020年，华为是全球最大的智能手机销售商，占据18%的市场份额，甚至超过了苹果和三星。但华为的收入在2021年下降了近三分之一，该公司还出售了其中一个智能手机品牌，以求生存。到2022年，其市场份额已下降到2%。更重要的是，美国认识到，削弱一个公司，无论其规模有多大，只会为新竞争者腾出空间。需要采取更全面的方法。“特朗普政府打击的是公司，”CSIS专家艾伦说。“拜登政府打击的是行业。”这些规定比以往任何一项措施都更深入地介入了半导体供应链。中国不仅被切断了进口最先进的芯片的渠道，还被限制获取发展自己先进半导体和超级计算机所需的材料，甚至被限制使用美国产的组件、技术和软件来生产半导体制造设备，最终建立自己的晶圆厂生产自己的芯片。“这是一个‘所有可能都用上’的战略，”前工业与安全局官员沃尔夫说。其中一些元素是全新的，比如限制“美国人员”的活动范围——包括公司和公民、绿卡持有者和永久居民。自10月7日起，美国人员不再允许参与任何支持中国生产先进半导体的活动，无论是在中国的晶圆厂维修设备，提供建议，甚至授权交付给中国的半导体制造商。台湾（地区）已在几个月前签署协议，就在管制措施宣布之际。这个岛屿是一个芯片制造的巨头：它每年生产全球近三分之二的半导体，其中超过90%是最先进的。其中很大一部分产量要归功于一家公司，台积电（TSMC），这是亚洲最有价值的上市公司，也是全球最先进的半导体制造商。单单台积电就占据了合同芯片制造全球市场的约三分之一。试图控制全球半导体流动的问题之一是，它们非常小、轻巧而有价值。“走私者喜欢这样的东西，”艾伦说。但中国需要大量的芯片来支撑庞大的数据中心和设施，这使得它们的采购变得非常具有挑战性。“那些是大型建筑物，不会移动，”米勒说。“这非常适合美国情报机构的了解。”市场结构也会对试图规避管制的任何人构成障碍：能够生产先进芯片的公司数量极少，购买过这些芯片的买家也很少。但是执法系统中也存在漏洞。今年3月，中国的云计算和服务器制造企业浪潮集团被列入实体清单。但据《华尔街日报》报道，该公司的至少一个关联公司未被列入清单，这使得美国企业可以无阻地向该子公司销售产品。芯片也通过更迂回的渠道在中国流动。上个月，路透社报道了深圳一项繁荣的地下高端芯片交易，多家零售商宣传他们能够供应美国公司英伟达生产的强大芯片A100。美国政府在检测和阻止这类面对面交易方面的能力有限：工业与安全局在中国只有三名执法人员。但地下市场的存在实际上是管制措施有效性的一个早期信号。据路透社采访的零售商称，这些芯片只能以小批量供应，可能是在禁令生效前运到中国的存货。“这突显了管制措施正在发挥作用，”一位要求匿名的行业高管对我说，“如果芯片畅通无阻，他们就不会这样做。”对中国来说，追求技术自给自足的竞赛可能是该国面临的最大挑战之一。在过去几年中，随着发展国内半导体产业变得更加紧迫，至少有六个价值数十亿美元的芯片项目失败，并有一些高管因腐败问题接受调查。同时，成千上万家公司涌入半导体行业，其中一些公司对芯片几乎没有或没有任何专业知识，仅仅是为了追求政府的容易获得的资金。“领导人或高管很容易认为，如果我们向这个问题投入足够的资金和工程师，我们就能解决它，”前白宫科学技术政策办公室副主任杰森·马西尼说。但科学的巨大复杂性和横跨全球的供应链难以模仿。“在某个时刻，”马西尼说，“你正在复制整个人类文明。”然而，如果有任何一个国家能够克服这样的挑战，那很可能是中国。尽管10月7日的出口管制措施在可预见的未来将削弱中国的先进芯片制造能力，但它们可能最终会刺激长期增长。当中国公司可以获得优秀的西方芯片和供应商时，国内制造商很难找到业务。现在，中国公司必须共同创新，否则只能失败。“我们剥夺了选择，”基尔克里斯说。“以前他们可以在国家弹性和商业动机之间选择，现在他们没有这个选择。”如果中国每年4000亿美元的芯片进口的很大一部分被内部消化，国内芯片公司可能最终有了赶超的手段和动力。强调创新是必然的选择。由于无法获得美国的芯片和技术，华为被迫重新设计和重新制造其所有传统产品，以确保它们不含有美国的元件。该公司还推动了整个国内供应链的发展，派遣自己的工程师帮助培训和提升中国供应商的能力，这些供应商曾经因为选择外国替代品而被华为回避。最近，华为声称在用于生产先进半导体的电子设计软件方面取得了重大突破，尽管与美国还有几代的差距，但已经超过了其他任何中国公司。如果华为成功，它可能比以往任何时