“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。我們將它們轉變為微型計算機大腦的過程——稱它們為微芯片、半導體或只是芯片——需要近三個月的時間?！拔沂褂靡粋€像烤蛋糕這樣的類比，”芯片制造商GlobalFoundries的自動化工程師 Belfi 說?！拔ㄒ坏膮^別是我們的蛋糕大約有 66 層?！?br/>

　　這座價值 150 億美元的綜合設施隱藏在紐約Albany以北的樹木后面，是美國少數先進的半導體工廠或“晶圓廠”之一，其接收碼頭可接收 256 種特種化學品，如氬氣和硫酸。它的運輸碼頭發出成品硅片，準備好以供切割，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、耳機到戰斗機的所有物品。

　　自 2011 年開業以來，Fab 8 一直保持低調。但與衛生紙和雞翅一樣，這場大流行震驚了全球半導體供應鏈，導致令人驚訝的地方出現短缺，并將美國半導體行業拉到了舞臺中央。汽車行業受到的打擊最為嚴重。這主要因為當最初的封鎖導致汽車銷售崩潰時，汽車制造商削減了包括半導體在內的零部件訂單。（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，并改變了他們的產能，以滿足對網絡攝像頭和筆記本電腦等消費電子產品的激增需求。

　　但是，當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。知道現在，他們仍然不能。現在預計芯片缺貨將導致 2021 年全球汽車產量減少 390 萬輛，即 4.6%。僅福特就預計將減少 110 萬輛汽車的產量，從而導致 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，敦促行業領導者理清供應鏈并增加產量。問題不僅在于美國生產的芯片數量不足。問題在于根本沒有人關注芯片的制造地點——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，旨在增加芯片生產和尖端研究——直接與中國成為全球半導體冠軍的雄心競爭。但新的芯片工廠需要數年時間。分析師現在擔心，汽車芯片短缺將再次影響到消費電子產品，影響制造業一直到圣誕節。

　　“從未見過這樣的事情，”特斯拉首席執行官埃隆馬斯克在推特上寫道。

　　芯片長期以來被尊為現代社會的大腦，現在它已成為其最頭疼的問題，當前的風險也超出了大流行時期的短缺。由于芯片是眾多戰略技術的重要組成部分——從可再生能源和人工智能到機器人和網絡安全——它們的制造已成為地緣政治的刺。在 20 世紀，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了 21 世紀的流行語：芯片是新的石油。隨著美國重新回到大流行后的生活，穩定的半導體供應已成為準備和恢復能力的高度優先基準。除了有一個更大的問題：半導體是在美國發明的，但是像 GlobalFoundries 這樣的晶圓廠已經成為一個垂死的品種。1990年，37%的芯片是在美國工廠生產的，但到 2020 年，這個數字下降到只有 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鍵。

　　半導體令人震驚，因為在制造過程中需要將數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 個硅片浸入化學浴中，就像狂歡節的灌籃池一樣?！拔覀兓旧厦刻於荚诰A廠的每個部分之間來回移動晶圓，”Belfi說?！皃utting things on, taking it off, printing, putting more on, taking more off?！痹谶@個過程中，有很多事情要做，而人類只有在出現問題時才會介入。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奏。每個成本都超過 1 億美元。“當其中一個倒下時，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?！拔覀儚膩頉]有關閉過一家工廠——一個小時都沒有，”GlobalFoundries 的首席執行官 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，工程師們一直習慣于戴口罩和全套個人防護裝備，照常監視機器人。事實證明，商業沖擊更難處理。與許多行業一樣，Caulfield最初的財務模型讓他為最壞的情況做好了準備。“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。世界需要我們繼續制造半導體?！边@不是輕描淡寫。芯片為大流行應對提供了動力——網絡攝像頭、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，而是他們的供應商及其供應商的供應商都取消了訂單。

　　但是半導體晶圓廠不能turn on a dime。代工是芯片行業合同制造商的術語，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品牌，整個供應鏈很長。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，它不會最終出現在汽車發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，在某個生產階段可能只有 10 種不同的芯片。每個獨特的新芯片設計都以 6平方英寸的面積出現。 一塊石英玻璃稱為標線（reticle）。就像一張舊的照片幻燈片，它包含一張芯片圖，準備好用激光投影到硅片上。標線是它自己的商業秘密，屬于設計它的公司的受保護知識產權，并根據 GlobalFoundries 專有工藝的獨特規格進行了調整。切換晶圓廠并不容易，而且絕對不會很快。

　　感恩節前后，大流行八個月后，Caulfield 的電話開始響起，哪些從未聽說過 GlobalFoundries 的汽車高管意識到沒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鏈所有者，并且你沒有發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生，”Caulfield 說。到了新年，其影響令人震驚。2019 年，汽車行業在芯片上花費了 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） 為汽車行業提供的芯片比其他任何公司都多，但汽車行業僅占其收入的 3%。（蘋果占 20% 以上。）在 GlobalFoundries，用于汽車的芯片占其業務的不到 10%——這足夠重要，但還不足以警醒。

　　今年情況發生了變化，當時芯片制造商的政治風險急劇上升。Caulfield 呼吁他的工程師“重新混合他們的輸出”，擱置一些訂單并優先考慮汽車芯片?！拔覀冏龀隽朔浅ＦD難的決定，”Caulfield 說?！盁o論我們在哪里可以創造更多產能，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?！拔也恍枰讓m的來信就可以做正確的事。”

　　但白宮正在關注。今年之前，立法者將芯片制造視為當地經濟問題。參議院多數黨領袖查克舒默支持在他的家鄉紐約州建設 GlobalFoundries 的晶圓廠，并游說更多晶圓廠渠道當地。但大流行揭示了芯片制造的下降不僅與就業和區域經濟影響有關，而且在全球范圍內也具有戰略意義。2 月，拜登總統簽署了一項行政命令，啟動對關鍵供應鏈的審查。如果大流行可能導致跨行業的芯片引發的沖擊，還會發生什么？“我們明確地將地緣政治視為我們供應鏈的風險之一，”一位高級政府官員表示。

　　在半導體制造的早期的1960 年代，英特爾聯合創始人戈登摩爾觀察到，他和他的同事們能夠將他們每年可以擠在芯片上的晶體管數量增加一倍。十年后，這種創新步伐放緩（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，而是為構思新的芯片設計并找到制造它們的方法而在研發上投入巨資的來之不易的結果。實際上，每一代的半導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，該基準由臺積電設定，臺積電運營著 5 納米晶圓廠，用于生產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，以及環繞它們的設備群。最新的晶圓廠耗資至少 120 億美元。

　　今天，半導體行業主要分為設計芯片的“無晶圓廠”公司和制造芯片的代工廠?！按_實有兩個巨大的固定成本，”彼得森國際經濟研究所的經濟學家查德鮑恩說?！耙惶坠潭ǔ杀揪褪撬械难邪l——你需要想出芯片的想法。另一個固定成本是所有資本設備——你需要建造這些晶圓廠之一?！?幾十年來，像英特爾這樣的領先公司都做到了這兩點?！罢嬲哪腥擞芯A廠，”Advanced Micro Devices 的前首席執行官杰里·桑德斯 （Jerry Sanders） 在 1990 年代的一句著名的言論中強調了這個。但這現在已經過時了，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分了晶圓廠和無晶圓廠，并主導了今天的行業。其創始人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“產能”——足以出售的芯片數量——并壓低了價格。但在管理了 TI 的整個半導體部門之后，Chang 得出的結論是，他永遠不會成為美國的 CEO?！拔矣X得我基本上是被放牧了，”張在出版的口述歷史中回憶道。“我進一步發展的希望破滅了?！?/p>

　　在德州儀器工作期間，Chang 看到了芯片工廠成本的上漲，以及它阻礙創新的方式。他的同事們渴望通過新的創新來實現自己的突破，但永遠做不到。如果您必須經營自己的晶圓廠，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半導體公司——并在中國臺灣政府的支持下，于 1987 年創立了臺積電。

　　這是全球貿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體生產——但第一任布什政府采取了更加不干涉的方式?！笆砥娔X芯片，有什么區別？” 喬治·HW·布什的經濟顧問邁克爾·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，也開始將一些生產轉移到海外。“雖然這一切都在發生，但我們強烈地堅持我們的市場經濟學原則”，領先的貿易組織半導體行業協會的首席執行官約翰·紐弗說。普遍的態度是不理會公司——不讓政府做生意。

　　當 2010 年蘋果公司宣布其首款定制設計芯片 A4 時，在半導體行業中不言而喻的是，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，英特爾一直設計和制造蘋果芯片在其設備中使用。但該行業的這種劃分已經成為常態，并且一直延續到今天：最復雜的芯片可能仍是在美國設計但在海外制造。硅谷仍然名副其實——但這要歸功于數十家無晶圓廠芯片設計初創公司，而不是曾經取代果園的代工廠。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‘我們不創造贏家；我們讓資本主義運轉，’”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。”

　　現在美國立法者正在改變方向。6 月的參議院法案，正式的美國創新和競爭法案，旨在與中國競爭，部分是通過補貼半導體制造?！皫啄陙?，兩黨越來越達成共識，美國需要進行更多國內投資以保持我們的競爭優勢，尤其是在與中國進行某種戰略競爭的時代，”一位高級政府官員表示?！斑@是一個簡單的政治監督，”半導體行業協會的 Neuffer 說?！斑@不再是疏忽了?！?/p>

　　特朗普政府激進的貿易政策為共和黨人支持更大的經濟干預打開了大門?，F在他們要求更多?！斑@里確實有一個錯誤，”保守派智庫 American Compass 的執行董事奧倫·卡斯 （Oren Cass） 表示，他將半導體視為美國經濟政策必要轉變的“終極案例研究”?！八鼈冿@然是高科技，它們長期以來一直是美國的主導領域，它們顯然具有國家安全意義，你可以很好地量化誰領先或落后，”卡斯說?！八云渌麕准聼o法做到的方式將問題具體化。”

　　對于拜登總統來說，半導體是刺激美國高科技產業的機會?！斑@是基礎設施，”總統在 4 月說，當時在白宮的他還舉著一塊閃閃發光的硅片。

　　但將領先的半導體制造帶到美國需要數年時間。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 納米節點上線，而臺積電正在超越其 5 納米節點并準備生產 3 納米節點。（據報道，蘋果將再次成為其主要客戶。）英特爾負責美國政府關系的副總裁 Al Thompson 表示，這關乎“產能和能力”。“我們將在美國投入大量資金，創造大量就業機會，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域最復雜的研究——例如發現抗癌藥物或模擬融合反應。它的核心是一個定制設計的芯片，具有非凡的新設計。

　　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 的定制芯片包含數萬億個晶體管。為了讓它發揮作用，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雜的也有缺陷，這會毀掉芯片。半導體設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。（產能是剩下的。）

　　Cerebras 的工程師創建了一個包含 850,000 個相同塊的設計，以及一個可以關閉任何有缺陷部分而不損壞整個芯片的系統。大多數超級計算機將數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——這是美國技術政策的一個關鍵目標。

　　這種大膽的想法定義了硅谷創新的早期，以及美國芯片設計師的持續創造力。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?！叭绻阆朐谧钋把氐木A廠制造芯片，只有兩種選擇，”費爾德曼意味深長地說?！澳憧梢赃x擇中國大陸，也可以向非軍事區扔石頭”——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。

　　如果美國創新與競爭法案在眾議院通過并成為法律，數十億聯邦資金將流入半導體行業——這已經是最賺錢的行業之一。但要將這些投資轉化為新的芯片工廠、新的芯片設計和新的工程人才管道，還需要數年時間。該行業面臨的挑戰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 納米節點比 5 納米節點貴。“保持領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。僅環境許可一項就可能需要數年時間?！斑@些不是塔可鐘，”費爾德曼說?！澳悴粫阉麄儞舻?。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濟影響——將繼續依賴于一個微妙地橫跨海洋的全球網絡。