華為的下一個「卡脖子」難題與這場晶片巨頭之爭緊密相關

東西方之間日益緊張的關係正在使半導體行業發生大規模的變化。如今，半導體集成的尖端環節基本集中在台灣和韓國，而不是在英特爾所在的美國。因此，美國政府已強勢介入，試圖開創美國「產業民族主義」的新時代。2022年6月初，參議院通過了《美國創新與競爭法案》（USICA），其中包括520億美元的聯邦資金，用於加速國內半導體研究、設計和製造，各界也將其稱為「晶片法案」。

晶片幾乎為所有類型的數字設備提供動力，當然也為所有運行作業系統的電腦系統（包括軍用系統）提供動力，其理所當然地被視為國家安全問題。傳統上，美國在晶片設計和製造方面一直處於世界領先地位。1990年，美國曾佔半導體和微電子生產37%的份額，目前僅佔12%。如今，雖然美國依然掌控著晶片設計的核心環節，但曾經的「國家冠軍」英特爾公司已經地位不保。

當然，更多人關注的是半導體產業及其龐大的經濟利益；除企業外，如今各國政府也開始強勢介入該領域。「晶片法案」可能會刺激多達10家新晶片製造工廠的發展。在美國政府對半導體產業投資的支持下，英特爾新任首席執行官派特．蓋爾辛格（Pat Gelsinger）宣佈斥資200億美元擴建英特爾亞利桑那州錢德勒工廠的兩個新晶圓廠，其中42號晶圓廠已全面投入生產10納米節點晶片。在大西洋另一側，歐盟出台了相關計劃，以期在半導體設計和製造方面實現自給自足。

雖然中國渴望在半導體領域實現自給自足，但卻缺乏能夠開發和製造半導體製造商所使用的設備、非晶圓材料和晶圓材料的本土公司。美國和歐盟主導著關鍵設備市場，台灣的設備製造商幾乎為零，而中國大陸的份額僅為個位數。不過，中國的「無晶圓廠」晶片設計行業正在不斷發展壯大。

不過，半導體行業設計、開發和製造的全球化或將塑造一個更分散的電腦軟件行業未來。曾經穩定的「Wintel」（Windows和英特爾Intel）雙頭壟斷已基本解體。2020年12月，基於ARM架構，微軟宣佈正在為「微軟雲」的伺服器和Surface設備設計專用晶片。微軟的做法在很大程度上是在模仿競爭對手亞馬遜，後者已經為旗下的「亞馬遜雲」設計了專用的ARM晶片Graviton 2。（譯者注：早期的伺服器晶片以RISC架構為主。此後，隨著英特爾推出x86架構，逐漸擠壓了RISC處理器市場。在很長的一段時間內，AMD和英特爾佔據著伺服器市場的主流，其中英特爾市場份額超過90%，AMD則是剩餘10%市場的主導企業。近些年來，ARM、RISC-V兩大架構加強了對英特爾x86的挑戰，但各有優劣。ARM架構的特點在於應用廣泛、生態成熟，開發適配都更方便。RISC-V架構特點在於完全免費、開源，可以自主把握，但還處於起步階段。如今，全球約10%的伺服器已經用上ARM架構，其中40％位於中國。）

如今，很難說微軟的Window系統依然是電腦世界的基礎；它更像是一種普遍的存在，有點類似電動汽車革命中的化石燃料汽車一樣。隨著英特爾公司的衰落，或者說Wintel霸權的崩潰，各類新的晶片架構（如上述的ARM）和配套的作業系統及設備方案正在快速崛起，反過來也加速了電腦輔助設計（CAD）等工業軟件領域的變革。

這是一個舊模式逐漸被新模式取代的全新時代。

1.摩爾定律：彼時與此刻

自英特爾公司成立和x86 CPU晶片架構出現以來，摩爾定律在很大程度上兌現了它的承諾。摩爾定律以英特爾聯合創始人戈登．摩爾（Gordon Moore）的名字命名，其具體指微處理器上的電晶體數量每兩年翻一番，即年複合增長率要達到41%。

摩爾定律跨越了英特爾、摩托羅拉、ARM、蘋果、IBM等公司數十年的晶片發展歷程。上世紀七八十年代，英特爾的競爭對手，如摩托羅拉和IBM，在很大程度上保持了半導體行業的火熱發展；進入九十年代和21世紀後，AMD維持著競爭格局，尤其是加劇了伺服器領域的晶片競爭，進一步推動英特爾在相關領域的強勁研發和創新。

不過，一個新趨勢正逐步浮出水面。從1994年到2007年左右，ARM公司（中文為「安謀公司」）的Cortex A9只有不足5000萬個電晶體，相比IBM的Power 6、英特爾的Itanium 2和AMD的K10等強大的伺服器晶片存在著巨大的差距——它們基本上都超過了5億個電晶體。然而，從2008年開始，情況發生了變化，ARM的發展速度比晶片行業的其他公司都要快（見下圖中的綠線）。

從上圖可見，ARM的發展速度（綠色線）從2008年開始越來越快，而英特爾（紅色線）卻逐漸跟不上摩爾定律。到2016年，英特爾的發展速度進一步放緩，而ARM還在繼續加速發展。

2013年，ARM的授權廠商蘋果公司推出了A7，這是一款具有里程碑意義的64位元系統級晶片（System on Chip，SoC），擁有超過10億個電晶體。這款iPhone手機晶片搭載的電晶體數量，甚至超過了2007年IBM的Power 6，這個世界上曾經最強大的伺服器晶片之一。（譯者注：SoC是一個微小型系統，將微處理器、類比IP核、數位IP核和記憶體集成在單一晶片上。SoC通常是為客戶定制的，或是面向特定用途的標準產品。）

ARM的崛起只是全球半導體潮汐變化中的一個因素，而英特爾落後於摩爾定律則是另一個重要因素。在如今的半導體行業內，沒有其他公司能像安謀公司一樣獨特：它可能標誌著全球半導體行業「最民主」的力量，將晶片設計方案授權給任何想基於ARM架構和生態系統做開發的人。（譯者注：Arm商業模式的特別之處，在於其僅提供晶片架構，而沒有下一步的晶片設計業務。）

2.此消彼長：ARM、蘋果和英特爾

在本世紀頭十年的後半期，安謀公司（ARM）成為了移動設備處理器領域當之無愧的領導者。作為ARM的主要創始人之一，蘋果公司自Newton電腦系列開始使用基於精簡指令集的CPU（Reduced Instruction Set Computer，RISC。譯注：電腦指令集，是電腦硬體可以直接識別的命令，是指CPU用來計算和控制電腦系統的一套指令的集合。CPU是電腦系統的核心，電腦指令集則是CPU的「傳令官」），此後便開始對ARM架構的晶片情有獨鍾；2007年發佈的iPhone也使用ARM晶片，並開啟了智能手機時代。如今，在平台架構層面，ARM穩坐移動設備市場的核心。

同時提供更強處理能力和更長電池續航時間的競爭壓力，使ARM晶片的進步曲線更加陡峭，註定要在每瓦性能上趕上並超越英特爾x86晶片。

長期以來，ARM和英特爾處理器的一大區別是ARM主要設計低功耗處理器，英特爾的強項是設計超高性能的桌上型電腦和伺服器處理器。ARM架構作為目前最成功RISC架構，主導了智能手機和物聯網晶片處理器市場。根據英偉達公告，基於ARM架構的晶片已累計出貨1800億顆。ARM架構處理器在智能手機晶片、車載資訊晶片、可穿戴設備、物聯網微控制器等領域佔到90%以上市場份額。

自iPhone 13系列開始，蘋果將採用最新推出的SoC：A15 Bionic。值得注意的是，與A14相比，A15 Bionic在CPU性能方面並沒有取得多大進步。蘋果公司似乎受到了半導體人才外流的衝擊，人才紛紛流向Nuvia和基於RISC-V架構的新公司Rivos。儘管如此，A15 Bionic仍設法將GPU性能比現有的任何其他智能手機晶片（包括自己的A14）提高了50%。A14 Bionic擁有150億個電晶體，僅比蘋果M1晶片少10億個。

此前，高通宣佈將以14億美元收購由蘋果前員工創立的晶片創企Nuvia，提升自身在高性能計算領域的競爭力。高通和蘋果曾因專利版稅問題屢次對簿公堂，儘管雙方現已達成協議，但Nuvia公司和蘋果一直處於交惡狀態。通過此次收購，高通計劃將Nuvia的CPU技術廣泛應用在智能手機、筆記型電腦等一系列業務上，從而在高性能計算領域和蘋果、英特爾等公司抗衡。（譯者注：有評論指出，高通希望借Nuvia降低對ARM架構的依賴，進行更多的定制設計，降低直接購買許可的費用。）

蘋果公司在2007年春季收購PA Semi之後，基本上從頭開始搭建了世界一流的半導體設計團隊。《福布斯》雜誌的一篇報道曾指出，這次收購對英特爾來說是一個打擊，因為他們本希望說服蘋果公司在iPhone及更多未來移動設備上使用英特爾的Atom處理器。蘋果的選擇作為風向標，讓英特爾與智能手機領域的快速崛起幾乎失之交臂。

在後PowerPC（一種基於RISC架構的中央處理器）時代，英特爾和AMD展開了激烈的競爭，並且英特爾還在2005年成功爭取到了蘋果電腦的訂單。與此同時，安謀公司也在悄無聲息地推進ARM晶片架構的發展，以便從每一瓦的功率中榨取更多的計算性能。當許多智能手機製造商在其智能手機晶片上使用基本未經改動的ARM晶片設計時，蘋果公司也獲得了ARM的特別授權，可以開發基於ARM晶片並帶有專有邏輯的客戶晶片。

從上面兩張圖表可以看出，ARM體系已經趕上並實現對英特爾x86的趕超。英特爾新任首席執行官派特．蓋爾辛格表示，到2025年，英特爾「將重新奪回每瓦性能桂冠」。考慮到最近的歷史和ARM固有的架構優勢，這種說法似乎更像是口號。此外，英特爾和AMD在每瓦性能方面還將面臨新的重大競爭，那就是2021年成立的Rivos公司。這家企業從蘋果挖走了 40 多名核心工程師。

3.先進製程：英特爾的迅速潰敗

英特爾究竟是如何在性能上落後的？這家曾經一枝獨秀的巨無霸，當前不僅落後於新興的ARM，甚至也快趕不上老對手AMD了。幾年前，英特爾在製造領域的領先地位開始放緩。在2020年夏天，情況急轉直下，英特爾宣佈大幅推遲下一個製造里程碑。

英特爾從成立之初就認為，如果晶片設計師能直接與製造工程師合作，英特爾就能在半導體領域引領世界。這是理念，但不一定是現實。舉例來說，荷蘭半導體光刻系統製造商阿斯麥（ASML）早在2012年就與英特爾合作，為下一個微小晶片時代開發極紫外光（EUV）的光刻系統。不過，ASML也與三星和台積電就同樣的技術進行了合作。目前，僅台積電一家公司就擁有全球現有EUV光刻機總數的一半。

台積電基於5納米節點的晶片（如最新蘋果電腦中使用的自研M1處理器），完全依賴ASML的EUV光刻機，每台設備的成本高達1.5億美元，使用前可能需要4-6個月的安裝時間。英特爾最早的10納米晶片採用傳統光刻技術，但以失敗告終。雖然英特爾已經開發出10納米晶片，並已開始出貨，但其7納米晶片計劃卻不得不依賴ASML的EUV設備。

英特爾的晶片製造問題可能最終源自全球化大分工帶來的損耗。那些試圖掌控整個晶片產業鏈條的公司，可能會被海量在細分領域做到極致的小公司逐步擊敗。例如，上世紀80年代中期，英特爾最終放棄了隨機存取記憶體（RAM）市場，因為它無法與日本的主要競爭對手競爭；後者將大量資金投入新工廠，繼續生產出了世界上最好的RAM晶片。

現在，隨著台積電和三星為智能手機市場多生產數億顆晶片，亞洲晶片代工廠擁有了更多的資本和更高的估值。由於建造晶片工廠的成本高達數百億美元，市場領導者比其較小的競爭對手更快地獲得了提升新工藝節點的能力。簡單地說，它們有資金更快地開始採用新的工藝節點技術。

令英特爾驚訝的是，其晶片設計與製造之間的緊密關係反而成為了一種束縛。當該公司在2018年的10納米節點爬坡過程中遇到困難時，它沒有任何外部晶圓廠可以求助。這是因為，英特爾往往針對其晶片製造工具進行設計優化的，但協力廠商代工廠並不擁有這些工具；英特爾也無法直接對三星要求，「為我們做這樣那樣的設計」。

幾十年來，英特爾可能曾創造了半導體行業，但新的解決方案需要新型材料和重新設計，這也將英特爾推向了前所未有的境地。與此同時，亞洲的合同晶片製造廠更迅速地解決了這些問題：因為基於ARM架構的晶片設計，以及AMD、英偉達（NVIDIA）和蘋果公司的定制設計，其與特定製造設備和工業流程的要求的聯繫顯著更低。

4.後起之秀：AMD強勢反超

2022年初，在半導體產業「纏鬥」超過40年的英特爾與美國超微半導體公司（AMD），終於迎來了完全不一樣的市場地位。當時，英特爾最新的市值為1972億美元，而AMD市值一舉躍升至1977億美元，正式宣告超越英特爾，實現了「千年老二」的強勢反超。

其實，在過去十年的後幾年裡，英特爾幾乎所有的主要競爭對手都取得了長足的進步，並攫取了市場份額和絕對的性能領先地位。英特爾在電腦晶片領域的主要競爭對手AMD憑藉在亞洲生產的新型CPU晶片設計取得了進展。

2022年初，AMD宣佈，以全股票交易方式完成對賽靈思（Xilinx）公司的收購，交易價值為498億美元。賽靈思前首席執行官Victor Peng將加入AMD，擔任新成立的「自我調整和嵌入式計算集團 」（AECG) 的總裁。這是AMD成立60以來最大的一筆交易，同時也是半導體行業中的最大交易。

AMD的旗艦CPU銳龍（Ryzen）9由台積電採用7納米工藝製造，但尚未使用EUV。儘管如此，AMD在單核和多核晶片性能的絕對最佳平衡方面仍處於世界領先地位。此後，銳龍9-5950X的16核CPU的平均單核跑分為1689分，多核跑分為16681分。雖然英特爾第11代酷睿i9-11900K的單核成績略勝一籌，但8核的多核成績卻相差甚遠。

從本質上講，AMD在提供業界領先的單核性能的同時，還提供了較高的多核性能，這種均衡的頂級性能對工業軟件行業至關重要。此外，AMD在圖形計算及人工智能領域也取得了明確進展。

5.人才流失：來自蘋果的初創公司

蘋果向來在晶片設計上抱有很大的野心，從A系列仿生晶片到M系列高性能晶片，貫通移動與桌面端。作為「半路出家」的晶片公司，蘋果公司在每瓦性能方面已逐步達到世界領先地位。例如，它的M1處理器在上的單核分數超過1700，並且其能耗優勢顯著高於英特爾：M1公佈的熱設計功率（TDP）為39瓦。

然而，由於近幾年頻繁的人員流失，蘋果最新的自研晶片的進展正在逐漸放緩。2019年2月，在蘋果負責A7至A12X晶片開發的首席晶片設計師威廉姆斯離開蘋果，他是蘋果歷代iPhone核心處理器以及M1系列的首席架構師。在他離開的同時帶走了多位元關鍵晶片工程師，隨後與他人共同創辦了新公司Nuvia，主要業務是開發用於資料中心的處理器。（譯者注：同年，蘋果公司將ARM首席架構師Mike Filippo收入麾下，擔任蘋果自研M1晶片的架構總監，但在2023年初Mike Filippo 又出走微軟。2021年12月，在蘋果任職超過8年的M1晶片設計總監Jeff Wilcox也宣佈離開蘋果，將重返英特爾。）

Nuvia現已成為高通公司的一部分。雖然Nuvia最初的目標是通過其計劃中的Phoenix CPU在資料中心晶片的每瓦特性能方面處於領先地位，但高通公司的領導層似乎有不同的想法。據報道，Nuvia團隊正在開發基於ARM的Phoenix技術，並計劃將其用於平板電腦、智能手機以及Chrome和Windows平台的小型筆記型電腦等移動終端，與蘋果展開直接競爭。

此外，新的晶片初創公司Rivos也是由蘋果半導體資深人士領導的。Rivos公司目前仍處於隱身狀態。與高通公司的Nuvia團隊不同，Rivos公司專注於RISC-V晶片平台技術，而不是ARM平台技術，其目標市場也是資料中心。該公司的目標是擁有第一個高性能RISC-V內核，並且已經吸引了許多來自Apple、Google、Marvell、高通、英特爾和AMD的高級CPU架構師。

雖然RISC-V是一種開放規範和開放平台，但這並不意味著Rivos將是一種開源處理器。2010 年發佈的RISC-V從發明伊始即以開源為最大特色，受到全球學界、產業界的高度關注，各國政府出台政策支持RISC-V的發展和商業化。

RISC-V和ARM都基於RISC架構，而英特爾x86在其歷史上主要採用通用指令集計算架構（CISC）。概括地說，RISC允許降低每條指令的處理器時鐘週期數，並採用標準化的負載存儲限制模型。RISC的主要特點是減少整體時鐘週期，因此在功耗方面更勝一籌。因此，基於RISC的ARM晶片在移動設備半導體領域引領世界潮流也就不足為奇了。

在2007年前，蘋果公司就考慮在未來的Mac電腦中採用PA Semi晶片。PA Semi創始人Daniel W. Dobberpuhl和希望在PowerPC架構（RISC）的基礎上設計出功耗低、功能強大的晶片。就在被收購前不久的2007年2月，PA Semi還首次推出了一款64位元雙核微處理器，其能效比任何同類晶片都高出300%。該晶片2GHz時的能耗為5-13瓦。

這就是蘋果A系列晶片的基礎團隊，其每瓦特性能在業內遙遙領先。但是，越來越多的蘋果半導體團隊正在離開，轉投自己的晶片設計初創公司。在晶片供不應求的今天，在半導體產業日益全球化的今天，在核心技術和人才跨地緣政治地區日益民主化的今天，激烈的競爭還將繼續。

6.軟件變局：架構轉移帶來機遇

半導體行業曾經由英特爾公司主導，以美國為基地。隨著上述一系列具有里程碑意義的變革，未來十年可能會徹底顛覆曾經Wintel雙頭壟斷局面。當前，Windows已經在針對ARM架構進行重寫。

為順應軟硬體體系的重構，電腦輔助設計（CAD）等工程軟件行業也會有大量代碼需要重寫。設計師的工作環境將大幅改變，他們必須考慮在新架構下CAD和3D軟件將如何運行。目前，ARM不僅與英特爾x86架構不相上下，而且在性能/功耗方面更勝一籌。這對於雲計算和移動計算同樣重要。亞馬遜、微軟、谷歌和蘋果都在轉向基於ARM的資料中心，因為它們運行起來更高效、更便宜。

如今，已經有一些CAD和3D開發人員將他們的軟件解決方案轉移到蘋果晶片上。例如，Vectorworks是蘋果電腦上領先的CAD解決方案，其代碼中有120多個依賴項需要從x86重寫為ARM，並正在與協力廠商開發人員一起解決這些問題。大多數CAD、BIM和3D軟件都包含多個依賴項——從物理引擎、數位地形建模引擎、CFD引擎、幾何建模內核（如Parasolid和ACIS）到不計其數的渲染和視覺化引擎。這將是一個不同層次的顛覆過程，取決於每個應用程式的傳統依賴關係。它為新進入者提供了一個機會，使他們能更快地做出反應，並開發出新的CAD行業創新產品，例如Shapr3D。

即便英特爾實現它們的口號，到2025年再次奪得每瓦性能桂冠，變革也不會停止。隨著「遠端辦公」與雲服務的快速發展，基於ARM架構的設備將逐步佔據主流，CAD乃至更全面的科研和工程軟件市場也必將對其適應。

本文獲《觀察者網》授權刊載。