如何投资半导体未来？美智库这样建议！_风闻
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2021-03-22 16:02
随着美国在半导体这一关键技术领域的领导地位下降，人们对美国在该领域实力的担忧已达到高潮，不难理解为什么。
美国在五十年代到七十年代这期间诞生的行业中占据主导地位，迎来了当今的数字经济。然而，尽管美国公司目前仍在芯片设计方面处于领先地位，但制造很大程度上外包给了中国台湾和韩国。制造芯片的过程及其复杂且造价很高，但美国的芯片设计者不会因为成本低廉而将资源转移到亚洲的生产商，而是与中国台湾和韩国的公司合作，恰恰是因为它们掌握了制造前沿逻辑芯片所需的超先进制造工艺。
主要有两点值得关注：一是美国无法制造前沿芯片，二是美国目前在芯片设计中的主导地位遇到了新挑战。
据统计，到2020年，美国仅生产了全球12％的芯片。近年来，美国最先进的芯片制造商英特尔在制造工艺的精确方面落后于中国台湾的台积电（TSMC）和韩国三星。最小最快的逻辑芯片现在只能在海外生产。与此同时，美国在芯片设计方面的领先地位受到了来自英国、中国大陆及中国台湾的公司的挑战，而全球唯一拥有生产芯片所需的最先进的极紫外光刻机的生产商在荷兰。这也就不难理解为什么专家会担心美国在获取许多关键组组件方面将会面临多重风险。
反观中国，他们正在通过增加对半导体行业的投资来使自己成为行业的领导者。中国将半导体列为优先技术，中国已在多个省市启用投资计划，将数十亿美元投入其芯片工作中。尽管这些计划面临着诸如美国在内的重大挑战，但大多数行业观察者依然认为，中国很有可能会赢得市场份额，尤其是在芯片设计和制造方面。中国目前每年进口超过3000亿美元的芯片，其贸易额甚至超过中国购买的石油。与美国一样，中国大陆大多购买中国台湾或韩国生产的芯片，尽管许多芯片是由美国公司设计的。而中国的战略目标是用中国芯片公司取代国外的设计和生产。
美国的决策者担心美国将失去其在芯片设计中的地位，以及它将不再是芯片制造的领导者的现实，他们认为美国半导体行业急需帮助。在过去的几年中，相关参与者、研究人员和芯片行业提出了各种各样的建议，这些建议包括数百亿美元的新补贴、进一步的限制、新的管制以及对中国企业的限制。
这些提议中有许多对美国的芯片所面临的挑战定义得太狭窄了，他们只专注于重现行业过往的辉煌，而不是投资于美国可以引领未来的领域。而且，它们通常旨在行业内对竞争对手进行封锁而非公开竞争，企图用这种方式来确保美国当前的竞争力。
首先，有关芯片投资的许多讨论都集中在如何确保美国在设计和复兴美国制造“前沿”芯片方面处于主导地位。实际上，这不是一个单独的领先优势，而是许多不同的优势。芯片有各种类型，有些是数字的，可在服务器和智能手机中提供计算能力；其他的则是模拟的，例如设备中的电源管理控制器。芯片是使用不同的指令集架构设计的，PC和大多数数据中心都运行在x86架构上，而英国公司Arm的架构则主要用于移动设备上。
为数据中心供电的芯片可能会花费数千美元，而最简单的微控制器可能只需要几美分；某些芯片（包括多种类型的存储芯片）可以插入不同的设备中；其它的芯片（例如特斯拉设计的芯片），只能应用在本公司生产的汽车上。后来，出现了诸如量子计算之类的新兴前沿科技，它们使用完全不同的属性来构建计算机处理的新模型。相关人员们不应该为仅由逻辑芯片制造定义的“先进技术”制定策略，而是需要将半导体行业视为多种不同技术的集合，每种技术在经济中都有关键用途。美国的策略应该是支持涵盖该行业许多不同领域的深度而有弹性的芯片生态系统。
在围绕半导体的大多数讨论中，都缺乏基于生态系统的观点，在这些讨论中，对市场干预（如商业激励和贸易限制）的关注占据了主导地位。而实际上，美国在半导体领域的领先地位始于其教育和研究机构，以及由此培育出的高技能人才。一项更具战略性和更全面的半导体计划，必须从整个行业的角度出发，确保为维持美国的竞争优势所需的各种技能和研究提供充分支持。
第三，半导体行业正经历着从封闭源技术到开放源代码模型的一代代转变，这将推动更具多样化、专业化和竞争性的芯片产业的发展。在这一过渡时期，美国决策者们的意见出现分歧，人们普遍担心开源技术会取代美国的竞争优势，因为开源将迫使一些芯片公司改变其商业模式。但是，如果采取战略性措施，它也可以催生新一代的半导体创新。美国与其致力于保护那些担心开源技术并试图捍卫现有知识产权的企业，不如问问他们如何鼓励采用开源芯片架构来降低成本、提高安全性以及促进创新。
美国为支持其半导体产业而采取的行动，应当不仅仅着眼于保护目前行业的领导者，还应着眼于建立创新基础，以培养未来的行业领导者。
本报告从三个方面阐述了美国应如何为其半导体行业制定出更全面策略：
支持下一代半导体技术的研究在各个阶段改善工程师和人才进入半导体行业的渠道拥抱开源技术，让美国成为全球半导体行业最具竞争力的国家
专注于下一代技术
美国政府应如何支持下一代半导体技术？韩国、中国台湾以及越来越多的中国大陆竞争者已经在芯片制造领域占据了一定的市场份额，一些分析人士认为，美国的市场地位正受到威胁。美国政府采取各种措施以支持微电子产业。对于芯片产业而言，中国发展本土芯片产业的驱动力有着很强劲的势头，但这并不是美国第一次在全球芯片产业中的主导地位受到挑战。
本节将探讨美国半导体行业在过去如何面对国际竞争，尤其是在上世纪八十年代来自日本的竞争。当时的美国成功保持行业领先地位的策略也为今天提供了经验教训，现在，美国政府再次将半导体视为一项战略技术，该行业的历史为现今支持芯片技术的策略提供了很有价值的参考。
从上世纪八十年代日本的竞争到当今中国的竞争
近年来，中国采取了多项举措来发展半导体技术，通过资金和各种各样的的战略计划，中国将微电子技术视为减少中国对外国依赖的重要行业。根据经济合作与发展组织（OECD）的研究，中国正在大力推动半导体业的发展。而上任美国政府通过实施各种限制措施来打击华为及其海思芯片设计部门，阻止其与几乎所有芯片制造商签约，从而对中国的在芯片方面的努力进行反击。
此外，美国还限制中国最大的芯片制造商中芯国际从国外购买先进设备。为此，中国只能大力发展本土产业。大多数研究认为，尽管中国目前无法生产出最先进的芯片，而且在未来几年内也不太可能做到，但在未来十年中，中国在半导体制造业中所占的份额将会增加。
然而，今天与中国的竞争并不是美国在半导体行业的主导地位第一次受到挑战。在上世纪八十年代，日本公司就能够以比美国公司更高的质量和更低的价格生产DRAM存储器芯片（当时是半导体市场的支柱）。日本公司首先借鉴了美国芯片生产商的技术，但是进行了大幅度的改良，从而降低了制造缺陷率。为此，美国芯片公司指责日本政府补贴半导体生产并窃取美国芯片机密，这两者虽然是事实，但是不可否认的是，美国的产品质量确实落后于日本，即使是美国客户，也因此而选择购买日本的产品。
八十年代，美国芯片公司要求政府给予行业补贴，并要求对日本进口产品实施限制。在半导体高管们的激烈游说之后，支持自由市场的里根政府同意了这两个提议，通过贸易保护措施来帮助半导体行业。通过关税威胁，里根政府迫使日本对两种存储芯片DRAM和EPROM实施配额和价格下限。
但是事后看来，这些措施并没有太大的效果。因为除了一个美国DRAM生产商以外，其他所有生产商要么都将精力转向了其他市场，要么最终破产。实际上，DRAM市场的激烈竞争最终将所有日本公司赶出了市场，因为它们最终被成本更低的竞争对手所取代，这其中既有来自韩国的公司，也有美国的新公司公司，例如美光公司（Micron），就是一家具有创新精神的美国新公司，通过创新，该公司成功生产了比之前其它美国公司更便宜的DRAM芯片。
美国的这些策略旨在支持美国已制造出的产品。但是摩尔定律指出，芯片的计算能力每两年将翻一番。由于技术的飞速发展，最先进的半导体往往在很短的几年内就过时了。在八十年代锁定DRAM市场的日本公司到了九十年代初就发现自己面临着巨大的困难，这些挑战来源于英特尔这样的美国竞争对手所进行的技术创新。日本企业以巨额资金建造晶圆厂的策略（不难联想到今天的中国）导致了过度扩张，九十年代贷款到期后便很大程度拖累了日本企业。而且，韩国新竞争者对现有技术的关注使日本受到了更大的冲击，韩国很快就学会了如何高效、低成本地生产DRAM。今天，日本仍然是半导体供应链中某些部分的主要参与者，但这与八十年代后期几乎是主导地位的角色相去甚远。
当时，美国芯片业抵御住了日本的挑战并不是因为各种保护策略，而是因为创新。有两个例子说明了这一点：英特尔在这期间将重心从DRAM转到了电子设计自动化（EDA）工具。英特尔在八十年代初曾是美国领先的DRAM生产商之一，而后来低成本、高质量的日本竞争产品极大地损害了它的利益。英特尔并没有正面竞争，而是离开了内存市场，将其商业模式转向了高价值芯片，赢得了最早的为IBM个人计算机生产芯片的合同。英特尔并没有依靠政府或享受保护，而是利用美国现有的大量芯片专家、深厚的资本市场以及将创新为先的商业文化来推动其业务发展。
这一转变使英特尔成为全球领先的PC芯片供应商，随着PC在上世纪九十年代和本世纪初成为主流，英特尔获得了丰厚的利润。在这期间的大部分时间里，它都是全球最大的芯片公司。相比之下，那些留在DRAM业务并祈求保护来挽救自己的美国公司最终都被迫退出该行业，而那些发明新产品和改变商业模式的公司在这场竞争中得以生存，甚至发展得更好。英特尔之所以如此成功，是因为它精准定位了市场的高利润部分，并与微软合作，微软构建了可在其上运行PC的软件，并围绕其建立了生态系统。英特尔业务模式中的创新与实验研究中的创新同等重要。
美国芯片业抵御了日本的挑战，不是因为保护主义，而是因为创新
美国在创新方面取得成功的第二个例子来自EDA市场。当今的芯片具有数百万或数十亿个微观晶体管，每个晶体管通过打开和关闭时的高低电位产生1和0，这使得运算成为可能。拥有如此多微小部件的芯片无法手工设计，每个晶体管也不能一一测试，取而代之的是EDA软件工具，它可以对芯片的工作方式进行建模，并自动执行晶体管和芯片设计中其它组件的布局。
目前有三家美国公司主导着EDA市场：Cadence，Synopsys和Mentor（Mentor现在归德国西门子公司所有）。这样的市场份额赋予了美国巨大的力量，美国对华为的限制主要集中在从EDA工具上阻碍其芯片设计，这使得华为几乎无法设计高级芯片。在芯片设计软件方面，没有其他国家能提供与美国抗衡，美国在这方面具有极强的业务竞争优势和有效的地缘工具。
美国如何在芯片设计软件中占领主导地位？1982年，在半导体研究集团SRC（由政府和业界支持的研究联盟）的主持下，计算机辅助设计中心在卡内基梅隆大学和加利福尼亚大学伯克利分校成立。SRC向这两所大学投入了大量资金，先后分别在卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon）和伯克利大学（Berkeley）投入了3400万美元和5400万美元。最终收获颇丰，有大量的初创公司生产设计软件，这是其他国家所没有的。在过去的二十年中，这些初创企业中的大多数都并入了当今主导该行业的三家公司，如果不是为美国大学的这些研究计划提供大量资金，美国今天可能无法对华为实施有效的限制。
支持未来，而非着眼过去
美国半导体公司正面临着来自中国的竞争，美国政府在考虑如何这些公司时，应牢记这两个历史案例。如今，许多芯片都将被淘汰，国会需要通过那些影响它们的立法。为了取得成功，公司不仅需要先进的技术，而且还需要有效的商业模式，在这一点上，政府不太可能为它们提供帮助。中国愿意向其公司提供巨额资金，而美国不太可能也不应该通过补贴来赢得这场竞赛。就像在与日本的竞争中一样，过去行之有效的美国半导体战略能够提供对未来技术的研究的支持，然后将其留给公司来设计有利可图的商业模式。
这种策略的第一步是考虑当今行业的状况以及美国面临的潜在经济和战略脆弱性。
半导体行业通常可以分为五个重要的部分，每一个部分在芯片生产中都至关重要：
芯片设计电子设计自动化软件半导体制造设备制造测试与封装
其中，在高通和AMD等公司以及苹果和谷歌等大型科技公司推动下，美国目前已是芯片设计领域的领导者，苹果、谷歌等大型科技公司近年来已在芯片设计上进行了大量投资。如前所述，EDA软件目前由三家美国公司主导。半导体制造设备仅由少数公司生产，其中最大的公司位于三个国家：美国、荷兰和日本，如果不使用美国的制造设备，则很难制造出先进的芯片。在芯片设计、EDA设计软件和制造设备方面，接受本报告采访的大多数专家认为，美国将在未来几年继续保持其市场地位。
相比之下，美国的市场份额在该行业的最后两个领域有所下降：制造以及测试封装。测试和封装已经外包给低成本国家/地区数十年了，主要是因为长期以来人们一直认为其价值较低，尽管这种观点已经开始改变。更重要的是制造的离岸外包，直到1990年，三分之一以上的半导体是在美国制造的，而今天只有12％。如图1和2所示，关键原因是成本。半导体行业协会和波士顿咨询集团的一项研究发现，根据晶圆厂的类型，韩国和中国台湾的新工厂便宜约20％，中国的大陆便宜约30％。
制造业的离岸外包对美国来说是一个问题吗？一些分析人士认为，这不是因为外国对半导体制造的补贴增加了美国设计公司的利润，而是因为芯片设计和制造本身赚的钱一样多。
但是，芯片制造的离岸对美国可能产生三个方面的负面影响。首先，也是最令人担忧的是，电子供应链面临着风险。当今最先进的制造是在台积电的中国台湾工厂中进行的，该工厂主要生产用于智能手机和计算机的芯片，但也生产用于美国战机的电子器件。从现状看来，越来越有可能出现这样一种情形：如果台积电在中国台湾的工厂面临风险，可能会导致计算机、数据中心和智能手机的生产延误数年。
近几年，美国一直控制着华为等中国科技公司从制造中获得技术，但随着离岸制造越来越多，这种控制能力将被削弱。
其次，近几年美国一直控制着华为等中国科技公司从制造中获得技术，但随着离岸制造越来越多，这种控制能力将被削弱。由于外国制造工厂都需要美国的设备才能运转，制造商们要遵守美国商务部的规定，因此美国的管制仍然有效。不过，如果有更多制造业转移到海外，公司可能会尝试在其供应链中替换美国技术，以避免美国的限制。
最后，向离岸生产的转变会使海外公司产生自我强化的效应。在美国，离岸外包降低了劳动力创造新生产技术所需的技能。然而，离岸外包对制造质量也很重要。在生产半导体时，质量是通过“良率”来衡量的，即每个硅片上生产的功能芯片比率。许多行业专家认为，产量与良率之间存在着直接联系，因为更高的产量能够为生产者提供机会来学习、消除错误并因此提高良率。英特尔在制造方面已落后于台积电，一些观察者认为，英特尔在过去拥有最先进的工艺，但它们只生产自己的芯片，而台积电为许多公司生产芯片，其产量远高于英特尔，两者在产量的差异导致了良率的差异。
加大资金补贴能解决问题吗？
这些行业局势变化导致一些分析人士和官员呼吁政府支持半导体制造，毫无疑问，这对半导体行业是有利的。但是，只有在政府帮助产生的收益超过受援公司所能带来的收益的情况下，支持芯片产业才有意义。然而，国会中的一些提案建议为生产制造设施提供广泛的财政支持，这不是明智之举。根据SIA / BCG的研究，用于生产逻辑芯片的新设施需耗资200亿美元。同一项研究发现，在中国的新晶圆厂成本低了约30％，完全弥补成本差异将需要60亿美元的补贴，而所有补贴都将只用于一个晶圆厂。把这一巨额资金与播种整个EDA产业的上千万美元的优质研究拨款相比，这远不清楚这是否是支持芯片产业的最佳方式。
美国半导体管制之所以有效，是因为美国在用于设计芯片的EDA软件和用于制造芯片的某些类型的设备中拥有垄断地位，因此，对美国而言，支持这些子部门比资助新晶圆厂的建设更有用。直接减轻台积电这些工厂面临的地震风险比试图复制台积电的生产设施更为明智。
补贴当今技术的更大问题是，很快它将被新技术取代。尽管当今有许多使用较旧工艺生产的芯片，但收入的最大份额流依然向最新工艺。
从历史上看，制造流程往往仅在两年或三年后就会出现革新，尖端技术始终在前进，这使得政府为促进半导体制造而做出的努力更具有挑战性。以亚利桑那州为例，该州利用各种财政激励措施说服台积电在当地新建一个小型晶圆厂，该晶圆厂将生产芯5纳米片，这是台积电当时最先进的技术。但是当该设施投入运营时，台积电计划通过其3纳米技术在中国台湾生产更先进的芯片。因此，亚利桑那州也只能获得“第二好”的技术。
关注未来技术
美国政府不应只致力于支持当今的尖端技术，而应支持当前尚不生产的、可能对公司投资有过大风险的工艺和材料的研发，否则会落后于技术发展进程。这是美国政府历史上发挥重要作用的领域，自成立以来，DARPA就在为微电子技术提供资金方面发挥了重要作用，最初的一些主要半导体订单来自Minuteman II ICBM计划以及阿波罗太空舱的制导计算机，美国政府在为公司后来商业化的下一代技术提供资金方面拥有良好的记录。
专注于下一代技术而非当今的领先优势尤其重要，因为它可以避免陷入当今的技术范式中。
专注于下一代技术而不是当今的领先优势尤其重要，因为它可以避免陷入当今的技术范式中。英特尔在八十年代的例子具有启发性，它在与日本的竞争中放弃了廉价的DRAM市场，在PC芯片方面开创了先河，这一举动使其价值超过了所有日本芯片生产商的总和。企业家一直在寻找颠覆性技术，美国政府不仅要支持现任企业（可能会自身受到干扰），还应通过为基础研究和早期技术提供资金来推动前沿技术的发展，并相信硅谷可以制定出有效的商业模式，毕竟在过去，它总是找到一种合适的方法。
鉴于当今的市场结构，使用现有技术将美国的半导体制造市场份额从12％提升到20％，对美国来说将是非常昂贵的。押注颠覆性技术更具战略意义，因为这些技术恰好是美国大学已经研究的技术类型，并且之前美国公司也曾成功将科学研究商业化。近几十年来，芯片设计出现了大量的中断。例如，现有的美国政府计划正在支持对先进封装技术的研究，鉴于美国对外国晶圆厂的依赖，我们还应该为下一代材料和制造工艺的研究提供资金，这可能会打破现有的制造范式。
此外，如果要继续提供计算能力的增强，则半导体制造过程需要大的中断。
业界和学术界的联合机构“IRDS Roadmap”该机构就半导体技术未来发展方向的年度“路线图”达成一致，它指出，晶体管缩小的过程正面临新的挑战。粗略地说，芯片上的晶体管数量与其计算能力相关。上世纪六十年代最早的芯片只有少数晶体管，如今，苹果公司的新型M1芯片已达到160亿颗。制造技术使晶体管的缩小成为可能，因此它对技术进步至关重要。
但是现在，“IRDS Roadmap”预测，晶体管的缩小将在十年内达到基本极限。技术进步的停止是不可信的，IRDS认为，量子技术（这种技术为解决某些问题的计算机提供了比今天的计算机更快的数量级的前景）可能会在那时开始被广泛应用，尽管其他专家对量子计算能否在如此短的时间内找到商业应用持怀疑态度。显而易见的是，当前的半导体制造模式不仅在未来十年面临颠覆——如果我们要继续提高计算能力，就需要颠覆。
与其花钱尝试在韩国和中国台湾复制现有的晶圆厂，不如探索能够超越它们的下一代技术。这不仅仅是是一个明智的技术策略，它对于计算技术的持续发展也至关重要。一些专家期望，随着晶体管缩小速度的放缓，美国领导的设计领域在推动性能改善方面将扮演越来越重要的角色。设计（而非制造）对性能的推动作用越大，制造过程的战略性就越低。
同样，改善制造工艺所需的技术不一定来自制造芯片的公司。如前所述，中国大陆、中国台湾和韩国的晶圆厂都严重依赖荷兰、日本和美国生产的设备。与试图以补贴方式提高制造市场份额的方式相比，利用美国在制造设备上的现有优势更有可能产生经济和战略利益，尤其是在制造本身面临迫在眉睫的技术挑战之时。
最后，尽管专家在量子计算技术是否会在未来十年中获得实用性方面存在分歧，但如果量子计算在商业上可行，它将改变整个行业。鉴于美国在学术界以及IBM、Microsoft、Intel和Google等公司的量子计算研究中现有的优势，这将是美国政府追加额外投资可能产生重大影响的另一个领域。
支持半导体从业者
半导体行业是一个知识密集型的领域，需要一大批专业化程度很高的专家来设计和制造芯片，许多顶级公司的入门级工作需要硕士或博士的学业水平以及实际的行业经验。从业者们往往对某一特定的工艺或技术非常专精，随着他们在工作中积累专业知识，他们有可能成为全球范围内仅有的几十名此类专家之一。从头到尾，培训一个从业者成为这个行业的生产力可能需要十年甚至更长的时间。
在过去的20年里，随着软件越来越多地吸引顶尖技术人才离开半导体，美国的芯片设计师队伍已经被掏空。在美国，软件工程的工作通常薪水较高，需要的培训明显较少，可以在更知名的公司工作，并且提供了更灵活的职业道路。随着软件产业数量、规模和财富的飞速增长，芯片产业已经失去了吸引知识型劳动力的相对优势。
在对策略制定者和行业领袖的多次采访中，我们不断听到美国半导体人才的“高劳动力成本”，以及降低这些成本的必要性，以使美国在中国台湾、韩国和中国的劳动力成本结构中更具竞争力。
然而，这种想法恰恰与美国策略制定者应对该行业关键的劳动力挑战的方式截然相反。策略制定者和行业领导者不应试图降低工资，让行业对那些在职业生涯中有丰富选择的潜在员工更缺乏吸引力，而应让行业对顶尖技术人才更具吸引力，包括与软件工程相当的工资、大幅改善半导体教育和培训的预算支出以及提升行业职业的灵活性。
半导体工程师的培养
直到20世纪70年代，半导体和软件行业基本上为从业者提供了相同的培养途径（事实上，在麻省理工学院和加州大学伯克利分校等一些学校，这两个领域仍然是在同一个学院）。学生们在配备早期计算机的大学里学习，从开创这些新兴领域的教师那里听课，毕业后进入这个新的行业。在这个行业中，他们需要学徒多年才能成为生产型员工。
然而，上世纪80年代和90年代开始，这两个领域之间的缓慢分化在过去20年中加速，为从业者创造了截然不同的行业路径。首先，也是最重要的是，软件工程已经变得越来越受欢迎，为各个年龄段的新员工开放了这个领域。曾经只有大学校园里价值数百万美元的计算中心才有电脑，现在每个美国人都能使用电脑。软件的开源运动让任何能够使用电脑的初级工程师都可以免费修补现有软件并开发自己的软件。
通过更好、更便宜的工具以及创新的教育项目，软件工程职业生涯的障碍也被消除了。如今，许多最重要的软件开发工具都可以免费获得。更先进的软件框架和编程语言以及云计算降低了构建软件所需的成本和技能。与此同时，教育企业家已经推出了数十种面对面和在线软件“入门二批讯”，它可以在几个月内把一个新手变成一个称职的、可雇佣的程序员。其中一些项目，如Lambda School，甚至不需要预付学费，而是通过一种称为“收入分成协议”的方式，从学生未来的收入中提取一定比例，降低了这一部门教育机构的直接财政负担。
然而，在同一时间，芯片工程却朝着相反的方向发展。随着芯片节点越来越接近物理极限，在这个领域进行突破性工作所需的设备的技能和成本呈指数级增长。然而在上世纪六七十年代，一个学生可以在大学研究实验室里修补最先进的计算机，而如今，ASML等供应商的极紫外光刻设备每台机器可以超过1.2亿美元，这项技术甚至超出了顶尖大学的范围。
尽管RISC-V和OpenRAN在硬件领域已是日益流行的开源生态系统，但现实情况是，绝大多数芯片设计工具，如电子设计自动化软件包（EDA）都是闭源代码，而且非常昂贵（尽管EDA公司上通常会为学生提供更便宜的教育许可）。中端软件在这一领域的生产许可证很容易达到每个用户每年几万美元，定价完全不透明。事实上，对定价的担忧如此之高，DARPA在2017年启动了一个15亿美元的项目，称为“电子复苏倡议”，旨在培育更廉价、更具竞争力的芯片设计软件。简言之，对于有抱负的芯片设计师来说，如果没有可供他们使用的深层次和前沿的资源，他们就无法轻松进入这一领域。
不足为奇的是，随着学习计算机科学的障碍已经下降，该学科的入学人数激增。管理高级中学课程的大学委员会（College Board）看到，参加计算机科学A考试的学生人数从2010年的约2万人飙升至2020年的7万多人——这是大学委员会在这十年里30多个科目中增长最大的一个。该组织还于2017年推出了一门计算机科学原理课程，该课程首次面向4.4万名高中考生，并在2020年增至近11.7万人（见图3和图4）。计算机科学的普及率的增长并没有反映在与硬件工程相关的其他科学中，大学委员会的数据显示，过去十年来微积分考试的考生几乎持平，化学水平几乎没有上升，物理水平也在下降。
另一方面，美国国家科学基金会（National Science Foundation）对获得博士学位的调查显示，计算机科学已从1989年的约600个博士学位增长到2019年的2228个（增长370%），而同期电气工程已从约1000个博士学位增长到约1800个（增长80%）。虽然电子工程博士学位并不是唯一适用于芯片行业的研究领域（化学、材料科学和物理专业的毕业生也受到公司的青睐，具体取决于他们的子领域），但芯片从业者的培养渠道并没有跟上计算机科学的快速发展。简言之，软件工程降低了门槛和成本，同时使有抱负的员工更容易使用开发工具。芯片工程已经朝着相反的方向发展，使得它比以往任何时候都更昂贵，也更难加入这个领域。因此，出现当芯片公司在美国努力吸引员工时，人才却向软件领域流动的情况就不足为奇了。
*资料来源：来自“AP考试量变化（2010-2020年）”，大学理事会， https://research.collegeboard.org/programs/ap/data/participation/ap-2020.
*资料来源：“全球软件开发商的一般策略是什么”，DAXX，2021年2月17日，https://www.daxx.com/blog/development-trends/it-palars-software-developer-trends
芯片行业：高工作量与低回报的窘境
软件工程的普及化伴随着学习代码的强大诱惑：与芯片工程的职业相比，它具有普遍高薪、就业灵活和市场竞争稳定等优势。
总的劳动力数据可以隐藏这些软件的职业优势。例如，美国劳工统计局（Bureau of Labor Statistics，BLS）报告称，软件开发人员和计算机工程师的工资在所有百分位数上大致相等，计算机硬件工程师的平均工资比软件工程师高出6-12%。美国劳工部提供的签证申请者数据显示，两者之间的差异较大，半导体行业的工资比软件工程行业的工资高出30-50%。
然而，根据美国劳工统计局的数据，美国大约有6.8万名计算机硬件工程师，而软件工程师超过140万（如果包括相似的工作类别则会更多）。在本报告分析的签证数据集中，2020财年共有14375份半导体签证申请，而软件签证申请为228411份。或许更直接地说，如果我们只看工资率在10万美元以上的申请，那么半导体领域的申请有10557个，而软件领域的申请有77071个。
这里的关键点是劳动力市场的深度：软件行业的工作岗位比半导体劳动力市场多得多，包括高薪工作岗位。由于有更多的职位可供选择，这种市场深度使个别工程师在软件方面具有更大的灵活性和稳定性。
也许更重要的是，软件工程师可以在众多潜在公司找到工作。美国有数百家公开上市的软件公司在招聘软件工程师，更不用说政府、研究实验室、非营利组织等等。由于软件可以远程开发，这些工作中的大部分都可以提供给任何一个有电脑和互联网连接的美国人。然而，在硬件方面，只有几十家公司需要芯片设计师和制造商的独特技能，大多数公司会要求员工在办公室或工厂工作。
考虑到芯片工程师的培训时间很长，但劳动力市场却小，半导体行业的工资溢价相对有限，这使得这些职业的个人财务状况变得非常困难。更糟糕的是，软件劳动力市场的深度总是吸引着硬件工程师，他们可以通过一定的努力实现向软件的转变。像Reddit、HackerNews、Quora、Blind等行业专业人士的在线论坛上充满了有关进行此过渡的咨询意见。
说到行业实力，软件是美国最强大的产业，按市值计算，全球前十大公司中有六家是美国软件公司（苹果是一家不同寻常的软件和硬件混合公司）。进入前十名的其他公司还有中国的两大软件巨头阿里巴巴和腾讯、沙特阿美以及沃伦•巴菲特的控股公司伯克希尔•哈撒韦。美国软件公司的巨大成功使他们能够向员工支付更高的工资，提供更好的工作环境，并在不受大多数成本结构概念限制的情况下争夺最佳人才。
中国台湾和韩国在软件方面较为薄弱，没有一家具有国际竞争力的世界级软件公司。对于他们的劳动者来说，半导体行业无疑是最赚钱的机会之一。2020年11月，台积电宣布将加薪20%，但也将抵消奖金。根据芯片厂的数据，平均每个从业者的收入大约为56000美元。这一工资水平明显低于美国同类工资水平，但几乎是中国台湾全职劳动者平均工资水平的2.5倍。简言之，当地条件使芯片工作和长期的教育及培训课程，对那些渴望高收入和稳定未来的劳动者来说非常有吸引力。
中国的人均国内生产总值（GDP）也相对较低，国家开始以具有全球竞争力的薪酬待遇（而非具有本地竞争力的薪酬待遇）吸引从业者进入这一关键技术产业。中国及其主要芯片公司已经为资深芯片设计师提供了数百万美元的薪水，他们将向移居中国或为中国公司在国外工作的其他从业者支付每年数十万美元的薪水吸引他们回国。
开放就业渠道，提升薪资待遇
美国太多的策略制定集中在“降低成本”，而不是使一个行业对劳动者更具吸引力。美国有一个开放和竞争的劳动经济，鼓励劳动者选择能给他们最高工资和工作满意度的职业道路。芯片公司所需要的技术人才的适应性很强，他们有许多其他的职业方向来最大限度地提高他们的预期收入和生活质量。
美国需要让国内芯片产业在劳动力市场上拥有较大的优势，特别是相比于美国的软件巨头。
首先，美国必须通过开源和实验性制造项目，积极迅速地开放计算机硬件工程，并使之普及化。一个关键的目标应该是让这个领域的主流工具免费开放给学生、业余爱好者和新入门的从业者。
美国需要让国内芯片产业在劳动力市场上拥有较大的优势，特别是相比于美国的软件巨头。
正如开源使软件工程普及化并最终创造了一些世界上最有价值的公司一样，强制开放硬件工程经济将产生显著的正外部效应，同时仍然确保公司能够开发和保护专有和有价值的知识产权。
第二，美国必须激励更多的技术人才从事半导体行业，使这一行业在经济上更具吸引力。可供选择的办法包括：为还在读大学的相关领域的学生提供额外的奖学金和津贴；为实验项目提供更多的资金支持；为研究生提供更高的津贴；税收抵免或其他形式的公司激励措施等等，从而大幅提高该行业的工资，使他们获得比软件行业更具竞争力的工资溢价。
第三，美国需要确保资深芯片设计的核心人才留在美国。为研究人员提供额外的旗舰资助计划，为风投资本家投资芯片初创企业提供激励资金，以及高优先级的签证和赠款处理，可以确保这些人才留在美国，并继续从国外引进。
与过去相比，芯片设计的职业对今天的美国劳动者来说没有那么大的吸引力。策略制定者面临着一个选择，要么在全球竞争激烈的劳动力市场中任由该行业萎缩，要么扶持劳动力，让芯片企业的生态系统蓬勃发展。其他国家也会继续培育自己在这方面优势，如果美国找不到吸引更多技术人才进入半导体行业的方法，那么美国在这一关键技术上将会越来越依赖进口。
RISC-V的希望与偏执
ISA是计算机的抽象模型，充当软件和硬件之间的边界，并且它是处理器的一部分，对软件工程师而言是可见的。目前，英特尔的x86 ISA在台式机、笔记本电脑和服务器市场占据主导地位，而ARM则在大多数智能手机中驱动芯片。RISC-V的概念于20世纪80年代在加州大学伯克利分校的实验室中首次提出，后来到2010年又在伯克利实现了架构体系。
RISC-V基金会成立于2015年，旨在“建立一个基于RISC-V ISA的开放、协作的软件和硬件创新者社区”，其成员包括高通、华为、英伟达、阿里巴巴、谷歌、西部数据、楷登电子和三星等100多家半导体领域的全球领先公司。值得注意的是，其成员不包括Arm和Intel，它们将RISC-V视为竞争对手。在11个高级会员中，有8个的总部设在中国，这些高级会员需支付10万到25万美元的年费，以获得一个技术指导委员会的席位。
除了它的开源特性之外，RISC-V还对基础ISA模型进行了几次修改，这使得它在某些类型的计算上相对于ARM和x86具有更大的优势。通过围绕指令压缩和宏操作融合等处理器设计方面的现代创新技术，RISC-V程序可以在使用相同内存量的情况下执行更少的操作，从而比其他体系结构更高效。在RISC-V中，可以轻易丢弃超出其用途的指令，从而使设计人员可以节省宝贵的硅，并使ISA轻松适应未来的微体系结构创新。它的易用性和无需许可的特点也使得它更利于成为大学教学和研究的工具，特别是在欧洲，这为芯片人才开辟了新渠道。
虽然RISC-V是第一个具有发展势头的开源ISA，但开源软件已经对世界产生了巨大的影响。开源软件是“可公开访问的代码——任何人都可以根据自己的意愿查看、修改和分发代码，以分散协作的方式开发，依靠同行评审和社区制作。”
RISC-V希望模拟类似于网络协议TCP/IP或Linux的发展模式。Linux是一种开源操作系统，由当时21岁的芬兰学生Linus Torvalds于1991年创建。它一开始是业余爱好者和理想主义者的“游乐场”，随着成千上万的开发者的免费贡献使它能与微软的Windows相媲美，最终成为一种主流操作系统。IBM在2000年宣布将在Linux上投资10亿美元，这有助于它在企业界合法化，也助力它走上今天仍然是微软Windows的主要替代品的轨道。在服务器方面，它占有14%的市场份额，这个占比相当可观的。
*资料来源：Semico Research Corp
*资料来源：Semico Research Corp
增长挑战
RISC-V要成为ARM或x86真正的竞争对手还有很长的路要走。开源硬件在发展其生态系统方面面临着比软件更具挑战性的道路。首先，与大多数软件项目相比，为开源硬件项目做出贡献的技术门槛要高得多，也更专业。学过像C这样的软件编程语言的人远远多于懂得足够的电气工程知识来理解ISA（指令集架构）的人。尽管RISC-V比x86更直接，但它仍然必须协调数百甚至数千个贡献者的技术投入，尽管集中式RISC-V技术指导委员会可以比分散式Linux处理问题的方式更加速这个过程。
最重要的是，如果没有现成的实际硬件和强大的验证系统，开源ISA将难以取得进展。即使RISC-V在学术界和工业界吸引了大量开发理论ISA的人员，仍需要在硅上制造芯片，以测试对架构的修改。Arm和Intel已经为他们的客户公司在验证方面投入了巨额资金，而那些扩展到RISC-V这样一个不成熟的可扩展架构的公司也为他们量身定做了工作。由于在制造现代片上系统（SoC）过程中，验证通常需要花费三分之二的总精力，因此迫使采用RISC-V的公司自己进行验证是一项重大负担。一家由RISC-V领导者创立的美国初创公司SiFive正在创造这一生态系统中首批可生产的芯片之一，试图实现一条完整的生产线。然而，这一过程需要数年时间才能成熟。
其他将填补更广泛的RISC-V生态系统的努力将花费同样长或更长的时间。Arm于1985年推出，作为当时占主导地位的x86的挑战者。它花了25年的时间建立了一个足够强大的生态系统，使其能够赢得可观的市场份额，这是因为Arm成为智能手机和其他移动设备的标准，在21世纪末迅速普及。不过，向RISC-V的过渡应该更为直接，因为Arm和RISC-V都来自同一个体系结构家族，即精简指令集计算。
整整一代的工程师都在Arm和x86上试错。尽管RISC-V更容易使用，但大多数芯片设计人员都专门使用x86和ARM。建立一个新的专业人员队伍需要数年的时间，其中大部分可能是那些在大学里与RISC-V合作过的人，以获得实现RISC-V所需的专业知识。此外，开放源码芯片设计（EDA）工具要与Synopsis和Cadence等现有工具竞争还有几十年的时间。没有开源EDA，RISC-V与竞争对手没有什么不同，它只是一个开源指令集，依赖于x86和ARM设计人员使用的同样昂贵的封闭源代码设计工具。
纵向进步
尽管存在这些障碍，RISC-V希望能够驾驭不断变化的行业趋势，获得更大的市场份额。在前几代，通用计算的稳步发展推动了芯片销售。现在，随着摩尔定律的放缓以及更多的计算发生在边缘（即，在智能手机、汽车或门铃中），而不是在数据中心，新的需求需要针对各种平台优化特定领域的工作负载，这就适合像RISC-V这样更灵活的体系结构。
物联网芯片是RISC-V最有前途的市场。每一个物联网设备，无论是可穿戴设备、支持互联网的恒温器还是智能扬声器，都需要一个针对其特定需求定制的芯片。物联网应用程序不一定需要可编程，也不需要与其他应用程序接口，这使得RISC-V兼容软件的不成熟不再是一个缺点。
在这个零散的领域里，初创公司的成本意识很强，拥有更年轻、更实惠的工程师。正如Codasip公司的Chris Jones所说，“随着许多新的物联网应用的出现，对定制芯片的需求不断上升。不能合理地期望同一半导体设备在一个产品中运行无线协议，在第二消费设备中编码视频数据，并且在第三消费设备中执行面部识别。一个芯片可以设计成一种通用的方式来处理每一项任务，但是它会变得很大，而且造成功率浪费。这就是为什么RISC-V的可扩展性如此吸引人，允许不同的性能/功率配置，同时保留跨多个设备的软件投资。”
迄今为止，对RISC-V的最大认可来自固态驱动器制造商，这是ISA的一个相对简单的应用。Western Digital已承诺将10亿个核（如今的处理器通常由多个处理核构成）转换为RISC-V，竞争对手Seagate在2020年底推出了两个RISC-V处理器。两家公司都将节省大量资金，从ARM转换出去，从而避免了该公司的许可费。此外，他们相信，他们对RISC-V的使用将带来“更低的延迟、节能、更快的速度提高驱动器容量、存储驱动器的计算能力，以及改善网络边缘创建的数据的安全性。”其他有希望的市场包括汽车视觉系统和安全摄像头、工厂应用程序和智能农业，如跟踪牲畜。
在与RISC-V基金会合作的一个市场研究项目中，Semico在2019年末估计，到2025年，RISC-V将占据工业总核心消耗量的4.5%。考虑到其相当保守的方法（从目前的调查数据线性推断），它可能低估了RISC-V的增长。
中国的存在感大增
今天，中国拥有最活跃的RISC-V生态系统。中国各大科技公司似乎都在宣传自己的RISC-V战略，阿里巴巴生产的RISC-V芯片可能是世界上速度最快的面向人工智能应用的RISC-V芯片。阿里巴巴还宣布希望将RISC-V置于其未来云计算和边缘计算战略的中心，而小米正在销售一款基于RISC-V处理器的可穿戴设备。华为宣布正在考虑采用RISC-V作为其移动芯片ARM的替代品。总之，300多家老牌公司和初创企业正在中国从事RISC-V项目。中国公司在RISC-V供应链的各个环节都出现了，从阿里巴巴的达摩研究院和赛方科技等核心IP设计公司，到兆易创新和北京君正等设计公司，最后是小米和华为等品牌制造商。
为什么（中国公司）有如此强烈的兴趣？正如一篇解释RISC-V重要性的中国媒体开宗明义道：“你不能在别人的地基上建造房子”。事实上，中国历代领导人开始就一直将技术独立放在首位，且最近美国针对华为等公司的限制令中国加倍努力，建立一个自力更生的技术生态系统。特别是，美国对中兴通讯的制裁，几乎杀死了一家价值100亿美元的家喻户晓的公司，给工业界带来了警醒。指令集架构， EDA工具等，是美国限制中国芯片生态系统的潜在瓶颈。然而，尽管RISC-V令人兴奋，但中国几乎没有采取任何行动来支持它，只公开承诺数百亿美元中的一小部分用于促进国内芯片产业的发展。
除了避免美国的限制外，受益于在新的技术框架下开发专有技术和产品的机会，RISC-V还代表着中国企业第一次有机会参与新ISA的创建。几十年来，中国企业一直在努力打造具有全球竞争力的芯片。技术转移和RISC-V前景的重新设定，给了这些公司另一个从西方领跑者手中夺取市场份额的机会。
“中国决不是注定要主宰RISC-V世界的” ，本文作者称。正如一位行业专家在最近的一次采访中所说，“中国生态系统在RISC-V方面的主要缺点是在人才、软件和应用方面。”与世界其他公司一样，中国企业缺乏在ISA方面具有丰富经验的人才，尽管各大学正在推出新的教材并进行培训RISC-V比赛，以及最近在大陆举行的RISC-V会议直播的15000名观众，证明了他们的广泛兴趣。正如这位专家所解释说，“在构建软件和应用生态系统方面，中国从来没有真正的成功案例……尤其是在编译器、调试器、操作系统、基础库、上层应用程序框架等基础软件方面。同类软件总体贡献存在差距，但目前增长较快。许多国内公司不断改进这类软件，差距正在逐步缩小。”
其他新兴经济体也可以从RISC-V重塑该行业的潜力中获益。印度政府投资开发了一系列本土处理器，印度工业研究所马德拉斯的Shakti项目引领了这一进程。人们希望，一个更加商品化的行业将削弱处理器的溢价，颠覆半导体市场，使该行业更像一个服务行业。印度公司已经是世界一流的服务提供商，因此可以利用印度的电气工程人才，在高端芯片以外的所有领域与全球竞争对手展开竞争。
美国应当畏惧RISC-V吗？
美国政府内部的一些人担心中国企业采用RISC-V的快速进程。考虑到开源软件使中国互联网技术巨头如字节跳动和腾讯崛起，一些人认为RISC-V可能预示着硬件领域的类似动态，在这方面，由当地补贴支持的中国企业可以占领国内市场。RISC-V可以取代西方知识产权。在这种情况下，芯片设计可能会成为一种商品，中国的补贴规模和能力可能会席卷全球市场。DARPA微控制器产品经理谢尔盖·利夫（SergeLeef）在2021年1月向《华尔街日报》辩称，RISC-V可能“让中国在所有这些技术上有一个台阶，因为它们现在可以节省20年的工程时间，一夜之间赶上西方技术？这不是不可能。”
2020年初，RISC-V基金会从美国迁至瑞士重组，旨在“平息对公开合作模式政治干扰的担忧”。尽管这一宣布受到华为等公司的赞扬，但此举并不能保证RISC-V将停留在美国限制范围之外。如果美国政府确定，不管基金会的住所如何，很可能会把大部分知识产权放在中国成员无法接触到的地方，或者至少会破坏基金会，使美国企业不再为社会做出贡献，不得不开始自己独立的项目线。尽管如此，许多美国公司可能会游说保持RISC-V的开放，因为只有Arm和英特尔可能从针对ISA的积极限制策略中获益。
虽然华盛顿的一些人担心RISC-V，但如果美国能够利用开源硬件提供的机会，美国仍有很多东西可以从RISC-V中获益。开源软件推动了当今美国软件巨头的崛起。虽然RISC-V的崛起将降低芯片设计的价格，并导致半导体行业某些领域的商品化，但它将把竞争的重点从资本转向设计创意。这将发挥美国作为全球领先者在培养高端工程人才和将其与商业敏锐度相匹配方面的优势。更何况，只要开源EDA工具还有很长的路要走，美国还是会有一个可以长期卡住中国企业脖颈的优势点。此外，美国SIVIE公司目前最有能力在新芯片公司中在全球RISC-V生态系统中发挥主导作用。
尽管华盛顿的一些人担心RISC-V，但如果美国能够利用开源硬件提供的机会，美国仍有很多东西可从RISC-V中获益
那么，美国应该如何投资于开源硬件范式呢？首先，国家要出台“不伤害”策略，反而鼓励这一重要部门更多发展壮大。应资助大学和工业研究实验室的额外研究，鼓励和资助在这个新空间进行学生培训，并努力建设少数优秀中心，不仅推动技术进步，但也将研究人员和学者同工业联系起来。DARPA在推动技术前沿方面发挥作用。然而，正如DARPA项目经理就RISC-V所说，“DARPA基金项目不是基础设施”。为了支持更广泛的生态系、统振兴国内芯片产业，美国需要对愿意展望比硅谷更长远投资前景的公司进行投资，以获得回报。过去20年来，美国风投对半导体创业公司的兴趣越来越低，原因是它们的创业成本高，行业增长率低。鉴于基于开源技术的公司（如Redhat）已经成熟了很长时间，政府可以做更多的投资来建设这个生态系统。国会应该考虑为开放源码硬件技术拨款。
结论
随着美国半导体行业面临日益加剧的竞争压力，加上计算机芯片在美国与中国加速的技术竞争中扮演着基础性角色，决策者们对芯片的重视程度超过了几十年来的水平。如今，半导体短缺正在影响汽车等商品的供应链。然而，有关美国半导体行业风险的讨论过于集中于该行业的特定子行业，而牺牲了更广泛的生态系统。除此之外，美国的辩论往往转向如何捍卫现有优势，而不是新的创新如何改变现有模式。
国会和美国正在考虑如何支持该行业。该行业的历史表明，试图补贴特定的公司或当今的技术很可能会失败。对于技术的未来，政府不会比半导体行业的专家们更了解。对于芯片在未来十年的发展方向，业界专家们也有不同的看法。对于国会或白宫来说，这个行业的发展速度实在太快，无法挑选赢家，也无法以足够的粒度理解技术发展的轨迹。
政府可以通过支持健康的半导体生态系统（包括训练有素的劳动力）、充足的风险投资环境（尤其是对早期企业而言）、以及培养新的和颠覆性的教育体系来提供帮助，而不是试图保护特定的企业或获取一套确定的技术能力思想。从第一批芯片的发明开始，美国政府就一直在扮演这一角色。对下一代技术的研究；促进政府、大学和公司之间的伙伴关系；利用现有的政府机构，如DARPA和In-Q-Tel来支持微电子技术，这些都是华盛顿可以支持芯片行业的方法，而无需对特定公司投下大赌注。
一些工业界人士和国会议员建议，在美国花费数十亿美元补贴新制造厂的建设。鉴于最先进的新制造厂的建设成本可能高达200亿美元，这不是一个划算的战略。例如，在20世纪80年代，美国在电子设计自动化领域占据主导地位的大学研究中心的投资花费了数千万美元，而不是数百亿美元。正是这些投资使美国对中国的限制在今天生效。美国目前控制的另一项“瓶颈”技术是半导体制造设备，这是半导体行业的一个子行业，其公众关注度远低于芯片制造商本身。但对美国的来说，制造业设备同样重要。
为晶圆厂的建设提供补贴肯定会促进半导体产业的发展，提供更多的半导体就业机会，加强生态系统。但决策者必须问，鉴于资源有限，这是否是实现这一目标的最佳途径。三星（Samsung）和台积电（TSMC）这两家领先的芯片制造商都是外国公司，因此即使它们同意在美国建立新的工厂，它们的核心技术和研发仍将主要在国外进行。此外，美国领先的芯片制造商英特尔（Intel）已经非常有利可图，并且已经在美国生产了许多芯片。在其制造优势被台积电（TSMC）和三星（Samsung）夺走的那段时间里，英特尔甚至实现了数十亿美元的利润。缺乏资金不是其技术问题的原因，因此政府的财政支持可能不是解决办法。如果美国政府考虑如何支持英特尔拓展潜在增长市场的努力，比如O-RAN电信技术所需的芯片，那就更明智了。就是对开源软件采取一种复杂的方法。事实上，如果这能打开芯片设计领域的新创意，美国可能会成为越来越多使用开源架构的最大受益者，而在芯片设计领域，美国起着主导作用。政府可以通过将开源视为机遇而不是威胁来提供支持，并帮助教育熟悉开源设计的员工。