安东尼·弗劳斯托-罗夫莱多：华为的下一个“卡脖子”难题，与这场芯片巨头之争紧密相关
【文/安东尼·弗劳斯托-罗夫莱多】
东西方之间日益紧张的关系正在使半导体行业发生大规模的变化。如今，半导体集成的尖端环节基本集中在中国台湾和韩国，而不是在英特尔所在美国。因此，美国政府已强势介入，试图开创美国“产业民族主义”的新时代。2022年6月初，参议院通过了《美国创新与竞争法案》（USICA），其中包括520亿美元的联邦资金，用于加速国内半导体研究、设计和制造，各界也将其称为“芯片法案”。
芯片几乎为所有类型的数字设备提供动力，当然也为所有运行操作系统的计算机系统（包括军用系统）提供动力，其理所当然地被视为国家安全问题。传统上，美国在芯片设计和制造方面一直处于世界领先地位。1990年，美国曾占半导体和微电子生产37%的份额，目前仅占12%。如今，虽然美国依然掌控着芯片设计的核心环节，但曾经的“国家冠军”英特尔公司已经地位不保。
当然，更多人关注的是半导体产业及其庞大的经济利益；除企业外，如今各国政府也开始强势介入该领域。“芯片法案”可能会刺激多达10家新芯片制造工厂的发展。在美国政府对半导体产业投资的支持下，英特尔新任首席执行官帕特·盖尔辛格（Pat Gelsinger）宣布斥资200亿美元扩建英特尔亚利桑那州钱德勒工厂的两个新晶圆厂，其中42号晶圆厂已全面投入生产10纳米节点芯片。在大西洋另一侧，欧盟出台了相关计划，以期在半导体设计和制造方面实现自给自足。
虽然中国渴望在半导体领域实现自给自足，但却缺乏能够开发和制造半导体制造商所使用的设备、非晶圆材料和晶圆材料的本土公司。美国和欧盟主导着关键设备市场，中国台湾的设备制造商几乎为零，而中国大陆的份额仅为个位数。不过，中国的“无晶圆厂”芯片设计行业正在不断发展壮大。
英特尔公司位于亚利桑那州钱德勒市奥科蒂罗园区（Ocotillo Campus）的新半导体制造厂 图源：英特尔
不过，半导体行业设计、开发和制造的全球化或将塑造一个更分散的计算机软件行业未来。曾经稳定的“Wintel”（Windows和英特尔Intel）双头垄断已基本解体。2020年12月，基于ARM架构，微软宣布正在为“微软云”的服务器和Surface设备设计专用芯片。微软的做法在很大程度上是在模仿竞争对手亚马逊，后者已经为旗下的“亚马逊云”设计了专用的ARM芯片Graviton 2。（译者注：早期的服务器芯片以RISC架构为主。此后，随着英特尔推出x86架构，逐渐挤压了RISC处理器市场。在很长的一段时间内，AMD和英特尔占据着服务器市场的主流，其中英特尔市场份额超过90%，AMD则是剩余10%市场的主导企业。近些年来，ARM、RISC-V两大架构加强了对英特尔x86的挑战，但各有优劣。ARM架构的特点在于应用广泛、生态成熟，开发适配都更方便。RISC-V架构特点在于完全免费、开源，可以自主把握，但还处于起步阶段。如今，全球约10%的服务器已经用上ARM架构，其中40％位于中国。）
如今，很难说微软的Window系统依然是计算世界的基础；它更像是一种普遍的存在，有点类似电动汽车革命中的化石燃料汽车一样。随着英特尔公司的衰落，或者说Wintel霸权的崩溃，各类新的芯片架构（如上述的ARM）和配套的操作系统及设备方案正在快速崛起，反过来也加速了计算机辅助设计（CAD）等工业软件领域的变革。
这是一个旧模式逐渐被新模式取代的全新时代。
1.摩尔定律：彼时与此刻
自英特尔公司成立和x86 CPU芯片架构出现以来，摩尔定律在很大程度上兑现了它的承诺。摩尔定律以英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）的名字命名，其具体指微处理器上的晶体管数量每两年翻一番，即年复合增长率要达到41%。
摩尔定律跨越了英特尔、摩托罗拉、ARM、苹果、IBM等公司数十年的芯片发展历程。上世纪七八十年代，英特尔的竞争对手，如摩托罗拉和IBM，在很大程度上保持了半导体行业的火热发展；进入九十年代和21世纪后，AMD维持着竞争格局，尤其是加剧了服务器领域的芯片竞争，进一步推动英特尔在相关领域的强劲研发和创新。
不过，一个新趋势正逐步浮出水面。从1994年到2007年左右，ARM公司（中文为“安谋公司”）的Cortex A9只有不足5000万个晶体管，相比IBM的Power 6、英特尔的Itanium 2和AMD的K10等强大的服务器芯片存在着巨大的差距——它们基本上都超过了5亿个晶体管。然而，从2008年开始，情况发生了变化，ARM的发展速度比芯片行业的其他公司都要快（见下图中的绿线）。
图源：our world in data
从上图可见，ARM的发展速度（绿色线）从2008年开始越来越快，而英特尔（红色线）却逐渐跟不上摩尔定律。到2016年，英特尔的发展速度进一步放缓，而ARM还在继续加速发展。
2013年，ARM的授权厂商苹果公司推出了A7，这是一款具有里程碑意义的64位系统级芯片（System on Chip，SoC），拥有超过10亿个晶体管。这款iPhone手机芯片搭载的的晶体管数量，甚至超过了2007年IBM的Power 6，这个世界上曾经最强大的服务器芯片之一。（译者注：SoC是一个微小型系统，将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器集成在单一芯片上。SoC通常是为客户定制的，或是面向特定用途的标准产品。）
ARM的崛起只是全球半导体潮汐变化中的一个因素，而英特尔落后于摩尔定律则是另一个重要因素。在如今的半导体行业内，没有其他公司能像安谋公司一样独特：它可能标志着全球半导体行业“最民主”的力量，将芯片设计方案授权给任何想基于ARM架构和生态系统做开发的人。（译者注：Arm商业模式的特别之处，在于其仅提供芯片架构，而没有下一步的芯片设计业务。）
2.此消彼长：ARM、苹果和英特尔
在本世纪头十年的后半期，安谋公司（ARM）成为了移动设备处理器领域当之无愧的领导者。作为ARM的主要创始人之一，苹果公司自Newton电脑系列开始使用基于精简指令集的CPU（Reduced Instruction Set Computer，RISC。译注：计算机指令集，是计算机硬件可以直接识别的命令，是指CPU用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合。CPU是计算机系统的核心, 计算机指令集则是CPU的“传令官”），此后便开始对ARM架构的芯片情有独钟；2007年发布的iPhone也使用ARM芯片，并开启了智能手机时代。如今，在平台架构层面，ARM稳坐移动设备市场的核心。
同时提供更强处理能力和更长电池续航时间的竞争压力，使ARM芯片的进步曲线更加陡峭，注定要在每瓦性能上赶上并超越英特尔x86芯片。
长期以来，ARM和英特尔处理器的一大区别是ARM主要设计低功耗处理器，英特尔的强项是设计超高性能的台式机和服务器处理器。ARM架构作为目前最成功RISC架构，主导了智能手机和物联网芯片处理器市场。根据英伟达公告，基于ARM架构的芯片已累计出货1800亿颗。ARM架构处理器在智能手机芯片、车载信息芯片、可穿戴设备、物联网微控制器等领域占到90%以上市场份额。
自iPhone 13系列开始，苹果将采用最新推出的SoC：A15 Bionic。值得注意的是，与A14相比，A15 Bionic在CPU性能方面并没有取得多大进步。苹果公司似乎受到了半导体人才外流的冲击，人才纷纷流向Nuvia和基于RISC-V架构的新公司Rivos。尽管如此，A15 Bionic仍设法将GPU性能比现有的任何其他智能手机芯片（包括自己的A14）提高了50%。A14 Bionic拥有150亿个晶体管，仅比苹果M1芯片少10亿个。
此前，高通宣布将以14亿美元收购由苹果前员工创立的芯片创企Nuvia，提升自身在高性能计算领域的竞争力。高通和苹果曾因专利版税问题屡次对簿公堂，尽管双方现已达成协议，但Nuvia公司和苹果一直处于交恶状态。通过此次收购，高通计划将Nuvia的CPU技术广泛应用在智能手机、笔记本电脑等一系列业务上，从而在高性能计算领域和苹果、英特尔等公司抗衡。（译者注：有评论指出，高通希望借Nuvia降低对ARM架构的依赖，进行更多的定制设计，降低直接购买许可的费用。）
苹果公司在2007年春季收购PA Semi之后，基本上从头开始搭建了世界一流的半导体设计团队。《福布斯》杂志的一篇报道曾指出，这次收购对英特尔来说是一个打击，因为他们本希望说服苹果公司在iPhone及更多未来移动设备上使用英特尔的Atom处理器。苹果的选择作为风向标，让英特尔与智能手机领域的快速崛起几乎失之交臂。
Nuvia计划定制的基于ARM架构的Phoenix NUMA芯片（蓝色区域）计划超越苹果 图源：Nuvia
在后PowerPC（一种基于RISC架构的中央处理器）时代，英特尔和AMD展开了激烈的竞争，并且英特尔还在2005年成功争取到了苹果电脑的订单。与此同时，安谋公司也在悄无声息地推进ARM芯片架构的发展，以便从每一瓦的功率中榨取更多的计算性能。当许多智能手机制造商在其智能手机芯片上使用基本未经改动的ARM芯片设计时，苹果公司也获得了ARM的特别授权，可以开发基于ARM芯片并带有专有逻辑的客户芯片。
从上面两张图表可以看出，ARM体系已经赶上并实现对英特尔x86的赶超。英特尔新任首席执行官帕特·盖尔辛格表示，到2025年，英特尔“将重新夺回每瓦性能桂冠”。考虑到最近的历史和ARM固有的架构优势，这种说法似乎更像是口号。此外，英特尔和AMD在每瓦性能方面还将面临新的重大竞争，那就是2021年成立的Rivos公司。这家企业从苹果挖走了 40 多名核心工程师。
3.先进制程：英特尔的迅速溃败
英特尔究竟是如何在性能上落后的？这家曾经一枝独秀的巨无霸，当前不仅落后于新兴的ARM，甚至也快赶不上老对手AMD了。几年前，英特尔在制造领域的领先地位开始放缓。在2020年夏天，情况急转直下，英特尔宣布大幅推迟下一个制造里程碑。
英特尔从成立之初就认为，如果芯片设计师能直接与制造工程师合作，英特尔就能在半导体领域引领世界。这是理念，但不一定是现实。举例来说，荷兰半导体光刻系统制造商阿斯麦（ASML）早在2012年就与英特尔合作，为下一个微小芯片时代开发极紫外光（EUV）的光刻系统。不过，ASML也与三星和台积电就同样的技术进行了合作。目前，仅台积电一家公司就拥有全球现有EUV光刻机总数的一半。
台积电基于5纳米节点的芯片（如最新苹果电脑中使用的自研M1处理器），完全依赖ASML的EUV光刻机，每台设备的成本高达1.5亿美元，使用前可能需要4-6个月的安装时间。英特尔最早的10纳米芯片采用传统光刻技术，但以失败告终。虽然英特尔已经开发出10纳米芯片，并已开始出货，但其7纳米芯片计划却不得不依赖ASML的EUV设备。
ASML的EUV光刻机的最终组装照片 图源：ASML
英特尔的芯片制造问题可能最终源自全球化大分工带来的损耗。那些试图掌控整个芯片产业链条的公司，可能会被海量在细分领域做到极致的小公司逐步击败。例如，上世纪80年代中期，英特尔最终放弃了随机存取存储器（RAM）市场，因为它无法与日本的主要竞争对手竞争；后者将大量资金投入新工厂，继续生产出了世界上最好的RAM芯片。
现在，随着台积电和三星为智能手机市场多生产数亿颗芯片，亚洲芯片代工厂拥有了更多的资本和更高的估值。由于建造芯片工厂的成本高达数百亿美元，市场领导者比其较小的竞争对手更快地获得了提升新工艺节点的能力。简单地说，它们有资金更快地开始采用新的工艺节点技术。
令英特尔惊讶的是，其芯片设计与制造之间的紧密关系反而成为了一种束缚。当该公司在2018年的10纳米节点爬坡过程中遇到困难时，它没有任何外部晶圆厂可以求助。这是因为，英特尔往往针对其芯片制造工具进行设计优化的，但第三方代工厂并不拥有这些工具；英特尔也无法直接对三星要求，“为我们做这样那样的设计”。
几十年来，英特尔可能曾创造了半导体行业，但新的解决方案需要新型材料和重新设计，这也将英特尔推向了前所未有的境地。与此同时，亚洲的合同芯片制造厂更迅速地解决了这些问题：因为基于ARM架构的芯片设计，以及AMD、英伟达（NVIDIA）和苹果公司的定制设计，其与特定制造设备和工业流程的要求的联系显著更低。
4.后起之秀：AMD强势反超
2022年初，在半导体产业“缠斗”超过40年的英特尔与美国超威半导体公司（AMD），终于迎来了完全不一样的市场地位。当时，英特尔最新的市值为1972亿美元，而AMD市值一举跃升至1977亿美元，正式宣告超越英特尔，实现了“千年老二”的强势反超。
其实，在过去十年的后几年里，英特尔几乎所有的主要竞争对手都取得了长足的进步，并攫取了市场份额和绝对的性能领先地位。英特尔在计算机芯片领域的主要竞争对手AMD凭借在亚洲生产的新型CPU芯片设计取得了进展。
2022年初，AMD宣布，以全股票交易方式完成对赛灵思（Xilinx）公司的收购，交易价值为498亿美元。赛灵思前首席执行官Victor Peng将加入AMD，担任新成立的“自适应和嵌入式计算集团 ”（AECG) 的总裁。这是AMD成立60以来最大的一笔交易，同时也是半导体行业中的最大交易。
AMD的旗舰CPU锐龙（Ryzen）9由台积电采用7纳米工艺制造，但尚未使用EUV。尽管如此，AMD在单核和多核芯片性能的绝对最佳平衡方面仍处于世界领先地位。此后，锐龙9-5950X的16核CPU的平均单核跑分为1689分，多核跑分为16681分。虽然英特尔第11代酷睿i9-11900K的单核成绩略胜一筹，但8核的多核成绩却相差甚远。
AMD公司的锐龙芯片
从本质上讲，AMD在提供业界领先的单核性能的同时，还提供了较高的多核性能，这种均衡的顶级性能对工业软件行业至关重要。此外，AMD在图形计算及人工智能领域也取得了明确进展。
5.人才流失：来自苹果的初创公司
苹果向来在芯片设计上抱有很大的野心，从A系列仿生芯片到M系列高性能芯片，贯通移动与桌面端。作为“半路出家”的芯片公司，苹果公司在每瓦性能方面已逐步达到世界领先地位。例如，它的M1处理器在上的单核分数超过1700，并且其能耗优势显著高于英特尔：M1公布的热设计功率（TDP）为39瓦。
然而，由于近几年频繁的人员流失，苹果最新的自研芯片的进展正在逐渐放缓。2019年2月，在苹果负责A7至A12X芯片开发的首席芯片设计师威廉姆斯离开苹果，他是苹果历代iPhone核心处理器以及M1系列的首席架构师。在他离开的同时带走了多位关键芯片工程师，随后与他人共同创办了新公司Nuvia，主要业务是开发用于数据中心的处理器。（译者注：同年，苹果公司将ARM首席架构师Mike Filippo收入麾下，担任苹果自研M1芯片的架构总监，但在2023年初Mike Filippo 又出走微软。2021年12月，在苹果任职超过8年的M1芯片设计总监Jeff Wilcox也宣布离开苹果，将重返英特尔。）
Nuvia现已成为高通公司的一部分。虽然Nuvia最初的目标是通过其计划中的Phoenix CPU在数据中心芯片的每瓦特性能方面处于领先地位，但高通公司的领导层似乎有不同的想法。据报道，Nuvia团队正在开发基于ARM的Phoenix技术，并计划将其用于平板电脑、智能手机以及Chrome和Windows平台的小型笔记本电脑等移动终端，与苹果展开直接竞争。
此外，新的芯片初创公司Rivos也是由苹果半导体资深人士领导的。Rivos公司目前仍处于隐身状态。与高通公司的Nuvia团队不同，Rivos公司专注于RISC-V芯片平台技术，而不是ARM平台技术，其目标市场也是数据中心。该公司的目标是拥有第一个高性能RISC-V内核，并且已经吸引了许多来自苹果、谷歌、Marvell、高通、英特尔和AMD的高级CPU架构师。
虽然RISC-V是一种开放规范和开放平台，但这并不意味着Rivos将是一种开源处理器。2010 年发布的RISC-V从发明伊始即以开源为最大特色，受到全球学界、产业界的高度关注，各国政府出台政策支持RISC-V的发展和商业化。
RISC-V和ARM都基于RISC架构，而英特尔x86在其历史上主要采用通用指令集计算架构（CISC）。概括地说，RISC允许降低每条指令的处理器时钟周期数，并采用标准化的负载存储限制模型。RISC的主要特点是减少整体时钟周期，因此在功耗方面更胜一筹。因此，基于RISC的ARM芯片在移动设备半导体领域引领世界潮流也就不足为奇了。
在2007年前，苹果公司就考虑在未来的Mac电脑中采用PA Semi芯片。PA Semi创始人Daniel W. Dobberpuhl和希望在PowerPC架构（RISC）的基础上设计出功耗低、功能强大的芯片。就在被收购前不久的2007年2月，PA Semi还首次推出了一款64位双核微处理器，其能效比任何同类芯片都高出300%。该芯片2GHz时的能耗为5-13瓦。
这就是苹果A系列芯片的基础团队，其每瓦特性能在业内遥遥领先。但是，越来越多的苹果半导体团队正在离开，转投自己的芯片设计初创公司。在芯片供不应求的今天，在半导体产业日益全球化的今天，在核心技术和人才跨地缘政治地区日益民主化的今天，激烈的竞争还将继续。
6.软件变局：架构转移带来机遇
半导体行业曾经由英特尔公司主导，以美国为基地。随着上述一系列具有里程碑意义的变革，未来十年可能会彻底颠覆曾经Wintel双头垄断局面。当前，Windows已经在针对ARM架构进行重写。
为顺应软硬件体系的重构，计算机辅助设计（CAD）等工程软件行业也会有大量代码需要重写。设计师的工作环境将大幅改变，他们必须考虑在新架构下CAD和3D软件将如何运行。目前，ARM不仅与英特尔x86架构不相上下，而且在性能/功耗方面更胜一筹。这对于云计算和移动计算同样重要。亚马逊、微软、谷歌和苹果都在转向基于ARM的数据中心，因为它们运行起来更高效、更便宜。
如今，已经有一些CAD和3D开发人员将他们的软件解决方案转移到苹果芯片上。例如，Vectorworks是苹果电脑上领先的CAD解决方案，其代码中有120多个依赖项需要从x86重写为ARM，并正在与第三方开发人员一起解决这些问题。大多数CAD、BIM和3D软件都包含多个依赖项——从物理引擎、数字地形建模引擎、CFD引擎、几何建模内核（如Parasolid和ACIS）到不计其数的渲染和可视化引擎。这将是一个不同层次的颠覆过程，取决于每个应用程序的传统依赖关系。它为新进入者提供了一个机会，使他们能更快地做出反应，并开发出新的CAD行业创新产品，例如Shapr3D。
即便英特尔实现它们的口号，到2025年再次夺得每瓦性能桂冠，变革也不会停止。随着“远程办公”与云服务的快速发展，基于ARM架构的设备将逐步占据主流，CAD乃至更全面的科研和工程软件市场也必将对其适应。