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半导体编年史:传奇的湮灭与诞生

日期: 2021-12-03 20:47
作者: 许螣垚

半导体在20世纪中后期开始快速发展至今,是无数最具智慧的人、耗费巨量的资金、经过漫长时间努力的结果。当今的全球芯片龙头英特尔从1968年成立至今,都已过了五十余年。

从应用上来说,半导体已经历过人们熟悉的PC时代、移动设备时代,而今随着新能源电动车的快速发展,转到了车规级芯片。

而从发展阶段来说,也经历了第一代半导体、第二代半导体到如今的第三代半导体。

近来市场热炒的功率半导体、IGBT等领域,都跟第三代半导体有关。

半导体是如何发展起来的?第三代半导体有何特性?新一代半导体往往随着市场新增需求崛起,那么是前一代被后一代替代吗?第三代半导体的行业现状如何?有哪些代表的上市公司,有何投资机会?这些问题,都可以在本专题中找到。

本文是专题首篇的上集:半导体不是外星科技,而是一点点发展起来的。发展的过程中都经历了什么?有哪些标志性事件和代表人物对行业产生深刻的影响?笔者将和您一起回顾一代代的传奇。

传奇的开始:硅谷的诞生

1833年,被誉为“电学之父”的英国物理学家法拉第,在实验中发现硫化银这种材料的电阻随着温度上升而降低,即高温更有助于导电,这是半导体特性的首次发现。此后的五十年里,光生伏特效应、整流效应、光电导效应也先后被欧洲科学家发现,这就是半导体的四大特性。

直到1947年,半导体上述的四大特性由美国贝尔实验室总结完成;同年,贝尔实验室也研制出一种点接触型的锗晶体管,实验室三名人员肖克利、巴丁、布拉顿因此在1956年同时获得诺贝尔物理学奖,其中,肖克利更被誉为“晶体管之父”。

取得此等成就的肖克利,已经不满足于在贝尔实验室沉寂,且半导体带来的巨大商业变革,他看在眼里,急在心里。

1955年,肖克利回到了自己的家乡圣塔克拉拉谷,创办了属于自己的半导体公司。这条位于旧金山湾区、坐拥地中海温润气候、交通便利的狭长山谷即是后来名声赫赫的“硅谷”。

第一次“背叛”:仙童的创立

肖克利在创办了自己的公司后,依靠自身的威望,很快招到了一批学识渊博、技术过硬的人才。而当时追随肖克利的有非常优秀(且名垂青史)的八名员工,也就是后来的“八大门徒(硅谷八叛将)”:诺伊斯(Robert Noyce)、摩尔(Gordon Moore)、布兰克(Julius Blank)、克莱尔(Eugene Kleiner)、赫尔尼(Jean Hoerni)、拉斯特(Jay Last)、罗伯茨(Sheldon Roberts)、格利尼克(Victor Grinich)。

这八人的年龄都在30岁以下,风华正茂,学有所成,处在创造能力的巅峰。他们之中,有获得过双博士学位者,有来自大公司的工程师,有著名大学的研究员和教授,这是当年美国西部从未有过的英才大集合。

29岁的诺依斯是八人之中的长者,是“投奔”肖克利最坚定的一位。当他飞抵旧金山后所做的第一件事,就是倾囊为自己购下一所住所,决定永久性定居,根本就没有考虑到工作环境、条件和待遇。其他七位青年,来硅谷的经历与诺依斯大抵相似。

可惜,八人投奔的肖克利是天才的科学家,却缺乏经营能力,而且性格上比较偏执,不善于管理企业,上述八人先后离职,在谢尔曼·菲尔柴尔德的投资下他们成立了半导体行业历史上,具有传奇意义的仙童(Fairchild)半导体公司。

有意思的是,投资人谢尔曼·菲尔柴尔德本来是搞摄影器材的。这也为后面发生的事情埋下了伏笔。

在八人的带领下,仙童发展神速,盈利能力大幅展现,仙童的两项发名专利,使其立于世界的半导体之巅,对后世半导体行业产生了非常重要的影响。

其一是平面工艺,一种制造半导体电路的工艺方法,现在平面工艺已经是制造各种半导体器件与集成电路的基本工艺技术,发明人为霍尔尼(上文八人之一)。

另一个发明专利便是集成电路。顾名思义,集成电路就是用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上。

1958-1959年,诺伊斯(上文八人之一)发明了硅集成电路。事实上,在早些时候,来自德州仪器(TI)的杰克·基尔比(Jack Kilby)发明了锗集成电路。由于两人在同一年独立且不知情的情况下分别发明了集成电路,所以两人共享集成电路发明者的荣誉。

现在,在我们眼里看来,把多个电路集成到一起而减少面积是个自然而然的事情,然而这个简单的想法,却改变了我们的世界。这就好像福特流水线模式的诞生,以及很多伟大的发明,往往源自一个很简单的想法。也许,即使没有这两位,依然有人会想到这个点子,但是历史只会记住最先吃螃蟹的人。历史的车轮滚滚向前,到底是时势造英雄,还是英雄造时势?谁也说不清。

再一次“背叛”:仙童倒下,行业繁荣开始

此时的仙童半导体公司风光无限,而半导体行业在那时宛若一个巨大的金矿,任凭仙童肆意挖掘。而仙童的股权大部分都在投资人谢尔曼的手里,此时公司管理层做了一个错误的决定,仙童半导体公司的利润被不断转移到东海岸,去支持仙童的摄影器材公司(上文提及的伏笔)。

八人带领的仙童半导体愤愤不平:我们辛苦赚来的钱,你用来搞摄影?

……散了散了~

此时仙童的员工开始坐不住了,开始了新一轮的离职创业潮。

1968年,硅谷八叛将之首的诺依斯和“摩尔定律”的提出者摩尔离开仙童,创办了更为风光、如今鼎鼎大名的英特尔。对后世半导体影响深远的摩尔定律,就是这个摩尔提出的:“集成电路芯片上所集成的晶体管数目,每隔18个月就翻一倍。并在今后数十年内保持着这种增长趋势。”

该定律虽然为摩尔的经验总结,但被后世称为计算机第一定律,摩尔所预言的定律和后来的行业发展惊人的一致,可谓“神之预言”。直到今天,英特尔、AMD、英伟达这三家国际芯片巨头,也基本是1年至1年半的时间出一款新品,只不过技术突破越来越小,被戏称为“挤牙膏”。

而八人的其他几人,也分别创业,许多现在著名的半导体科技公司,追根溯源,都能追到当时仙童的离职潮,比如如今跟英特尔在全球领域两强争霸的另一家芯片巨头AMD(超微半导体),就是仙童半导体前销售部主管桑德斯单飞创办。

还有许多我们所熟知的公司,比如美国国家半导体(现已被德州仪器TI收购),Altera(现已被英特尔收购)等的创始人都出自仙童半导体公司。

正如江湖流传的苹果公司创始人乔布斯形象比喻的那样:“仙童半导体公司就像个成熟了的蒲公英,你一吹它,这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”

所以仙童后来也成为众多半导体巨头诞生的“黄埔军校”。

下面就是由仙童衍生出来的大大小小公司的关系图,有一个非常戏剧性的事件是,1969年硅谷的一次半导体峰会上,400多名参会者只有24名不是仙童的前雇员,简直惊呆了!大家齐聚一堂,其乐融融,无一不感谢老东家仙童为硅谷带来一片繁荣。

而在仙童之后,英特尔与AMD的时代来临了。这是我们这一代人更为熟知的年代。

老二的视角:AMD为啥“仇恨”英特尔?

国内80后90后对于英特尔的初识,也许是上世纪末、本世纪初期“奔腾”时代(Pentium,英特尔奔腾处理器)的魔性广告背景音乐“灯!等灯等灯~”(至少笔者是那时认识的英特尔)。20世纪末本世纪初,国内英特尔的广告铺天盖地,作为芯片巨头之一,当时国内很少有人知道AMD这家公司。即使后来知道了,国内的“玩家”也不太看好AMD的产品。

然而这几年AMD在CEO苏姿丰女士(苏妈)的带领下已逐渐超越了英特尔,逐渐摆脱了“陪太子读书”的老二尴尬地位。看下图,2015年初至今,AMD与英特尔的股价对比。

笔者这次以AMD的视角,来看看这家与英特尔相爱相杀几十年的公司是如何成长的。AMD的发展过程,同样是一个传奇。

先来说英特尔。1968年,英特尔公司创立,罗伯特·诺伊斯任首席执行官(CEO),戈登·摩尔任首席运营官(COO),安迪·格鲁夫随后加入(见上文众人从仙童离职创业)。1971年,英特尔推出世界上第一款商用计算机微处理器4004。1981年,英特尔8088处理器成就了世界上第一台个人计算设备。2001年,英特尔首次针对数据中心推出至强处理器品牌,为数字世界奠定坚实基础。2003年,英特尔推出迅驰,开创无线移动计算时代(迅驰是划时代的,直到2009年酷睿架构推出后,迅驰才逐渐退出了历史舞台)。

从以上介绍就可以看到,在当今的半导体行业中,英特尔不断的开创了划时代的产品和理念,行业巨头地位无可置疑。英特尔于今年10月21日发布了2021财年第三季度财报,更多信息请阅读笔者文章《净利增6成,股价竟下跌!总“挤牙膏”的英特尔,被投资者抛弃了?》。

而作为英特尔的老对手,AMD的“资历”其实是和英特尔差不多的,而且AMD和英特尔同出一源。后来二者的相爱相杀,让笔者想起一句特斯拉创始人马斯克前不久在社交媒体上引用的中国古诗“本是同根生,相煎何太急”。

1969年,与英特尔成立仅仅相隔1年时间,同为仙童出身的桑德斯创办了AMD(见上文众人从仙童离职创业),公司的主营业务为提供生产计算机、通讯设备和电子产品的精密构成模块,由于在技术上薄弱,也或许是当时的IBM太强大,桑德斯只希望AMD能够成为这个行业的第二供应商。不知道是不是由于创始人一开始“心不太大”,只想当老二,AMD在此后几十年一直跟随着英特尔的脚步。

作为第二供应商,优先要求当然就不是技术领先和创新能力,而是学习和模仿以及生产制造的能力。公司成立之初,包括桑德斯仅仅只有8人,人员实在紧张,桑德斯一人就身兼总裁和普通推销员的重任,为了说服投资人,他付出了巨大的努力。

尽管创业的初期困难重重,但是桑德斯和他的小伙伴们一开始就表现出了强烈的开拓精神以及极高的工作效率,所以很快,AMD的第一款自主研发的产品——AM2501逻辑计数器诞生了。当英特尔推出了8080处理器的时候,取得了市场的热烈反响,AMD在这个时候也看到了微电子处理器市场的巨大潜力,于是决定投入研究微电子处理器并取得了成功,也成为了这个市场的第二供应商。

AMD迅速崛起让英特尔十分警觉,当英特尔推出8086处理器的时候,英特尔直接撕毁了当时和AMD的合作协议,让AMD一时间陷入了被动,好在后来IBM的出手相助,才让AMD渡过难关。(小知识:英特尔的8086处理器是世界上首款16位处理器,是当今芯片x86架构处理器的奠基)。

顺带提一句,IBM帮助AMD的企图也许并不“伟光正”,也许只是为了让英特尔多一个竞争对手,让英特尔的产品报价低些而已。因为IBM是英特尔与AMD竞争的直接获益者。从后续产品路线看,英特尔的下一代处理器8088是由8086衍生而出的,而IBM的PC电脑选择了8088。这次事件是划时代的,8088在PC领域的成功商业化,让英特尔奠定了在PC电脑上的芯片龙头位置,而这个行业格局一直维持了几十年。

1984年,AMD的全年收入达到了11亿美元,不过在商业战场里,从来都没有所谓的规矩可言。1987年,英特尔再次单方面撕毁了AMD此前签订的5年技术交流协定。英特尔的出尔反尔算是彻底惹怒了桑德斯,并拿起了法律的武器捍卫自己的利益,官司足足打了五年,AMD最终获得胜利,不过AMD也十分可惜的错过了PC行业发展的黄金时期。而同时期(上世纪80年代末90年代初),软件界的微软和苹果在操作系统领域开始崭露头角,这是题外话。

AMD的崛起与衰落

我们把时光机按下加速键。随着个人电脑(PC)的普及,芯片行业也迎来了快速发展。1999年,AMD发布了它的全新产品—K7,代号“速龙(Athlon)”,这也是AMD历史上第一次性能超过了英特尔的产品。也是这一年,AMD彻底改变了CPU的市场格局。

2000年,AMD推出了1GHz的速龙CPU,这也是世界上第一款1GHz主频的CPU,同时期的英特尔不得不仓促的把还不稳定的奔腾3率先发布出来应战,结果因为质量问题还造成了大规模的产品召回。那一年,AMD也以1055项专利在全球科技公司中排名第12,可以说在那个年代,AMD是把英特尔按在地上打。

在2003年到2006年,AMD奇迹般地拿下了22%的服务器芯片市场。此时的AMD一时间风光无限,不管是在桌面、服务器还有移动端这三大市场上都独领风骚,把英特尔挤得喘不过气来。可能是看到未来显卡市场的蓬勃发展,AMD在2006年花费了54亿重金收购了显卡双雄之一的——ATI(显卡双雄的另一家是国内称为N卡的Nvidia,也就是英伟达,国内称英伟达的显卡是N卡,AMD的是A卡),这也让AMD成为全球唯一一家有能力同时研发生产CPU和显卡的厂商,不过这也成为了AMD衰弱的开始。

此后在芯片领域被英特尔的酷睿(Core)系列吊打,由于AMD推出的一系列芯片的中译名和农业机械比较相似(推土机,打桩机,压路机等等),被国内网友戏称为“农企”。发热高、功耗大,性能还不如英特尔的CPU,是当时AMD芯片的真实写照。唯一拿的出手的就是产品比英特尔的价格低,也就是“性价比”是大家购买AMD产品的理由。纵观当时国内电脑杂志上组装电脑类的文章,似乎推A系平台时都是用“性价比”作为卖点。

在CPU芯片领域比不过英特尔,就连刚收购ATI后,在显卡领域也被老黄的英伟达吊打。A卡HD 6900系列(特别是HD6970)的“手工打磨显卡门”红极一时,被国内网友笑谈:每一张6900,都有一处独特的设计!(手工打磨,良心品质!当时的AMD把一个技术密集型企业生生变成了劳动密集型企业,笑)

最悲催的是,英特尔后来开始在酷睿系列的CPU里集成核心显卡,这家芯片巨头企图在显卡领域也分一杯羹,这就让收购ATI后的AMD更加雪上加霜了。

除了技术弱于对手导致产品性能的问题,从利益冲突来看,AMD在收购ATI后,实际上面临着来自CPU领域的英特尔和来自显卡(GPU)领域的英伟达这两大巨头的“混合双打”。2006年英特尔发布Core 2 Duo(酷睿2),采用65nm工艺,性能增加40%,同时功耗减少40%。(这个能耗比的数据即使放到现在也令人震惊)而AMD收购显卡巨头ATI公司,提出CPU结合GPU的全新解决方案,但这意味着,AMD和英伟达从一同对抗英特尔的队友变成了竞争对手。因为需要兼顾CPU和GPU两个市场,AMD因此成为了一个被夹击的对象,而整个芯片市场逐渐的演变为一场三大芯片厂商之间的“零和博弈”。

一切的矛盾都在2015-16年爆发。AMD的全球份额从2006年能与英特尔“五五开”下滑到2016年时不足10%。尤其是在更强调性能的服务器市场,英特尔巅峰时全球市场占有率高达99%,AMD则不足1%。

而在资本市场上,数据显示,从2002年10月到2006年3月,AMD股价经历过从低点向高点的周期,当时股价累计上涨13倍之多(从3美元到41美元附近)。但两年半以后,AMD股价暴跌96%,到2015年9月时触及不到1.6美元的多年低点。

在AMD最困难的时候,市值已经由最高时期的700多亿美元跌落到了30亿美元以下,连英特尔的一个零头都不到了,这个与英特尔同出仙童的AMD,可以说是到了生死存亡之际。而此时,一个AMD的“救世主”出现了。

苏妈的力挽狂澜

“当我们勇于承担可控的风险、积极寻求改变世界的前沿技术时,AMD才会越来越好。”

——苏姿丰,AMD总裁兼首席执行官

2014年,AMD原COO苏姿丰(Lisa Su)接任了CEO,国内网友称之为“苏妈”。这位曾经在IBM、飞思卡尔、德州仪器担任过技术顾问的女性CEO在上任之初可以说是压力巨大,在此之前的AMD被英特尔的酷睿处理器打得毫无还手之力(上文“农企”的故事),而在显卡领域也被英伟达压的翻不了身。

短短几年时间,公司连续更换了四任CEO都没有挽救AMD的颓势。苏姿丰在接手AMD之初,真可谓是临危受命:“受任于败军之际,奉命于危难之间”。当然,作为今天的我们,已然知道AMD活过来了,而且还压过了英特尔一雪前耻。那么这个过程中,苏妈是怎么反转,带领AMD重回巅峰的?

重要的反转事件之一,就是AMD利用重要合作伙伴台积电的7nm制程技术,仅仅用了两年多的时间就完成了对英特尔的漂亮反杀。

而更为重要的反转因素,就是AMD芯片技术的重新崛起,特别是锐龙系列。时间推动到2016年底,知名媒体提前曝光了AMD全新CPU锐龙(Ryzen)的跑分资料,震惊了全世界,因为在此之前,大多数人都认为AMD高管谈到的新一代Zen架构的性能会提高40%以上的说法是在吹牛,人们普遍认为这个说法只停留在PPT层面根本无法实现。

但是2017年2月,AMD发布了它的全新CPU产品锐龙系列,锐龙系列在性能上全面超过同级别对手,而价格却只有同级别对手的一半,这也让全世界消费者感叹,那个曾经的技术控AMD又回来了。(从锐龙系列开始,AMD的芯片命名终于不是农业机械了,论“起名”玄学的重要性,笑)

除了技术的崛起外,这位女性CEO将目光投向了中国。

2016年第一季度,在当季亏损1.09亿美元,已经连续6季度净亏损的背景下,AMD将最新的Zen架构处理器技术(EPYC服务器芯片)授权给天津海光(中科曙光下属公司)。中国公司首次获得高性能、64位X86处理器技术,AMD获得了2.93亿美元的授权。

同时,AMD与南通富士通微电子股份有限公司(简称“通富微电”)签署一份最终协议,双方将就组装、测试、标记和打包(ATMP)等业务组建合资公司。交易的总价为4.36亿美元,通富微电将拥有合资公司85%的股权,AMD将收到3.71亿美元现金。(小知识:自2016年收购AMD旗下苏州和马来西亚槟城工厂后,通富微电成为AMD在封测环节的核心配套企业。)

随后到了2017年,这个对于AMD关键的一年。也就是前文所说,锐龙处理器登上舞台的时刻。

2017年3月2日,锐龙Ryzen处理器开始在全球各地上架销售。

当年的6月20日,AMD公司发布AMD EPYC 7000系列高性能数据中心处理器,AMD EPYC搭载最多32颗高性能Zen核心,在整数运算、浮点运算、内存带宽、I/O基准和负载等方面全面领先。

10月9日,AMD发布了AMD Radeon E9170系列嵌入式GPU,这是首款基于“Polaris”北极星架构的多芯片模组(MCM)嵌入式独立显卡,支持集成内存、满足体积更小、功耗更低的设计需求。对于有高强度图形处理和显示扩展需求,同时注重能耗和散热控制的用户来说,AMD Radeon E9170系列GPU带来拥有超清高分辨率和极致流畅的4K体验的多屏显示,满足越来越多不同市场的需求,包括娱乐游戏机、医疗显示应用、零售和数字标牌展示及工业应用。

10月24日,AMD公布2017第三季度财报,第三季度营业额16.4亿美元,经营收入1.26亿美元,净收入7100万美元,摊薄每股收益0.07美元(AMD扭亏为盈的重要节点,见下图)。

此后AMD在各条业务线上奋起直追,营业收入增速巨大。

而于今年10月26日发布的2021财年第三季度财报显示,AMD在2021年第三季度营收为43.13亿美元,与上年同期的28.01亿美元相比增长54%,与上一季度的38.50亿美元相比增长12%;净利润为9.23亿美元,与上年同期的3.90亿美元相比增长137%,与上一季度的7.10亿美元相比增长30%。

而在股价表现上,笔者在WIND上提取了2015年初至今,AMD的股价表现(前复权价格),请注意左侧纵坐标的刻度。从2015-16年时的1-2美元,到如今的150美元,短短几年间,在CEO苏妈的带领下,AMD的发展和逆袭就是一个传奇!

真的有人可以让一家企业起死回生,如此逆天吗?事实摆在眼前。

而逆袭的秘密,苏妈在2019年AMD五十周年时,接受采访时表示,“自己在担任CEO的5年中将业务重点放在了三个方面:一是打造伟大的产品,二是深化客户合作关系,三是简化业务流程。

正是因为这种打造伟大产品的信念,才打造出了一系列AMD Ryzen架构的PC芯片、EPYC服务器芯片和Vega GPU芯片。

她曾表示,“当我们勇于承担可控的风险、积极寻求改变世界的前沿技术时,AMD才会越来越好。

桑德斯创造了AMD,而苏姿丰让AMD重获新生。

站在巨人的肩膀上

自硅谷创立后,半导体芯片的时代大幕已然拉开,而仙童的兴起与衰落是半导体行业不得不说的标志性事件。天下大势,合久必分,分久必合。在仙童奠定了后世半导体行业的基础时,这家公司的发展也从顶峰走向衰落。从仙童出走的大佬们,先后成立了英特尔、AMD等后来的芯片巨头,而这些公司对芯片行业的贡献与影响力有目共睹。伴随着无数传奇的湮灭与诞生,半导体行业走过了快速发展的几十年。

站在当下,我们已然走过PC时代、移动时代,随着新能源、5G的快速兴起,逐渐来到了“万物互联”的物联网时代。近日IDC发布《2021年V2全球物联网支出指南》显示,2021年全球物联网支出将达到7542.8亿美元,并有望在2025年达到1.2万亿美元,五年(2021-2025)复合增长率(CAGR)11.4%。其中,中国市场规模将在2025年超过3000亿美元,全球占比约26.1%。

5G的加速发展让网速不在是制约,而大数据、云计算的发展也如火如荼,无论是从本季亚马逊的财报,还是微软或是谷歌的财报,笔者都看到了科技巨头们在云计算上的押注。而11月30日,国内也出台了大数据的相关规划。元宇宙概念的提出,自动驾驶的前景,都让本世纪的人们提前看到了科技造就的美好未来。

但这一切,都建立在有一颗“强劲芯片”的基础上。这就要提及现在的半导体行业的发展阶段。

半导体发展到现在,已然到了第三代半导体。

而第三代半导体与现在新能源车的联系极为紧密。对比一代、二代半导体来说,三代半导体有何优势?每一代彼此是替代的关系吗?我们下回分解。

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