【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。