外媒深度剖析：英国如何从硅霸主迅速滑落？

集微网消息，外媒thechipletter近日发布长文称，在20世纪 40 年代和 50 年代的短暂时期，硅芯片似乎很可能不是在美国东海岸发明的，而是在英国发明的。并深度剖析了英国如何从硅霸主迅速滑落？

以下为集微网的编译：

在二十世纪的所有发明中，最重要的发明之一，当然也是最具象征意义的是晶体管。

1947年圣诞节前，约翰·巴丁（John Bardeen）、沃尔特·布拉坦（Walter Brattain）和威廉·肖克利（William Shockley）在新泽西的贝尔实验室首次为固态开关申请专利，它被广泛认为是计算机时代的基石。正如克里斯·米勒在他的杰出著作《芯片战争》中所记载的那样，半导体如今是我们所做的几乎所有事情的核心—“世界上大部分的GDP都是依靠半导体设备生产的”--因此第一个晶体管的问世代表了一个巨大的转折点。

但有一个鲜为人知的故事是，在20世纪 40 年代和 50 年代的短暂时期，硅芯片似乎很可能不是在美国东海岸发明的，而是在英国发明的。

半导体（该术语从技术上讲是指介于导体和绝缘体之间的一整类材料）的早期研究大部分都与雷达的发明有关。硅和锗（第一个半导体实际上是由锗制成的）被认为是用于雷达探测器的材料，而对雷达和半导体整流器的前沿研究是在英国进行的。

结果是，美国贝尔实验室、麻省理工学院和普渡大学的早期工作大部分都是建立在英国对这些奇怪而令人兴奋的材料的发现之上的。如果巴丁、布拉顿和肖克利当时没有发明晶体管，那么它很可能是由英国的某个人发明的（或者就此而言，法国的研究也同样先进）。事实上，据说在贝尔最终宣布的一周内，晶体管实际上是在英国制造的。根据半导体的历史，“这个想法的时代确实已经到来”。

即使在20世纪50年代，英国仍然处于半导体研究的前沿。位于马尔文的皇家雷达机构 (RRE) 是思考这项新技术的温床，当时大部分仍处于原型阶段。是的，晶体管已经发明了，它们似乎是玻璃真空管的替代品，玻璃真空管此前一直用作原始计算机和收音机中的开关和放大器。但真正的突破，即有助于诞生计算机时代的突破，仍然还有很长的路要走。

这个想法是将多个晶体管集成在一块电路板上，集成电路可以说是比晶体管本身更大的突破，因为这就是我们所知道的“硅芯片”的由来。

传统的说法是，集成电路是由德州仪器 (TI) 的杰克·基尔比 (Jack Kilby) 和飞兆半导体 (Fairchild Semiconductor) 的罗伯特·诺伊斯 (Robert Noyce) 在20世纪50年代末发明的。 基尔比最终因这项发明而获得诺贝尔奖。诺伊斯在获奖之前就去世了，但他是在创立英特尔并变得非常富有之前去世的。

但这个重大想法实际上是在五年前正式形成的，不是由美国人而是由来自赫尔的英国人杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer）提出的。曾在RRE工作的达默如今几乎被人遗忘，但他离改变历史仅一步之遥。1952年，他在华盛顿的一次演讲中阐述了半导体领域的下一次飞跃。当大多数人还在琢磨如何使用简单的晶体管时，他设想了一个由晶体管的 “绝缘、导电、整流和放大”部分组成的单块半导体基板，“通过切割层中的区域直接连接电气功能”。这就是集成电路。

这不仅仅是一个想法。达默开始尝试制造世界上第一个集成电路。他非常接近，几年后生产出了几乎完成了这项工作的东西，他在1957年的RRE活动上展示了一块带有四个晶体管的硅块。问题是，这个硅块并不实用。这只是一个模型。事实证明，制造硅芯片比想象的要困难得多。

多年来，杜默和 RRE（以及一家电子公司 Plessey）尝试将硅晶体切片转变为集成电路，但始终遇到物理困难。材料中的杂质太多，这意味着半导体根本无法工作。他们尝试了几种将元件连接到电路的方法，首先使用“薄膜”工艺，然后使用扩散工艺。 岁月流逝，但杜默却不断制造出失败的作品。

他们遇到的是我在《材料世界》中探讨过的一个教训。这些惊人的装置不仅仅是脑力劳动和巧妙设计的表现，而是世界上最先进的材料科学的体现。杜默、RRE和Plessey正好撞上了20世纪50年代物理和化学的限制。事实上，在半导体早期的大部分时间里，最大的挑战之一并不是缺乏脑力，而是我们无法创造出足够纯净的物质来转化为半导体，其中一个原子的错位可能会毁掉一个设备。 对于熔点极高的硅来说，这尤其困难。

即使在今天，半导体仍然是一种炼金术——人类有能力将一种相当常见的材料（从采石场开采出来的石英岩）转化为硅晶片，进而转化为比黄金更有价值的计算机芯片。这是一个神奇的宇宙，大部分隐藏在我们的视线之外，但我们所有人都依赖它。书中最让我兴奋的一章讲述了一个我在其他地方从未读过的故事：一粒硅从离开地球的采石场，一直到成为你设备中的一个芯片的旅程。

我相信，这是现代世界中最非凡的旅程 ——也许最有趣的是，这段旅程的大部分发生在芯片进入中国台湾和韩国的半导体制造工厂之前，在那里它们被“制造”。这些天我们最关注的只是冰山一角。在《物质世界》中，我也尝试解释水下发生的事情。

集成电路之所以在美国而不是在英国被发明并大规模生产，部分原因是他们在材料方面做得很好。基尔比和诺伊斯，也许更重要的是，提出了至今仍在芯片制造中使用的平面工艺的让·霍尔尼 (Jean Hoerni)，正在利用材料科学催生半导体时代。

但在20世纪50年代，有一个诱人的可能性，即现代的开创性技术可能是在连绵起伏的绿色英国乡村而不是在加利福尼亚或德克萨斯发明和制作原型的。事实上，如今，杜默已经基本上被遗忘了。RRE被卖给了国防公司Qinetiq，马尔文的场地几年前也被出售——听起来它正在变成一个住宅区，尽管一些勇敢的探险家在几年前拆除之前拍了一些照片。Plessy被卖给了西门子，西门子后来将其半导体业务拓展为英飞凌的一部分，英飞凌现在是欧洲最大的半导体公司之一。英国的半导体行业从未达到其曾经承诺的高度。

这把我们带到了政府今天发布的《集成半导体战略》。这是一份奇怪的、薄薄的文件（从字面上看：尽管已经工作了多年，但它仅有40页，外加摘要）。文件中并没有假装英国可以与英特尔或台湾的台积电等半导体领域的巨头竞争。与美国和欧盟抛出的资金相比，承诺给英国部门的资金数额是微不足道的。正如有人所说，英国10年的承诺总额大约是台积电这样的公司每两周投资的资本支出。

我们很容易眯起眼睛说：好吧，事情本来可以非常不同，但也值得注意的是，英国以前曾多次尝试加入这场竞赛，但都失败了。几十年前，英国在某些学科上有卓越的中心（包括化合物半导体，即使在今天，人们仍然把它作为我们最后的希望）。换句话说，我们曾经来过这里。

所有的这些可能会让你得出这样的结论：政府应该完全退一步。但同样值得注意的是，如果没有政府的支持，今天世界上没有一个芯片巨头会存在——有时是简单的拨款，有时是贸易保护，有时是通过提供一个可靠的大客户（例如军队和太空计划，这有助于资助美国早期的大部分芯片制造）。不管你喜不喜欢，这个行业往往要依靠政府的帮助——至少是为了启动它。

换句话说，尽管英国政府对工业战略过敏——我听说这个词在英国实际上是被禁止的——但它目前面临着一系列问题，如果没有工业战略，就很难解决：从氢气到电池到半导体到钢铁。

更重要的是，它目前面临的地缘政治环境是，包括英国的主要盟友在内的其他人都在全心全意地实施工业战略，这意味着它需要决定是否也这样做，是否与邻国或盟友联合起来（英国脱欧似乎在这方面没有帮助），或者是否接受自由放任政策，看着其大部分技术产业离开这些海岸线。

但是，工业战略的问题是，你最终总是不得不在想法和企业背后投入资金，而这些想法和企业有时并不成功。这在政治上是很尴尬的。你只是不知道哪些会成功，哪些不会。

我在这方面有一点个人经验。去年，我做了一个关于纽波特晶圆厂的报道，它是英国仅存的大型半导体制造商。那篇报道中的一家公司似乎有成功的希望，它叫Rockley Photonics。围绕着Rockley，有很多的炒作。它正在制造一种不寻常的半导体，据传可能最终成为未来版本苹果手表中的健康传感器，让用户可以无创地检查他们的葡萄糖水平。

因此，我在那篇文章中介绍了Rockley，作为一个可能有机会做大的英国公司的例子。我们在电视报道中采访了创始人。几个月后，几乎是突如其来的消息显示，苹果已经放弃了Rockley作为他们的光子学供应商，而是选择与台积电的一个部门合作生产这些芯片。Rockley在1月份申请了破产。

如果政府为其提供更多支持，Rockley可能会有机会吗？这很难确定，但这是工业战略的一个长期问题。你把纳税人的钱放在风险中。有时这些赌注会得到回报，但往往不会。

考虑一下这个行业的其他几个成功/失败的例子。

第一个例子是晶片机，在20世纪70年代末和80年代初的一段时间里，它被视为半导体设计的下一件大事。英国政府认为这就是未来，并且是一个可以合理竞争的未来。如果晶片机（一种并行芯片）表现良好，它可以把英国变成一个芯片制造强国。因此，数百万英镑的公共资金被投入到布里斯托尔一家名为 Inmos 的公司，该公司在纽波特有一个制造工厂。随着产业战略的发展，这似乎是一个明智之举。

大约在同一时间，在20世纪80年代初，荷兰电子公司飞利浦与一家名为先进半导体材料国际公司联合起来，创建了一家名为ASM光刻技术（ASML）的新公司。该公司的想法是制造用于将晶体管“烧”到硅芯片上的大型复杂机器（《材料世界》中对此有更多介绍）。这是一个大胆的举动，尤其是因为光刻技术的市场完全由日本主导。ASML的最初几年非常艰难。该公司接近崩溃，但得到了飞利浦的帮助和荷兰政府的慷慨支持。

几年后，即 20 世纪 80 年代末，张忠谋（Morris Chang）受邀在台湾创建了一家半导体公司。张忠谋在美国度过了大部分职业生涯，曾在包括德州仪器 (Texas Instruments) 在内的一些最早的半导体公司工作。当时，大多数半导体公司倾向于生产自己设计的芯片，但张选择做其他事情：代表其他芯片设计者制造芯片。台积电（TSMC）的诞生很艰难，但它也得到了台湾政府的广泛支持，台湾政府给予它相当大的税收减免，并吸引富有的台湾投资者为其提供资本。

你可能知道接下来发生了什么，至少在这些例子中的几个。台积电（别忘了，它是在英国认为它不应该进入主流芯片制造的十年左右成立的，因为美国已经把它全部种下了）现在是世界上最大的半导体制造商。今天，ASML是世界上唯一的机器制造商，台积电和其他公司用它来制造最先进的逻辑芯片——今天的智能手机里的那些。不过，需要注意的是，在很长一段时间内，传统观点认为这些企业没有希望。它们看起来像哑巴。

另一方面，运输机开始被炒作，但肯定是失败的。事实上，它可能一直是个失败者；英国选择了错误的技术。这种情况经常发生（实际上是相当多）。

但是，工党政府在20世纪70年代末开始实施这一半导体战略后，保守党政府在20世纪80年代放弃了这一战略和对该行业的大部分支持，这对晶片机也没有任何帮助。Inmos很快就被卖给了一家法意公司，成为意法半导体的一部分。像Plessey和GEC这样的公司，曾经与欧洲的同行并肩作战，现在已经萎缩，看起来很脆弱并被出售。大部分知识产权被转移到海峡对岸的法国、德国和意大利。今天，英国的主要遗产是位于布里斯托尔和纽波特晶圆厂的一个半导体设计公司集群。

纽波特晶圆厂内部

但在英国的另一边，有一个无可争议的成功故事。Acorn是一家位于剑桥的微型计算机公司，它制造了一些计算机，但却难以在该领域站稳脚跟。然而，苹果公司发现，Acorn公司在其计算机中使用的芯片架构——精简指令集计算（RISC）可以部署在其牛顿记事本中。由此产生了一家新公司——高级RISC机器或ARM。

有趣的是，ARM的成功与其说是政府的工业战略，不如说是其董事的巧妙战略的产物。与台积电选择不制造自己的芯片而制造其他任何人的芯片一样，ARM选择不制造自己的芯片设计而将其架构授权给其他公司。今天，ARM架构在半导体世界的大部分地区完全占主导地位。它是一个真正的全球冠军。

ARM于2016年被日本投资集团软银收购。在任何其他国家，很难想象对如此大的企业（尤其是其架构用于安全敏感设备的企业）的收购会被批准。事实上，英国政府保留了包括劳斯莱斯和英国航空航天公司在内的某些重要国防公司的“黄金股份”，正是为了防止此类事情发生。 但是，这次收购是在脱欧公投后不久进行的。特蕾莎·梅将其视为对英国的信任票，并允许其通过。英国最后一颗半导体明星掌握在外国人手中。如今，软银正在让ARM重新上市，不是在英国，而是在美国。

时至今日，虽然 ARM 在英国仍然占有重要地位，但一些人想知道它在英国的联系还能持续多久。但这家公司很重要，因为它是英国在全球半导体市场上唯一真正的立足点。材料科学家理查德·琼斯（Richard Jones）也记录了这一领域，他认为英国政府有充分理由购买 ARM，引入黄金股，然后再次出售。

这样的想法不太可能在保守党政府中推行。但这一时刻的有趣之处在于，关于什么是可接受的、什么是不可接受的旧假设正在迅速转变。英国政府可能不喜欢使用这个词，但今天的《半导体战略》文件代表了可能最终成为一个真正的21世纪工业战略的第一缕曙光。

这可能是一个有点可悲、缺乏想象力的开始。数字很小，雄心很弱。没有提到能源成本——这是半导体制造的最大投入之一，也是这个国家重工业的最大障碍。该文件似乎完全忽视了这样一个事实：英国拥有规模庞大的化学品行业，因此有可能在制造世界各地芯片工厂所用的一些化学品投入方面进行竞争。但是，嘿，这是一个开始。

这是一个迹象，表明本届政府可能已经准备好开始与当今世界角力，各国正在争夺硅以及锂、铜、氢等方面的霸主地位。可能将会花费很多钱，也会浪费很多钱，但这一切的结果很可能是一场新的工业革命，更不用说一个更清洁、更健康的世界了。英国可能会较晚才加入这场争夺，但这也许是心态正在转变的一个迹象。未来可能还会有更多这样的转变。

预购物质世界

我也希望这也是其他事情的开始：我们今天生活的世界并没有非物质化的顿悟。它依赖于非常物理、非常真实的产品，而这些产品确实很难制造（正如杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer）会告诉你的那样）。它不仅取决于我们把好的想法变成在微处理器上运行的聪明程序的能力，而且还取决于我们把从地下挖出的原材料变成超纯硅片，以及变成我们用来制造它们的气体和液体的能力。

《物质世界》试图自下而上地讲述这个神奇的故事。它不会帮助你制定半导体、钢铁或其他任何行业的产业战略。它不会帮助你在这个世界的晶片机和台积电之间进行选择。但是，它可能会帮助你了解我们长期以来认为理所当然的一些隐藏的经济底层。