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如何才能成为硅谷? 精选

已有 3630 次阅读 2024-4-5 10:24 |系统分类:观点评述

从土耳其东部的高原区以及托罗斯山区分别流出两条河:幼发拉底河以及底格里斯河。二者奔向东南方,最终注入波斯湾。在阿拉伯半岛东北部与札格罗斯山脉之间的两河流域(美索不达米亚平原),编织了人类早期文明演化的摇篮。苏美尔人在公元前4000年左右就在此发展,发明了文字,依靠下游肥沃的土地,占据先机,建立城邦,早早就步入人类文明阶段。

早期文明的发展大都建立了人与自然的竞争关系上。为了生存,人口密度要加大,思维碰撞也活跃。地理限制论能够较好地对早期文明的发展进行合理解释。两河流域地理狭窄,河流泛滥,需要很多人协作才能治理好河水,文明也就此逐渐产生。

这种早期文明最终湮灭在历史长河中。最主要的原因有两点。第一,土地的肥力有限。经过一两千年的更重,土质退化,农耕文明的根基变得不稳。第二,没有绝对的天险可守,后来者居上,被武力征服。

我们用早期人类文明演化来起兴,目的是向从更大的演化角度来看待历史中的现象。这样,我们的思路可能会更清晰些。

硅谷(Silicon Valley)坐落在美国西海岸,旧金山南面。上个世纪该地区是半导体芯片研究的核心区,因此得名。当年笔者在加州大学圣克鲁斯(Santa Cruz)分校工作时,每到周末,都会翻越山脉,到圣何塞(San Jose)买菜打牙祭。这个地方引领了上个世纪的半导体技术革命。研究硅谷成名的文献很多。从天时地利人和等多个角度,分析了市场、政策、科学、技术、金融的大融合。

每个人都有一个悬念,硅谷还可以复制吗?

和人类传统文明演化一样,我把硅谷现象称之为技术文明演化。技术文明也需要资源的汇聚,不同专业的人才为了一个共同目标,通过汇聚效应,产生技术文明的火花。如果没有一个共同的技术目标,就很难产生虹吸和聚合效应。天鹅、梭子鱼和虾,看着不同种类的技术种类繁荣,其实很难发展成为技术文明。

硅谷的技术核心就是半导体硅以及派生出来的晶体管技术。

硅谷是充满偶然和必然的地方。高科技兴起,但未必一定是在硅谷。即使一个地方有了新技术,也未必有土壤生存,比如大疆无人机技术,产生于香港,但是却没有市场。在内地则发现了广袤的市场资源。

硅谷的偶然性就在于早期真的有科学家对半导体感兴趣,虽然他们并不知道这个研究会改写人类历史。这又涉及科学研究的纯目标导向和纯兴趣导向。忽略了这种辩证关系,用摘桃子的心情去引导科学技术革命,往往事与愿违。保护科学家的自由探索精神,而不是当作生产线上的工人,或者为大公司打工的螺丝钉,是目前很多所谓的经济技术发展中心需要认真思考的问题。

我们要提及的这个人就是威廉.肖克利(William Shockley)。他的专业就是半导体—一种导体于绝缘体之间的媒介。我们之前在讨论文明演化时,会发现,不同文化之间的交接带是文化碰撞与交流最频繁的地方。介于中间状态的事物,往往会带来最奇妙的性能。

所谓半导体,就是在正常状态下不导电,可是稍微施加一些“魔法”,比如掺杂一些物质—磷或者硼,就可以导电。其中的原理一直困扰科学界。1945年,肖克利天才地提出了“固态阀门”理论。在他的想象中,给半导体材料施加一个电厂后,电子就会汇聚在其表面边缘,电子流动就会形成电流。当时没有灵敏的检测设备,肖克利无法用实验证明自己的理论。随后在1947年,肖克利的两位同事沃尔特·布喇顿 (Walter Brattain)和约翰·巴丁(John Bardeen)成功地验证了他的理论,并做出了新器件—晶体管(Transistor)。

上述几位科学家隶属于贝尔实验室,Transistor的名字则来自贝尔实验室的上层东家美国电话电报公司(AT&T)。Transistor刚好可以被用来放大电话信号传输,起这样的名字也就不足为奇。

可以说,晶体管的翻译有些迷糊人,一般人难以搞清楚其本质。Transistor是一个合成词。前面Trans(Transfer)是转移的意思。后面Sistor(Resistor)是电阻器。也就是说这类器件可以通过电阻器,把交流电转换为直流电。直译可译成“电流转换器”。英文翻译讲究传承和体系性。在Transistor之前人们发明了真空管(Vacuum Tube,也叫电子管),是一个名副其实的玻璃管。于是,当Transistor替代了真空管之后,保留了“管”的概念,与硅这种晶体相结合,于是就出现了“晶体管”这种翻译。可见,晶体管这个名字与其发展历史有关,而与其形状没有任何关系。

晶体管核心的功能其实就是一个开关,表示为0/1。肖克利随后也设计出一种新的晶体管,但是对于其前景,没有人能真正了解或者预测。

在人类历史长河中,阴阳八卦理论领悟了0/1。通过0(阴爻)和1(阳爻)的组合,就可以构成八个基本型(000,001,010,011,100,101,110,111)。以二进制构成计算机的底层逻辑算法,是人类又一次飞跃。可以不夸张地说,肖克利站在了历史节点,手中掌握着0/1开关的新技术。但凡他了解一些阴阳八卦学说,就可能更早地预测自己到底掌握了一种什么样的技术。

肖克利等科学家设计的这种初级晶体管,依旧粗糙,还无法真正走上市场搅拌起惊涛骇浪。晶体管面临着如何小型化、布局简化、以及可靠化的问题。

晶体管之间需要连线,当晶体管数量激增后,如何有效地处理这些线路是个难题。这个任务落到了杰克·基尔比的头上。他的思维方式与众不同,之前按照电子管的思路,制造一个一个单独的晶体管,然后再用线链接起来,于是出现了线路复杂的难题。如果一次性在一块半导体上制作出很多晶体管,不就可以大大地简化线路铺设吗?

这个思想其实就是集成电路,于1958年构建出。这种集成在一起的电路俗称芯片(Chip),薯片叫做Potato Chips。可见,芯片就是从一种圆柱形的硅上切出来的圆片,然后再在上面刻蚀集成电路。

历史的车轮进行到此,依旧没有太大的浪花。在关键时候,一些历史事件和任务的走向,或者一些偶然因素开始叠加在这个历史潮流中。

第一个事件就是肖克利自己开公司,但是他性格不好,也不善经营,八位年轻同事于是在1957年离开他,开了一家新的公司--仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor)。这八位可媲美八仙过海,各有特色,各显其能。摆脱了内耗,相互支撑。举一个例子就可知他们的重要性。戈登.摩尔提出了著名的摩尔定律,指引着半导体行业的后续几十年发展。其中最重要的是罗伯特·诺伊斯,他清晰地知道如何引进新技术把晶体管做得更小、廉价、以及更可靠。

这种集成各种人才的公司,掌握着先进技术,可以说硅谷的时代真正来临了。后续的发展,就像滚雪球一样,越滚越大,只不过是把晶体管做得更小,集成的数目更多,能耗做得更小而已。

最初的集成电路铺设在半导体最外面,容易和外界得灰尘和各种物质发生反应。简·尔尼(Jean Hoerni)认为,如果把电路内置到芯片里面问题不久解决了吗。在原有设计上,他又铺设了保护性绝缘层,于是在内部铺设金属导线也成为可能。这种新设计,使得这种器件更小,能耗更小,大有用途,问题是具体的应用场景在哪里?

此时,技术出口就成为芯片能否真正被认可的关键一步。军方项目正式登场。在与苏联争霸过程中,美国军方急需要体积小,重量轻,能耗也小的器件(比如小型计算机)搭载在宇宙飞船或者导弹等武器上,以提升其飞行精度。结果是,阿波罗11号中用的计算机就是用了这种新芯片。

借助军方项目和航天项目,仙童公司有了助飞器,就像变形金刚中的擎天柱,有了天火套装,腾飞了起来,公司规模很快扩张。

摆脱对军方投资的依赖,瞄准更大的民用市场,是硅谷发展的又一里程碑标志。任何只有单一投资的项目,早晚都会出事,不可能长久。

目前有两种观点来解释仙童公司早期经营者的思路。一种是认为这些经营者有着先进的战略思维,老早就开始布局,面向更大的民用市场。另外一种思路就是公司被动地接受军方投资减少这一事实。但是,无论是哪个原因,歪打正着,使得军用产品民营化,公司也因此获得了更大的空间。

与美国模式相比,苏联模式的弊端很大。国家投资大型科技项目,缺乏民用的动力。大批新技术没有市场应用,被束之高阁。造成极大的浪费。

1965年,摩尔发表了他最著名的预测—在未来十几年或者更长时间里,芯片上集成的晶体管数目会每年增加一倍。这种倍增法不得了。之前有一个故事,说一个人获得了功劳,皇帝要奖励他。他说,索要不多,在象棋的第一个格子里放一粒米,第二个格子里放两粒米,第三个里面放四粒米,如此倍数地递增下去。皇帝很开心,索要不多啊。不久他就发现,他整个国家的米放进去,还是填不满。一张A4纸厚约0.1mm。折叠42此,其厚度就已经达到了月球。

大家可以想象,从上个世纪60年代开始,到本世纪初,经过摩尔定律的洗礼,一个芯片上集成的晶体管已经是天文数字。

这期间,一些国家跟上了芯片技术这架马车,包括日本韩国、中国的台湾地区、欧洲国家等等。所需要的技术包括各行各业。其核心目标就是用更小波长的光源刻画出更大密度的晶体管。光刻机的核心目标也就是尽可能地把发射光源的波长减小,目前已经到了超紫外线(EUV,13.5nm)波段,可以刻蚀8nm的器件。这些设备及其复杂,经过很多国家的共同努力也直到最近几年才真正突破,代表着人类最前沿的科技之一。

行文至此,我们回归文明演化论。苏美尔人经过千年级别的经营,土地资源被充分利用,无法再支撑新的增长。在半导体这个行业,晶体管尺寸这个最为核心的指标资源已经快到极点。当尺寸再小时,由于量子效应,晶体管的功能受到挑战。原子的直径大约0.1nm,这个尺寸无论如何无法突破,也就是说,靠缩小光源的策略,最终会破产,无法再支撑下一步的需求。

传统的半导体行业会因此受到什么样的冲击不是很好说,但至少在未来,不可能再出现几十年的持续飞速发展。

新的文明模式,或者新的0/1技术会出现,引导人类开辟新的增站点。或者改变设计结构,用特定算法弥补硬件的不足。比如专门用于图形的GPU就有别于传统的CPU。新型的“X”PU一定是未来的发展方向。量子计算据说也可部分地解决这一问题。

我们来总结一下硅谷的发展历史。人类文明的发展,首先需要提出一种的新的聚集目标—治理河水与农业。这需要天才的发明,拥有聚焦的核心技术。并且这项技术有无与伦比的宽广应用,让整个社会都为之运转起来。在此基础上,这种技术文明的光芒又会带动周边,汇聚更多资源,使其发源地的宗主地位进一步加强。为什么大唐喜欢万国来朝,这会让其文明地位大为强化和提升。

硅谷的形成,不只是上面一些科学家自我奋斗,为兴趣开发新技术的故事,其中涉及到社会的方方面面。其中,大学,尤其是斯坦福大学的作用,就如同人走路的一只脚,不可或缺。

肖克利再20世纪40-50年代开始研发新型半导体器件。1951年,斯坦福大学前副校长弗雷德里克·特曼创建高科技研究园区(Stanford Research Park)—斯坦福工业园。这一天才的构想,把大学和工业界紧密链接起来,为后续硅谷模式奠定了基础。因此,特曼也被称之为“硅谷之父”。

从时间线上,我们可以发现,半导体技术的发展与斯坦福工业园的建立基本上是同频的。特曼的思想肯定不会凭空产生,而是受到当时整体的高科技发展的强烈影响。关键是斯坦福自己的地盘大,有充足的空间开办新型的高科技园区。这后续吸引了众多公司,在地理位置上围绕斯坦福布局,形成公司-大学的协调互动局面。

大学与公司群的关系,是上个世纪硅谷上演的一段绝佳关系。你情我愿,相互吸引,各自又独立的思想和资源,强强联合。大学位公司提供开放的实验室和无尽的人才。公司则为大学师生提供实践基地。20世纪80年代中期至90年代,斯坦福大学教师和学生自己也亲自上阵,参与建立公司,占比高达70%以上。其中我们熟知的有惠普、谷歌、雅虎、耐克、思科等等。

半导体晶体管的设计成功只是万里长征第一步。如果没有好的市场和外围应用,一个新技术就不可能走向繁荣。斯坦福大学的师生们,在晶体管技术的外围应用中,起到了推波助澜的作用。用各种类的公司把晶体管技术发扬光大,并派生出整个高科技产业链。

硅谷的产业和大学之间的这个恋爱关系是成功的,各自地位平等,兴趣和目标一致,在时代的引领下,创造了硅谷的奇迹。

上面这一句话基本上代表了我对硅谷模式成功的理解。这为我们的主题“如何复制硅谷”提供了思想基础。

我们以深圳为例进行简单的探讨。

深圳经过几十年的奋斗,已经从当初的一个小渔村变成了国际大都市,代表着中国高科技发展。华为、腾讯、大疆等一批高科技企业,承载着中国高科技企业的未来。深圳最初以发展经济为主,人才以引进为特色。近十年,深圳加大力度,自主承办了十几所大学,在短时间内,高教事业繁荣向上。

深圳各类大学的兴起,必然会带来一个新问题,深圳的大学和高科技企业之间能否也像硅谷那样相互促进,相互影响?换句话说,深圳能否再造一个中国硅谷?

就目前的形式来分析,这还需要很长一段时间去磨合。

硅谷的形成不是一朝一夕之事,是在技术与市场协调发展的情况下,自然形成的一种大学-企业共生模式。其核心技术衔接就是半导体产业。围绕这个核心,派生出众多的外围应用,包括对全世界的影响,形成了一个完整的技术生态链。

深圳目前的高科技发展迅猛。但是,缺乏像半导体技术这样的核心技术来引领整个行业。深圳的高科技方向众多,没有形成一个核心。而且,主要技术缺乏革新。基本上还在于全世界同行PK,追赶,并设法超越。

在大学层面上,其发展落后于公司与企业,地位并不平等。二者之间存在着明显的思维界面。大学在初创期,有着自己的发展目标,论文等指标可能比产业化更加诱人。换句话说,如果没有真正的高科技加持,大学只服务于目前的企业,就会陷入中等技术陷阱。大学为企业提供优质的科技支撑,但是自身的科技水平可能会停滞不前,这并不是大学想看到的结果。

总之,目前很多校企联合,想重现硅谷模式,还是相当的困难。这就相当于认知歌剧。是不是舞台上有人唱歌朗诵,加上一些表演和演奏,就成为歌剧?现实肯定不是如此。校企联合只是硅谷模式的一个结果,其中涉及众多的中间环节,并对硅谷发展起到了反馈作用。简单地把校企联合看成硅谷模式,理解过于偏颇。

重塑硅谷模式还是相当困难的。除非找到像当初的芯片技术那样,各方都重视,并为之衔接在一起。并做好几十年的发展思路,才有一定可能,这样的技术目前是什么?

肯定不是传统芯片,那样,只能追赶,很难超越。是人工智能技术?还是新的构架体系,降低芯片能耗?

目前靠增加芯片密度的思路已经接近瓶颈。人工智能算力的提升需要巨大的能源于资源支出。是不是也存在着新的摩尔定律方向,让人工智能算力的资源消耗降低?

这种跨时代的新技术一定影响着人类的未来。这也肯定不是靠拍脑袋就能想出来的事情。社会与技术发展,还是需要激发科研人员的兴趣,甚至推崇一些他们的偏执。否则,一些新技术在积累爆发前就可能夭折。没有了自由的科学土壤,盲目去跟风,去模仿,只看到表象,不能涉及本质,短期可能获利,长期则无益。

回到本文的开端,人类文明发展具有周期。早期的先发优势会被后来者逐渐取代,这是历史的必然。从这一点来看,集成电路的半导体晶体管密度这一资源正在逐渐消耗完,硅谷的先发优势会慢慢停滞。即使是目前最先进的EUV光刻机也大致领先我们10几年。对于时代发展来说,这点时间可以耗得起。硅谷应该已经体会到阵阵压力。

如何成为硅谷?是不是可以换一种说法,是否有新的模式超越硅谷?



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