前言 矽時代──半導體定義的世界
2020年8月18日，美國驅逐艦馬斯廷號（USS Mustin）獨航穿越台灣海峽的北端，艦上的五吋砲口朝向南方，並重申這些國際水域並非由中國掌控——至少現在還不是。馬斯廷號往南駛去時，強勁的西南風吹過甲板。高空雲層在海面上投射的陰影，似乎一路延伸到福州、廈門、香港等大型港市，以及散佈在華南沿海的其他港口。在東方，台灣島在遠端屹立著，那裡是一片人口稠密又廣闊的沿海平原，其間散佈著聳入雲端的高山。船上一名戴著海軍棒球帽與外科口罩的海員舉起雙筒望遠鏡，掃視著地平線。這片水域上擠滿了商業貨輪，把亞洲工廠生產的商品運向世界各地的消費者。
在馬斯廷號上，一排海員坐在一個昏暗的房間裡，面前是一排明亮的彩色螢幕，上面顯示著飛機、無人機、船隻、衛星所追蹤的印太地區動向資料。在馬斯廷號的指揮駕駛室頂端，雷達陣列傳入船上的電腦。甲板上，96個發射掩體已準備就緒，每個發射掩體都能發射導彈，精準地擊中數十英里、甚至數百英里外的飛機、船隻或潛艇。在冷戰危機期間，美國軍方曾揚言以核武保衛台灣，如今則是依賴微電子技術與精準打擊。
隨著這艘滿載電腦化武器的馬斯廷號駛過台灣海峽，中國人民解放軍宣佈在台灣周邊舉行連串的報復性實彈演習，以演練中國官方報紙所謂的「武力統一行動」。不過，在這一天，中國領導人擔心的不是美國海軍，而是美國商務部一項名為「實體清單」（Entity List）的規定。這項比較鮮為人知的規定，限制美國技術向海外轉移。之前，實體清單主要是用來阻止導彈部件或核武材料等軍事系統的銷售。然而，由於現在軍事系統與消費品普遍嵌入晶片，美國政府正大幅加強對電腦晶片的嚴格管控。
美國政府的目標是中國的科技巨擘華為，該公司銷售智慧型手機、電信設備、雲端運算服務，以及其他先進的技術。美國擔心，華為產品挾著中國政府的補貼優勢，現在定價非常誘人，不久可能成為下一代電信網路的骨幹。到時候，美國主宰全球科技基礎架構的地位將會受到破壞，中國的地緣政治勢力將會增強。為了因應這個威脅，美國禁止華為購買以美國技術製造的先進電腦晶片。
不久，華為的全球擴張戛然而止，整個生產線陷入停擺，營收大幅下滑，彷彿被掐住了技術命脈，陷入技術窒息。華為就像其他的中國企業一樣，赫然發現它極度依賴外國人製造的晶片，因為所有現代的電子產品都靠晶片運作。
即便美國的優勢已大幅削弱，但美國如今仍然牢牢地掌控著矽晶片（這也是矽谷名稱的由來）。中國現在每年進口晶片的支出，比進口石油的支出還多。這些半導體嵌入中國國內消費或出口到世界各地的各種裝置中，從智慧型手機到冰箱，不一而足。紙上談兵的策略家曾指出，中國面臨「麻六甲困境」。這是指太平洋與印度洋之間的主要航運通道，以及中國在危機中取得石油與其他大宗物資的能力。然而，中國官方如今更擔心的是這種以位元組衡量的科技封鎖，而不是以桶為單位的封鎖。中國把最優秀的人才與成千上百億美元的資金投入開發自己的半導體技術，目的就是為了掙脫美國的晶片鎖喉（chip choke）策略。
如果中國在半導體方面發展成功，那將重塑全球經濟，重新界定軍事力量的平衡。二次大戰是由鋼鐵與鋁決定勢力的消長；緊隨其後的冷戰則是由原子武器決定勢力的盛衰。如今美國與中國之間的競爭很可能是由運算力決定的。雙方的戰略家現在都意識到，所有的先進技術——從機器學習到導彈系統，從自駕車到武裝的無人機——都需要先進晶片（更正式的稱法是半導體或積體電路）。僅少數幾家公司控制著晶片的生產。
一般人很少想到晶片，但晶片創造了現代世界。國家的命運取決於它們駕馭運算力的能力。如果沒有半導體與電子產品的貿易，眾所皆知的全球化不會存在。美國的軍事霸主地位，主要是源自於它把晶片應用在軍事上的能力。過去半個世紀以來亞洲的驚人崛起，是建立在矽的基礎上，因為這些不斷成長的經濟體已經把晶片製造及組裝電腦與智慧型手機等產業加以專業化，這些產業都是靠積體電路撐起來的。
運算的核心需要無數的1與0，整個數位宇宙是由這兩個數字組成的。iPhone上的每個按鈕、每封電郵、每張照片、每支YouTube影片——這一切最終都是由大量的1與0編寫而成。但這些數字實際上並不存在，它們是電流的運算式，要嘛開著（1）、要嘛關著（0）。晶片是由無數電晶體所組成的網格，這些電晶體是微小的電子開關，藉由開開關關來處理這些數字，記住它們，並把圖像、聲音、無線電波等現實世界的動感轉換為無數的1與0。
馬斯廷號向南航行的同時，海峽兩岸的工廠與組裝廠正在為iPhone 12生產大量的零組件，當時距離2020年10月的iPhone發布日期只剩兩個月的時間。晶片業約有四分之一的收入是來自手機。一部新手機的價格，大部分是花在內建的半導體上。過去十年，每一代iPhone都是採用全球最先進的處理晶片。總計，一部智慧型手機需要十幾種半導體才能運作，不同的晶片分別管理電池、藍牙、Wi-Fi、網路連線、音訊、相機等等。
這些晶片都不是蘋果生產的，蘋果是採購大部分的現成晶片，例如來自日本鎧俠（Kioxia）的記憶體晶片，來自加州思佳訊（Skyworks）的無線射頻晶片，來自德州奧斯汀思睿邏輯（Cirrus Logic）的音訊晶片。蘋果內部自行設計在iPhone作業系統上運作的超複雜處理器。但這家位於加州庫柏蒂諾的巨擘無法製造這些晶片。美國、歐洲、日本或中國的任一家公司也無法製造。如今蘋果最先進的處理器（可說是全球最先進的半導體）只能由一家公司在一棟建築內生產，這是人類歷史上最昂貴的工廠。2020年8月18日的上午，它距離馬斯廷號的右舷僅幾十英里。
半導體的製造與微型化，一直是我們這個時代最大的工程挑戰。如今，沒有一家公司能比台積電更精準地製造晶片。2020年，當全球因一種直徑約100奈米的病毒所造成的封城而動盪不安時，台積電最先進的Fab 18廠正在刻由微小電晶體所組成的微型迷宮，蝕刻出比新冠病毒的一半還小的圖案（約一個粒線體的百分之一）。台積電以人類史上前所未有的規模，複製這個製程。蘋果售出逾1億支iPhone 12，每一支都採用A14處理晶片，那晶片上刻了118億個微小電晶體。換句話說，iPhone 12內建十幾種晶片，在短短幾個月內，台積電的Fab 18廠就為iPhone 12內建的一種晶片製造了超過1萬兆個電晶體（1萬兆這個數字有18個零）。去年，晶片業生產的電晶體數量，比人類史上所有其他產業的所有公司生產的所有商品的總和還多。任何東西的產量都無法與之匹敵。
僅僅60年前，一塊頂尖晶片上的電晶體數量，不是118億個，而是4個。從1965年展望未來，摩爾預測未來十年將呈指數級成長，但這種驚人的進步速度如今已持續了半個多世紀。1970年，摩爾創立的第二家公司英特爾（Intel）推出一款可儲存1024條資訊（「位元」）的記憶體晶片，價格約20美元，亦即每個位元約2美分。如今20美元可買到一個儲存超過10億位元的隨身碟。
現在我們想到矽谷，腦中浮現的是社群網路與軟體公司，而不是讓矽谷得名的那個物質。然而，網路、雲端、社群媒體、整個數位世界之所以存在，都是因為工程師學會掌控電子在矽晶片上流動時的最小移動。要不是處理及記憶1與0的成本在過去半個世紀大降了10億倍，那些大型科技公司根本不可能存在。
－
如今拜摩爾定律所賜，半導體嵌入每台需要運算力的裝置中——在物聯網時代，這意味著幾乎每台裝置都內建半導體。即使是汽車這種有百年歷史的產品，現在通常也內建價值上千美元的晶片。全球大部分的GDP都是由依賴半導體的裝置創造出來的。對於一個75年前還不存在的產品來說，這是一種非比尋常的進步。
2020年8月，馬斯廷號往南航行時，世界才剛開始意識到我們對半導體的依賴，以及對台灣的依賴。我們每年使用的新運算力中，有三分之一是來自台灣製造的晶片。世界上幾乎所有最先進的處理晶片，都是由台灣的台積電生產。2020年，當新冠病毒席捲全球時，晶片業也受到衝擊。一些工廠暫時關閉，車用晶片的採購量大幅下滑。隨著世界各地許多地區準備在家工作，個人電腦與資料中心的晶片需求大幅飆升。接著，2021年，一連串的事件又導致上述供應鏈中斷的現象加劇：日本一間半導體工廠失火；德州發生冰風暴（那裡是美國的晶片製造中心）；馬來西亞開始新一輪的新冠疫情封城（許多晶片是在馬來西亞組裝及測試）。突然間，許多離矽谷很遠的產業都面臨嚴重的晶片短缺。從豐田（Toyota）到通用汽車（GM）等大型汽車製造商都不得不關廠數週，因為他們無法取得需要的半導體。即使是最簡單的晶片短缺，也會導致地球另一端的工廠關閉。這一切彷彿是全球化出問題的完美寫照。
過去幾十年來，美國、歐洲、日本的政治領導人從未多想過半導體。他們就像一般人一樣，以為「科技」指的是搜尋引擎或社群媒體，而不是矽晶圓。當美國總統拜登（Joe Biden）與德國總理梅克爾（Angela Merkel）問道，為什麼他們國家的汽車廠關閉時，答案隱藏在錯綜複雜的半導體供應鏈背後。一個典型的晶片，可能是一個加州與以色列的工程師團隊，使用美國的設計軟體，根據總部位於英國、軟銀集團旗下的ARM公司的藍圖設計出來的。設計完成後，會送到台灣的工廠，那家工廠從日本購買超純矽晶圓及特殊氣體，接著利用全球最精密的機器，把前述設計刻在矽上。那種精密機器可以蝕刻、沉積、測量幾個原子厚度的材料層。這些工具主要是由五家公司生產，一家荷蘭公司、一家日本公司與三家加州公司。如果沒有這些公司，基本上不可能製造出先進的晶片。之後，晶片會經過封裝與測試，通常是在東南亞進行，然後才運到中國，裝進手機或電腦。
如果半導體的生產過程中有任一步驟中斷，全球新運算力的供給就會受到威脅。在人工智慧時代，大家常說資料是新石油。然而，我們面臨的真正限制，其實不是資料的取得，而是資料的處理力。儲存與處理資料的半導體數量是有限的，生產半導體的流程極其複雜，而且成本高的可怕。石油可以從許多國家購買，但運算力不一樣。運算力的生產，根本上是取決於連串的關鍵控制點：機台、化學物、軟體。這些通常是由少數幾家公司生產，有時甚至只有一家公司生產。經濟上找不到如此依賴那麼少公司的產業了。台灣的晶片每年提供全球37％的新運算力；兩家韓國公司生產全球44％的記憶晶片；全球所有的極紫外光（EUV）曝光機都是由荷蘭的ASML製造，沒有這些機器，頂尖的晶片根本不可能製造出來。相較之下，石油輸出國組織（OPEC）的產油量占全球產量的40％，那看起來就沒什麼大不了了。
這個遍及全球的公司網絡，每年生產上兆個奈米級的晶片，可說是效率的極致，但也是驚人的弱點。新冠疫情的衝擊讓我們有機會窺探，萬一地震剛好發生在這些地方，那對全球經濟可能造成多大的影響。台灣位於斷層線上，1999年那條斷層線曾引發芮氏7.3級的地震。幸好，那場地震只讓晶片停產了幾天。但台灣發生更強烈的地震，只是時間早晚的問題。毀滅性的地震也可能衝擊日本與矽谷。日本是地震頻繁的國家，日本生產的晶片占全球產量的17％。矽谷現在生產的晶片雖然很少，但生產晶片製造裝置的工廠就設在聖安德列斯斷層上。
不過，如今最危及半導體供應的巨變並不是板塊碰撞，而是強權之間的衝突。中國與美國爭奪霸主地位的同時，雙方都把焦點放在掌控電算的未來上，而且可怕的是，那個未來取決於一個小島，中國認為那個小島是個叛離的省份，美國則已經允諾以武力保衛它。
美、中、台晶片業之間的相互連結極其複雜，令人眼花繚亂。找不到比台積電創辦人更適合說明這點的人了。截至2020年，台積電還把美國的蘋果與中國的華為視為兩個最大的客戶。張忠謀生於中國，二戰時期在香港成長，後來在哈佛、麻省理工學院、史丹佛接受教育。他在達拉斯為德儀工作期間，幫忙建立了美國早期的晶片業。他獲得了美國最高機密的安全許可，為美國軍方開發電子產品，並使台灣成為世界半導體製造的中心。中國與美國的一些外交政策的策略家，夢想著讓兩國的科技業不再有牽連。但是像張忠謀這樣的人幫忙建立了一個由晶片設計師、化學品供應商、機台製造商所組成的超高效率國際網絡，這個網絡是不可能輕易解體的。
當然，除非有什麼東西爆炸，那就另當別論了。中國明確表示，絕不排除武力犯台以追求統一的可能。但它不會採取兩棲攻擊那樣戲劇性的手段，而導致半導體引發的震波席捲全球經濟。即使中國軍隊展開部分封鎖，那也可能引發毀滅性的破壞。對台積電最先進的晶片製造廠發動一次導彈襲擊，就可以輕易造成成千上百億美元的損失（把手機、資料中心、汽車、電信網路、其他技術的生產延誤成本加總起來，就非同小可）。
讓全球經濟受制於世界上最危險的政治爭端之一，似乎是一個可能在歷史上留下記錄的重大錯誤。然而，先進的晶片製造集中在台灣、南韓、東亞的其他地區並非偶然。政府官員與企業高管連串深思熟慮的決定，創造了如今這些遍及全球的供應鏈。亞洲龐大的廉價勞力資源，吸引了尋找低成本勞力的晶片製造商。該區的政府與企業利用海外的晶片組裝廠，來學習並最終開發出更先進的技術。美國外交政策的策略家把複雜的半導體供應鏈，視為把亞洲與美國主導的世界綁在一起的工具。資本主義對經濟效率的持續要求，促使業者不斷地削減成本，也促進企業整合。摩爾定律背後的穩定技術創新，需要更複雜的材料、機械與製程，那些東西都只能透過全球市場供應或資助。我們對運算力的龐大需求只會持續成長。
這本書引用三大洲（從台北到莫斯科）的歷史檔案研究，以及對科學家、工程師、執行長、政府官員的上百次採訪，主張半導體定義了我們的世界，決定了國際政治的形態、世界經濟的結構與軍事力量的平衡。然而，這種最現代的裝置有一段複雜又充滿競爭的歷史。它的發展不僅是由企業與消費者塑造的，也是由雄心勃勃的政府與戰爭的迫切需要推動的。想要瞭解這個世界是如何變成由無數個電晶體與少數幾家不可替代的公司界定的，我們必須從回顧矽時代的起源開始看起。
2023專利防護中