幂律法则和芯片战——一篇读后感

文 | 郭凯

不过，最有意思的还是把这两本书放在一起读。这样，过去几十年芯片业发展过程中的技术和资本、政府和市场的故事才更完整。

幂律法则（Power Law）在统计上说，就是A变量和B变量之间的关系是一个幂数关系。在很多自然现象和社会现象中，两个变量之间的关系都会服从幂律法则，而不是简单的线性关系。

比如说，万有引力和两个物体之间距离的平方成反比。这里引力和距离之间就是一个幂率的关系，距离每缩小一半，引力增加到4倍。

又比如，西方的城市经济学对欧美城市人口有这样一个实证观察，一个经济体一般最大的城市人口是第二大城市人口的两倍、是第三大城市人口的三倍、是第四大城市人口的四倍，以此类推。这也叫城市大小的齐夫定律（Zipf's Law）。齐夫定律本身其实是出自一个语言学的观察，就是一个语言中一个词汇出现的频率与它在频率表里的排名成反比。换言之，使用最频繁的词汇出现的频率是排名第二的词汇出现频率的两倍、是排名第三的三倍、排名第四的四倍。齐夫定律也是幂率法则的一个例子。

再比如，经常被提起的80/20法则——80%的利润由20%的客户带来，80%的财富由20%的人群占有等等——这是跟齐夫定律有点像，说明了人群中财富和潜在价值的分布更接近一种幂律关系而不是线性的或者平均的分布。总之，幂律法则在自然界和社会中并不少见。

与芯片和风险投资最相关的幂律法则也许就是摩尔定律和梅特卡夫定律。

摩尔定律是英特尔公司创始人摩尔的一个观察，后来被加州理工学院的卡沃·米德教授命名为摩尔定律，也就是集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。摩尔定律不是一个自然法则，而是一个结果，背后其实是巨大的资金投入、激烈的全球竞争和密切的跨国合作。

梅特卡夫定律更像是一个自然法则，它说的是一个网络里的相互连接数和接入网络的设备（用户）的平方成正比，这可以用数学证明。引申至商业领域，梅特卡夫定律说的就是一个网络的价值与其用户数的平方成正比，这是网络效应的最直观写照，网络是规模效益递增的，而且加速递增。

网络和芯片的这种发展模式，也让风险投资应运而生。风险投资的投资模式远不同于传统的投资，总的来说风险投资挣得就是幂律法则的钱，多数投资会回报平平甚至颗粒无收，但极少数成功的投资，会有几十倍、上百倍乃至上千倍的回报，毕竟风险投资的标的是幂律分布而不是线性分布的。

互联网和芯片是驱动过去几十年信息技术和数字经济发展最具代表性的表层应用和底层硬件，它们的发展都服从幂律法则而不是线性法则，这也使得其发展规律也许与工业革命乃至石器时代以来的技术发展模式都不一样，至少这是这两本书留给人的印象。

互联网和芯片的起点都依赖政府的投入——政府的技术、政府的资金、政府的订单或者政府的补贴。众所周知，互联网最初是由美国国防部研发出来的。最早的集成电路虽然诞生于类似于德州仪器和仙童半导体这样的私人公司，但美国国防部和美国太空总署这样的机构才是芯片最初最大的买家。德州仪器早期芯片的最主要用途是给导弹制导，仙童半导体最早期的订单来自于阿波罗登月计划，政府对芯片的订单占当时市场的份额超过90%。没有政府的投入，互联网和芯片能否出现、出现后能否成为一个产业，也许都是未知数。后来，日本、韩国和中国台湾省为了发展各自的芯片产业，事实上也投入了大量的显性和隐性补贴。从《芯片战》一书的描述看起来，政府投入并不必然保证一个国家能够产生成功的芯片产业，但在成功芯片产业的早期，政府的投入似乎是必须的，因为这个产业投入太大，成功的风险也很大。

但是，《幂律法则》和《芯片战》揭示的一个更为关键的规律也许是，只有市场才能够为互联网和芯片行业的指数级别的发展提供所需的需求、资金和动力。政府的资金永远是有限的，而且必然会面临着复杂的行政管理要求。政府的采购也必然是有限的，因为武器的数量是有限的，登月的次数是有限的。

摩尔定律意味着芯片的性能会指数式增长、成本会指数式降低，这就让摩尔和他在仙童半导体的同事诺伊斯等人意识到：芯片产业真正的蓝海不是政府订单，而是每个普通的消费者。

他们在1960年代就开始畅想个人电脑、移动电话这些闻所未闻的产品和市场。这也是为什么仙童半导体很快就和美国国防部开始保持距离，因为拿国防部的钱太麻烦，而且会干涉仙童半导体的发展。

事实上，每个最后成功的芯片企业或者互联网企业，一定是一个在市场竞争中而且是民用市场竞争中脱颖而出的企业。政府播下的种子，只有在市场的竞争中才能结果。

与这个模式可以有所对应的也许是前苏联的芯片产业。二战后，前苏联电子产业的起点比美国稍有落后，但基本算是同步。而且在一个技术是线性发展的年代，几年的差距并非难以逾越的鸿沟、不是代际上的差距。事实上，2000年的物理学诺贝尔奖被授予了三个获奖者，一位是发明了集成电路（芯片）的Jack Kilby，还有一位是差不多同一时期在半导体异质结构上做出开创性工作的前苏联科学家Zhores Alferov，可见两国在当时的半导体领域都有处于前沿的工作。前苏联也很早就意识到半导体和集成电路的重要性，但采取了相当“苏式”的发展模式。前苏联在莫斯科的郊区专门建立了一个秘密的特别行政区——泽列诺格勒，在这里集中了全苏联的顶尖人才和物力，专门从事电子、微电子和计算机的研究，主要目的是追赶美国和服务苏联军事。这是一个自上而下、封闭和不以服务民用为目标的发展模式。事情的结局是，前苏联不仅没有追上美国，在芯片上的差距反而越来越大。这件事情的后果直到今天仍在影响俄罗斯军队武器的现代化程度。

当扎克伯格在2003年的哈佛大学宿舍里把女生的照片放在网上让人比较的时候，他网站的用户是数以百计的，5年以后脸书用户已经过亿，15年后脸书用户超过了25亿。中国的社交媒体微信的发展轨迹也十分惊人，2011年微信才上线，11年后其活跃用户数已经达到13亿。

芯片行业的集中度也相当令人震惊，台积电在晶圆代工领域的市场份额达到56%。全球手机芯片代工基本就被两家所瓜分，台积电70%，三星30%。对于人工智能和超级计算至关重要的GPU芯片，也基本为两家所瓜分，英伟达的份额接近80%，剩下20%是AMD。

形成这样的市场格局并非偶然，也非政策制定者设计出来。这根本上就是幂律法则的具体体现。更具体地说，社交媒体体现的就是梅特卡夫定律，而芯片业的背后则是摩尔定律。在这样的行业，幂律法则几乎必然决定了头部企业将占有大部分的市场份额，毕竟规模收益是递增的，或者领先企业比稍微落后企业的产品性能是成倍的好、成本是成倍的低。

幂律法则虽然能够解释为什么市场最后会形成这样的格局，但并没有办法预测哪个公司能够成为最后的成功者。40年前，有谁会想到一个德州仪器的失意高管最后能创建全球最为成功的晶圆代工厂？20年前，有谁会想到一个看似不务正业、被学校处分、后来辍学的本科生能够创造出后来的社交媒体，不仅颠覆了人们沟通和获取信息的模式，甚至改变了政治版图？

“快速行动、打破陈规”就是这个社交媒体公司早年的口号，它恰恰描述了所有在幂律法则下试图生存的公司的常态。“快速行动”在很多时候体现为激进扩张，网络世界扩张得越快价值越高，芯片领域扩张得越快成本越低，越能追赶上摩尔定律。不是说激进扩张的企业都能成功，但不扩张的一定不可能成功。“打破陈规”不仅意味着做事不能因循守旧，更意味着创新对现有的秩序和利益格局很可能是颠覆性的。激进扩张和颠覆性创新，会和一切不按幂律变动的制度、规则、习俗、文化、认识等等发生激烈的碰撞。这种碰撞有利有弊，并可能对受到幂律法则支配的行业发展的最终形态起到决定性作用。

说起英特尔公司，知道的人很多。说起仙童半导体或者肖克利半导体实验室，估计只有了解芯片产业历史的人才能有印象。肖克利是晶体管的发明者，诺贝尔奖得主，一个非常出色的科学家。因为有了肖克利半导体实验室，才有了后来的硅谷。但肖克利同时也是个让人瑟瑟发抖、难以相处的老板。他可以发明晶体管，但是他的个性却让他无法带领手下的人做出一个成功的企业。终于有一天，肖克利半导体实验室里无法忍受他的八个人集体辞职，并创立仙童半导体，这八个人后来被称作“八叛徒”。仙童半导体早期虽然非常成功——在阿波罗计划中大放异彩，1968年当时计算机使用的芯片80%来自于仙童半导体——但还是留不住人。原因是仙童半导体当时的老板来自东海岸，他愿意给员工付高薪，但是不愿意给员工股权激励。那些离开仙童自立门户的人，不少都乘着芯片行业高速发展的东风发了财，而留在仙童公司虽然待遇不错却没法发大财。“八叛徒”先后因为各种原因纷纷又离开了仙童半导体。其中的一位克莱纳后来创立了著名的风险投资基金凯鹏华盈，而诺伊斯和摩尔则创立了后来的英特尔公司。直到今天，英特尔仍是CPU芯片领域的领导者。风险投资和股权激励也大约在同一时期成为了硅谷科技企业初期发展的标配。一位离开仙童的员工在离职调查表上的答案也许说了最真实的心声：我想要发财。

现在，距离“八叛徒”离开肖克利半导体实验室已经过去65年，风险投资和股权激励不仅成为一个成功的商业模式，也成为推动信息技术革命和产业发展的主要模式。事后看，这应该也是幂律法则下的必然结果。幂律法则决定了投资于互联网或者芯片产业的结果几乎必然是多数投资都是失败的，而少数成功的会带来天量的回报。或者这么说，如果有十个扎克伯格同时创造脸书，最后大概率也只有1个扎克伯格会成功，剩下的9个会失败，但那个成功的扎克伯格会带来几十倍甚至上百倍的投资回报。因此，银行贷款、债券这样的传统债权融资模式一定无法适应幂律法则支配的技术创新模式。没有任何一个银行能够承受放出去10支贷款，9支成了坏账，成功那1支的回报也只是收利息。

幂律法则也决定了，如果不给企业家和工程师充分的激励，如果不能允许一小批人因为成功而获得巨大的财富，也许可以有肖克利半导体实验室，也许也能有仙童半导体，但很难有英特尔，更别说出现硅谷这样的一个创新的生态和体系。因为，幂律法则客观上就决定了多数人、多数时候创业都会是失败的，哪怕所有创业的人都是盖茨或者扎克伯格也会如此。如果小概率的成功不能带来巨大的财富，系统性的持续的商业创新很难发生。可以这么想，如果去买彩票，中奖的概率是千分之一，赢了可以挣100%，输了本钱就没了，还会有多少人去持续不断地买这样的彩票呢？

对于一个社会而言，一些也许算是灵魂之问的问题就会出现：如果一些行业真的为幂律法则所支配，按照法则，该行业最终会形成为少数公司所主导的格局。资本市场是否愿意容忍这些行业必然会存在的超高风险和超高回报？如何保护那些占到大多数的创业失败者，又能否接受少数极为成功的人？究竟是接受幂律法则，还是相信可以人为改变幂律法则？在遵循幂律法则的情况下，应如何兼顾效率与公平、保障发展与安全？

上世纪五十年代后期，Jay Lathrop和他的助手James Nall在美国陆军的一个实验室被赋予了一个重要使命——设计一种精确的引信，使得81毫米口径的迫击炮弹可以自动在目标上方爆炸。这个任务遇到的一个巨大障碍就是如何把晶体管做得更小。

有一天，他们在用显微镜研究晶体管的时候突然想到，既然显微镜能把小的东西放大，那如果把显微镜倒过来，就能把一个大的东西投射到一个小的东西上面，这样也许就可以把一些形状“刻”到锗上，这样也许就能生产很小的晶体管。

当时，柯达公司正好有一种光刻胶，光刻胶被光照射的时候，就会与光产生反应。于是他们在一大块锗上涂上了柯达的光刻胶，把一个显微镜倒了过来，并在显微镜上放了一个长方形的形状，再用光照射显微镜，于是奇迹发生了，锗上出现了一个完美的长方形的形状，而且是一个很小很小的长方形。很快他们就通过这个发明可以生产出很小的晶体管。

为此，Jay Lathrop得到了25000美元的奖金。但真正意识到这个发明重要性的是德州仪器，他们挖走了Jay Lathrop，并开始尝试用他的发明批量生产集成电路。从此，光刻技术成了芯片生产不可缺少的一部分，成了推动芯片不断按照摩尔定律的预言发展的最重要生产技术之一。

快进到21世纪，摩尔定律意味着需要在越来越小的尺度上“刻”出晶体管，这也就是通常所说的21纳米、14纳米；7纳米和5纳米的含义（纳米是0.000000001米）。所以，光刻机才会成为这个世界上最复杂、最难制造、最精密的机器。

《芯片战》的一个核心观点就是，没有任何一个国家能够独立造出最好的光刻机。或者反过来说，荷兰ASML公司之所以能够成为最领先的光刻机生产商，不是因为ASML或者荷兰能够生产光刻机所需的全部零件，而是因为ASML能够从全世界采购最好的部件。

这些部件得多好呢？《芯片战》举了光刻机里光源的例子。如果需要在7纳米的尺度光刻，光刻机光源的波长也必须很短，这就是为什么ASML要开发极紫外光刻（EUV）技术的原因。这里使用的极紫外光的波长只有13纳米左右。如何保证一个光源能够稳定的产生高强度的极紫外光？书中做了比较详细的介绍，里面使用的技术和工艺看起来有点匪夷所思。这里就说一点，因为极紫外光的波长极短，光源里的反射镜需要有两个特点：第一，镜子要能反射极紫外光而不是吸收极紫外光；第二，镜子要高度平整，ASML事实上需要寻找到世界上最平的镜子。

最后造出这种镜子的是德国老牌的光学公司蔡司（Zeiss）。为实现第一点，蔡司最后根据美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一篇论文，用了上百层的钼和硅交替叠在一起，每一层只有几纳米厚。最后造出的镜子有多平呢？《芯片战》举了一个例子，如果把镜子放大到整个德国的尺寸（35.7万平方公里），镜子上最大的不平整也不会超过0.1毫米。这还只是EUV光刻机的光源中使用的一个部件。

《芯片战》一书传递的图景非常清晰，先进芯片的生产对工艺和技术的要求就是当今人类工业能力的极限，光刻机就是当今世界上最复杂的机器，所以任何一个公司和任何一个国家都没法独立包揽整个产业链，芯片行业的发展是全球合作的结果。全球分工不仅有商业上的逻辑，更有现实的逻辑。只有高度分工，每个公司、每个国家才能专心干好自己最擅长的事，然后突破自己的极限，就像蔡司生产的镜子一样。不专心、不专业，别说光刻机，一面能用的镜子都生产不出来。

《芯片战》这本书出版的时间正好赶上美国政府针对中国的芯片产业施加了史无前例的控制措施。讨论中美在芯片领域的博弈，需要更多的专业知识才能驾驭，读这本书最大的印象就是，美国针对中国的策略，已经远不同于此前针对别的竞争对手的策略。美国此前的策略主要是领跑，保证自己在芯片产业足够领先对手即可，对中国早些年也是采取这种态度；但2017年以后，针对中国的策略逐渐转变为“领跑+使绊”。引发这种变化的基本原因有两个，一个是美国对于自己能在芯片领域领跑一事已经没有充分的信心。美国虽然仍然保持着重要的关键技术，在CPU这样的领域仍然有着强大的制造能力，但最好的光刻机是荷兰的，最先进的晶圆代工厂是在中国台湾省和韩国，美国自己也没有全部的最先进的芯片产业链。另一个原因当然是中国在芯片领域的非常迅速的追赶和进步。所以，为了保持差距，美国一边要加速领跑，一边试图迟滞甚至逆转中国的进步。这样就不难理解美国最近在芯片领域一连串的动作，一大块是激励本土的芯片产业，一大块是扼杀中国的先进芯片产业。只是从前面的描述中可以看出，美国的做法并不符合芯片行业的发展规律，看起来来势汹汹，最后也未必能战胜规律。对中国而言，应对的策略也需要遵循规律，这样才能事半功倍。

看完两本书，似乎意识到过去几十年的中国在这些全球的故事里是多么的不同寻常。《幂律法则》花了大篇幅记述的红杉资本，也许是最为成功的风险投资公司，它在美国以外最为成功的投资目的地就是中国。中国是《芯片战》的两个主角国家之一，书里记述了很多芯片业传奇人物，其中最先出场的就有一位出生在中国浙江、在美国求学成长、最后在中国台湾缔造了台积电的张忠谋。也许，中国过去几十年的发展就是幂律法则能够在全球成立的最重要因素之一，我们成就了它，也受益于它。