Tytuł oryginalny: Chip War: The Fight for the World’s Most Critical Technology

Przekład: Aleksandra Samson-Banasik, Michał Głatki

Wstęp do polskiego wydania: Krzysztof Wojczal

Redakcja: Agnieszka Al-Jawahiri

Korekta: Maria Żółcińska

Projekt okładki: Katarzyna Konior | studio.bluemango.pl

Skład i łamanie: Amadeusz Targoński | targonski.pl

Opracowanie e-wydania:

Copyright © 2022 by Christopher Miller

All rights reserved.

Copyright © 2023 for the Polish edition by Poltext Sp. z o.o.

All rights reserved.

Copyright © 2023 for the Polish translation by Poltext Sp. z o.o.

All rights reserved.

Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentów niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci zabronione. Wykonywanie kopii metodą elektroniczną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym, optycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Niniejsza publikacja została elektronicznie zabezpieczona przed nieautoryzowanym kopiowaniem, dystrybucją i użytkowaniem. Usuwanie, omijanie lub zmiana zabezpieczeń stanowi naruszenie prawa.

Warszawa 2023

Poltext Sp. z o.o.

www.poltext.pl/przeswity

handlowy@mtbiznes.pl

ISBN 978-83-8175-483-5 (format epub)

ISBN 978-83-8175-484-2 (format mobi)

Wyrazy uznania dla Wielkiej wojny o chipy

„Jedna z najważniejszych książek, jakie przeczytałem w ostatnich latach – wciągająca i napisana pięknym stylem. Miller pokazuje, że amerykański system kapitalistyczny mimo wszystkich wad i niedoskonałości wielokrotnie udowodnił, że jest lepszy od innych. Również dlatego, że wzmacnia trwałość i bezpieczeństwo demokracji”.

– Robert Kagan, współpracownik Brookings Institution, publicysta „The Washington Post”, autor The Jungle Grows Back: America and Our Imperiled World

„Jeżeli interesujesz się techniką, zależy ci na dobrobycie Ameryki lub troszczysz się o jej bezpieczeństwo, jest to książka, którą koniecznie musisz przeczytać”.

– Lawrence H. Summers, siedemdziesiąty pierwszy sekretarz skarbu Stanów Zjednoczonych, profesor Uniwersytetu Harvarda

„Wybitna pozycja. Opowiedziana przez Millera historia chipów pokazuje wszystkie aspekty: techniczne, finansowe i przede wszystkim polityczne. (…) Stanowi wiarygodny wgląd w jedną z najważniejszych branż”.

– Dan Wang, analityk techniczny w Gavekal Dragonomics

„Walka o supremację w przemyśle półprzewodnikowym to jedna z najważniejszych kwestii geopolitycznych, dotycząca zarówno bezpieczeństwa narodowego, jak i gospodarczej prosperity. Mało kto zdaje sobie z tego sprawę. Na szczęście mamy teraz przenikliwą Wielką wojnę o chipy, która daje nam jasny obraz tego kluczowego zagadnienia”.

– Andrew McAfee, współautor Drugiego wieku maszyny, autor The Geek Way i More from Less

Dla Liyi

Bohaterowie

Morris Chang – założyciel Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), najważniejszego na świecie producenta chipów; wcześniej dyrektor w firmie Texas Instruments (TI).

Andy Grove – w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XX wieku prezes i dyrektor generalny Intela, znany ze swojego agresywnego stylu zarządzania i stworzenia podstaw sukcesów firmy; autor Only the Paranoid Survive.

Pat Haggerty – prezes Texas Instruments; zarządzał firmą, kiedy zaczęła się specjalizować w wytwarzaniu mikroelektroniki, m.in. dla amerykańskiej armii.

Jack Kilby – współtwórca w 1958 roku układu scalonego; długoletni pracownik Texas Instruments; laureat Nagrody Nobla.

Jay Lathrop – współtwórca fotolitografii, procesu wytrawiania tranzystorów z wykorzystaniem specjalistycznych chemikaliów i światła, związany z Texas Instruments.

Carver Mead – profesor Kalifornijskiego Instytutu Technologii (Caltechu); doradca w firmach Fairchild Semiconductor i Intel; wizjoner nowych rozwiązań technologicznych.

Gordon Moore – współzałożyciel firm Fairchild Semiconductor i Intel; w 1965 roku sformułował prawo Moore’a, które przewidywało, że moc obliczeniowa chipów będzie się podwajać co dwa lata.

Akio Morita – współzałożyciel Sony; współautor The Japan That Can Say No; w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku reprezentował japoński biznes na arenie międzynarodowej.

Robert Noyce – współzałożyciel firm Fairchild Semiconductor i Intel; współtwórca w 1959 roku układu scalonego, znany jako Burmistrz Doliny Krzemowej; pierwszy prezes Sematecha.

William Perry – pracownik Pentagonu w latach 1977–1981, sekretarz obrony w latach 1994–1997; popierał wykorzystanie układów scalonych do produkcji broni precyzyjnego rażenia.

Jerry Sanders – założyciel i prezes firmy AMD; najbardziej ekstrawagancki sprzedawca w Dolinie Krzemowej; w latach osiemdziesiątych XX wieku zażarty krytyk Japonii zarzucający jej nieuczciwe, według niego, praktyki handlowe.

Charlie Sporck – szef produkcji Fairchild Semiconductor, dzięki niemu firma zaczęła wytwarzać chipy poza granicami Stanów Zjednoczonych; później prezes National Semiconductor.

Ren Zhengfei – założyciel firmy Huawei, chińskiego giganta telekomunikacyjnego zajmującego się również projektowaniem układów scalonych; w 2018 roku jego córka, Meng Wanzhou, została aresztowana w Kanadzie pod zarzutem naruszenia amerykańskiego prawa i prób omijania amerykańskich sankcji.

Słownik

Arm – brytyjska firma udzielająca projektantom układów scalonych licencji na korzystanie z modelu programowego procesora (architektury zestawu instrukcji procesora) – zbioru podstawowych instrukcji zarządzających działaniem danego chipa. Model programowy tej firmy dominuje w urządzeniach mobilnych, powoli zdobywając udziały w rynku komputerów osobistych i centrów danych.

Chip (układ scalony) – mały kawałek materiału półprzewodnikowego, zwykle krzemu, z wytrawionymi w nim milionami bądź miliardami mikroskopijnych tranzystorów.

DRAM – ang. dynamic random access memory, pamięć dynamiczna, jeden z dwóch typów pamięci półprzewodnikowej, służy do czasowego przechowywania danych.

EDA – ang. electronic design automation, rodzaj specjalistycznego oprogramowania używanego do projektowania, jak miliony lub miliardy tranzystorów zostaną rozmieszczone w układzie scalonym, i do symulowania ich działania.

FinFET – nowa trójwymiarowa architektura tranzystorów, po raz pierwszy zastosowana w początkach drugiej dekady XXI wieku, aby lepiej kontrolować wykonywane przez nie operacje. Jej wprowadzenie stało się koniecznością, gdy rozmiar tranzystorów zmniejszył się do wielkości nanometrów.

Fotolitografia, znana również jako litografia – proces przepuszczania światła lub promieniowania ultrafioletowego przez fotomaski: światło reaguje z nałożonym wcześniej na krzemowy wafel fotorezystem, wycinając w nim zaprojektowane wzory.

NAND flash – drugi rodzaj pamięci półprzewodnikowej, jest wykorzystywany do długookresowego przechowywania danych.

Procesor (CPU) – ang. central processing unit, rodzaj chipu ogólnego przeznaczenia, który wykonuje obliczenia w komputerach osobistych, smartfonach i centrach danych.

Procesor graficzny (GPU) – ang. graphics processing unit, układ scalony, w którym obliczenia wykonywane są równolegle; umożliwia przetwarzanie grafiki i działanie sztucznej inteligencji.

RISC-V – model programowy procesora typu open source, zyskujący na popularności dzięki temu, że można z niego korzystać za darmo w przeciwieństwie do modeli Arm i x86. Rozwój RISC-V był częściowo finansowany przez rząd Stanów Zjednoczonych. Obecnie RISC-V zyskuje popularność w Chinach, ponieważ nie jest objęty amerykańską kontrolą eksportu.

Tranzystor – mały elektryczny przełącznik, który może być włączony (oznaczając 1) lub wyłączony (oznaczając 0). Zera i jedynki są podstawą wszystkich cyfrowych obliczeń.

Układ logiczny – chip przetwarzający dane.

Układ pamięci – chip przechowujący dane.

Wafel krzemowy – okrągły kawałek ultraczystego krzemu, zwykle o średnicy ośmiu lub dwunastu cali, w którym wycinane są układy scalone.

x86 – rodzina modeli programowych procesorów, która dominuje w komputerach osobistych i centrach danych. Głównymi producentami takich procesorów są Intel i AMD.

Wstęp do wydania polskiego

Technologiczna wojna już trwa, a pierwsze strzały na amerykańsko-chińskim froncie padły w październiku 2022 roku na rozkaz prezydenta Stanów Zjednoczonych Joe Bidena. Wówczas to obłożono sankcjami eksport amerykańskich półprzewodników do Chin. Jednak obecny rezydent Białego Domu kontynuuje jedynie politykę w ramach szerszej wojny gospodarczej zapoczątkowanej przez prezydenta Donalda Trumpa. Ten ostatni zasłynął z przemówień, w których słowo China odgrywało niemalże rolę przecinków i sugerowało obsesję na punkcie zagrożenia dla USA ze strony Państwa Środka. Tego rodzaju nastawienie decydentów z Waszyngtonu względem Chińskiej Republiki Ludowej nie wzięło się znikąd. Należy pamiętać, że to jeszcze sekretarz stanu Hillary Clinton ogłosiła w 2011 roku – za prezydentury Baracka Obamy – tzw. piwot na Pacyfik. Ostatecznie nie został on przeprowadzony, ponieważ upadła koncepcja resetu relacji Stanów Zjednoczonych z Federacją Rosyjską. Tym samym Amerykanie zamiast skupić się na Dalekim Wschodzie, musieli odpowiadać na presję i agresywną politykę Władimira Putina.

Tymczasem w 2011 roku w Pekinie – podobnie jak w Berlinie i Moskwie – uwierzono w budowę Eurosji od Lizbony po Władywostok oraz rychłe wypchnięcie amerykańskich interesów z Europy. Wobec tego Chińczycy postanowili dołączyć do euroazjatyckiego projektu, którego trzonem była oś Paryż – Berlin – Moskwa, a także pomyśleć o nowym Jedwabnym Szlaku łączącym Państwo Środka z Unią Europejską. W czasie wizyty w Kazachstanie w 2013 roku chiński przewodniczący oficjalnie zaproponował utworzenie Ekonomicznego Pasa Jedwabnego Szlaku, który określa się obecnie skrótem OBOR (ang. One Belt One Road).

Po aneksji Krymu przez Rosję oraz oderwaniu od Ukrainy części Donbasu (2014 rok) przewodniczący Chińskiej Republiki Ludowej Xi Jinping prawdopodobnie uwierzył, że Stany Zjednoczone osłabły i znajdują się w odwrocie. Jedność szeroko rozumianego Zachodu wydawała się złamana, a łasa na zyski Europa – pod przewodnictwem Francji i Niemiec – zmierzała w kierunku porozumienia z Moskwą. Objawem tego było m.in. powstanie gazociągu Nord Stream (2011 rok) oraz decyzja o budowie Nord Stream II (2015 rok). W latach 2014–2016 Xi Jinping odbył szereg wizyt zagranicznych w Europie oraz Azji Centralnej. Promował zarówno wspomniany projekt, jak i inicjatywę polityczno-gospodarczą 16+1 (powstałą w 2012 roku), której celem była współpraca Chin z państwami Europy Środkowej. Chińczycy w sposób konsekwentny starali się budować strukturę zależności pomiędzy różnymi państwami a Pekinem. Działo się to m.in. poprzez udzielanie kredytów i pożyczek, a także obietnice sfinansowania i zrealizowania wielkich inwestycji infrastrukturalnych. Uzależnienie partnerów od chińskich finansów oraz produkowanych w Chinach towarów miało służyć jako narzędzie polityczne do budowy nowej światowej architektury politycznej, w której Pekin odgrywałby główną rolę.

W tym czasie Amerykanie musieli radzić sobie z wciąż trwającą wojną w Afganistanie, nową wojną na Bliskim Wschodzie (powstanie ISIS), rosyjską agresją na Ukrainę, a także ze swoją słabnącą pozycją polityczną w Europie. Jak gdyby tego było mało, również Daleki Wschód generował problemy, bowiem Kim Dzong Un – poprzez rozwijanie programu jądrowego oraz technologii broni rakietowej – nasilał groźby względem amerykańskich sojuszników (Korea Południowa, Japonia). Administracja z Waszyngtonu miała pełne ręce roboty. Rosjanie i Chińczycy próbowali to wykorzystać, łącząc swoje atuty. Zarówno Moskwa, jak i Pekin postawiły na zbrojenia. Rosjanie dysponowali surowcami energetycznymi, a Chińczycy zapleczem produkcyjno-przemysłowym. Europa miała być odbiorcą jednego i drugiego oraz dostawcą zachodnich technologii na Wschód.

Wydawało się więc, że powstaje idealny układ. Tyle tylko, że Stany Zjednoczone – dzięki US Navy – kontrolują łańcuchy dostaw. Tak się również składa, że wciąż są największym światowym importerem, a jednocześnie są eksporterem chipów do Chin. Ponadto po 2011 roku nastąpiła rewolucja łupkowa, która pozwoliła Amerykanom eksportować gaz i ropę na niespotykaną dotąd skalę. W efekcie doprowadziło to do neutralizacji rosyjskiego szantażu energetycznego względem Unii Europejskiej. Jednocześnie w 2021 roku Amerykanie ostatecznie wyszli z Iraku i Afganistanu, uwalniając tym samym własny potencjał militarny. Miało to decydujący wpływ na skalę pomocy w zakresie dostaw amunicji i sprzętu wojskowego udzielanej Ukrainie po 24 lutego 2022 roku.

Tak więc wojna technologiczna skupiająca się na rynku półprzewodników jest nie tylko elementem szerszej amerykańskiej koncepcji polityczno-gospodarczej dotyczącej relacji z Państwem Środka. Wpisuje się również w długofalową strategię Stanów Zjednoczonych, która zakłada powstrzymanie chińsko-rosyjskich dążeń do rozbicia hegemonii USA. Istotny w tym wszystkim jest fakt, że na Kremlu uznano, iż Federacja Rosyjska jest w dużej mierze odporna na sankcje i presję technologiczno-ekonomiczno-gospodarczą z zewnątrz. Stąd decyzja o kolejnych agresjach na Ukrainę przychodziła Rosjanom dość łatwo. Tymczasem Chiny są uzależnione od morskich dostaw gazu i ropy, a także – w wymiarze handlowym – od zysków z eksportu towarów na zachodnie rynki. Prezydent Donald Trump przypomniał im o tym w 2018 roku, od kiedy to zaczął wprowadzać kolejne cła na chińskie produkty. Następnie, gdy Chińczycy nie zniechęcili Putina do ataku na Ukrainę w 2022 roku, a wręcz sami z drugiej strony wywierali presję na Tajwan, prezydent Joe Biden nałożył embargo na eksport półprzewodników do Chin.

Decyzja ta wywołała poważne skutki zarówno dla chińskiego sektora technologicznego, jak i dla rynku globalnego, który korzystał z importu chińskich podzespołów elektronicznych. Chris Miller w książce Wielka wojna o chipy. Jak USA i Chiny walczą o technologiczną dominację nad światem tłumaczy, że losy rywalizacji współczesnych mocarstw zależą nie tylko od rozstrzygnięć militarnych czy zależności finansowo-gospodarczych, ale w dużej mierze także od wyniku wyścigu technologicznego.

Krzysztof Wojczal

Prawnik, analityk, twórca bloga www.krzysztofwojczal.pl

oraz autor książki Trzecia dekada. Świat dziś i za 10 lat

Wstęp

Amerykański niszczyciel USS Mustin wpłynął 18 sierpnia 2020 roku na północny kraniec Cieśniny Tajwańskiej. Z pięciocalowym działem skierowanym na południe zaczynał samodzielną misję przepłynięcia cieśniny i potwierdzenia, że te międzynarodowe wody nie są kontrolowane przez Chiny – przynajmniej na razie. Wiał silny południowo-zachodni wiatr. Chmury rzucały na wodę cień, który zdawał się rozciągać między wielkimi portowymi miastami rozsianymi na chińskim wybrzeżu – Fuzhou, Xiamenem, Hongkongiem i innymi. Na wschodzie widoczny był Tajwan. Na wyspie za gęsto zabudowanym, płaskim wybrzeżem wyrastały ginące w chmurach góry. Marynarz w granatowej czapce bejsbolowej i masce chirurgicznej podniósł do oczu lornetkę i rozejrzał się po horyzoncie. Cieśnina była wypełniona frachtowcami dostarczającymi towary z azjatyckich fabryk do klientów na całym świecie.

W ciemnym pokoju pod pokładem USS Mustin[1] przed jasnymi, kolorowymi ekranami, na których były wyświetlane dane z samolotów, dronów, statków i satelitów śledzących ruch na obszarze Oceanu Indyjskiego i Pacyfiku, siedziała grupa marynarzy. Na mostku dane z radarów na bieżąco wpływały do okrętowych komputerów. Na pokładzie dziewięćdziesiąt sześć komór startowych było przygotowanych do wystrzelenia precyzyjnych pocisków zdolnych zestrzelić samoloty lub zatopić okręty oddalone nawet o setki kilometrów. W czasie zimnej wojny armia Stanów Zjednoczonych broniła Tajwanu, grożąc użyciem broni nuklearnej. Dziś polega na mikroelektronice i broni precyzyjnego rażenia.

Kiedy najeżony skomputeryzowaną bronią USS Mustin płynął przez Cieśninę Tajwańską, Chińska Armia Ludowo-Wyzwoleńcza w ramach odwetu zapowiedziała manewry wojskowe wokół Tajwanu z użyciem ostrej amunicji, co jedna z pekińskich gazet nazwała „siłową operacją ponownego zjednoczenia”[2]. Jednak tego dnia chińscy przywódcy mniej przejmowali się amerykańską marynarką wojenną, a bardziej niejasnym rozporządzeniem Departamentu Handlu Stanów Zjednoczonych, zwanym Entity List, które ograniczało transfer amerykańskich technologii za granicę. Początkowo rozporządzenie Entity List zapobiegało sprzedaży do innych krajów elementów uzbrojenia, takich jak części pocisków czy materiały radioaktywne. Jednak po pewnym czasie rząd Stanów Zjednoczonych radykalnie zaostrzył zasady transferu za granicę chipów komputerowych, które stały się powszechne zarówno w systemach wojskowych, jak i w produktach konsumenckich.

Działania te były wymierzone w firmę Huawei, chińskiego giganta technologicznego sprzedającego smartfony, sprzęt telekomunikacyjny, usługi oparte na chmurze i inne zaawansowane technologie. Stany Zjednoczone obawiały się, że bardzo atrakcyjne cenowo, częściowo dzięki dotacjom rządu chińskiego, produkty Huawei wkrótce staną się podstawą sieci telekomunikacyjnych nowej generacji. Światowa dominacja Ameryki w infrastrukturze technicznej zostałaby podważona. Wzrosłaby zaś siła geopolityczna Chin. Aby przeciwdziałać temu zagrożeniu, Stany Zjednoczone zabroniły Huawei kupowania zaawansowanych chipów komputerowych wykorzystujących amerykańską technologię.

Krótko potem globalna ekspansja firmy została zatrzymana. Niemożliwa stała się produkcjach całych linii produktów. Przychody firmy spadły. Olbrzymia korporacja stanęła przed groźbą technologicznej agonii. Huawei odkrył, że podobnie jak wszystkie inne chińskie firmy jest całkowicie uzależniony od zagranicznych układów scalonych, na których opiera się cała nowoczesna elektronika.

Stany Zjednoczone nadal mają dominującą pozycję w obszarze krzemowych układów scalonych, które dały nazwę Dolinie Krzemowej, choć słabnie ona niebezpiecznie. Obecnie Chiny wydają więcej środków na import układów scalonych niż ropy naftowej. Te półprzewodnikowe elementy są stosowane we wszelkiego typu urządzeniach, od smartfonów po lodówki, które Chińczycy sprzedają na rynku wewnętrznym i eksportują na cały świat. Stratedzy snują teorie na temat chińskiego „dylematu cieśniny Malakka” – nazwanego tak od głównego kanału żeglugowego między Oceanami Indyjskim i Spokojnym – i zdolności tego kraju do importu ropy naftowej i innych dóbr w czasie kryzysu. Pekin jednak bardziej obawia się blokady mierzonej w bajtach niż baryłkach. Chiny zaprzęgły do pracy swoje najlepsze umysły i wydają miliardy dolarów na rozwój własnych technologii półprzewodnikowych w celu uniezależnienia się od ograniczeń narzuconych przez Stany Zjednoczone[3].

Jeśli plan Pekinu się powiedzie, zmieni się układ sił w globalnej gospodarce i zostanie podważona militarna przewaga Ameryki. O zwycięstwie w drugiej wojnie światowej zadecydowały stal i aluminium. Zimna wojna, która zaczęła się niewiele później, była definiowana przez broń atomową. Rywalizacja między Stanami Zjednoczonymi a Chinami może być mierzona mocą obliczeniową komputerów. Obecnie stratedzy w Pekinie i Waszyngtonie zdają sobie sprawę, że wszystkie zaawansowane technologie – od uczenia maszynowego po systemy rakietowe, od pojazdów zautomatyzowanych po uzbrojone drony – wymagają najnowocześniejszych chipów, określanych bardziej formalnie jako układy scalone. Ich produkcją zajmuje się niewiele firm.

Rzadko myślimy o chipach, a przecież to one stworzyły współczesny świat. Losy narodów zależą od zdolności do generowania mocy obliczeniowej. Globalizacja, jaką znamy, nie istniałaby bez handlu opartego na półprzewodnikach i urządzeniach elektronicznych. Prymat militarny Ameryki wynika w dużej mierze z jej zdolności do wykorzystania chipów w armii. Podstawy niesamowitego rozwoju państw azjatyckich w ciągu ostatniego półwiecza zostały zbudowane na krzemowych fundamentach, ponieważ ich gospodarki zaczęły się specjalizować w wytwarzaniu układów scalonych i produkcji komputerów czy smartfonów.

U podstaw cyfrowych obliczeń leżą miliony zer i jedynek. Cały cyfrowy wszechświat składa się z tych dwóch liczb. Każda fotografia, każdy przycisk w twoim iPhonie, e-mail czy film na YouTubie są kodowane niekończącymi się ciągami zer i jedynek. Jednak te liczby nie istnieją realnie. To odzwierciedlenie sytuacji, gdy prąd elektryczny płynie (1) lub nie (0). Chip to układ milionów bądź miliardów tranzystorów, maleńkich elektrycznych przełączników, które włączają się i wyłączają, żeby przetwarzać ciągi zer i jedynek oraz je zapamiętać, a także przekonwertowywać rzeczywiste zjawiska, takie jak obrazy, dźwięki i fale radiowe, na miliony milionów tych dwóch liczb.

Gdy USS Mustin płynął na południe, fabryki i zakłady montażowe po obu stronach cieśniny produkowały elementy iPhone’a, którego premiera miała się odbyć dwa miesiące później, w październiku 2020 roku. Mniej więcej jedna czwarta przychodów branży półprzewodnikowej[4] pochodzi z telefonów, a większa część ceny nowego telefonu to koszt znajdujących się w nim chipów. Przez ostatnią dekadę każdą generację iPhone’ów napędzał jeden z najbardziej zaawansowanych procesorów. Żeby smartfon mógł działać, potrzeba ich w sumie ponad tuzin – różne układy scalone zarządzają pracą baterii, modułów Bluetooth czy Wi-Fi, połączeniami komórkowymi, dźwiękiem, aparatem fotograficznym i tak dalej.

Apple nie produkuje żadnego z tych chipów. Większość kupuje[5]: układy pamięci od japońskiej firmy Kioxia, układy radiowe od firmy California’s Skyworks, układy audio od firmy Cirrus Logic z siedzibą w Austin w Teksasie. Apple samodzielnie projektuje wysoce złożone procesory, które obsługują między innymi system operacyjny iPhone’a. Jednak gigant z Cupertino w Kalifornii nie może produkować chipów. Ani żadna inna firma w Stanach Zjednoczonych, Europie, Japonii czy Chinach. Obecnie najbardziej zaawansowane procesory Apple – które są prawdopodobnie najbardziej zaawansowanymi układami scalonymi na świecie – mogą być produkowane tylko przez jedną firmę w jednym budynku najdroższej fabryki w dziejach ludzkości[6], która rankiem 18 sierpnia 2020 roku znajdowała się zaledwie kilkadziesiąt mil od bakburty USS Mustin.

Wytwarzanie i miniaturyzacja układów scalonych są największymi osiągnięciami inżynieryjnymi naszych czasów. Obecnie żadna firma na świecie nie produkuje chipów z większą precyzją niż Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, lepiej znana jako TSMC. Kiedy w 2020 roku świat mierzył się z lockdownami wywołanymi wirusem, którego średnica wynosi około stu nanometrów – miliardowych części metra – w najbardziej zaawansowanym zakładzie TSMC, Fab 18, tworzono mikroskopijne labirynty maleńkich tranzystorów i wytrawiano kształty mniejsze niż połowa koronawirusa. Ich rozmiar to mniej więcej jedna setna wielkości mitochondrium. TSMC był w stanie powtarzać ten proces na niespotykaną wcześniej skalę. Apple sprzedał ponad 100 milionów iPhone’ów 12[7]. W każdym umieszczono procesor A14, w którym znajdowało się 11,8 miliarda maleńkich, wytworzonych z krzemu tranzystorów. Innymi słowy, w ciągu kilku miesięcy na potrzeby zaledwie jednego z kilkunastu chipów wykorzystywanych w iPhonie Fab 18 wyprodukował ponad trylion tranzystorów – to liczba z osiemnastoma zerami. W ubiegłym roku przemysł półprzewodnikowy wyprodukował więcej tranzystorów niż łączna ilość wszystkich dóbr wyprodukowanych przez wszystkich inne firmy, we wszystkich innych gałęziach przemysłu, w całej historii ludzkości. Nic innego nawet nie zbliżyło się do tego wyniku.

Zaledwie sześćdziesiąt lat temu liczba tranzystorów w najnowocześniejszym wówczas układzie scalonym nie wynosiła 11,8 miliarda, ale tylko 4[8]. W 1961 roku mająca siedzibę na południe od San Francisco firma Fairchild Semiconductor wypuściła na rynek nowy produkt nazwany Micrologic, krzemowy układ scalony z czterema tranzystorami w środku. Wkrótce potem firma wymyśliła sposoby na umieszczenie w chipie kilkunastu tranzystorów, a następnie setek. W 1965 roku Gordon Moore, współzałożyciel Fairchilda, zauważył, że liczba elementów, które mogą być umieszczone w układzie scalonym, podwaja się każdego roku, ponieważ inżynierowie odkrywają, jak produkować coraz mniejsze tranzystory. Ta prognoza – że moc obliczeniowa chipów będzie rosła wykładniczo – została nazwana prawem Moore’a, jej autor zaś przewidział wynalezienie urządzeń, które w 1965 wydawały się niesamowicie futurystyczne, takich jak „elektroniczny zegarek na rękę”, „domowe komputery”, a nawet „osobiste przenośne narzędzia komunikacyjne”. Patrząc w przyszłość z perspektywy połowy lat sześćdziesiątych XX wieku, Moore myślał o dekadzie wykładniczego wzrostu, ale oszałamiające tempo postępu utrzymuje się od ponad pięćdziesięciu lat. W 1970 roku Intel, druga firma, której Moore był współzałożycielem, zaprezentowała chip pozwalający przechować 1024 jednostki informacji (bity). Kosztował on około 20 dolarów, czyli mniej więcej dwa centy za bit[9]. Dzisiaj za 20 dolarów można kupić pendrive, w którym można przechować sporo ponad miliard bitów.

Kiedy myślimy dzisiaj o Dolinie Krzemowej, nasze umysły przywołują skojarzenia z sieciami społecznościowymi i firmami produkującymi oprogramowanie, a nie materiałem, któremu dolina zawdzięcza swoją nazwę. Jednak internet, chmura, media społecznościowe i cały cyfrowy świat istnieją tylko dlatego, że inżynierowie nauczyli się kontrolować najdrobniejszy ruch elektronów poruszających się po krzemowych płytkach. Giganci branży technologicznej nie istnieliby, gdyby koszt przetwarzania i przechowywania zer i jedynek nie obniżył się w ciągu ostatniego półwiecza miliard razy.

Ten niesamowity rozkwit jest częściową zasługą naukowców i fizyków nagrodzonych Nagrodą Nobla. Jednak nie za każdym wynalazkiem podąża udany start-up i nie każdy start-up jest zaczątkiem nowej branży, która zmieni świat. Układy scalone rozprzestrzeniły się w społeczeństwie, ponieważ firmy opracowały nowe techniki ich wytwarzania, zdeterminowani menedżerowie nieustannie obniżali koszty ich produkcji, a kreatywni przedsiębiorcy wymyślali nowe sposoby ich wykorzystania. Działanie prawa Moore’a w praktyce jest w równym stopniu zasługą ekspertów od produkcji, specjalistów od łańcuchów dostaw i menedżerów do spraw marketingu oraz fizyków czy inżynierów.

Miasta leżące na południe od San Francisco – których nie nazywano Doliną Krzemową aż do lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku – były epicentrum rewolucji, ponieważ w nich łączyła się wiedza naukowa, know-how w zakresie produkcji i wizjonerskie myślenie biznesowe. Kalifornia miała wielu inżynierów przeszkolonych w przemyśle lotniczym czy radiowym, którzy ukończyli Stanford lub Berkeley. Uczelnie te finansowane były między innymi z budżetu Departamentu Obrony USA, ponieważ amerykańska armia dążyła do umocnienia swojej przewagi technologicznej. Poza tym kultura Kalifornii miała takie samo znaczenie jak infrastruktura gospodarcza. Osoby, które opuściły wschodnie wybrzeże Stanów Zjednoczonych, Europę i Azję, żeby budować przemysł półprzewodnikowy, często powoływały się na poczucie nieograniczonych możliwości jako powód decyzji o przeniesieniu się do Doliny Krzemowej. Dla najbystrzejszych inżynierów na świecie i najbardziej kreatywnych przedsiębiorców nie było bardziej ekscytującego miejsca do życia.

Gdy przemysł półprzewodnikowy się ukształtował, okazało się, że nie możne istnieć bez Doliny Krzemowej. Obecnie łańcuch dostaw układów scalonych wymaga komponentów pochodzących z wielu miast i krajów, ale prawie każdy wyprodukowany chip nadal ma związek z Doliną Krzemową lub jest produkowany za pomocą narzędzi zaprojektowanych i zbudowanych w Kalifornii. Ogromne zasoby wiedzy eksperckiej, wspomagane rządowymi funduszami i wzmacniane umiejętnością przyciągania najlepszych naukowców z innych krajów, dostarczyły paliwa napędzającego postęp technologiczny. Firmy typu venture capital i giełdy papierów wartościowych zapewniały start-upom kapitał niezbędny do rozwoju – i bezwzględnie usuwały z rynku upadające przedsiębiorstwa. Jednocześnie największy na świecie rynek konsumencki w Stanach Zjednoczonych napędzał wzrost gospodarczy, który finansował dekady prac badawczo-rozwojowych nad nowymi typami chipów.

Inne kraje zdały sobie sprawę, że nie są w stanie samodzielnie nadążyć za Stanami Zjednoczonymi, ale odnoszą sukcesy, gdy głęboko integrują się z łańcuchami dostaw Doliny Krzemowej. Europa wyspecjalizowała się w określonych obszarach przemysłu półprzewodnikowego, zwłaszcza w zakresie produkcji narzędzi do wytwarzania chipów i ich projektowania. Rządy Tajwanu, Korei Południowej i Japonii wywalczyły dla swoich krajów miejsce w branży przez subsydiowanie firm, finansowanie programów szkoleniowych, utrzymywanie zaniżonych kursów walutowych i nakładanie ceł na importowane układy scalone. Taka strategia zwiększyła ich potencjał w pewnych obszarach, czego inne kraje nie mogą powielić – niemniej azjatyckie tygrysy osiągnęły to dzięki współpracy z Doliną Krzemową, ponieważ nieustannie bazowały na amerykańskim oprogramowaniu, amerykańskich narzędziach i klientach. W tym samym czasie najlepsze firmy przemysłu półprzewodnikowego ze Stanów Zjednoczonych zbudowały rozciągające się na cały świat łańcuchy dostaw, co znacząco obniżyło koszty i poszerzyło wiedzę technologiczną. To wszystko sprawiło, że prawo Moore’a zachowywało ważność przez dziesięciolecia.

Obecnie, dzięki działaniu prawa Moore’a, chipy są wbudowane w każde urządzenie wymagające wykorzystania mocy obliczeniowej, co w dobie internetu rzeczy oznacza praktycznie wszystkie urządzenia. Nawet produkty o stuletniej historii, jak samochody, często zawierają chipy warte tysiące dolarów. Większość sumarycznego PKB wszystkich krajów jest generowana dzięki urządzeniom zawierającym półprzewodnikowe układy scalone. Jak na produkt, który nie istniał jeszcze siedemdziesiąt pięć temu, to niesłychany wyczyn.

Kiedy w sierpniu 2020 roku USS Mustin płynął po wodach Cieśniny Tajwańskiej, świat dopiero zaczynał sobie uświadamiać zależność od układów scalonych, a przez to od Tajwanu, który produkuje chipy odpowiedzialne za jedną trzecią wykorzystywanej przez nas każdego roku nowej mocy obliczeniowej[10]. Tajwański TSMC buduje prawie wszystkie najbardziej zaawansowane procesory[11]. Kiedy w 2020 roku na świecie pojawił się COVID-19, zakłócił również działalność branży półprzewodnikowej. Niektóre fabryki zostały tymczasowo zamknięte. Spadł popyt na chipy wykorzystywane do produkcji samochodów. Natomiast gwałtownie wzrosło zapotrzebowanie na procesory służące do budowy komputerów i centrów przetwarzania danych, bo koniecznością stała się praca zdalna. Następnie w 2021 roku seria wypadków – pożar w japońskiej fabryce półprzewodników, burza lodowa w Teksasie, który jest centrum produkcji chipów w Stanach Zjednoczonych, nowa seria lockdownów w Malezji, gdzie testowanych i składanych jest wiele układów scalonych – pogłębiła te zakłócenia. Nagle wiele branż niezwiązanych z Doliną Krzemową zaczęło borykać się z wyniszczającą niedostępnością chipów niezbędnych dla ich funkcjonowania. Wielcy producenci samochodów, jak Toyota czy General Motors, musieli na tygodnie zamykać fabryki[12], ponieważ nie byli w stanie zdobyć potrzebnych układów scalonych. Niedobór nawet najzwyklejszych chipów skutkował zamykaniem fabryk po drugiej stronie świata. Wydawało się, że to idealny obraz globalizacji, w której coś poszło nie tak.

Polityczni przywódcy w Stanach Zjednoczonych, Europie i Japonii przez dziesięciolecia nie zaprzątali sobie głów układami scalonymi. Tak jak reszta z nas myśleli, że skrót „tech” odnosi się do wyszukiwarek czy mediów społecznościowych, a nie krzemowych wafli. Kiedy Joe Biden i Angela Merkel zapytali, dlaczego fabryki samochodów w ich krajach zostały zamknięte, odpowiedź odnosiła się do łańcuchów dostaw o zdumiewającej złożoności. Typowy chip może być zaprojektowany na bazie architektury japońskiej firmy Arm, której siedziba mieści się w Wielkiej Brytanii, przez zespół inżynierów w Kalifornii i Izraelu i przy użyciu oprogramowania ze Stanów Zjednoczonych. Gdy projekt jest gotowy, wysyła się go do fabryki na Tajwanie, która kupuje ultraczyste płytki krzemowe i specjalistyczne gazy w Japonii. Następnie projekt jest wycinany w waflach krzemowych z wykorzystaniem najprecyzyjniejszych maszyn na świecie, które potrafią wytrawiać, nanosić i odmierzać warstwy materiałów o grubości kilku atomów. Bez tych maszyn, które produkowane są głównie przez pięć firm – jedną holenderską, jedną japońską i trzy kalifornijskie – produkcja chipów jest praktycznie niemożliwa. Następnie układy scalone są pakowane i testowane, często w Azji Południowo-Wschodniej, i wysyłane do Chin, gdzie buduje się z nich smartfony czy komputery.

Jeśli jakikolwiek etap produkcji chipów zostanie przerwany, zagrożona jest światowa podaż nowej mocy obliczeniowej. W dobie sztucznej inteligencji często mówi się, że dane to nowa ropa naftowa. Jednak prawdziwym ograniczeniem, z którym się mierzymy, nie jest dostępność danych, ale moc obliczeniowa. Istnieje skończona liczba chipów, które mogą przechowywać i przetwarzać dane. Ich produkcja jest niesamowicie skomplikowana i przerażająco kosztowna. W przeciwieństwie do ropy, którą można kupić w wielu krajach, nasza produkcja mocy obliczeniowej zależy zasadniczo od szeregu wąskich gardeł: narzędzi, chemikaliów i oprogramowania, które często są wytwarzane przez kilka firm – a czasem tylko przez jedną. Żaden inny aspekt gospodarki nie jest tak bardzo uzależniony od tak niewielu firm. Chipy z Tajwanu odpowiedzialne są za 37 procent nowej światowej mocy obliczeniowej, która jest tworzona każdego roku. Dwie koreańskie firmy produkują 44 procent wszystkich układów pamięci[13]. Holenderska firma ASML wytwarza wszystkie urządzenia do ekstremalnej litografii ultrafioletowej (EUV), bez których nie sposób wyprodukować najnowocześniejsze chipy. W porównaniu z tym czterdziestoprocentowy udział krajów OPEC w światowej produkcji ropy naftowej nie wygląda już tak imponująco.

Globalna sieć firm, która rocznie produkuje bilion chipów w nanometrycznej skali, to triumf efektywności. A także nasz słaby punkt. Zakłócenia spowodowane pandemią dają tylko przedsmak tego, co jedno trzęsienie ziemi w odpowiednim miejscu może zrobić z globalną gospodarką. Tajwan leży na uskoku tektonicznym, na którym w 1999 roku odnotowano trzęsienie ziemi o sile 7,3 stopnia w skali Richtera. Na szczęście zatrzymało ono produkcję chipów zaledwie na kilka dni. Jednak to tylko kwestia czasu, a podobne trzęsienie zdarzy się ponownie. Tragiczne w skutkach trzęsienia ziemi mogą nawiedzić Japonię, gdzie produkuje się 17 procent wszystkich chipów, czy usytuowaną na uskoku San Andreas Dolinę Krzemową, gdzie obecnie wytwarza się niewielką liczbę układów scalonych, ale za to buduje urządzenia niezbędne w przemyśle półprzewodnikowym.

Jednak największym zagrożeniem dla dostaw elementów półprzewodnikowych nie jest zderzenie płyt tektonicznych, lecz konfrontacja światowych mocarstw. Ponieważ Chiny i Stany Zjednoczone walczą o światowe przywództwo, zarówno Pekin, jak i Waszyngton są zdeterminowane, by kontrolować przyszłość przemysłu informatycznego. Co więcej, przyszłość ta jest zależna w zatrważającym stopniu od małej wyspy, którą Pekin uważa za zbuntowaną prowincję, a której Waszyngton zobowiązał się bronić siłą.

Wzajemne powiązania między przemysłami półprzewodnikowymi Stanów Zjednoczonych, Chin i Tajwanu są niezmiernie złożone. Najlepszą ilustracją tego problemu jest osoba założyciela TSMC, firmy, która do 2020 roku uznawała amerykańskiego Apple’a i chińskiego Huaweia za swoich dwóch największych klientów. Morris Chang urodził się w Chinach kontynentalnych. Dorastał w Hongkongu w czasie drugiej wojny światowej. Uczył się na Harvardzie, MIT i Stanfordzie. Pomagał tworzyć branżę półprzewodnikową w Stanach Zjednoczonych, pracując w Dallas dla Texas Instruments (TI). Posiadał amerykańskie poświadczenie bezpieczeństwa[14] uprawniające go do prac nad ściśle tajnymi urządzeniami elektronicznymi dla armii i stworzył na Tajwanie światowe centrum produkcji półprzewodników. Niektórzy stratedzy polityki zagranicznej w Pekinie i Waszyngtonie marzą o rozdzieleniu branż technologicznych obu krajów, ale wysoce wydajnej, międzynarodowej sieci projektantów układów scalonych, dostawców chemikaliów i wytwórców maszyn, którą Chang pomógł zbudować, nie da się tak łatwo rozplątać.

O ile oczywiście coś nie wybuchnie. Pekin wyraźnie odmówił porzucenia planów inwazji na Tajwan w celu „zjednoczenia” go z Chinami. Jednak nie trzeba czegoś aż tak tragicznego jak desant chińskiej armii, żeby wywołać falę uderzeniową w przemyśle półprzewodnikowym, która przetoczy się przez całą globalną gospodarkę. Nawet częściowa blokada wyspy może wywołać dewastujące skutki. Pojedynczy pocisk wystrzelony w kierunku najbardziej zaawansowanej fabryki produkcji chipów TSMC może spowodować, po zsumowaniu opóźnień w produkcji smartfonów, centrów danych, samochodów, sieci telekomunikacyjnych i innych urządzeń technicznych, szkody o wartości setek miliardów dolarów.

Uzależnienie światowej gospodarki od jednego z najgroźniejszych konfliktów politycznych wydaje się błędem bezprecedensowych rozmiarów. Jednakże skoncentrowanie produkcji zaawansowanych układów scalonych w Tajwanie, Korei Południowej i innych wschodnioazjatyckich krajach nie jest dziełem przypadku. To seria przemyślanych decyzji przedstawicieli rządów i menedżerów wielkich korporacji stworzyła rozległe łańcuchy powiązań, od których jesteśmy dzisiaj zależni. Ogromne zasoby azjatyckiej taniej siły roboczej przyciągnęły producentów układów scalonych dążących do obniżenia kosztów płac. Rządy i korporacje w Azji Wschodniej wykorzystały powstałe w tym rejonie zagraniczne fabryki układów scalonych do poznania najbardziej zaawansowanych technologii i ich ostatecznego zagospodarowania. Stratedzy polityki zagranicznej z Waszyngtonu użyli złożonych łańcuchów dostaw układów scalonych jako narzędzia do związania Azji ze światem kierowanym przez Amerykę. Nieodzownie związane z kapitalizmem dążenie do ekonomicznej efektywności skutkowało stałym naciskiem na obniżanie kosztów i konsolidację firm. Stałe tempo technicznych innowacji, które tak dobrze opisywało prawo Moore’a, wymagało coraz bardziej złożonych materiałów, urządzeń i procesów, które mogły być dostarczone przez globalne rynki lub sfinansowane za ich pośrednictwem. A nasze gigantyczne zapotrzebowanie na moc obliczeniową ciągle rośnie.

W tej książce, napisanej po zbadaniu archiwów z trzech kontynentów, od Tajpej po Moskwę, i przeprowadzeniu ponad setki wywiadów z naukowcami, inżynierami, prezesami firm i politykami, znajdziemy potwierdzenie, że chipy definiują świat, w którym żyjemy, determinują kształt międzynarodowej polityki, strukturę światowej gospodarki i równowagę militarną. Jednak te najnowocześniejsze z urządzeń mają złożoną i często kontrowersyjną historię. Na ich rozwój wpływały nie tylko korporacje i konsumenci, ale również ambitne rządy i imperatywy wojny. Aby zrozumieć, jak doszło do sytuacji, w której nasz świat zaczął być definiowany przez tryliony tranzystorów i kilka niedających się zastąpić firm, musimy zacząć od przyjrzenia się początkom epoki krzemu.

Część I Układy scalone czasów zimnej wojny

Rozdział 1 Od stali do krzemu

Japońscy żołnierze porównywali drugą wojnę światową do stalowego tajfunu. Z pewnością tak o niej myślał Akio Morita, sumienny młody inżynier z rodziny zamożnych handlarzy sake[15]. Morita miał się znaleźć na linii frontu, ale dostał przydział do japońskiego laboratorium marynarki wojennej. Stalowy tajfun przetaczał się przez jego ojczyznę. Amerykańskie superfortece – bombowce B-29 – niszczyły Tokio i centra innych japońskich miast. Ponadto amerykańska blokada wyspy spowodowała powszechny głód i popchnęła kraj do podjęcia desperackich kroków – gdy wojna miała się ku końcowi, bracia Mority byli szkoleni jako piloci kamikaze.

Po drugiej stronie Morza Wschodniochińskiego dzieciństwu Morrisa Changa[16] towarzyszyły odgłosy wystrzałów i dźwięki syren alarmowych ostrzegających przed zbliżającymi się atakami. Chang jako nastolatek uciekał przed przewalającą się przez Chiny japońską armią do Kantonu, Hongkongu, będącego wtedy brytyjską kolonią, i Chongqingu, tymczasowej stolicy Chin w okresie drugiej wojny światowej. Gdy Japończycy zostali ostatecznie pokonani, wrócił do Szanghaju. Jednak nawet wtedy wojna się nie skończyła, ponieważ komunistyczni powstańcy wznowili walkę przeciwko chińskiemu rządowi. Wkrótce po porażce Japończyków siły Mao Zedonga zaczęły marsz na Szanghaj. Morris Chang ponownie został uchodźcą – po raz drugi był zmuszony do ucieczki do Hongkongu.

Budapeszt leży po drugiej stronie kuli ziemskiej, ale Andy Grove też doświadczył niszczycielskiej siły stalowego tajfunu[17] podobnego do tego, który przetoczył się przez Azję. Andy (znany wtedy jako Andras Grof) był świadkiem wielu napaści na Budapeszt. Skrajnie prawicowy węgierski rząd traktował Żydów, takich jak rodzina Grofów, jako obywateli drugiej kategorii, ale gdy w Europie wybuchła wojna, ojciec Andy’ego został powołany do wojska i wysłany razem z węgierskimi sojusznikami nazistów do walki przeciw Związkowi Radzieckiemu. Został uznany za zaginionego w czasie bitwy o Stalingrad. W 1944 roku naziści zaatakowali Węgry – swojego rzekomego sojusznika. Do Budapesztu wjechały kolumny czołgów, a okupanci ogłosili plany wysłania Żydów do obozów masowej zagłady. Kilka miesięcy później Grove, będąc jeszcze dzieckiem, ponownie usłyszał huk artylerii. Do węgierskiej stolicy wkroczyły oddziały Armii Czerwonej, „wyzwalając” kraj, gwałcąc matkę Andy’ego i instalując w miejsce nazistów brutalny marionetkowy reżim.

Niekończące się kolumny czołgów, fale nadlatujących samolotów, tysiące ton zrzuconych bomb, konwoje statków dostarczających ciężarówki, pojazdy wojskowe, paliwa, lokomotywy, wagony kolejowe, artylerię, amunicję, węgiel i stal – druga wojna światowa była walką na przemysłowe wyniszczenie. Stany Zjednoczone tego właśnie chciały – wojny przemysłowej, którą Ameryka mogła wygrać, przekształcając potęgę produkcyjną w siłę militarną. W Waszyngtonie ekonomiści z War Production Board mierzyli sukces kategoriami miedzi i stali, kauczuku i oleju, aluminium i cyny.

Stany Zjednoczone zbudowały więcej czołgów, statków i samolotów niż wszystkie państwa Osi razem wzięte. Wyprodukowały dwukrotnie więcej dział i karabinów maszynowych. Konwoje towarów przemysłowych wyruszały z amerykańskich portów i płynąc przez Atlantyk i Pacyfik, zaopatrywały Wielką Brytanię, Związek Radziecki, Chiny i innych sojuszników w niezbędny sprzęt wojskowy. Wojna była prowadzona przez żołnierzy pod Stalingradem i marynarzy na Midway. Ale siła bojowa była tworzona w amerykańskich stoczniach Kaisera i na liniach produkcyjnych River Rouge.

W 1945 roku rozgłośnie radiowe na całym świecie ogłosiły, że wojna ostatecznie się skończyła. Młody inżynier Akio Morita przywdział swój mundur, aby wysłuchać przemówienia cesarza Hirohito. Słuchał go sam, a nie w towarzystwie innych oficerów marynarki, więc nie był zmuszany do popełnienia rytualnego samobójstwa[18]. Po drugiej stronie Morza Wschodniochińskiego koniec wojny i klęskę Japonii świętował nastoletni Morris Chang, szybko wracając do spokojnego życia wypełnionego tenisem, filmami i kartami[19]. Na Węgrzech Andy Grove i jego matka powoli opuszczali schron przeciwlotniczy, choć pod sowiecką okupacją mieli cierpieć tak samo, jak podczas wojny.

O wyniku drugiej wojny światowej zadecydowała produkcja przemysłowa, ale już wtedy wiedziano, że to nowe technologie zmieniają układ sił militarnych. Wielkie mocarstwa wyprodukowały tysiące samolotów i czołgów, ale zbudowały także laboratoria badawcze, w których opracowywano nowe urządzenia, takie jak rakiety i radary. Dwie bomby atomowe, które zniszczyły Hiroszimę i Nagasaki, pozwalały przypuszczać, że rodząca się epoka atomowa może zastąpić epokę węgla i stali.

W 1945 roku Morris Chang i Andy Grove byli zbyt młodzi, żeby poważnie myśleć o technice czy polityce. Akio Morita miał jednak dwadzieścia kilka lat i ostatnie miesiące wojny spędził na opracowywaniu pocisków naprowadzanych na źródła ciepła[20]. Japonia była daleka od wyprodukowania nadających się do użytku pocisków kierowanych, ale zaangażowanie w projekt dało Moricie wyobrażenie, jak może wyglądać przyszłość. Idea wygrywania wojen nie dzięki liniom montażowym obsługiwanym przez robotników z nitownikami w rękach, ale dzięki pociskom, samoczynnie manewrującym w powietrzu i autonomicznie identyfikującym cele, zaczęła powoli rozpalać wyobraźnię wojskowych. Pomysł wydawał się z gatunku science fiction, ale Morita był do pewnego stopnia świadomy nowych osiągnięć w elektronice, które mogłyby umożliwić maszynom „myślenie” poprzez rozwiązywanie problemów matematycznych, takich jak dodawanie, mnożenie lub znajdowanie pierwiastka kwadratowego.

Oczywiście pomysł wykorzystania urządzeń do obliczeń nie był nowy. Ludzie używali palców, odkąd gatunek homo sapiens nauczył się liczyć. Aby poradzić sobie z wykonywaniem działań na dużych liczbach, starożytni Babilończycy wynaleźli liczydło i przez wieki ludzie mnożyli i dzielili, przesuwając tam i z powrotem drewniane koraliki. Rozwój biurokracji pod koniec XIX wieku i na początku XX wieku, zarówno w państwowych instytucjach, jaki i prywatnych firmach, wymagał armii ludzkich „komputerów”, pracowników biurowych uzbrojonych w długopis, papier, a czasami mechaniczne kalkulatory – proste urządzenia, które potrafiły dodawać, odejmować, mnożyć, dzielić i obliczać podstawowe pierwiastki kwadratowe.

Te żywe, oddychające komputery mogły zestawiać listy płac, śledzić wyniki sprzedaży, gromadzić informacje ze spisów powszechnych oraz przeglądać dane o pożarach i suszach niezbędne do wyceny polis ubezpieczeniowych. Podczas wielkiego kryzysu amerykańska agencja Works Progress Administration, chcąc dać pracę bezrobotnym pracownikom biurowym, utworzyła Mathematical Tables Project. Kilkaset ludzkich „komputerów”[21] siedziało przy rzędach biurek w biurowcu na Manhattanie i tworzyło tabele wartości logarytmów i potęg. W ramach projektu opublikowano dwadzieścia osiem tomów z wartościami skomplikowanych funkcji, np. Tabele odwrotności liczb całkowitych od 100 000 do 200 009. Książka ta zawierała 201 stron z tabelami wypełnionymi liczbami.

Zorganizowane grupy ludzkich kalkulatorów unaoczniły wartość, jaką niosą ze sobą obliczenia, ale pokazały także ograniczenia ludzkich umysłów. Nawet korzystając z mechanicznych kalkulatorów, ludzie pracowali bardzo powoli. A osoba chcąca skorzystać z wyników Mathematical Tables Project i znaleźć wartość określonego logarytmu lub szukanej potęgi musiała przewrócić kartki jednego z dwudziestu ośmiu tomów. Im więcej wyników było potrzebnych, tym więcej stron trzeba było przejrzeć.

Tymczasem zapotrzebowanie na obliczenia wciąż rosło. Jeszcze przed drugą wojną światową inwestowano w projekty mające na celu produkcję bardziej wydajnych komputerów mechanicznych, ale wojna przyspieszyła poszukiwania nowych sposobów zwiększenia mocy obliczeniowej. Żeby ułatwić bombardierom trafianie w cel, siły powietrzne kilku krajów opracowały mechaniczne celowniki bombowe. Przez obracanie pokrętłami poruszającymi metalowymi dźwigniami regulującymi położenie szklanych lusterek załogi bombowców wprowadzały prędkość wiatru i wysokość, na której znajdował się samolot. Te pokrętła i dźwignie „obliczały” wysokości i kąty dokładniej niż jakikolwiek pilot wytężający wzrok w czasie naprowadzania samolotu na cel. Jednak ograniczenia takiego rozwiązania były oczywiste. Takie celowniki bombowe uwzględniały tylko kilka danych wejściowych i zapewniały tylko jedną informację na wyjściu: moment zrzucenia bomby. W warunkach testowych amerykańskie celowniki bombowe były dokładniejsze niż przewidywania pilotów. Jednak gdy zastosowano je w czasie nalotów na Niemcy, tylko 20 procent bomb spadło w promieniu mniejszym niż 300 metrów od celu[22]. O wyniku wojny zadecydowała liczba zrzuconych bomb i wystrzelonych pocisków artyleryjskich, a nie pokrętła mechanicznych komputerów wykorzystywanych, zazwyczaj z marnym skutkiem, by precyzyjniej kierować atakami.

Większa precyzja wymagała dokładniejszych obliczeń. Inżynierowie zaczęli w końcu zastępować elementy mechaniczne wczesnych komputerów ładunkami elektrycznymi. Pierwsze komputery elektryczne były zbudowane z lamp próżniowych, podobnych do żarówek urządzeń składających się z dwóch elektrod zamkniętych w szklanej bańce. Przepływający przez lampę prąd elektryczny mógł być włączany i wyłączany, pełniąc funkcję podobną do koralika w liczydle poruszającego się tam i z powrotem po drewnianym pręcie. Włączona lampa próżniowa była kodowana jako 1, a wyłączona oznaczała 0. W systemie dwójkowym za pomocą tych dwóch cyfr można zapisać dowolną liczbę – i dlatego teoretycznie można było za jego pomocą wykonywać różnorodne obliczenia.

Co więcej, lampy próżniowe umożliwiły programowanie tych cyfrowych komputerów. Urządzenia mechaniczne, takie jak te w celowniku bombowym, mogły wykonywać tylko jeden rodzaj obliczeń, ponieważ każde pokrętło było fizycznie przymocowane do dźwigni i przekładni. Koraliki na liczydle były ograniczane przez pręty, na których poruszały się tam i z powrotem. Jednak połączenia między lampami próżniowymi można było zmieniać, umożliwiając komputerowi wykonywanie różnych obliczeń.

Był to duży postęp – a raczej byłby, gdyby nie ćmy. Ponieważ lampy próżniowe świeciły jak żarówki, przyciągały owady, co wymagało ich regularnego „odrobaczania”[23] (ang. debugging) przez inżynierów. Podobnie jak żarówki, lampy próżniowe często się przepalały. Najnowocześniejszy komputer do obliczania trajektorii artylerii o nazwie ENIAC, zbudowany dla amerykańskiej armii w 1945 roku na Uniwersytecie Pensylwanii, zawierał osiemnaście tysięcy lamp próżniowych[24]. Średnio co dwa dni jedna lampa ulegała awarii, powodując zatrzymanie całej maszyny i zmuszając techników do szukania i wymiany zepsutej części. ENIAC mógł mnożyć setki liczb na sekundę, szybciej niż jakikolwiek matematyk. Zajmował jednak całe pomieszczenie, bo każda z osiemnastu tysięcy lamp miała wielkość pięści. Niewątpliwie technologia lamp próżniowych była zbyt kłopotliwa, powolna i zawodna. Tak długo, jak komputery były nękanymi przez owady urządzeniami o monstrualnych wymiarach, ich przydatność ograniczała się do niszowych zastosowań, takich jak łamanie kodów. Jednak sytuacja mogła ulec zmianie, gdyby naukowcom udało się znaleźć mniejszy, szybszy i tańszy przełącznik.

Rozdział 2 Przełącznik

William Shockley od długiego czasu zakładał[25], że jeśli uda się znaleźć lepszy przełącznik, umożliwią to materiały zwane półprzewodnikami. Shockley urodził się w Londynie w rodzinie podróżującego po świecie inżyniera górnictwa, a dorastał pośród drzew owocowych sennego kalifornijskiego miasteczka Palo Alto. Jako jedynak był całkowicie przekonany o swojej wyższości nad wszystkimi dookoła – i dawał to wyraźnie do zrozumienia. Ukończył studia na Caltechu w południowej Kalifornii, następnie uzyskał doktorat z fizyki na MIT i rozpoczął pracę w Bell Labs w New Jersey, w tamtym czasie jednym z wiodących ośrodków naukowych i inżynieryjnych na świecie. Wszyscy jego koledzy uważali Shockleya za nieznośnego, ale przyznawali też, że był genialnym fizykiem teoretykiem. Jego intuicja była tak niesamowita, że jeden ze współpracowników Shockleya powiedział o nim, że zdawało się, jakby rzeczywiście widział elektrony poruszające się w metalu lub łączące ze sobą atomy[26].

Półprzewodniki, obszar specjalizacji Shockleya, to wyjątkowa klasa materiałów. Większość materiałów albo umożliwia swobodny przepływ prądu elektrycznego (jak druty miedziane), albo go blokuje (jak szkło). Półprzewodniki są inne. Same w sobie półprzewodniki, takie jak krzem i german, są podobne do szkła i prawie w ogóle nie przewodzą prądu. Jednak po dodaniu pewnych składników i poddaniu działaniu pola elektrycznego prąd zaczyna w nich płynąć. Na przykład dodanie fosforu lub antymonu do półprzewodników, takich jak krzem lub german, umożliwia przepływ prądu.

Domieszkowanie półprzewodników innymi pierwiastkami dało szansę na stworzenie nowego typu urządzeń, które mogłyby kontrolować przepływ prądu elektrycznego. Jednak panowanie nad przepływem elektronów przez materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem czy german, było odległym marzeniem, dopóki ich właściwości elektryczne pozostawały niewyjaśnioną tajemnicą. Aż do późnych lat czterdziestych XX wieku, mimo zgromadzenia w Bell Labs grupy genialnych fizyków, nikt nie potrafił wyjaśnić, dlaczego płytki z materiałów półprzewodnikowych zachowują się w tak zagadkowy sposób.

W 1945 roku Shockley zaczął rozważania nad zaworem półprzewodnikowym[27], szkicując w swoim notatniku kawałek krzemu podłączony do baterii 90-woltowej. Postawił hipotezę, że poddanie kawałka materiału półprzewodnikowego, takiego jak krzem, działaniu pola elektrycznego może przyciągnąć zgromadzone w środku swobodne elektrony w pobliże krawędzi półprzewodnika. Jeśli pole elektryczne przyciągnie wystarczającą liczbę elektronów, krawędź półprzewodnika zostanie przekształcona w materiał przewodzący, taki jak metal, który zawsze charakteryzuje się dużą liczbą swobodnych elektronów. Jeśli tak by się stało, prąd elektryczny mógłby płynąć przez materiał, który wcześniej nie przewodził prądu. Shockley wkrótce zbudował takie urządzenie, spodziewając się, że zwiększanie i zmniejszanie natężenia pola elektrycznego działającego na kawałek krzemu może sprawić, iż będzie on działać jak zawór otwierający i zamykający przepływ elektronów. Kiedy jednak przeprowadził ten eksperyment, nie otrzymał wiarygodnych rezultatów. „Nic mierzalnego – stwierdził. – Niezła zagadka”. W rzeczywistości proste przyrządy z lat czterdziestych XX wieku nie były wystarczająco precyzyjne, aby zmierzyć tak niewielki przepływ prądu.

Dwa lata później dwóch współpracowników Shockleya z Bell Labs przeprowadziło podobny eksperyment na innym typie urządzenia. Podczas gdy Shockley był butny i nieprzyjemny w obyciu, jego koledzy Walter Brattain, genialny fizyk eksperymentalny pochodzący z wiejskich obszarów stanu Waszyngton, oraz John Bardeen, naukowiec z Princeton, który później jako jedyny otrzymał dwie Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, byli skromni i dobrze wychowani. Zainspirowani teoriami Shockleya, Brattain i Bardeen zbudowali urządzenie, które składało się z dwóch złotych drucików połączonych ze źródłem zasilania i przyczepionych do dwóch ścian trójkątnej płytki wbitej w kawałek germanu w taki sposób, że druciki były oddalone od siebie o mniej niż milimetr. Po południu 16 grudnia 1947 roku w siedzibie Bell Labs Bardeen i Brattain włączyli zasilanie i mogli kontrolować prąd płynący przez german[28]. Teorie Shockleya dotyczące materiałów półprzewodnikowych okazały się słuszne.

Głównym przedmiotem działalności firmy AT&T, która była właścicielem Bell Labs, były usługi telekomunikacyjne, a nie komputery, dlatego uznała ona to urządzenie – wkrótce nazwane tranzystorem – za przydatne przede wszystkim ze względu na zdolność wzmacniania sygnału w rozległej sieci telefonicznej. Ponieważ tranzystory mogą wzmacniać sygnał, szybko zdano sobie sprawę, że będą przydatne w takich urządzeniach, jak aparaty słuchowe czy radia, zastępując używane do tego celu zawodne lampy próżniowe. Firma Bell Labs wkrótce zaczęła zgłaszać wnioski do urzędu patentowego na to nowe urządzenie.

Shockley był wściekły, że to jego koledzy przeprowadzili eksperyment potwierdzający jego teorie, i zdeterminowany, by osiągnąć coś więcej. W okresie Bożego Narodzenia zamknął się na dwa tygodnie w pokoju hotelowym w Chicago i dzięki niezrównanemu zrozumieniu fizyki półprzewodników zaczął wyobrażać sobie różne struktury tranzystorów. W styczniu 1948 roku opracował koncepcję nowego typu tranzystora, składającego się z trzech kawałków materiałów półprzewodnikowych. Dwa zewnętrzne kawałki zawierały nadwyżki elektronów, a w kawałku umieszczonym między nimi był ich niedobór. Jeśli do środkowej warstwy tej „kanapki” podłączano niewielki prąd, powodowało to przepływ znacznie większego prądu przez całe urządzenie. Ta konwersja małego prądu na duży była tym samym procesem wzmacniania, który Brattain i Bardeen zademonstrowali w swoim tranzystorze. Jednak Shockley zaczął dostrzegać inne zastosowania tranzystora – urządzenie mogłoby stać się „zaworem półprzewodnikowym”, o którym wcześniej teoretyzował. Mógł włączać i wyłączać większy prąd przez zmiany małego prądu podłączonego do środka tej tranzystorowej kanapki. Włączanie, wyłączanie. Włączanie, wyłączanie. Shockley zaprojektował przełącznik[29].

Kiedy firma Bell Labs zorganizowała konferencję prasową w czerwcu 1948 roku, aby ogłosić, że jej naukowcy wynaleźli tranzystor, mało kto rozumiał, dlaczego te okablowane bloki germanu zasługują na specjalną uwagę. „New York Times” umieścił tę wiadomość na czterdziestej szóstej stronie. Magazyn „Time” spisał się lepiej, opisując wynalazek nagłówkiem Mała komórka mózgowa. Jednak nawet Shockley, który zawsze miał o sobie wysokie mniemanie, nie mógł sobie wyobrazić, że wkrótce tysiące, miliony i miliardy tych tranzystorów zostaną zmniejszone do mikroskopowej skali, żeby zastąpić ludzkie mózgi w zadaniach związanych z obliczeniami[30].

[1] USS Mustin Transits the Taiwan Strait, „Navy Press Releases”, 19 sierpnia 2020, https://www.navy.mil/Press-Office/Press-Releases/display-pressreleases/Article/2317449/uss-mustin-transits-the-taiwan-strait/#images-3; Sam LaGrone, Destroyer USS Mustin Transits Taiwan Strait Following Operations with Japanese Warship, „USNI News”, 18 sierpnia 2020, https://news.usni.org/2020/08/18/destroyer-uss-mustin-transits-taiwan-strait-following-operations-with-japanese-warship.

[2] China Says Latest US Navy Sailing Near Taiwan ‘Extremely Dangerous’, „Straits Times”, 20 sierpnia 2020, https://www.straitstimes.com/asia/east-asia/china-says-latest-us-navy-sailing-near-taiwan-extremely-dangerous; Liu Xuanzun, PLA Holds Concentrated Military Drills to Deter Taiwan Secessionists, US, „Global Times”, 23 sierpnia 2020, https://www.globaltimes.cn/page/202008/1198593.shtml.

[3] Patrz też: Murray Scott, newsletter Zen on Tech, https://www.zenontech.co/newsletter.

[4] Antonio Varas, Raj Varadarajan, Jimmy Goodrich, Falan Yinug, Strengthening the Global Semiconductor Supply Chain in an Uncertain Era, „Semiconductor Industry Association”, kwiecień 2021, https://www.semiconductors.org/wp-content/uploads/2021/05/BCG-x-SIA-Strengthening-the-Global-Semiconductor-Value-Chain-April-2021_1.pdf; Telefony stanowią 26 procent sprzedaży półprzewodników według wartości dolara.

[5] iPhone 12 and 12 Pro Teardown, „IFixit”, 20 października 2020, https://www.ifixit.com/Teardown/iPhone+12+and+12+Pro+Teardown/137669.

[6] A Look Inside the Factory Around Which the Modern World Turns, „Economist”, 21 grudnia 2019.

[7] Angelique Chatman, Apple iPhone 12 Has Reached 100 Million Sales, Analyst Says, CNET, 30 czerwca 2021; Omar Sohail, Apple A14 Bionic Gets Highlighted with 11.8 Billion Transistors, „WCCFTech”, 15 września 2020.

[8] Isy Haas, Jay Last, Lionel Kattner, Bob Norman, David Laws, Oral History of Panel on the Development and Promotion of Fairchild Micrologic Integrated Circuits, Computer History Museum, 6 października 2007, https://archive.computerhistory.org/resources/access/text/2013/05/102658200-05-01-acc.pdf; interview with David Laws, 2022.

[9] Gordon E. Moore, Cramming More Components onto Integrated Circuits, „Electronics” 38, nr 8, 19 kwietnia 1965, https://newsroom.intel.com/wp-content/uploads/sites/11/2018/05/moores-law-electronics.pdf; Dane Intela zaczerpnięte z Memory Lane, „Nature Electronics” 1, 13 czerwca 2018, https://www.nature.com/articles/s41928-018-0098-9.

[10] Według danych Semiconductor Industry Association w 2019 roku 37 procent układów logicznych zostało wyprodukowanych na Tajwanie; Antonio Varas, op. cit.

[11] Antonio Varas, op. cit., s. 35.

[12] Mark Fulthorpe, Phil Amsrud, Global Light Vehicle Production Impacts Now Expected Well into 2022, „IHS Market”, 19 sierpnia 2021, https://ihsmarkit.com/research-analysis/global-light-vehicle-production-impacts-now-expected-well-into.html.

[13] Antonio Varas, op. cit.

[14] Wywiad z Morrisem Changiem, 2022.

[15] Szczegóły życia Mority zostały zaczerpnięty z: Akio Morita, Made in Japan: Akio Morita i Sony, tłum. Andrzej Ehrlich, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1996.

[16] Morris C.M. Chang, The Autobiography of Morris C.M. Chang, Commonwealth Publishing, 2018. Autor składa podziękowania Mindy Tu za pomoc w tłumaczeniu na język angielski.

[17] Andrew Grove, Swimming Across, Warner Books, 2002, s. 52.

[18] John Nathan, Sony: A Private Life, Houghton Mifflin, 2001, s. 16.

[19] Morris C.M. Chang, op. cit.

[20] Akio Morita, op. cit.

[21] David Alan Grier, When Computers Were Human, Princeton University Press, 2005, s. 13; Mathematical Tables Project, Table of Reciprocals of the Integers from 100,000 through 200,009, Columbia University Press, 1943.

[22] Robert P. Patterson, The United States Strategic Bombing Survey: Summary Report, United States Department of War, 1945, s. 15 [w:] The United States Strategic Bombing Surveys, Air University Press, 1987, https://www.airuniversity.af.edu/Portals/10/AUPress/Books/B_0020_SPANGRUD_STRATEGIC_BOMBING_SURVEYS.pdf.

[23] T.R. Reid, The Chip, Random House, 2001, s. 11.

[24] Derek Cheung, Eric Brach, Conquering the Electron: The Geniuses, Visionaries, Egomaniacs, and Scoundrels Who Built Our Electronic Age, Roman & Littlefield, 2011, s. 173.

[25] Joel Shurkin, Broken Genius: The Rise and Fall of William Shockley, Creator of the Electronic Age, Macmillan, 2006 – to najlepsza pozycja poświęcona Shocleyowi. Sprawdź również: Michael Riordan, Lillian Hoddeson, Crystal Fire: The Birth of the Information Age, Norton, 1997.

[26] Gino Del Guercio, Ira Flatow, Transistorized!, PBS, 1999, https://www.pbs.org/transistor/tv/script1.html.

[27] Michael Riordan, Lillian Hoddeson, op. cit., s. 112–114.

[28] Ten opis tranzystora został w dużym stopniu zaczerpnięty z książki Michaela Riordana i Lillian Hoddeson Crystal Fire oraz z książki Dereka Cheunga i Erica Bracha Conquering the Electron.

[29] Derek Cheung, Eric Brach, op. cit., s. 206–207.

[30] Michael Riordan, Lillian Hoddeson, op. cit., s. 165; SCIENCE 1948: Little Brain Cell, „Time”, 1948, http://content.time.com/time/subscriber/article/0,33009,952095,00.html.