經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，半導(dǎo)體已經(jīng)長成一個巨人，1美元半導(dǎo)體產(chǎn)品可以撬動100美元GDP。
6月，美國兩黨參議院先后提出《為半導(dǎo)體生產(chǎn)建立有效激勵措施》《美國晶圓代工業(yè)法案》，呼吁投入370億美元以維護(hù)本土半導(dǎo)體戰(zhàn)略競爭優(yōu)勢。
資本和研發(fā)投入對保持半導(dǎo)體行業(yè)的競爭力至關(guān)重要。而中國要想爬上這個巨人的肩膀，眼前要邁過的坎不只是錢和研發(fā)這么簡單。
筆者和中國科學(xué)院院士李樹深曾花了10個月時間進(jìn)行調(diào)研，摸清了中國半導(dǎo)體科技發(fā)展的真實現(xiàn)狀。這里我將以詳實的數(shù)據(jù)和資料闡述當(dāng)下國內(nèi)半導(dǎo)體科技面臨的八大困境。
困境1 歷史積累厚、技術(shù)更新快
2015年，作為全球手機(jī)芯片霸主的高通宣布進(jìn)軍服務(wù)器芯片市場，并正式對外展示了其首款服務(wù)器芯片，不到3年就遭遇重重挫折而退出；從2010年到2019年，英特爾在移動芯片領(lǐng)域努力了十年，但始終未能撼動高通的地位，最終先后放棄了移動處理器和手機(jī)基帶芯片兩大業(yè)務(wù)，告別了移動市場。
這兩個例子告訴我們，即使是財大氣粗的高通和英特爾，想要在半導(dǎo)體領(lǐng)域拓展新的市場，都是九死一生。半導(dǎo)體并不是有錢就能干的。
半導(dǎo)體產(chǎn)品的特點(diǎn)是性能為王、市場占有率為王。它一方面需要長期的歷史積累，另一方面還要應(yīng)對技術(shù)的快速更迭。
常有人把半導(dǎo)體研究與“兩彈一星”做比較，認(rèn)為中國人能做出“兩彈一星”這樣的尖端科技，半導(dǎo)體也不成問題。但人們忽視了，“兩彈一星”技術(shù)一旦掌握，自我更新速度較慢。半導(dǎo)體是按照摩爾定律高速發(fā)展的，單位芯片晶體管數(shù)量每18個月增長一倍。
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，落后一年都不行。一步慢，步步慢！
困境2 研發(fā)成本大、進(jìn)入門檻極高
國際半導(dǎo)體大公司的平均研發(fā)投入長期保持在營業(yè)額的20%。2016年，研發(fā)支出大于10億美元的全球半導(dǎo)體公司有13家，前十名的投入總計353.95億美元，其中英特爾高達(dá)127億美元，2019年增長為314億美元。
困境3 產(chǎn)業(yè)鏈條長，擁有最尖端的制造水平
在過去半個世紀(jì)里，以8個諾貝爾物理學(xué)獎11項發(fā)明為代表的研究成果奠定了半導(dǎo)體科技。要支撐半導(dǎo)體技術(shù)頂層應(yīng)用，從材料、結(jié)構(gòu)、器件到電路、架構(gòu)、算法、軟件，缺一不可。
從沙子到芯片，總共有6000多道工序，前5000道工序是從沙子到硅晶片。目前，中國12英寸硅晶片基本依賴進(jìn)口，無法自主生產(chǎn)。
有了硅晶片之后，集成電路產(chǎn)線中的芯片制造又有300多道工序，其中100道與光刻機(jī)相關(guān)。光刻工藝是半導(dǎo)體制程中的核心工藝，也是尖端制造水平的代表。一套最先進(jìn)的阿斯麥NXE 3350B EUV光刻機(jī)售價為1.2億美元，并且是非賣品。
另外，半導(dǎo)體芯片制造涉及19種必需的材料，大多數(shù)材料具有極高的技術(shù)壁壘。日本在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域長期保持著絕對優(yōu)勢，硅晶圓、化合物半導(dǎo)體晶圓、光罩、光刻膠、靶材料等14種重要材料占了全球50%以上的份額。像光刻膠這樣的材料，有效期僅為三個月，中國企業(yè)想囤貨都不行。
中國的化學(xué)很強(qiáng)，化工卻很弱。目前，國內(nèi)芯片制造領(lǐng)域的化學(xué)材料、化工產(chǎn)品幾乎全部依賴進(jìn)口。
困境4 受到世界主要發(fā)達(dá)國家技術(shù)限制
1美元半導(dǎo)體產(chǎn)品可以撬動100美元GDP，任何國家都想牢牢抓住這一產(chǎn)業(yè)。根據(jù)美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會的預(yù)測，增加1美元半導(dǎo)體科研經(jīng)費(fèi)，可以使GDP提高16.5美元，這樣的投入很“劃算”。
1986年，日本超越美國成為世界第一大半導(dǎo)體生產(chǎn)國。美國為了打壓日本，一方面出臺各種政策鼓勵其國內(nèi)企業(yè)研發(fā)制造，另一方面在1986年簽訂了《美日半導(dǎo)體協(xié)議》，限制日本半導(dǎo)體對美國的出口，同時要求日本必須進(jìn)口其20%的半導(dǎo)體產(chǎn)品，從而在1992年重新占據(jù)世界第一大半導(dǎo)體生產(chǎn)國的地位。
如今，美國面對其競爭者同樣是寸步不讓。
2017年，美國白宮出臺《確保美國在半導(dǎo)體行業(yè)長期領(lǐng)先地位》的報告，包括美國總統(tǒng)科技和政策辦公室主任以及各大半導(dǎo)體企業(yè)、投資機(jī)構(gòu)、咨詢公司CEO和科研機(jī)構(gòu)頂級專家組成的工作組，提出了一系列建議和措施。
其中包括：建立新的機(jī)制，讓企業(yè)的專家參與半導(dǎo)體政策和挑戰(zhàn)；成倍增加政府投入半導(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域的研究經(jīng)費(fèi)；實施企業(yè)稅收政策改革；實施包括通用量子計算機(jī)、全球天氣預(yù)測網(wǎng)、實時生化恐怖襲擊探測網(wǎng)等一系列“登月”挑戰(zhàn)計劃促使半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新。
尤其值得注意的是，報告還提到，要動用國家安全工具應(yīng)對中國的企業(yè)政策；加強(qiáng)全球出口控制和內(nèi)部投資安全（防止中國產(chǎn)生獨(dú)有技術(shù)）。
困境5 人才短缺嚴(yán)重、學(xué)科發(fā)展不平衡
迄今為止，半導(dǎo)體領(lǐng)域的8個諾貝爾物理學(xué)獎11項發(fā)明絕大部分來自美國。美國半導(dǎo)體研發(fā)的特點(diǎn)是自下而上，從半導(dǎo)體物理、材料、結(jié)構(gòu)、器件逐步上升到應(yīng)用層面，專業(yè)設(shè)置和人才隊伍非常完整。
中國則恰恰相反，是自上而下。優(yōu)先關(guān)注應(yīng)用層面，比如集成電路、人工智能，然后才開始局部往下延伸。它帶來的根本問題是，投資和研發(fā)經(jīng)費(fèi)層層截留，越是底層的基礎(chǔ)研究越拿不到經(jīng)費(fèi)，人才蓄水池很小，于是造成了嚴(yán)重的學(xué)科發(fā)展不平衡。
我們通過中美高校專業(yè)設(shè)置對比便可以清楚地看到這一深層次問題。
1997年，教育部取消了半導(dǎo)體物理專業(yè)。在美國，材料與器件專業(yè)是整個半導(dǎo)體領(lǐng)域的核心專業(yè)，而我國甚至沒有設(shè)置該專業(yè)。目前，國內(nèi)只有少量研究組在從事半導(dǎo)體材料與器件相關(guān)研究。
再看高校人才培養(yǎng)數(shù)量的比較。
我國微電子專業(yè)的本科生、碩士生、博士生與美國電子工程專業(yè)的學(xué)生數(shù)量完全不在一個量級。值得注意的是，2015年，美國電子工程專業(yè)有52940名碩士生入學(xué)，拿到碩士學(xué)位的只有15763名，也就是說它淘汰了大量“低水平”學(xué)生。而在中國，入學(xué)人數(shù)本來就少，淘汰也少。
總體來看，高校培養(yǎng)半導(dǎo)體學(xué)科人才的中美對比是1：6。美國經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)積累起了上百萬的半導(dǎo)體人才，而我們可以說是人才凋零，僅有的人才大部分集中在集成電路設(shè)計領(lǐng)域，真正能夠從事半導(dǎo)體材料和器件研究的很稀缺。
困境6 科研評價機(jī)制不利于半導(dǎo)體等核心技術(shù)的發(fā)展
半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究獨(dú)特的地方在于，半導(dǎo)體雖然離應(yīng)用近，能支撐人類社會和國家安全，但是課題繁多、研究分散，設(shè)備依賴大、研究成本高、進(jìn)入門檻極高，研發(fā)周期長，得坐上十年甚至二十年的冷板凳。這導(dǎo)致在中國很少有人愿意投身這個領(lǐng)域。
半導(dǎo)體研究的一個隱蔽性還在于，目前國內(nèi)工業(yè)界普遍以為，不需要基礎(chǔ)研究也能發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，這是因為以銅替換鋁、高K絕緣層、絕緣襯底SOI、應(yīng)變硅技術(shù)、鰭式3D晶體管、環(huán)繞柵極晶體管等延續(xù)摩爾定律的重大發(fā)明為代表的大量基礎(chǔ)研究成果，全部匯集在美國公司提供的電子設(shè)計自動化（EDA）軟件和工藝設(shè)計套件（PDK）里。然而，會設(shè)計根本不代表掌握了核心技術(shù)。一旦受到設(shè)備、軟件、材料等封鎖，就立刻陷入被動。
我們從來沒有建立起獨(dú)立的半導(dǎo)體專業(yè)體系，如今卻有很多新興學(xué)科聲稱與半導(dǎo)體相關(guān)，實際上無法支撐半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究。
在新興熱門材料領(lǐng)域，研究論文可以在《科學(xué)》《自然》及其子刊、《先進(jìn)材料》（IF>25）發(fā)表，但在傳統(tǒng)半導(dǎo)體領(lǐng)域，一臺800萬元的必備研發(fā)設(shè)備MBE，一年的運(yùn)行費(fèi)用就高達(dá)150萬元，相應(yīng)的論文產(chǎn)出也許只是每年一篇《應(yīng)用物理快報》（IF=3.5）。
如果沒有國家的引導(dǎo)、激勵，任由科研人員做選擇，結(jié)果是顯而易見的。
困境7 研發(fā)投入不足、創(chuàng)新鏈條斷裂
美國長期以來在半導(dǎo)體研發(fā)中投入了巨額資金。1978年，美國政府投入半導(dǎo)體研發(fā)經(jīng)費(fèi)是10億美元，企業(yè)投入4億美元，現(xiàn)在每年聯(lián)邦政府投入17億美元，而企業(yè)投入則高達(dá)400億美元。
美國半導(dǎo)體企業(yè)協(xié)會（SIA）目前仍在積極游說政府加大半導(dǎo)體研發(fā)投入。它建議聯(lián)邦政府對半導(dǎo)體研發(fā)的資助在未來5年內(nèi)增加兩倍，達(dá)到51億美元，聯(lián)邦政府對半導(dǎo)體相關(guān)研究的資助在未來5年內(nèi)增加1倍，達(dá)到86億美元。如此便可以增加1610億美元GDP，創(chuàng)造近50萬個新就業(yè)崗位，加強(qiáng)美國半導(dǎo)體行業(yè)全球領(lǐng)導(dǎo)地位。
通過中美半導(dǎo)體研發(fā)投入的比較，可以發(fā)現(xiàn)中美半導(dǎo)體領(lǐng)域的差距十分顯著。2015年，僅美國企業(yè)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的研發(fā)投入（554億美元）就超過了我國中央財政全部的科技研發(fā)支出（2899.2億元，其中基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)670.6億元）
以中國自然科學(xué)基金委員會的資助為例，在其信息科學(xué)部2019年面上項目、青年科學(xué)基金項目、重點(diǎn)基金項目、優(yōu)青基金項目中，半導(dǎo)體科學(xué)、光學(xué)和光電子學(xué)資助占比在2%~4.6%之間，半導(dǎo)體總計投入5億元左右，占整個基金委經(jīng)費(fèi)投入的2%~3%。
由于國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)普遍比較弱小，因此研發(fā)支出也是捉襟見肘。
目前，我國半導(dǎo)體研發(fā)投入不及美國的5%，這一現(xiàn)狀背后還要謹(jǐn)防一個陷阱。
美國政府在非國防研發(fā)的投入從上世紀(jì)60年代占GDP的1.8%，下降到2008年的0.8%、2012年的0.7%。
一方面，美國政府的大量半導(dǎo)體研發(fā)投入不在這一比例之內(nèi)，另一方面，美國已經(jīng)完成了從高校和科研機(jī)構(gòu)到企業(yè)的研發(fā)轉(zhuǎn)移，前者以前沿基礎(chǔ)探索研究為主。
因此，在我國企業(yè)研發(fā)還非常薄弱的階段，不能對照美國政府的科技支出進(jìn)行分配。
困境8 缺乏知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)
除了產(chǎn)品山寨，半導(dǎo)體行業(yè)離職創(chuàng)業(yè)進(jìn)行同質(zhì)化競爭的現(xiàn)象普遍存在，以至于誰都得不到利潤，更沒有機(jī)會向高端技術(shù)領(lǐng)域拓展。
有些大企業(yè)看中研究所的研發(fā)技術(shù)，就通過招聘畢業(yè)生的方式“得到”技術(shù)。這種竭澤而漁的做法，無法反哺基礎(chǔ)研究，實際上也阻礙了真正的成果轉(zhuǎn)化。
上世紀(jì)，美國半導(dǎo)體物理研究占凝聚態(tài)研究50%以上的課題。美國物理學(xué)會期刊《物理評論B》4個大類中一半是半導(dǎo)體方向，到了2019年則取消了半導(dǎo)體方向，半導(dǎo)體論文大幅削減，因為半導(dǎo)體研究已經(jīng)十分成熟，該領(lǐng)域論文很難再獲得較高的引用。
如果中國照樣模仿，以為半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究不再重要，那就大錯特錯了。
我們在2019年以前，數(shù)理學(xué)部幾十個研究方向中沒有“半導(dǎo)體”3個字，2020年才把半導(dǎo)體基礎(chǔ)物理納入凝聚態(tài)物理學(xué)部的14個方向之一。
中國要發(fā)展半導(dǎo)體，沒有捷徑可走。必須把歷史欠賬還上，逆世界科技潮流，發(fā)展半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究。這需要各行各業(yè)的理解和支持，特別是學(xué)科設(shè)置、人才培養(yǎng)、經(jīng)費(fèi)投入和評價機(jī)制的改善。
能夠支撐未來人工智能、量子計算、先進(jìn)無線網(wǎng)絡(luò)這些頂層應(yīng)用的，是一個完整的半導(dǎo)體技術(shù)層級體系。我們只有夯實基礎(chǔ)，掌握了半導(dǎo)體現(xiàn)有的技術(shù)體系，并在有潛力的環(huán)節(jié)奮起攻關(guān)，形成自己的技術(shù)突破，獲得一定的技術(shù)話語權(quán)，才可能在國際競爭中有立足之地。
與此同時，我們可以投入一定比例為將來的技術(shù)做儲備。但是，如果我們避重就輕，對準(zhǔn)將來的技術(shù)和應(yīng)用蜂擁而上，放棄成熟的技術(shù)體系而不顧，這其實是一種賭博，因為將來的技術(shù)通常要經(jīng)歷很多失敗。
來源：《中國科學(xué)報》
