經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀的發(fā)展，半導體已經(jīng)長(cháng)成一個(gè)巨人，1美元半導體產(chǎn)品可以撬動(dòng)100美元GDP。 

6月，美國兩黨參議院先后提出《為半導體生產(chǎn)建立有效激勵措施》《美國晶圓代工業(yè)法案》，呼吁投入370億美元以維護本土半導體戰略競爭優(yōu)勢。

資本和研發(fā)投入對保持半導體行業(yè)的競爭力至關(guān)重要。而中國要想爬上這個(gè)巨人的肩膀，眼前要邁過(guò)的坎不只是錢(qián)和研發(fā)這么簡(jiǎn)單。

筆者和中國科學(xué)院院士李樹(shù)深曾花了10個(gè)月時(shí)間進(jìn)行調研，摸清了中國半導體科技發(fā)展的真實(shí)現狀。這里我將以詳實(shí)的數據和資料闡述當下國內半導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，作為全球手機芯片霸主的高通宣布進(jìn)軍服務(wù)器芯片市場(chǎng)，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(dòng)芯片領(lǐng)域努力了十年，但始終未能撼動(dòng)高通的地位，最終先后放棄了移動(dòng)處理器和手機基帶芯片兩大業(yè)務(wù)，告別了移動(dòng)市場(chǎng)。

這兩個(gè)例子告訴我們，即使是財大氣粗的高通和英特爾，想要在半導體領(lǐng)域拓展新的市場(chǎng)，都是九死一生。半導體并不是有錢(qián)就能干的。

半導體產(chǎn)品的特點(diǎn)是性能為王、市場(chǎng)占有率為王。它一方面需要長(cháng)期的歷史積累，另一方面還要應對技術(shù)的快速更迭。

常有人把半導體研究與“兩彈一星”做比較，認為中國人能做出“兩彈一星”這樣的尖端科技，半導體也不成問(wèn)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。半導體是按照摩爾定律高速發(fā)展的，單位芯片晶體管數量每18個(gè)月增長(cháng)一倍。

在半導體領(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(mén)檻極高

國際半導體大公司的平均研發(fā)投入長(cháng)期保持在營(yíng)業(yè)額的20%。2016年，研發(fā)支出大于10億美元的全球半導體公司有13家，前十名的投入總計353.95億美元，其中英特爾高達127億美元，2019年增長(cháng)為314億美元。

困境3 產(chǎn)業(yè)鏈條長(cháng)，擁有最尖端的制造水平

在過(guò)去半個(gè)世紀里，以8個(gè)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體科技。要支撐半導體技術(shù)頂層應用，從材料、結構、器件到電路、架構、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(lài)進(jìn)口，無(wú)法自主生產(chǎn)。

有了硅晶片之后，集成電路產(chǎn)線(xiàn)中的芯片制造又有300多道工序，其中100道與光刻機相關(guān)。光刻工藝是半導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光刻機售價(jià)為1.2億美元，并且是非賣(mài)品。

另外，半導體芯片制造涉及19種必需的材料，大多數材料具有極高的技術(shù)壁壘。日本在半導體材料領(lǐng)域長(cháng)期保持著(zhù)絕對優(yōu)勢，硅晶圓、化合物半導體晶圓、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(gè)月，中國企業(yè)想囤貨都不行。

中國的化學(xué)很強，化工卻很弱。目前，國內芯片制造領(lǐng)域的化學(xué)材料、化工產(chǎn)品幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。

困境4 受到世界主要發(fā)達國家技術(shù)限制

1美元半導體產(chǎn)品可以撬動(dòng)100美元GDP，任何國家都想牢牢抓住這一產(chǎn)業(yè)。根據美國半導體工業(yè)協(xié)會(huì )的預測，增加1美元半導體科研經(jīng)費，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企業(yè)研發(fā)制造，另一方面在1986年簽訂了《美日半導體協(xié)議》，限制日本半導體對美國的出口，同時(shí)要求日本必須進(jìn)口其20%的半導體產(chǎn)品，從而在1992年重新占據世界第一大半導體生產(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《確保美國在半導體行業(yè)長(cháng)期領(lǐng)先地位》的報告，包括美國總統科技和政策辦公室主任以及各大半導體企業(yè)、投資機構、咨詢(xún)公司CEO和科研機構頂級專(zhuān)家組成的工作組，提出了一系列建議和措施。

其中包括：建立新的機制，讓企業(yè)的專(zhuān)家參與半導體政策和挑戰；成倍增加政府投入半導體相關(guān)領(lǐng)域的研究經(jīng)費；實(shí)施企業(yè)稅收政策改革；實(shí)施包括通用量子計算機、全球天氣預測網(wǎng)、實(shí)時(shí)生化恐怖襲擊探測網(wǎng)等一系列“登月”挑戰計劃促使半導體技術(shù)的創(chuàng )新。

尤其值得注意的是，報告還提到，要動(dòng)用國家安全工具應對中國的企業(yè)政策；加強全球出口控制和內部投資安全（防止中國產(chǎn)生獨有技術(shù)）。 

困境5 人才短缺嚴重、學(xué)科發(fā)展不平衡

迄今為止，半導體領(lǐng)域的8個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎11項發(fā)明絕大部分來(lái)自美國。美國半導體研發(fā)的特點(diǎn)是自下而上，從半導體物理、材料、結構、器件逐步上升到應用層面，專(zhuān)業(yè)設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)注應用層面，比如集成電路、人工智能，然后才開(kāi)始局部往下延伸。它帶來(lái)的根本問(wèn)題是，投資和研發(fā)經(jīng)費層層截留，越是底層的基礎研究越拿不到經(jīng)費，人才蓄水池很小，于是造成了嚴重的學(xué)科發(fā)展不平衡。

我們通過(guò)中美高校專(zhuān)業(yè)設置對比便可以清楚地看到這一深層次問(wèn)題。

1997年，教育部取消了半導體物理專(zhuān)業(yè)。在美國，材料與器件專(zhuān)業(yè)是整個(gè)半導體領(lǐng)域的核心專(zhuān)業(yè)，而我國甚至沒(méi)有設置該專(zhuān)業(yè)。目前，國內只有少量研究組在從事半導體材料與器件相關(guān)研究。

再看高校人才培養數量的比較。

我國微電子專(zhuān)業(yè)的本科生、碩士生、博士生與美國電子工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生數量完全不在一個(gè)量級。值得注意的是，2015年，美國電子工程專(zhuān)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(shuō)它淘汰了大量“低水平”學(xué)生。而在中國，入學(xué)人數本來(lái)就少，淘汰也少。

總體來(lái)看，高校培養半導體學(xué)科人才的中美對比是1：6。美國經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀的發(fā)展，已經(jīng)積累起了上百萬(wàn)的半導體人才，而我們可以說(shuō)是人才凋零，僅有的人才大部分集中在集成電路設計領(lǐng)域，真正能夠從事半導體材料和器件研究的很稀缺。

困境6 科研評價(jià)機制不利于半導體等核心技術(shù)的發(fā)展

半導體基礎研究獨特的地方在于，半導體雖然離應用近，能支撐人類(lèi)社會(huì )和國家安全，但是課題繁多、研究分散，設備依賴(lài)大、研究成本高、進(jìn)入門(mén)檻極高，研發(fā)周期長(cháng)，得坐上十年甚至二十年的冷板凳。這導致在中國很少有人愿意投身這個(gè)領(lǐng)域。

半導體研究的一個(gè)隱蔽性還在于，目前國內工業(yè)界普遍以為，不需要基礎研究也能發(fā)展半導體產(chǎn)業(yè)，這是因為以銅替換鋁、高K絕緣層、絕緣襯底SOI、應變硅技術(shù)、鰭式3D晶體管、環(huán)繞柵極晶體管等延續摩爾定律的重大發(fā)明為代表的大量基礎研究成果，全部匯集在美國公司提供的電子設計自動(dòng)化（EDA）軟件和工藝設計套件（PDK）里。然而，會(huì )設計根本不代表掌握了核心技術(shù)。一旦受到設備、軟件、材料等封鎖，就立刻陷入被動(dòng)。

我們從來(lái)沒(méi)有建立起獨立的半導體專(zhuān)業(yè)體系，如今卻有很多新興學(xué)科聲稱(chēng)與半導體相關(guān)，實(shí)際上無(wú)法支撐半導體基礎研究。

在新興熱門(mén)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，但在傳統半導體領(lǐng)域，一臺800萬(wàn)元的必備研發(fā)設備MBE，一年的運行費用就高達150萬(wàn)元，相應的論文產(chǎn)出也許只是每年一篇《應用物理快報》（IF=3.5）。

如果沒(méi)有國家的引導、激勵，任由科研人員做選擇，結果是顯而易見(jiàn)的。

困境7 研發(fā)投入不足、創(chuàng )新鏈條斷裂

美國長(cháng)期以來(lái)在半導體研發(fā)中投入了巨額資金。1978年，美國政府投入半導體研發(fā)經(jīng)費是10億美元，企業(yè)投入4億美元，現在每年聯(lián)邦政府投入17億美元，而企業(yè)投入則高達400億美元。

美國半導體企業(yè)協(xié)會(huì )（SIA）目前仍在積極游說(shuō)政府加大半導體研發(fā)投入。它建議聯(lián)邦政府對半導體研發(fā)的資助在未來(lái)5年內增加兩倍，達到51億美元，聯(lián)邦政府對半導體相關(guān)研究的資助在未來(lái)5年內增加1倍，達到86億美元。如此便可以增加1610億美元GDP，創(chuàng )造近50萬(wàn)個(gè)新就業(yè)崗位，加強美國半導體行業(yè)全球領(lǐng)導地位。

通過(guò)中美半導體研發(fā)投入的比較，可以發(fā)現中美半導體領(lǐng)域的差距十分顯著(zhù)。2015年，僅美國企業(yè)在半導體領(lǐng)域的研發(fā)投入（554億美元）就超過(guò)了我國中央財政全部的科技研發(fā)支出（2899.2億元，其中基礎研究經(jīng)費670.6億元） 

以中國自然科學(xué)基金委員會(huì )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，半導體總計投入5億元左右，占整個(gè)基金委經(jīng)費投入的2%~3%。

由于國內半導體企業(yè)普遍比較弱小，因此研發(fā)支出也是捉襟見(jiàn)肘。

目前，我國半導體研發(fā)投入不及美國的5%，這一現狀背后還要謹防一個(gè)陷阱。 

美國政府在非國防研發(fā)的投入從上世紀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體研發(fā)投入不在這一比例之內，另一方面，美國已經(jīng)完成了從高校和科研機構到企業(yè)的研發(fā)轉移，前者以前沿基礎探索研究為主。

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)權保護

除了產(chǎn)品山寨，半導體行業(yè)離職創(chuàng )業(yè)進(jìn)行同質(zhì)化競爭的現象普遍存在，以至于誰(shuí)都得不到利潤，更沒(méi)有機會(huì )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(guò)招聘畢業(yè)生的方式“得到”技術(shù)。這種竭澤而漁的做法，無(wú)法反哺基礎研究，實(shí)際上也阻礙了真正的成果轉化。

上世紀，美國半導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(huì )期刊《物理評論B》4個(gè)大類(lèi)中一半是半導體方向，到了2019年則取消了半導體方向，半導體論文大幅削減，因為半導體研究已經(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，以為半導體基礎研究不再重要，那就大錯特錯了。

我們在2019年以前，數理學(xué)部幾十個(gè)研究方向中沒(méi)有“半導體”3個(gè)字，2020年才把半導體基礎物理納入凝聚態(tài)物理學(xué)部的14個(gè)方向之一。

中國要發(fā)展半導體，沒(méi)有捷徑可走。必須把歷史欠賬還上，逆世界科技潮流，發(fā)展半導體基礎研究。這需要各行各業(yè)的理解和支持，特別是學(xué)科設置、人才培養、經(jīng)費投入和評價(jià)機制的改善。

能夠支撐未來(lái)人工智能、量子計算、先進(jìn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )這些頂層應用的，是一個(gè)完整的半導體技術(shù)層級體系。我們只有夯實(shí)基礎，掌握了半導體現有的技術(shù)體系，并在有潛力的環(huán)節奮起攻關(guān)，形成自己的技術(shù)突破，獲得一定的技術(shù)話(huà)語(yǔ)權，才可能在國際競爭中有立足之地。

與此同時(shí)，我們可以投入一定比例為將來(lái)的技術(shù)做儲備。但是，如果我們避重就輕，對準將來(lái)的技術(shù)和應用蜂擁而上，放棄成熟的技術(shù)體系而不顧，這其實(shí)是一種賭博，因為將來(lái)的技術(shù)通常要經(jīng)歷很多失敗。

來(lái)源：《中國科學(xué)報》