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比“两弹一星”更难?一文读懂中国半导体发展8大困境

科学网 2020-07-08 15:28:51

  经过半个多世纪的发展,半导体已经长成为一个巨人,1美元半导体产品可以撬动100美元GDP。

  上个月,美国两党参议院先后提出《为半导体生产建立有效激励措施》《美国晶圆代工业法案》,呼吁投入370亿美元以维护本土半导体战略竞争优势。

  资本和研发投入对保持半导体行业的竞争力至关重要。而中国要想爬上这个巨人的肩膀,眼前要迈过的坎不只是钱和研发这么简单。

  中科院半导体研究所研究员、半导体超晶格国家重点实验室副主任骆军委和中科院院士李树深曾花了10个月的时间进行调研,摸清了中国半导体科技发展的真实现状,以详实的数据和资料阐述了当下国内半导体科技面临的八大困境。

  困境1:历史积累厚、技术更新快

  2015年,作为全球手机芯片霸主的高通宣布进军服务器芯片市场,并正式对外展示了其首款服务器芯片,不到3年就遭遇重重挫折而退出;从2010年到2019年,英特尔在移动芯片努力了十年,但始终未能撼动高通的地位,最终先后放弃了移动处理器和手机基带芯片两大业务,告别了移动市场。

  这两个例子告诉我们,即使是财大气粗的高通和英特尔,想要在半导体领域拓展新的市场,都是九死一生。半导体并不是有钱就能干的。

  半导体产品的特点是性能为王、市场占有率为王。它一方面需要长期的历史积累,另一方面还要应对技术的快速更迭。

  常有人把半导体研究与两弹一星作比较,认为中国人能做出两弹一星这样的尖端科技,半导体也理应如此。但人们忽视了,两弹一星技术一旦掌握,自我更新速度较慢。半导体是按照摩尔定律高速发展的,单位芯片晶体管数量每18个月增长一倍。

  在半导体领域,落后一年都不行。一步慢,步步慢!

  困境2:研发成本大、进入门槛极高

  国际半导体大公司的平均研发投入长期保持在营业额的20%。2016年,研发支出大于10亿美元的全球半导体公司有13家,前十名的投入总计353.95亿美元,其中英特尔高达127亿美元,2019年增长为314亿美元。

  困境3: 产业链条长,拥有最尖端的制造水平

  在过去半个世纪里,以8个诺贝尔物理学奖12项发明为代表的研究成果奠定了半导体科技。要支撑半导体技术顶层应用,从材料、结构、器件到电路、架构、算法、软件,缺一不可。

  从沙子到芯片,总共有6000多道工序,前5000道工序是从沙子到硅晶片。目前,中国12英寸硅晶片基本依赖进口,无法自主生产。

  有了硅晶片之后,集成电路产线中的芯片制造又有300多道工序,其中100道与光刻机相关。光刻工艺是半导体制程中的核心工艺,也是尖端制造水平的代表。一套最先进的阿斯麦nxe3350B EUV光刻机售价为1.2亿美元,并且是非卖品。

  另外,半导体芯片制造涉及19种必须的材料,大多数材料具有极高的技术壁垒。日本在半导体材料领域长期保持着绝对的优势,硅晶圆、化合物半导体晶圆、光罩、光刻胶、靶材料等14种重要材料占了全球50%以上的份额。像光刻胶这样的材料,有效期仅为三个月,中国企业想囤货都不行。

  中国的化学很强,化工却很弱。目前,国内芯片制造领域所有的化学材料、化工产品几乎全部依赖进口。

  困境4:受到世界主要发达国家的技术限制

  1美元半导体产品可以撬动100美元GDP,任何国家都想牢牢抓住这一产业。根据美国半导体工业协会的预测,增加1美元半导体科研经费,可以使GDP提高16.5美元,这样的投入很“划算”。

  1986年,日本超越美国成为世界第一大半导体生产国,美国为了打压日本,一方面出台各种政策鼓励其国内企业研发制造,另一方面在1986年签订了《美日半导体协议》,限制日本半导体对美国的出口,同时要求日本必须进口20%的半导体产品,从而在1992年重新夺回世界第一大半导体生产国的地位。

  如今,美国面对竞争者同样是步步紧逼。

  2017年,白宫出台《确保美国在半导体行业长期领先地位》的报告,包括美国总统科技和政策办公室主任以及各大半导体企业、投资机构、咨询公司CEO和科研机构顶级专家组成的工作组,提出了一系列建议和措施。

  其中就包括:建立新的机制,让企业的专家参与半导体政策和挑战;成倍增加政府投入半导体相关领域的研究经费;实施企业税收政策改革;实施包括通用量子计算机、全球天气预测网、实时生化恐怖袭击探测网等一些列“登月”挑战计划来促使半导体技术的创新。

  尤其值得注意的是,报告还提到,要动用国家安全工具应对中国的企业政策;加强全球出口控制和内部投资安全(防止中国产生独有技术)。

  困境5:人才短缺严重、学科发展不平衡

  迄今为止,半导体领域的8个诺贝尔物理学奖12项发明绝大部分来自美国。美国半导体研发的特点是自下而上,从半导体物理、材料、结构、器件逐步上升到应用层面,专业设置和人才队伍非常完整。

  中国则恰恰相反,是自上而下。优先关注应用层面,比如集成电路、人工智能,然后才开始局部往下延伸。它带来的根本问题是,投资和研发经费层层截留,越往底层的基础研究越拿不到经费,人才蓄水池很小,于是造成了严重的学科发展不平衡。

  我们通过中美高校专业设置对比便可以清楚地看到这一深层问题。

  1997年,教育部取消了半导体物理专业。在美国,材料与器件专业是整个半导体领域的核心专业,而我国甚至没有设置该专业。目前,国内只有少量研究组在从事半导体材料与器件相关研究。

  再看高校人才培养数量的比较。

  我国微电子专业的本科生、硕士生、博士生与美国电子工程专业的学生数量完全不在一个量级。值得注意的是,2015年,美国电子工程专业有52940名硕士生入学,拿到硕士学位的只有15763名,也就是说它淘汰了大量“低水平”学生。而在中国,入学人数本就少,淘汰也少。

  总体来看,高校培养半导体学科人才的中美对比是1比6。美国经过半个多世纪的发展,已经积累起了上百万的半导体人才,而我们可以说是人才凋零,仅有的人才大部分集中在集成电路设计领域,真正能够从事半导体材料和器件研究的是稀缺品。

  困境6:科研评价机制不利于半导体等核心技术的发展

  半导体基础研究尤其独特的地方在于,半导体虽然离应用近,能支撑人类社会和国家安全,但是课题繁多、研究分散,设备依赖大、研究成本高、进入门槛极高,研发周期长,得坐上十年甚至二十年的冷板凳。以至于在中国很少有人愿意投身这个领域。

  半导体研究还有一个隐蔽性。目前国内工业界普遍以为,不需要基础研究也能发展半导体产业,这是因为以铜替换铝、高K绝缘层、绝缘衬底SOI、应变硅技术、鳍式3D晶体管、环绕栅级晶体管等延续摩尔定律的重大发明为代表的大量基础研究成果,全部汇集在美国公司提供的EDA软件和工艺设计套件(PDK)里。然而,会设计根本不代表掌握了核心技术。一旦受到设备、软件、材料等封锁,就立刻陷入被动。

  我们从来没有建立起独立的半导体专业体系,如今却有很多新兴学科声称与半导体相关,实际上无法支撑半导体基础研究。

  在新型热门材料领域,研究论文可以在Science、Nature及其子刊、AM(IF>25)发表,但在传统半导体领域,一台800万的必备研发设备MBE,一年的运行费用就高达150万,相应的论文产出也许只是每年一篇APL(IF=3.5)。

  如果没有国家的引导、激励,任由科研人员做选择,结果是显而易见的。

  困境7:研发投入不足、创新链条断裂

  美国长期以来在半导体研发中投入了巨额资金。1978年,美国政府投入半导体研发经费是10亿美元,企业投入4亿美元,现在每年联邦政府投入17亿美元,而企业投入则高达400亿美元。

  美国半导体企业协会(SIA)目前仍在积极游说政府加大半导体研发投入。它建议:联邦政府对半导体研发的资助将在未来五年内增加2倍达到51亿美元,联邦政府对半导体相关研究的资助将在未来五年内增加一倍达到86亿美元。如此,便可以增加1610亿美元的GDP,创造近50万个新就业岗位,加强美国半导体行业全球领导地位。

  通过中美半导体研发投入的比较,差距十分显著。2015年,仅美国企业在半导体领域的研发投入(554亿美元)就超过了我国中央财政全部的科技研发支出(2899.2亿元,其中基础研究经费670.6亿元)。

  以中国自然基金委的资助为例,其信息科学部2019年面上项目、青年科学基金项目、重点基金项目、优青基金项目中,半导体科学、光学和光电子学资助占比在2~4.6%之间,半导体总计投入5亿元左右,占整个基金委经费投入的2~3%。

  由于国内半导体企业普遍比较弱小,因此研发支出也是捉襟见肘。

  令人担忧的是,一直以来我国大型企业投入研发的意愿是非常薄弱的。据欧盟统计,2014年世界2500强企业,研发投入总计5385亿欧元,美国占比是36%,欧盟是30.1%,日本是15.9%,而我国企业只占3.7%。在2014年,中国有100家企业入围世界500强,研发投入占比应该达到20%。

  目前,我国半导体研发投入不及美国的5%,这一现状背后还要谨防一个陷进。

  美国政府在非国防研发的投入从上世纪60年代占GDP1.8%,下降到2008年的0.8%,2012年的0.7%。

  一方面,美国政府的大量半导体研发投入不在这一比例之内,另一方面,美国已经完成了从高校和科研机构到企业的研发转移,前者以前沿基础探索研究为主。

  因此,在我国企业研发还非常薄弱的阶段,就不能对照美国政府的科技支出进行分配。

  困境8:缺乏知识产权保护

  除了产品山寨,半导体行业离职创业进行同质化竞争的现象普遍存在,以至于谁都得不到利润,更没有机会向高端技术领域拓展。

  有些大企业看重研究所的研发技术,就通过招聘毕业生的方式“得到”技术。这种竭泽而渔的做法,无法反哺基础研究,实际上也阻碍了真正的成果转化。

  上世纪,美国半导体物理研究占凝聚态研究50%以上的课题,美国物理学会期刊PHYSICAL REVIEW B四个大类中一半是半导体方向,到了2019年则取消了半导体方向,半导体论文大幅削减,因为半导体研究已经十分成熟,该领域论文很难再获得较高的引用。

  如果中国照样模仿,以为半导体基础研究不再重要,那就大错特错了。

  我们在2019年以前,数理学部几十个研究方向中没有“半导体”三个字,2020年开始才把半导体基础物理纳入了聚凝态物理学部的14个方向之一。

  中国要发展半导体,没有捷径可走。必须把历史的欠账还上,逆世界科技潮流,发展半导体基础研究。这需要各行各业的理解和支持,特别是学科设置、人才培养、经费投入和评价机制的改善。

  能够支撑未来人工智能、量子计算、先进无线网络这些顶层应用的,是一个完整的半导体技术层级体系。我们只有夯实基础,掌握了半导体现有的技术体系,并在有潜力的环节奋起攻关,形成自己的技术突破,获得一定的技术话语权,才可能在国际竞争中有立足之地。

  于此同时,我们可以投入一定比例为将来的技术做储备,但如果我们避重就轻,对准将来的技术和应用蜂拥而上,放弃成熟的技术体系而不顾,这其实是一种赌博,因为将来的技术通常要经历很多失败。

  过去,人们说买房是爱国!

  现如今,

  宣传半导体就是爱国!

  支持半导体就是爱国!

  研究半导体就是爱国!

  投资半导体就是爱国!

  投身半导体就是爱国!

  (《中国科学报》记者胡珉琦根据骆军委在中科院半导体所“半语-益言”系列讲座中的报告《我国发展半导体科技所面临的困境》整理而成)

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