比“兩彈一星”更難?一文讀懂中國半導體發展八大困境
2020年07月07日21:31

原標題:比“兩彈一星”更難?一文讀懂中國半導體發展八大困境

經過半個多世紀的發展,半導體已經長成為一個巨人,1美元半導體產品可以撬動100美元GDP。

上個月,美國兩黨參議院先後提出《為半導體生產建立有效激勵措施》《美國晶圓代工業法案》,呼籲投入370億美元以維護本土半導體戰略競爭優勢。

資本和研發投入對保持半導體行業的競爭力至關重要。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這麼簡單。

中科院半導體研究所研究員、半導體超晶格國家重點實驗室副主任駱軍委和中科院院士李樹深曾花了10個月的時間進行調研,摸清了中國半導體科技發展的真實現狀,以詳實的數據和資料闡述了當下國內半導體科技面臨的八大困境。

困境1:歷史積累厚、技術更新快

2015年,作為全球手機芯片霸主的高通宣佈進軍服務器芯片市場,並正式對外展示了其首款服務器芯片,不到3年就遭遇重重挫折而退出;從2010年到2019年,英特爾在移動芯片努力了十年,但始終未能撼動高通的地位,最終先後放棄了移動處理器和手機基帶芯片兩大業務,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,想要在半導體領域拓展新的市場,都是九死一生。半導體並不是有錢就能幹的。

半導體產品的特點是性能為王、市場占有率為王。它一方面需要長期的歷史積累,另一方面還要應對技術的快速更迭。

常有人把半導體研究與兩彈一星作比較,認為中國人能做出兩彈一星這樣的尖端科技,半導體也理應如此。但人們忽視了,兩彈一星技術一旦掌握,自我更新速度較慢。半導體是按照摩爾定律高速發展的,單位芯片晶體管數量每18個月增長一倍。

在半導體領域,落後一年都不行。一步慢,步步慢!

困境2:研發成本大、進入門檻極高

國際半導體大公司的平均研發投入長期保持在營業額的20%。2016年,研發支出大於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年增長為314億美元。

困境3: 產業鏈條長,擁有最尖端的製造水平

在過去半個世紀里,以8個諾貝爾物理學獎12項發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道工序是從沙子到矽晶片。目前,中國12英吋矽晶片基本依賴進口,無法自主生產。

有了矽晶片之後,集成電路產線中的芯片製造又有300多道工序,其中100道與光刻機相關。光刻工藝是半導體製程中的核心工藝,也是尖端製造水平的代表。一套最先進的阿斯麥nxe3350B EUV光刻機售價為1.2億美元,並且是非賣品。

另外,半導體芯片製造涉及19種必須的材料,大多數材料具有極高的技術壁壘。日本在半導體材料領域長期保持著絕對的優勢,矽晶圓、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,有效期僅為三個月,中國企業想囤貨都不行。

中國的化學很強,化工卻很弱。目前,國內芯片製造領域所有的化學材料、化工產品幾乎全部依賴進口。

困境4:受到世界主要發達國家的技術限製

1美元半導體產品可以撬動100美元GDP,任何國家都想牢牢抓住這一產業。根據美國半導體工業協會的預測,增加1美元半導體科研經費,可以使GDP提高16.5美元,這樣的投入很“划算”。

1986年,日本超越美國成為世界第一大半導體生產國,美國為了打壓日本,一方面出台各種政策鼓勵其國內企業研發製造,另一方面在1986年簽訂了《美日半導體協議》,限製日本半導體對美國的出口,同時要求日本必須進口20%的半導體產品,從而在1992年重新奪回世界第一大半導體生產國的地位。

如今,美國面對競爭者同樣是步步緊逼。

2017年,白宮出台《確保美國在半導體行業長期領先地位》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、投資機構、諮詢公司CEO和科研機構頂級專家組成的工作組,提出了一系列建議和措施。

其中就包括:建立新的機製,讓企業的專家參與半導體政策和挑戰;成倍增加政府投入半導體相關領域的研究經費;實施企業稅收政策改革;實施包括通用量子計算機、全球天氣預測網、實時生化恐怖襲擊探測網等一些列“登月”挑戰計劃來促使半導體技術的創新。

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

困境5:人才短缺嚴重、學科發展不平衡

迄今為止,半導體領域的8個諾貝爾物理學獎12項發明絕大部分來自美國。美國半導體研發的特點是自下而上,從半導體物理、材料、結構、器件逐步上升到應用層面,專業設置和人才隊伍非常完整。

中國則恰恰相反,是自上而下。優先關注應用層面,比如集成電路、人工智能,然後才開始局部往下延伸。它帶來的根本問題是,投資和研發經費層層截留,越往底層的基礎研究越拿不到經費,人才蓄水池很小,於是造成了嚴重的學科發展不平衡。

我們通過中美高校專業設置對比便可以清楚地看到這一深層問題。

1997年,教育部取消了半導體物理專業。在美國,材料與器件專業是整個半導體領域的核心專業,而我國甚至沒有設置該專業。目前,國內只有少量研究組在從事半導體材料與器件相關研究。

再看高校人才培養數量的比較。

我國微電子專業的本科生、碩士生、博士生與美國電子工程專業的學生數量完全不在一個量級。值得注意的是,2015年,美國電子工程專業有52940名碩士生入學,拿到碩士學位的只有15763名,也就是說它淘汰了大量“低水平”學生。而在中國,入學人數本就少,淘汰也少。

總體來看,高校培養半導體學科人才的中美對比是1比6。美國經過半個多世紀的發展,已經積累起了上百萬的半導體人才,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計領域,真正能夠從事半導體材料和器件研究的是稀缺品。

困境6:科研評價機製不利於半導體等核心技術的發展

半導體基礎研究尤其獨特的地方在於,半導體雖然離應用近,能支撐人類社會和國家安全,但是課題繁多、研究分散,設備依賴大、研究成本高、進入門檻極高,研發週期長,得坐上十年甚至二十年的冷板凳。以至於在中國很少有人願意投身這個領域。

半導體研究還有一個隱蔽性。目前國內工業界普遍以為,不需要基礎研究也能發展半導體產業,這是因為以銅替換鋁、高K絕緣層、絕緣襯底SOI、應變矽技術、鰭式3D晶體管、環繞柵級晶體管等延續摩爾定律的重大發明為代表的大量基礎研究成果,全部彙集在美國公司提供的EDA軟件和工藝設計套件(PDK)里。然而,會設計根本不代表掌握了核心技術。一旦受到設備、軟件、材料等封鎖,就立刻陷入被動。

我們從來沒有建立起獨立的半導體專業體系,如今卻有很多新興學科聲稱與半導體相關,實際上無法支撐半導體基礎研究。

在新型熱門材料領域,研究論文可以在Science、Nature及其子刊、AM(IF>25)發表,但在傳統半導體領域,一台800萬的必備研發設備MBE,一年的運行費用就高達150萬,相應的論文產出也許只是每年一篇APL(IF=3.5)。

如果沒有國家的引導、激勵,任由科研人員做選擇,結果是顯而易見的。

困境7:研發投入不足、創新鏈條斷裂

美國長期以來在半導體研發中投入了巨額資金。1978年,美國政府投入半導體研發經費是10億美元,企業投入4億美元,現在每年聯邦政府投入17億美元,而企業投入則高達400億美元。

美國半導體企業協會(SIA)目前仍在積極遊說政府加大半導體研發投入。它建議:聯邦政府對半導體研發的資助將在未來五年內增加2倍達到51億美元,聯邦政府對半導體相關研究的資助將在未來五年內增加一倍達到86億美元。如此,便可以增加1610億美元的GDP,創造近50萬個新就業崗位,加強美國半導體行業全球領導地位。

通過中美半導體研發投入的比較,差距十分顯著。2015年,僅美國企業在半導體領域的研發投入(554億美元)就超過了我國中央財政全部的科技研發支出(2899.2億元,其中基礎研究經費670.6億元)。

以中國自然基金委的資助為例,其信息科學部2019年面上項目、青年科學基金項目、重點基金項目、優青基金項目中,半導體科學、光學和光電子學資助佔比在2~4.6%之間,半導體總計投入5億元左右,占整個基金委經費投入的2~3%。

由於國內半導體企業普遍比較弱小,因此研發支出也是捉襟見肘。
令人擔憂的是,一直以來我國大型企業投入研發的意願是非常薄弱的。據歐盟統計,2014年世界2500強企業,研發投入總計5385億歐元,美國佔比是36%,歐盟是30.1%,日本是15.9%,而我國企業只占3.7%。在2014年,中國有100家企業入圍世界500強,研發投入佔比應該達到20%。

目前,我國半導體研發投入不及美國的5%,這一現狀背後還要謹防一個陷進。

美國政府在非國防研發的投入從上世紀60年代占GDP1.8%,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投入不在這一比例之內,另一方面,美國已經完成了從高校和科研機構到企業的研發轉移,前者以前沿基礎探索研究為主。

因此,在我國企業研發還非常薄弱的階段,就不能對照美國政府的科技支出進行分配。

困境8:缺乏知識產權保護

除了產品山寨,半導體行業離職創業進行同質化競爭的現象普遍存在,以至於誰都得不到利潤,更沒有機會向高端技術領域拓展。

有些大企業看重研究所的研發技術,就通過招聘畢業生的方式“得到”技術。這種竭澤而漁的做法,無法反哺基礎研究,實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研究50%以上的課題,美國物理學會期刊PHYSICAL REVIEW B四個大類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十分成熟,該領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,數理學部幾十個研究方向中沒有“半導體”三個字,2020年開始才把半導體基礎物理納入了聚凝態物理學部的14個方向之一。

中國要發展半導體,沒有捷徑可走。必須把歷史的欠賬還上,逆世界科技潮流,發展半導體基礎研究。這需要各行各業的理解和支援,特別是學科設置、人才培養、經費投入和評價機製的改善。

能夠支撐未來人工智能、量子計算、先進無線網絡這些頂層應用的,是一個完整的半導體技術層級體系。我們只有夯實基礎,掌握了半導體現有的技術體系,並在有潛力的環節奮起攻關,形成自己的技術突破,獲得一定的技術話語權,才可能在國際競爭中有立足之地。

於此同時,我們可以投入一定比例為將來的技術做儲備,但如果我們避重就輕,對準將來的技術和應用蜂擁而上,放棄成熟的技術體系而不顧,這其實是一種賭博,因為將來的技術通常要經曆很多失敗。

過去,人們說買房是愛國!

現如今,

宣傳半導體就是愛國!

支援半導體就是愛國!

研究半導體就是愛國!

投資半導體就是愛國!

投身半導體就是愛國!

(原標題:比“兩彈一星”更難?一文讀懂中國半導體發展8大困境)

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽