中科院：半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究匱乏，我們進(jìn)入"黑暗森林"

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2023-02-22 06:44:20 974

本文刊載于《中國科學(xué)院院刊》2023年第2期“科學(xué)觀察”

李樹深*

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格*重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在“逆全球化”下產(chǎn)業(yè)鏈“脫鉤”愈演愈烈，當(dāng)前我國的科技基礎(chǔ)能力難以支撐實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的*戰(zhàn)略。為此，在黨的二十大報告中提出了加強(qiáng)科技基礎(chǔ)能力建設(shè)。中科院院長、黨組書記侯建國在《人民日報》撰文指出，科技基礎(chǔ)既包括各類科技創(chuàng)新組織、科研設(shè)施平臺、科學(xué)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)期刊等“硬條件”，也包括科技政策與制度法規(guī)、創(chuàng)新文化等“軟環(huán)境”。中科院在2022年制定了“基礎(chǔ)研究十條”，明確中科院基礎(chǔ)研究的戰(zhàn)略定位、重點(diǎn)布局和發(fā)展目標(biāo)，從選題機(jī)制、組織模式、條件支撐、人才隊(duì)伍、評價制度、國際合作等方面提出一系列有針對性、可操作的政策措施，強(qiáng)調(diào)學(xué)風(fēng)、作風(fēng)和學(xué)術(shù)生態(tài)建設(shè)。

中美科技戰(zhàn)暴露了我國關(guān)鍵核心技術(shù)被“卡脖子”難題。2018年美國制裁中興事件以來，*都在討論半導(dǎo)體“卡脖子”問題，從黨和*領(lǐng)導(dǎo)人到普通百姓一致認(rèn)為必須大力發(fā)展半導(dǎo)體科技。特別是，*總書記在2020年科學(xué)家座談會上指出：“我國面臨的很多‘卡脖子’技術(shù)問題，根子是基礎(chǔ)理論研究跟不上，源頭和底層的東西沒有搞清楚?！彪m然半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究在過去幾年受到了很大重視，但包括學(xué)科設(shè)置、協(xié)同創(chuàng)新、基礎(chǔ)設(shè)施、研發(fā)投入、評價機(jī)制、研究生名額等半導(dǎo)體基礎(chǔ)能力并沒有得到根本性改善，難以支撐半導(dǎo)體科技高水平自立自強(qiáng)。

加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)能力建設(shè)具有重大戰(zhàn)略意義

半導(dǎo)體是當(dāng)前中美科技戰(zhàn)的“主戰(zhàn)場”。全球年產(chǎn)值6000億美元的半導(dǎo)體產(chǎn)品涵蓋了上千款芯片和近10萬種分立器件，支撐了下游年產(chǎn)值幾萬億美元的各類電子產(chǎn)品，以及年產(chǎn)值幾十萬億美元的數(shù)字經(jīng)濟(jì)。據(jù)統(tǒng)計，1美元半導(dǎo)體產(chǎn)品拉動了全球100美元的GDP。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈長且廣：上游包括EDA軟件/IP模塊、半導(dǎo)體設(shè)備和材料，中游是芯片設(shè)計、制造、封裝和測試，下游是各類電子產(chǎn)品，涉及大量材料、設(shè)備和配件、軟件和IP模塊。王陽元院士指出，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游的任何一種材料、一種設(shè)備甚至一個配件都可能成為制約競爭者的手段。即使半導(dǎo)體的發(fā)源地美國也不可能獨(dú)立解決整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈。為此，美國急于拉攏日本、韓國和中國臺灣地區(qū)組建半導(dǎo)體四方聯(lián)盟（Chip4），提升其半導(dǎo)體供應(yīng)鏈安全，同時遏制我國發(fā)展高端芯片產(chǎn)業(yè)。2022年8月11日美國宣布對我國禁運(yùn)下一代GAA晶體管的EDA軟件，意圖把我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“鎖死”在FinFET晶體管技術(shù)。全球半導(dǎo)體物理和微電子領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成果都被整合在EDA工具的工藝設(shè)計套件（PDK）中。我國各芯片企業(yè)通過購買EDA公司的PDK包共享全球半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究成果，導(dǎo)致我國決策者、政府人員甚至產(chǎn)業(yè)界都認(rèn)為，沒有半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究也可以發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。如今，美國已經(jīng)擰熄了“燈塔”，我們進(jìn)入“黑暗森林”。

半導(dǎo)體物理是一切半導(dǎo)體技術(shù)的源頭。*次量子革命誕生了激光器和晶體管等器件，產(chǎn)生了包括集成電路、光電子器件、傳感器、分立器件在內(nèi)的半導(dǎo)體信息技術(shù)，半導(dǎo)體領(lǐng)域的11項(xiàng)成果獲得了9個諾貝爾物理學(xué)獎。當(dāng)前晶體管已接近物理極限，“摩爾定律”即將失效，急需發(fā)展突破CMOS器件性能瓶頸的新材料、新結(jié)構(gòu)、新理論、新器件和新電路，面臨眾多“沒有已知解決方案”的基本物理問題挑戰(zhàn)。

在中美科技戰(zhàn)和產(chǎn)業(yè)鏈“脫鉤”的背景下，即使設(shè)計或制造出先進(jìn)芯片也難以打入國際供應(yīng)鏈。通過大量投資進(jìn)行國產(chǎn)化替代，只能實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)或拉近與美國的差距，仍然無法改變“我中有你、你中無我”的“卡脖子”困境。*總書記已經(jīng)多次指出加強(qiáng)基礎(chǔ)研究解決“卡脖子”難題的戰(zhàn)略方針。當(dāng)前，絕大部分高端芯片都使用了相同的FinFET晶體管制造技術(shù)；在上萬件FinFET晶體管專利中，相當(dāng)大一部分核心專利來自半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)研究成果，而且這些成果不依賴EUV光刻機(jī)等最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造設(shè)備。通過大力加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究，圍繞下一代晶體管的材料、器件、工藝等在歐洲和美國布局大量專利，就可以在芯片制造這個全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的“咽喉”部位設(shè)置“關(guān)卡”，形成反制手段，有望解決半導(dǎo)體關(guān)鍵核心技術(shù)“卡脖子”難題。

美國正在加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究能力

加大半導(dǎo)體人才的培養(yǎng)和引進(jìn)

在“美國的未來取決于半導(dǎo)體”的口號下，美國在2022年通過了投資2800億美元的《芯片與科學(xué)法案》，其中僅390億用于補(bǔ)貼芯片制造，其余則主要用于研究與創(chuàng)新。包括：110億用于建立*半導(dǎo)體技術(shù)中心，美國科學(xué)基金會（810億）、能源部（679億）等研究資助機(jī)構(gòu)未來5年共新增1699億美元經(jīng)費(fèi)。

20世紀(jì)60—90年代半導(dǎo)體大發(fā)展時期，*各知名大學(xué)都擁有規(guī)模龐大的半導(dǎo)體領(lǐng)域教授隊(duì)伍；進(jìn)入21世紀(jì)這批教授逐漸退休，而新聘教授主要從事新興方向，半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究逐漸衰落，相關(guān)研究轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體企業(yè)研究機(jī)構(gòu)。該法案將使美國高校重新招聘大量半導(dǎo)體領(lǐng)域的教授，吸引更大量的研究生和博士后前往美國從事半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究，將為半導(dǎo)體技術(shù)的源頭創(chuàng)新注入強(qiáng)大活力。

*實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向“后摩爾時代”半導(dǎo)體創(chuàng)新

報告顯示美國能源部從該法案獲得的679億美元將主要用于“后摩爾時代”半導(dǎo)體技術(shù)攻關(guān)。早在2016年，美國能源部8個*實(shí)驗(yàn)室就在桑迪亞*實(shí)驗(yàn)室舉行了“后摩爾時代”半導(dǎo)體技術(shù)的研討會，評估*實(shí)驗(yàn)室大科學(xué)設(shè)施對微電子研究的支撐能力，提出從材料、器件一直到系統(tǒng)架構(gòu)和軟件的“后摩爾時代”新計算范式的顛覆性創(chuàng)新。勞倫斯伯克利*實(shí)驗(yàn)室更是在2018年進(jìn)行重組，“超越摩爾”是4個研究方向中的一個，提出了從半導(dǎo)體材料物理、結(jié)點(diǎn)物理、器件物理、電路到系統(tǒng)的深度協(xié)同設(shè)計創(chuàng)新框架。

我國半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究能力建設(shè)所面臨的困境

1978年召開的全國科學(xué)大會號召向科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化進(jìn)軍，我國科技工作經(jīng)過“文化大革命”十年內(nèi)亂后終于迎來了“科學(xué)的春天”。然而，當(dāng)時我國與西方發(fā)達(dá)*在技術(shù)設(shè)備上已經(jīng)形成代差，我國企業(yè)無法為基礎(chǔ)研究“出題”；基礎(chǔ)研究在追趕*科技前沿過程中只能脫離國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求。加入WTO后，“科學(xué)無國界”和“全球化”理念深入人心；從“211工程”“985工程”到如今的“雙*”建設(shè)不斷強(qiáng)化論文為綱、以刊評文的評價機(jī)制，忽視了學(xué)科方向和研究領(lǐng)域的差異，科研資源向易發(fā)表高端論文的新興熱點(diǎn)方向加速集聚，越是靠近產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)研究越?jīng)]人做。

半導(dǎo)體物理人才嚴(yán)重短缺

我國*次向半導(dǎo)體進(jìn)軍始于1956年，我國固體物理學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)奠基人黃昆建議和組織實(shí)施了“五校聯(lián)合半導(dǎo)體物理專門化”，北大、復(fù)旦、吉大、廈大和南大5所大學(xué)的物理系大四學(xué)生和相關(guān)老師集中在北大培訓(xùn)；兩年間共培養(yǎng)了300多名我國*代半導(dǎo)體專門人才。然而，由于教育部在1997年取消半導(dǎo)體物理與器件專業(yè)，67年后的今天，我國半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究人才凋零，從事半導(dǎo)體理論研究的人員屈指可數(shù)。沒有龐大的半導(dǎo)體物理研究隊(duì)伍，就難以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體技術(shù)源頭和底層的自主創(chuàng)新，在美國的封鎖下我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將成空中樓閣。

半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究投入嚴(yán)重不足

長期以來，美國每年的半導(dǎo)體研發(fā)投入超過全球其他*總和的2倍。2018年，美國聯(lián)邦政府投入半導(dǎo)體的研發(fā)經(jīng)費(fèi)是60億美元，而半導(dǎo)體企業(yè)投入則高達(dá)400億美元，這接近我國中央財政3738億元人民幣的科技研發(fā)總支出。以我國基金委2019年的資助為例，資助半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的半導(dǎo)體科學(xué)與信息器件（3.84億）、光學(xué)和光電子學(xué)（5.51億）2個處的經(jīng)費(fèi)僅占330億元人民幣總經(jīng)費(fèi)的2.8%；包括科技部的01、02、03重大專項(xiàng)和半導(dǎo)體領(lǐng)域的重點(diǎn)專項(xiàng)，我國的半導(dǎo)體研發(fā)投入長期不足美國的5%。

美國除擁有數(shù)量眾多的**大學(xué)外，還有數(shù)量不少的*實(shí)驗(yàn)室作為其基礎(chǔ)研究的“壓艙石”；此外，美國各大半導(dǎo)體巨頭擁有龐大的基礎(chǔ)研究部門，如貝爾實(shí)驗(yàn)室和IBM實(shí)驗(yàn)室等。而我國半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的基地數(shù)量稀少，半導(dǎo)體超晶格*重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是*以半導(dǎo)體基礎(chǔ)物理為研究領(lǐng)域的*重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；在已成立的*實(shí)驗(yàn)室中，從事半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的人員也非常少；至今沒有建設(shè)服務(wù)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的大科學(xué)裝置；半導(dǎo)體企業(yè)還停留在國產(chǎn)化替代階段，沒有能力兼顧基礎(chǔ)研究。

評價機(jī)制不利于半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究

十八大以來，黨和*領(lǐng)導(dǎo)人非常重視基礎(chǔ)研究，*出臺了加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和破“四唯”的一系列文件。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，2014年*啟動示范性微電子學(xué)院建設(shè)，至今共28所高校設(shè)立了微電子學(xué)院；2020年設(shè)立集成電路科學(xué)與工程一級學(xué)科。但是，由于產(chǎn)業(yè)與科研的脫節(jié)，以論文為綱的慣性在短期內(nèi)難以扭轉(zhuǎn)。2022年公布的第二輪“雙*”建設(shè)名單中，全國有30所以上高校的材料專業(yè)入選“雙*”建設(shè)，化學(xué)22所，物理學(xué)8所，集成電路科學(xué)1所；與此同時，半導(dǎo)體卻連學(xué)科也沒有。傳統(tǒng)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)研究不但投入大、門檻高、周期長而且難以發(fā)表高端論文，在當(dāng)前論文為綱的評價機(jī)制下，難以入選各類人才項(xiàng)目且投入產(chǎn)出比低，無法成為各高校的重點(diǎn)發(fā)展對象，這導(dǎo)致各示范性微電子學(xué)院集中在新興熱點(diǎn)材料方向開展“換道超車”研究。

缺乏協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制

日本在1976年通過“VLSI研究聯(lián)盟”組織集成電路攻關(guān)，幫助日本在1986年半導(dǎo)體市場份額超過美國。美國在1987年成立的SEMATECH（半導(dǎo)體制造技術(shù)聯(lián)盟），幫助美國重新奪回半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位。如今，比利時IMEC成為*級的半導(dǎo)體創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，與美國的Intel公司和IBM公司并稱為全球微電子領(lǐng)域“3I”。美國大學(xué)的大量教授正在承擔(dān)Intel、三星和臺積電等公司委托的基礎(chǔ)研究課題，甚至包括半導(dǎo)體理論的研究課題。而我國至今沒有成立類似的機(jī)構(gòu)來組織半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的協(xié)同創(chuàng)新；國內(nèi)的半導(dǎo)體企業(yè)落后國際先進(jìn)水平兩代以上，主要在別人提供的PDK基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝優(yōu)化提高良品率，無暇圍繞下一代晶體管開展前沿基礎(chǔ)研究，難以為大學(xué)和科研院所等*戰(zhàn)略科技力量“出題”；而大學(xué)和科研院所的研究人員只能從文獻(xiàn)和會議中了解半導(dǎo)體前沿技術(shù)的科學(xué)問題，難以找到真問題和真解決問題。

加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究能力建設(shè)的建議

建立健全跨部門協(xié)調(diào)機(jī)制

建議將*集成電路領(lǐng)導(dǎo)小組改名為*半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)小組，涵蓋半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究。跨部門協(xié)調(diào)人、財、物、政策等科技資源，強(qiáng)化攻關(guān)決策和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，負(fù)責(zé)制定*半導(dǎo)體發(fā)展戰(zhàn)略。下設(shè)辦公室，負(fù)責(zé)聘用產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的科學(xué)家脫產(chǎn)擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理人，遴選關(guān)鍵核心技術(shù)和領(lǐng)軍人才、攻關(guān)計劃監(jiān)督與落實(shí)、攻關(guān)目標(biāo)考核、制定支持政策等事項(xiàng)。建議以半導(dǎo)體產(chǎn)值的10%為標(biāo)準(zhǔn)匹配半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)，中科院或工程院設(shè)立半導(dǎo)體學(xué)部，工信部、科技部、基金委專設(shè)半導(dǎo)體部門，以“千金買骨”的手段吸引最優(yōu)秀人才壯大半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究隊(duì)伍。

恢復(fù)半導(dǎo)體物理專業(yè)

出臺強(qiáng)力措施彌補(bǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的歷史欠帳。必須盡快恢復(fù)半導(dǎo)體物理專業(yè)，同時學(xué)習(xí)*次向半導(dǎo)體進(jìn)軍以舉辦“五校聯(lián)合半導(dǎo)體物理專門化”為起點(diǎn)的戰(zhàn)略，緊急集合全國各“雙*”高校的物理專業(yè)一半的大三、大四學(xué)生，集中培訓(xùn)半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論課程，選拔一批進(jìn)入博士研究生課程繼續(xù)深造。通過培養(yǎng)、引進(jìn)、穩(wěn)固一大批長期從事半導(dǎo)體物理研究的人才，努力在半導(dǎo)體技術(shù)的源頭和底層開辟新方向、提出新理論、發(fā)展新方法、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象。

建設(shè)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究網(wǎng)絡(luò)

鼓勵各研究型高校成立半導(dǎo)體學(xué)院；建議*基金委為半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究增設(shè)*杰出青年科學(xué)基金和創(chuàng)新研究群體等人才類項(xiàng)目的特殊名額，在全國設(shè)立10個左右的半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)科學(xué)研究中心，資助20個創(chuàng)新群體和100個研究組，以人才團(tuán)隊(duì)效應(yīng)帶動基礎(chǔ)研究向半導(dǎo)體領(lǐng)域回流。

建立區(qū)域聯(lián)合創(chuàng)新平臺

美國即將成立*半導(dǎo)體技術(shù)中心；韓國將設(shè)立*半導(dǎo)體研究院；中國臺灣地區(qū)成立了半導(dǎo)體研究中心等。我國必須盡快加強(qiáng)半導(dǎo)體領(lǐng)域*實(shí)驗(yàn)室體系的建設(shè)。結(jié)合地區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，全國建立10個左右大型區(qū)域聯(lián)合創(chuàng)新平臺，聯(lián)合攻關(guān)共性技術(shù)。為高校、科研院所、產(chǎn)業(yè)界提供信息共享和學(xué)術(shù)交流機(jī)制，建立廣泛的合作聯(lián)盟，促進(jìn)創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的共融和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)展。

深化科技體制改革，用好“指揮棒”

大力扭轉(zhuǎn)實(shí)用主義主導(dǎo)科研的弊端，拆除“小農(nóng)經(jīng)濟(jì)”思想下的圍墻，出臺措施保障顯示度低的“死亡谷”創(chuàng)新環(huán)節(jié)，建立由原始創(chuàng)新驅(qū)動的自下而上創(chuàng)新體系，提升基礎(chǔ)研究支撐*發(fā)展與安全。建議：

1. 以資金為手段一體化配置學(xué)科、人才、評估、平臺、政策等科研資源，斬斷扭曲需求的權(quán)利之手。

2. 大力弘揚(yáng)追求獨(dú)創(chuàng)的科學(xué)家精神，抵制低水平重復(fù)的跟班式研究。

3. 構(gòu)建資助對象各有側(cè)重的多元化基礎(chǔ)研究投入機(jī)制，充分發(fā)揮*實(shí)驗(yàn)室、科研院所、研究型高校等*戰(zhàn)略科技力量的特色與優(yōu)勢。

4. 基礎(chǔ)研究資助體系設(shè)立退出機(jī)制。新興研究方向連續(xù)資助10年后進(jìn)行評估，取消沒有產(chǎn)生重大應(yīng)用的資助方向，迫使基礎(chǔ)研究人員轉(zhuǎn)向新方向，提升原始創(chuàng)新能力。

5. 在制度上保障博士畢業(yè)后更愿意從事博士后研究，加強(qiáng)其獨(dú)立研究和學(xué)科交叉能力，把博士后提升為基礎(chǔ)研究的主力軍。

6. 使用學(xué)科評估和人才評價等手段，引導(dǎo)研究型高校加強(qiáng)學(xué)科多樣性。遏制在同一方向重復(fù)設(shè)置研究團(tuán)隊(duì)，破除扎堆在少量熱門領(lǐng)域的不利局面，形成“千帆競發(fā)，百舸爭渡”的原始創(chuàng)新策源地。

7. 完善知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度，激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新動力。

加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)能力建設(shè)，穩(wěn)定一批半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究隊(duì)伍，在半導(dǎo)體技術(shù)的源頭和底層進(jìn)行理論創(chuàng)新，在無法繞開的芯片底層提前布局專利設(shè)置“關(guān)卡”，是解決半導(dǎo)體關(guān)鍵核心技術(shù)“卡脖子”難題的一種有效策略。

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