?？蜓裕何覈畔⒓夹g(shù)領(lǐng)域“卡脖子”問題與對策

洪學(xué)海

1.中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京 100190

2.中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心，北京 100080

在信息技術(shù)領(lǐng)域，“卡脖子”問題一般分為兩類，一類是長期沒有實現(xiàn)的技術(shù)突破，技術(shù)與產(chǎn)品做不出來，被“卡脖子”了，這對世界各國都一樣；另一類是本國需要的信息技術(shù)與產(chǎn)品被別國封鎖、禁止輸入，并且這些技術(shù)與產(chǎn)品是靠一國之力，短時間內(nèi)攻克難度大、需求方難以在短時間內(nèi)突破或找到替代方案的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，具有技術(shù)壁壘高、市場壟斷性強、處于價值鏈核心地位的特點[1]，從而造成本國的信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展受制于人。我國信息技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品被以美國為首的國家“卡脖子”屬于第二類情況。

在《科技日報》2018年6月25日報道的中國35 項被“卡脖子”的技術(shù)與產(chǎn)品中，涉及到信息技術(shù)領(lǐng)域被“卡脖子”的達11 項之多，其中集成電路方面的高端光刻膠[2]、極紫外光刻機[3]、EDA[4]、FPGA 芯片[4-5]、DRAM 芯片[4]和射頻前端芯片[6]都在其中。文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國在大尺寸硅片領(lǐng)域仍被國外壟斷[7]，存在“卡脖子”風(fēng)險。因此，我國面臨被“卡脖子”問題最多的領(lǐng)域是信息技術(shù)領(lǐng)域，而最為突出的被“卡脖子”的領(lǐng)域是集成電路。這也是本期我國信息技術(shù)領(lǐng)域“卡脖子”問題與對策?？薪M織幾篇文章討論的主題原因所在。

集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)是引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵力量，在眾多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中具有重要戰(zhàn)略地位。集成電路產(chǎn)業(yè)鏈主要由設(shè)計、制造和封測上下游三大環(huán)節(jié)，以及裝備、材料產(chǎn)業(yè)等核心配套環(huán)節(jié)組成。每個環(huán)節(jié)中都有若干由生產(chǎn)技術(shù)決定的工藝環(huán)節(jié)，工藝環(huán)節(jié)又由一些關(guān)鍵的要素組成，如核心裝備、關(guān)鍵材料等。這些環(huán)節(jié)、要素的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力共同構(gòu)成了一個國家的集成電路產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力的重要基礎(chǔ)。

近20年來，我國集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力在設(shè)計工具、精密加工、特種結(jié)構(gòu)和功能材料制造等方面與國外仍存在顯著差距，造成我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展對國外技術(shù)依存度較高。集成電路產(chǎn)品設(shè)計工具、部分高端集成電路產(chǎn)品、大部分集成電路生產(chǎn)檢測設(shè)備及零部件、集成電路材料及材料生產(chǎn)相關(guān)配套設(shè)備等仍高度依賴進口。特別是近期，中美關(guān)系發(fā)生嬗變，美國把集成電路產(chǎn)業(yè)作為“卡脖子”手段，將華為等企業(yè)列入實體清單，導(dǎo)致臺積電、中芯國際等芯片代工廠無法為華為制造芯片，直接造成華為高端手機業(yè)務(wù)萎縮。美國這種做法直接將我國企業(yè)排除在以美國為核心的全球生態(tài)體系之外。若完全脫離全球集成電路生態(tài)體系，我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展將直接面臨倒退風(fēng)險。因此，急需快速提升我國集成電路產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力，以保障我國集成電路產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展，在全球競爭中“站穩(wěn)腳跟”。

本期我國信息技術(shù)領(lǐng)域“卡脖子”問題與對策?？攸c聚焦在集成電路及相關(guān)領(lǐng)域。從傳統(tǒng)集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，對我國面臨的“卡脖子”問題以及可能的突破途徑進行分析，同時對國際上“變道超車”的集成電路新技術(shù)帶來的機遇以及計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新發(fā)展進行分析。從這兩個維度組織了6 篇文章，旨在針對當(dāng)前我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中面臨的“卡脖子”技術(shù)的解決之道進行梳理。

摩爾定律在未來必將走入盡頭，能夠支撐摩爾定律繼續(xù)發(fā)展的新型集成電路技術(shù)必將從新材料、新設(shè)計、新工藝乃至新系統(tǒng)及新應(yīng)用開始，促進Beyond COMS 技術(shù)發(fā)展，人類終將迎接后摩爾時代。近些年，面對石墨烯等新功能材料的發(fā)現(xiàn)，碳基集成電路技術(shù)的發(fā)展給人類帶來了新希望，給我國信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展擺脫“卡脖子”窘境、實現(xiàn)“換道超車”帶來了重大機遇。由許海濤博士和彭練矛院士撰寫的“碳基集成電路技術(shù)研究進展與展望”一文，針對碳納米管集成電路發(fā)展中需要突破的關(guān)鍵性技術(shù)，分別從芯片用碳納米管材料、碳納米管晶體管技術(shù)和系統(tǒng)集成三個方面，闡述其研究進展，分析其面臨的挑戰(zhàn)和需要解決的問題，并提出碳納米管是構(gòu)建場效應(yīng)晶體管的理想溝道材料，可以實現(xiàn)高速低功耗的彈道輸運，結(jié)合三維單片集成的架構(gòu)優(yōu)化，碳納米管集成電路技術(shù)在性能、功耗、面積、功能集成、成本等方面將展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，滿足未來信息處理對芯片的需求。

近年來隨著摩爾定律逼近物理極限，傳統(tǒng)的器件尺寸微縮變得越來越困難。盡管近年來人們開始嘗試探索以碳基材料為代表的新材料、以量子計算為代表的新原理集成電路技術(shù)，以傳統(tǒng)硅基場效應(yīng)晶體管為基礎(chǔ)的CMOS 電路仍將是集成電路發(fā)展的優(yōu)選方案和主流趨勢。為了持續(xù)提升集成電路性能和集成度，場效應(yīng)晶體管器件技術(shù)出現(xiàn)了重大變革，并伴隨著集成電路制造技術(shù)的不斷革新。由張睿副教授和吳漢明院士等專家撰寫的“集成電路先進制造技術(shù)進展與趨勢”一文，從基于場效應(yīng)晶體管器件性能提升的原理出發(fā)，闡述了通過引入新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝方法，實現(xiàn)器件性能提升和集成度增大的先進制造技術(shù)，其中主要包括以高介電常數(shù)介質(zhì)/金屬柵和FinFET/SOI/Nanosheet MOSFET 結(jié)構(gòu)為代表的器件電學(xué)性能提升技術(shù)、以空氣側(cè)墻和Co 局部接觸金屬材料為代表的寄生效應(yīng)抑制技術(shù)以及以先進光刻和Forksheet/CFET 為代表的器件布局緊湊化技術(shù)。

集成電路的核心專利代表著一個國家的研發(fā)創(chuàng)新能力，針對我國集成電路研發(fā)創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)問題，由余麗博士和隋秀峰研究員等撰寫的“專利分析視角下我國集成電路產(chǎn)業(yè)‘卡脖子’問題研究”一文，基于大量的學(xué)術(shù)論文、行業(yè)研究報告和新聞報道等文獻資料，篩選出7 項“卡脖子”技術(shù)，基于IncoPat專利數(shù)據(jù)庫分析各項技術(shù)的全球?qū)＠季?。針? 項關(guān)鍵技術(shù)逐一闡述當(dāng)今世界最新發(fā)展態(tài)勢，基于市場份額、專利總數(shù)、高價值專利占比、企業(yè)專利占比、專利主題等分析指標(biāo)，從知識產(chǎn)權(quán)的視角對比我國與先進水平的差距，探究引發(fā)我國IC 領(lǐng)域“卡脖子”效應(yīng)的短板與痛點。

由陳磊和趙聰鵬博士等撰寫的“全球集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展實踐與創(chuàng)新發(fā)展趨勢”一文，總結(jié)了美國、日本及韓國等發(fā)達國家政府對集成電路產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新措施，臺積電、英特爾為代表的半導(dǎo)體企業(yè)發(fā)展經(jīng)驗，以及IMEC、中國臺灣工業(yè)技術(shù)研究院和美國電子聯(lián)合體為代表的技術(shù)創(chuàng)新機構(gòu)發(fā)展經(jīng)驗，分析集成電路創(chuàng)新發(fā)展趨勢，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供借鑒與參考。指出美國、歐洲、日本、韓國、中國臺灣等國家和地區(qū)的集成電路產(chǎn)業(yè)的雄起均得益于對集成電路產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)的組織或工程模式的建立。

由范志華博士和范東睿研究員等專家撰寫的“數(shù)據(jù)流計算研究進展與概述”一文，是針對傳統(tǒng)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)正受到“存儲墻”等的限制，分別從數(shù)據(jù)流軟件棧和數(shù)據(jù)流計算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)流計算芯片研究進展三個方面介紹了數(shù)據(jù)流計算的重要工作和關(guān)鍵技術(shù)，對數(shù)據(jù)流計算的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)進行了分析與總結(jié)。文章指出，數(shù)據(jù)流計算模型是馮·諾依曼模型的一種替代方案。數(shù)據(jù)流計算突出了數(shù)據(jù)的主導(dǎo)作用，這是其對傳統(tǒng)計算機架構(gòu)的重大突破。其中眾核數(shù)據(jù)流處理器芯片的研究是近些年最為突出的研究突破。

由電子科技大學(xué)曹浩一和張雅鑫教授等專家撰寫的“太赫茲通信芯片關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展淺析”一文，針對現(xiàn)有無線通信頻段資源日趨緊張、通信容量與業(yè)務(wù)需求矛盾不斷的加劇，迫切需要發(fā)展以太赫茲為代表的基于全新頻譜的高速通信技術(shù)的現(xiàn)狀，提出太赫茲通信技術(shù)的關(guān)鍵在于太赫茲芯片。文章從太赫茲關(guān)鍵芯片和器件出發(fā)，從分立式器件到InP、GaN、硅基芯片的現(xiàn)有成果和未來發(fā)展趨勢等進行綜述，同時基于太赫茲芯片技術(shù)，分析未來太赫茲通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢和應(yīng)用場景，并暢想太赫茲芯片的發(fā)展趨勢和基于太赫茲芯片技術(shù)的通信系統(tǒng)發(fā)展方向。

上述系列文章各自從不同的角度闡釋了破解我國集成電路“卡脖子”問題的技術(shù)和方法解決之道。總體來看，在集成電路與芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，我國在集成電路與芯片設(shè)計、封裝測試、部分材料領(lǐng)域環(huán)節(jié)與國際先進水平的差距在縮小，但在體系架構(gòu)、設(shè)計軟件以及制造工藝、設(shè)備方面還有不小的差距。集成電路是技術(shù)高度密集和資本高度密集型產(chǎn)業(yè)，需要長期積累。歷史經(jīng)驗表明，想要在集成電路產(chǎn)業(yè)道路上保住優(yōu)勢或加速追趕，需要長期持續(xù)不斷進行巨大的資源和人力投入，還需要從我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路徑、組織模式、機制體制等建設(shè)方面進行創(chuàng)新，進一步提升我國集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展和創(chuàng)新的能力。