加強半導體基礎能力建設點亮半導體自立自強發(fā)展的“燈塔”

駱軍委 李樹深

中國科學院半導體研究所 半導體超晶格國家重點實驗室 北京 100083

在“逆全球化”下產(chǎn)業(yè)鏈“脫鉤”愈演愈烈的背景下，當前我國的科技基礎能力難以支撐實現(xiàn)高水平科技自立自強的國家戰(zhàn)略需求。為此，在黨的二十大報告中提出了加強科技基礎能力建設。中國科學院院長、黨組書記侯建國在《人民日報》撰文指出，科技基礎既包括各類科技創(chuàng)新組織、科研設施平臺、科學數(shù)據(jù)和文獻期刊等“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”。中國科學院在 2022年制定了“基礎研究十條”，明確中國科學院基礎研究的戰(zhàn)略定位、重點布局和發(fā)展目標，從選題機制、組織模式、條件支撐、人才隊伍、評價制度、國際合作等方面提出了一系列有針對性、可操作的政策措施，強調(diào)了學風、作風和學術生態(tài)建設。

中美科技戰(zhàn)暴露了我國半導體關鍵核心技術被“卡脖子”的難題。2018年美國制裁中興事件以來，全民都在討論半導體“卡脖子”問題，從黨和國家領導人到普通百姓一致認為必須大力發(fā)展半導體科技。特別是，習近平總書記在 2020年科學家座談會上指出：“我國面臨的很多‘卡脖子’技術問題，根子是基礎理論研究跟不上，源頭和底層的東西沒有搞清楚?！彪m然半導體基礎研究在過去幾年受到了很大重視，但是包括學科設置、協(xié)同創(chuàng)新、基礎設施、研發(fā)投入、評價機制、研究生名額等半導體基礎能力并沒有得到根本性改善，難以支撐半導體科技高水平自立自強。

1 加強半導體基礎能力建設具有重大戰(zhàn)略意義

半導體是當前中美科技戰(zhàn)的“主戰(zhàn)場”。半導體產(chǎn)品涵蓋了上千款芯片和近 10 萬種分立器件，全球年產(chǎn)值在 6 000 億美元左右，并且支撐了下游年產(chǎn)值幾萬億美元的各類電子產(chǎn)品和系統(tǒng)，以及年產(chǎn)值幾十萬億美元的軟件、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等數(shù)字經(jīng)濟。據(jù)統(tǒng)計，1 美元半導體產(chǎn)品拉動了全球 100 美元的國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）。半導體技術被認為是國民經(jīng)濟社會發(fā)展的“卡脖子”關鍵核心技術。

半導體產(chǎn)業(yè)鏈長且范圍廣：上游包括 EDA（電子設計自動化）軟件/IP（知識產(chǎn)權）模塊、半導體設備和材料；中游是芯片設計、制造、封裝和測試；下游是各類電子產(chǎn)品，涉及大量材料、化學試劑、特種氣體、設備和配件、軟件和 IP 模塊。中國科學院院士王陽元指出，半導體產(chǎn)業(yè)鏈上游的任何一種材料、一種設備甚至一個配件都可能成為制約競爭者的手段。例如，2019年日本限制向韓國出口“氟聚酰亞胺”“光刻膠”和“高純度氟化氫”3 種半導體工藝材料，卡住了韓國半導體行業(yè)的“脖子”；最終，在美國的協(xié)調(diào)下該問題才得以解決。即使半導體的發(fā)源地美國也不可能獨立解決整個半導體產(chǎn)業(yè)鏈。為此，美國急于拉攏日本、韓國和中國臺灣地區(qū)組建半導體四方聯(lián)盟（Chip4），提升其半導體供應鏈安全，同時遏制我國發(fā)展高端芯片產(chǎn)業(yè)，企圖將我國排擠出全球半導體供應鏈，以實現(xiàn)美國的半導體霸權。

2022年 8月11日美國宣布對我國禁運下一代 GAA（全環(huán)柵）晶體管的 EDA 軟件，意圖阻止我國參與包括芯片設計在內(nèi)的下一代半導體技術全產(chǎn)業(yè)鏈的競爭，把我國的半導體產(chǎn)業(yè)“鎖死”在當前的 FinFET（鰭式場效應晶體管）技術。全球半導體物理和微電子領域的基礎研究成果都被整合在 EDA 工具的工藝設計套件（PDK）中。目前，我國各芯片企業(yè)可以通過購買三大 EDA 公司的 PDK 包共享全球半導體基礎研究的成果，這導致我國決策者、政府人員甚至產(chǎn)業(yè)界都認為，沒有半導體基礎研究也可以發(fā)展半導體產(chǎn)業(yè)。如今，美國已經(jīng)擰熄了“燈塔”，我們進入“黑暗森林”。

半導體物理是一切半導體技術的源頭。第一次量子革命揭示了量子力學的基本原理，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)的半導體信息技術，半導體領域的 11 項成果獲得了 9 個諾貝爾物理學獎。當前，2 納米半導體工藝節(jié)點即將實現(xiàn)量產(chǎn)，CMOS（互補金屬氧化物半導體）晶體管已接近物理極限，“摩爾定律”即將失效。進入“后摩爾時代”的半導體技術已經(jīng)從原先單純追求器件尺寸微縮提升集成密度，擴展到同時追求功能性集成；技術路線按照“延續(xù)摩爾”（More Moore）、“擴展摩爾”（More Than Moore）和“超越摩爾”（Beyond Moore）3 個不同維度繼續(xù)演進，急需發(fā)展突破 CMOS 器件性能瓶頸的新材料、新結構、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)。

目前，我國的半導體制造落后國際先進水平兩代以上。在中美科技戰(zhàn)和產(chǎn)業(yè)鏈“脫鉤”的背景下，我國即使設計或制造出先進芯片也難以打入國際供應鏈。通過大量投資進行國產(chǎn)化替代，只能實現(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。習近平總書記已經(jīng)多次指出加強基礎研究解決“卡脖子”難題的戰(zhàn)略方針。當前，絕大部分高端芯片都使用了相同的 FinFET 晶體管制造技術；FinFET 晶體管至今共有上萬件專利，包括發(fā)明 FinFET 晶體管在內(nèi)的部分核心專利來自半導體物理基礎研究成果，而且這些成果不依賴 EUV（極紫外輻射）光刻機等最先進的半導體制造設備。通過大力加強半導體基礎研究，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體產(chǎn)業(yè)鏈的“咽喉”部位設置“關卡”，形成反制手段，有望解決半導體關鍵核心技術“卡脖子”難題。

2 美國正在加強半導體基礎研究能力

2.1 加大半導體人才的培養(yǎng)和引進

在“美國的未來取決于半導體”的口號下，美國在 2022年通過了投資 2 800 億美元的《芯片與科學法案》，其中僅有 390 億美元用于補貼芯片制造，其余則主要用于研究與創(chuàng)新，包括：110 億美元用于建立美國國家半導體技術中心，美國國家科學基金會（810 億美元）、商務部（110 億美元）、國家標準和技術研究院（100 億）、能源部（679 億美元）等機構未來 5年共新增 1 699 億美元經(jīng)費?！缎酒c科學法案》計劃向美國小學、初中、高中、本科和研究生普及微電子學及相關領域的知識，立項給予美國下一代以工作為基礎的學習項目。

十年樹木，百年樹人，半導體從娃娃抓起。20世紀60—90年代是半導體大發(fā)展的時期，世界各知名大學都擁有規(guī)模龐大的半導體領域教授隊伍；進入 21世紀這批教授逐漸退休，而新聘教授主要從事新興方向，半導體基礎研究逐漸衰落，相關研究轉(zhuǎn)移到半導體企業(yè)研究機構。2 800 億美元的《芯片與科學法案》將極大改變這一現(xiàn)狀，美國高校勢必將重新招聘大量半導體領域的教授，吸引更大量的研究生和博士后前往美國從事半導體基礎研究，將為“后摩爾時代”半導體技術的源頭創(chuàng)新注入強大活力。

2.2 國家實驗室轉(zhuǎn)向“后摩爾時代”半導體創(chuàng)新

報告顯示美國能源部從《芯片與科學法案》獲得的 679 億美元將主要用于“后摩爾時代”半導體技術攻關。早在 2016年，美國能源部 8 個國家實驗室就在桑迪亞國家實驗室舉行了“后摩爾時代”半導體技術的研討會，評估美國國家實驗室大科學設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。勞倫斯伯克利國家實驗室更是在 2018年進行重組，“超越摩爾”是 4 個研究方向中的一個，提出了從半導體材料物理、結點物理、器件物理、電路到系統(tǒng)的深度協(xié)同設計創(chuàng)新框架。

美國通過《芯片與科學法案》投資 110 億美元成立國家半導體技術中心，跨部門、跨行業(yè)整合美國半導體行業(yè)力量，推動半導體創(chuàng)新鏈中材料、結構、器件、電路、架構、算法、軟件、應用、木馬安全、測試和封裝等所有環(huán)節(jié)的集體全棧創(chuàng)新，幫助美國大學和國家實驗室更多的突破性半導體技術跨越“死亡谷”，實現(xiàn)美國創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為美國增長。

3 我國半導體基礎研究能力建設所面臨的困境

1978年召開的全國科學大會號召向科學技術現(xiàn)代化進軍，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“科學的春天”。然而，當時我國與西方發(fā)達國家在技術設備上已經(jīng)形成代差，我國企業(yè)無法為基礎研究“出題”；基礎研究在追趕世界科技前沿的過程中只能脫離國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際需求。加入世界貿(mào)易組織（WTO）后，“科學無國界”和“全球化”理念深入人心；從“211 工程”“985 工程”到如今的“雙一流”建設不斷強化論文為綱、以刊評文的評價機制，忽視了學科方向和研究領域的差異，科研資源向易發(fā)表高端論文的新興熱點方向加速集聚，越是靠近產(chǎn)業(yè)應用的基礎研究越?jīng)]人做。

3.1 半導體物理人才嚴重短缺

我國第一次向半導體進軍始于 1956年，我國固體物理學和半導體物理學奠基人黃昆建議和組織實施了“五校聯(lián)合半導體物理專門化”，北京大學、復旦大學、東北人民大學（現(xiàn)“吉林大學”）、廈門大學和南京大學 5 所大學的物理系大四學生和相關老師集中在北京大學進修培訓；兩年間共培養(yǎng)了 300 多名我國第一代半導體專門人才。然而，由于教育部在 1997年取消半導體物理與器件專業(yè)后至今沒有恢復，67年后的今天，我國半導體基礎研究人才凋零，從事半導體理論研究的人員屈指可數(shù)。沒有龐大的半導體物理研究隊伍，就難以實現(xiàn)半導體技術源頭和底層的自主創(chuàng)新，在美國的封鎖下我國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將成空中樓閣。

3.2 半導體基礎研究投入嚴重不足

美國長期以來在半導體領域投入巨額研發(fā)資金，超過全球其他國家總和的 2 倍。早在 1978年，美國聯(lián)邦政府投入半導體的研發(fā)經(jīng)費就達到 10 億美元，企業(yè)投入為 4 億美元。2018年，美國聯(lián)邦政府投入增加到每年 60 億美元，而半導體企業(yè)投入則高達 400 億美元，這接近我國中央財政 3 738 億元人民幣的科技研發(fā)總支出。以我國的國家自然科學基金委員會 2019年的資助為例，資助半導體基礎研究的半導體科學與信息器件（3.84 億元人民幣）、光學和光電子學（5.51 億元人民幣）2 個處的經(jīng)費僅占 330 億元人民幣總經(jīng)費的 2.8%；包括科學技術部的 01、02、03 重大專項和半導體領域的重點專項，我國的半導體研發(fā)投入長期不足美國的 5%。

美國除擁有數(shù)量眾多的世界一流大學外，還有數(shù)量不少的國家實驗室作為其基礎研究的“壓艙石”；此外，美國各大半導體巨頭擁有龐大的基礎研究部門，如貝爾實驗室和 IBM 實驗室等。而我國半導體基礎研究領域的研究基地數(shù)量稀少，半導體超晶格國家重點實驗室是唯一以半導體基礎物理為研究領域的國家重點實驗室；在已經(jīng)成立的國家實驗室中，從事半導體基礎研究的人員也非常少；至今沒有建設服務半導體基礎研究的大科學裝置；我國半導體企業(yè)還停留在國產(chǎn)化替代階段，沒有能力兼顧基礎研究。

3.3 評價機制不利于半導體基礎研究

十八大以來，黨和國家領導人非常重視基礎研究，國家出臺了加強基礎研究和破“四唯”的一系列文件。在半導體領域，2014年國家啟動示范性微電子學院建設，至今共 28 所高校設立了微電子學院；2020年設立集成電路科學與工程一級學科。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“雙一流”建設名單中，全國有 30 所以上高校的材料專業(yè)入選“雙一流”建設，化學 22 所，物理學 8 所，集成電路科學 1 所；與此同時，半導體卻連學科也沒有。硅和砷化鎵等傳統(tǒng)半導體的基礎研究不但投入大、門檻高、周期長而且難以發(fā)表高端論文；在忽視學科方向和研究領域差異的評價機制作用下，傳統(tǒng)半導體難以入選各類人才項目且投入產(chǎn)出比低，無法成為各高校的重點發(fā)展對象，這導致各示范性微電子學院集中在新興熱點材料方向開展“換道超車”研究。

3.4 缺乏協(xié)同創(chuàng)新機制

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

4 加強半導體基礎研究能力建設的建議

（1）建立健全跨部門協(xié)調(diào)機制。建議將國家集成電路領導小組改名為國家半導體領導小組，涵蓋半導體基礎研究?？绮块T協(xié)調(diào)人、財、物、政策等科技資源，強化攻關決策和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，負責制定國家半導體發(fā)展戰(zhàn)略；同時，賦予其相應的資源動員權利，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各方研究力量，從科技投入、機構建設、學科設置、人才培養(yǎng)、激勵機制、產(chǎn)學研協(xié)同、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、地方配套等全方位協(xié)同推進，確保在半導體技術和創(chuàng)新領域形成強大合力。半導體領導小組下設辦公室，負責聘用產(chǎn)業(yè)界和學術界的科學家脫產(chǎn)擔任項目經(jīng)理人、遴選關鍵核心技術和領軍人才、攻關計劃監(jiān)督與落實、攻關目標考核、制定支持政策等事項。建議以半導體產(chǎn)值的 10% 為標準匹配半導體基礎研究經(jīng)費。建議中國科學院或中國工程院設立半導體學部，工業(yè)和信息化部、科學技術部、國家自然科學基金委員會專設半導體部門，以“千金買骨”的手段吸引最優(yōu)秀人才，壯大半導體基礎研究隊伍。

（2）恢復半導體物理專業(yè)。由于歷史原因和科技體制問題，我國從事半導體物理的研究人員已經(jīng)屈指可數(shù)，必須盡快恢復半導體物理專業(yè)；同時，學習 20世紀50年代舉辦“五校聯(lián)合半導體物理專門化”作為起點向半導體進軍的戰(zhàn)略，緊急集合全國各“雙一流”高校的物理專業(yè)一半的大三、大四學生，集中培訓半導體基礎理論課程，選拔一批進入半導體物理專業(yè)的博士研究生課程繼續(xù)深造。通過培養(yǎng)、引進、穩(wěn)固一大批長期從事半導體物理研究的人才，不追熱點，“把冷板凳坐熱”，敢于挑戰(zhàn)半導體物理最前沿科學問題；在獨創(chuàng)、獨有上下功夫，努力在半導體技術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。

（3）建設半導體基礎研究網(wǎng)絡。出臺強力措施以彌補半導體基礎研究的歷史欠賬。立足半導體發(fā)展戰(zhàn)略需求，聚焦半導體領域前沿科學問題和關鍵技術，鼓勵各研究型高校成立半導體學院。建議國家自然科學基金委員會為半導體基礎研究增設國家杰出青年科學基金和創(chuàng)新研究群體等人才類項目的特殊名額，在全國設立 10 個左右的半導體物理基礎科學研究中心，資助 20 個創(chuàng)新群體和 100 個研究組。以人才團隊效應帶動基礎研究向半導體領域回流，從而吸引更多優(yōu)秀人才投身半導體，壯大半導體基礎研究力量，強化半導體技術的源頭創(chuàng)新能力。

（4）建立區(qū)域聯(lián)合創(chuàng)新平臺。為了實現(xiàn)全棧創(chuàng)新，跨過研究成果的“死亡谷”，美國即將成立國家半導體技術中心；韓國將設立國家半導體研究院，韓國總統(tǒng)尹錫悅甚至要求韓國教育部為培養(yǎng)半導體人才轉(zhuǎn)變思路進行改革；中國臺灣地區(qū)成立了半導體研究中心，臺灣清華大學成立了半導體研究學院等。我國必須盡快加強半導體領域國家實驗室體系的建設，優(yōu)化國家科研機構半導體領域布局。結合地區(qū)半導體產(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，整合研發(fā)創(chuàng)新資源，加強設備共享，減少重復投入，聯(lián)合攻關產(chǎn)業(yè)發(fā)展共性技術。為研究型高校、科研院所、半導體產(chǎn)業(yè)提供信息共享和學術交流機制，有序引導社會資本參與半導體技術創(chuàng)新，建立廣泛的合作聯(lián)盟，促進創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的共融和半導體產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)展。

（5）深化科技體制改革，用好“指揮棒”。大力扭轉(zhuǎn)實用主義主導科研的弊端，拆除“小農(nóng)經(jīng)濟”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，提升基礎研究支撐國家發(fā)展與安全。建議：① 以資金為手段一體化配置學科、人才、評估、平臺、政策等科研資源，斬斷扭曲需求的權利之手。② 大力弘揚追求獨創(chuàng)的科學家精神，抵制低水平重復的跟班式研究。③ 構建資助對象各有側(cè)重的多元化基礎研究投入機制，充分發(fā)揮國家實驗室、科研院所、研究型高校等國家戰(zhàn)略科技力量的特色與優(yōu)勢。④ 基礎研究資助體系設立退出機制。新興研究方向連續(xù)資助 10年后進行評估，取消沒有產(chǎn)生重大應用的資助方向，迫使基礎研究人員轉(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，加強其獨立研究和學科交叉能力，把博士后提升為基礎研究的主力軍。⑥ 使用學科評估和人才評價等手段，引導研究型高校加強學科多樣性。遏制在同一方向重復設置研究團隊，破除扎堆在少量熱門領域的不利局面，形成“千帆競發(fā)，百舸爭渡”的景象；進而，把研究型高校建成學科門類齊全、研究方向成體系、學術思想活躍、學術氛圍濃郁的原始創(chuàng)新策源地。⑦ 完善知識產(chǎn)權保護制度，激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新動力。

加強半導體基礎能力建設，穩(wěn)定一批半導體基礎研究隊伍，在半導體技術的源頭和底層進行理論創(chuàng)新，在無法繞開的芯片底層提前布局專利設置“關卡”，是解決半導體關鍵核心技術“卡脖子”難題的一種有效策略。