我國集成電路技術(shù)發(fā)展制約因素分析

摘要：本文通過(guò)分析集成電路領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展現狀及發(fā)展需求，基于德?tīng)柗普{查結果，對集成電路領(lǐng)域代表性技術(shù)的主要幾項制約因素進(jìn)行了研究，分別對實(shí)驗室技術(shù)實(shí)現、技術(shù)應用推廣和普及的制約因素進(jìn)行探討，并簡(jiǎn)要進(jìn)行了理論解釋?zhuān)蛔詈髮醉椡怀龉残缘闹萍s因素，就其制約原因及可能的解決方法進(jìn)行了分析和探討。

關(guān)鍵詞：制約因素分析；技術(shù)發(fā)展；集成電路

當前我國集成電路技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢良好，據中國半導體行業(yè)協(xié)會(huì )發(fā)布的產(chǎn)業(yè)運行報告，2021 中國集成電路產(chǎn)業(yè)總銷(xiāo)售額為 10458.3 億元，同比增長(cháng)為 18.2%^[1]?？苿?chuàng )板集成電路公司實(shí)現歸母凈利潤 238.51 億元，同比增長(cháng) 191%，超八成公司凈利潤增長(cháng)。芯片市場(chǎng)供不應求帶動(dòng)了半導體晶圓代工和封測企業(yè)加速擴產(chǎn)，刺激了半導體設備和材料需求大幅增長(cháng)。但縱觀(guān)領(lǐng)域整體技術(shù)水平，呈現“大而不強”“快而不優(yōu)”的特點(diǎn)，技術(shù)發(fā)展水平參差不齊，技術(shù)短板依然存在。多類(lèi)集成電路細分領(lǐng)域技術(shù)水平還有待進(jìn)一步提高和重點(diǎn)發(fā)展，如：高端光刻技術(shù)、以EDA為代表的設計模擬軟件技術(shù)、三維集成封裝技術(shù)為代表的先進(jìn)封裝技術(shù)、刻蝕及沉積等集成電路設備等。集成電路技術(shù)發(fā)展現狀和國際領(lǐng)先水平還有差距，集成電路作為信息領(lǐng)域核心支柱技術(shù)，許多關(guān)鍵技術(shù)仍然掣肘。從細分領(lǐng)域看，技術(shù)發(fā)展痛點(diǎn)、難點(diǎn)仍有很多，制約著(zhù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，乃至整個(gè)信息領(lǐng)域發(fā)展。對于制約技術(shù)發(fā)展的因素，本文從集成電路領(lǐng)域德?tīng)柗普{查結果出發(fā)，對得到的幾項領(lǐng)域主要制約因素展開(kāi)分析、進(jìn)行制約原因分析并對于可能的解決方法進(jìn)行了探析，以期為掃清領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展障礙提供思路。

1 技術(shù)發(fā)展需求分析

近年來(lái)，我國集成電路產(chǎn)業(yè)在政府高度重視、政策大力支持和業(yè)內企業(yè)提高研發(fā)資金投入等多方面努力之下，取得了長(cháng)足的進(jìn)步。許多過(guò)去“卡脖子”的技術(shù)有了補齊替代方案，全產(chǎn)業(yè)鏈均實(shí)現不同程度的增長(cháng)。對于設計領(lǐng)域，當前高端芯片的設計水平提升明顯， CPU 及 SoC 等產(chǎn)品水平均有較大改進(jìn)；對于制造環(huán)節， 14 nm 及以上制造工藝已經(jīng)較為成熟，均已實(shí)現量產(chǎn)， 7 nm 工藝制程已取得進(jìn)展，7 nm 以下先進(jìn)工藝也在有序研發(fā)中；在封裝集成環(huán)節，技術(shù)水平逐步向高端演進(jìn)，九成以上技術(shù)接近或達到國際領(lǐng)先水平；對于裝備及材料環(huán)節，28 nm 以上制程能力逐步成熟，7~14 nm 逐步研發(fā)出來(lái)。

1.1 萬(wàn)物互聯(lián)對技術(shù)發(fā)展提出創(chuàng )新需求

隨著(zhù)萬(wàn)物互聯(lián)世界的到來(lái)，集成電路面臨支撐日益發(fā)展的消費領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域智慧化要求，以及支撐智慧物聯(lián)應用多個(gè)領(lǐng)域的重大挑戰。這就要求集成電路更低成本、更智能化，更高效化，更綠色。傳統行業(yè)轉型升級，工業(yè)領(lǐng)域對智能制造轉型實(shí)現以及生產(chǎn)設備智能升級都對芯片水平提出了越來(lái)越高的要求；智慧城市、智慧交通車(chē)路協(xié)同、智能航運、智能安防等眾多智慧領(lǐng)域應用深化拓展，也在對芯片領(lǐng)域擴寬提出更高要求。

1.2 智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展對融合發(fā)展提出更高要求

目前 5G、6G、智能汽車(chē)等應用市場(chǎng)已逐漸成為半導體增長(cháng)的下一輪重要驅動(dòng)力。智能應用對芯片的速度、可靠性、穩定性等都提出了新的需求，將帶動(dòng)半導體整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的改變，包括半導體器件、制造工藝以及測試領(lǐng)域。新型智能汽車(chē)作為當前發(fā)展熱點(diǎn)，融合了自動(dòng)駕駛、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、新能源等多種技術(shù)，綜合數據傳感、芯片算法、通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數據等技術(shù)對芯片功能融合有更高的要求。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)對信息安全、互聯(lián)互通、智慧節能的更高要求使得汽車(chē)制造領(lǐng)域技術(shù)重點(diǎn)從以機械制造逐步向電子信息融合技術(shù)轉變，成為拉動(dòng)集成電路及半導體發(fā)展的一大動(dòng)力。智慧領(lǐng)域的拓展應用，對集成電路智能化提出更高要求。物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數據等技術(shù)推動(dòng)芯片向更加智能化方向發(fā)展，融合物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算技術(shù)和人工智能算法的集成電路的融合發(fā)展需求將更為明顯。

1.3 面臨保障信息安全和產(chǎn)業(yè)安全的重大挑戰

隨著(zhù)新一代信息技術(shù)逐步發(fā)展和智慧應用的逐步深入，產(chǎn)業(yè)對信息安全的要求更加迫切，信息安全保障也成為芯片發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)。許多集成電路設備、材料和技術(shù)專(zhuān)利長(cháng)期以來(lái)依賴(lài)國外，自主化程度較低，面對當前瞬息萬(wàn)變的局勢，產(chǎn)業(yè)運行安全也難以保障。長(cháng)期以來(lái)，對技術(shù)和設備的智能監管不足，信息安全隱患突出。集成電路技術(shù)是信息安全的保障基石，只有不斷提升技術(shù)水平，才能應對越來(lái)越突出的信息安全需求，不斷加快實(shí)現芯片國產(chǎn)化是減少信息安全漏洞的根本方法。

2 技術(shù)發(fā)展制約因素的德?tīng)柗品治?/strong>

我們就集成電路領(lǐng)域有關(guān)技術(shù) 9 個(gè)分領(lǐng)域 44 個(gè)核心技術(shù)群，前期通過(guò)專(zhuān)家問(wèn)卷調查開(kāi)展了德?tīng)柗普{研，對集成電路領(lǐng)域制約因素，分為“實(shí)驗室技術(shù)實(shí)現”和“技術(shù)應用推廣及普及”兩方面進(jìn)行調查，問(wèn)卷每類(lèi)預設 9 項因素，針對每項技術(shù)，請專(zhuān)家選擇影響最大的因素，由此得到了制約因素影響狀況。

2.1 實(shí)驗室技術(shù)實(shí)現制約分析

對于調查得出的 10 項最重要技術(shù)，綜合看來(lái)調查結果（如圖 1）認為，在 9 項制約因素中，對該領(lǐng)域實(shí)驗室技術(shù)實(shí)現制約程度最大的三個(gè)因素是高層次人才及團隊（平均影響占比為 22.64%，即對于領(lǐng)域最重要 10 項技術(shù)平均每項有 22.64% 的專(zhuān)家認為此項因素為影響最大的因素）、科學(xué)原理突破（平均影響占比為 21.43%）和研發(fā)資金（平均影響占比為 18.09%）。

集成電路屬于知識密集型領(lǐng)域，技術(shù)研發(fā)需要大量高層次人才，工信部曾多次發(fā)文指出，人才短缺特別是高端人才團隊的短缺是制約我國半導體和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要原因?？茖W(xué)原理突破也是主要制約因素之一，制約主要表現在摩爾定律已經(jīng)走向極限，懸在集成電路行業(yè)發(fā)展之上，亟需打破摩爾定律。研發(fā)資金一直是制約集成電路技術(shù)發(fā)展的另一項重要因素，設計環(huán)節高檔 IP 核的許可費用很高，產(chǎn)線(xiàn)建設及高端集成電路設備都需要較大投入。

圖1 實(shí)驗室技術(shù)實(shí)現的制約程度

2.2 技術(shù)應用推廣和普及制約分析

調查結果認為（如圖 2），在 9 項制約因素中，對技術(shù)應用推廣方面影響最大的三個(gè)因素是產(chǎn)業(yè)鏈配套能力（平均影響占比為 25.66%，即對于領(lǐng)域最重要 10 項技術(shù)平均每項有 25.66% 的專(zhuān)家認為此項因素為影響最大的因素）、社會(huì )或風(fēng)險資金（平均影響占比為 21.29%）和成果轉化中試基地（平均影響占比為 17.71%）。

產(chǎn)業(yè)鏈配套能力主要指領(lǐng)域內整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)調能力。集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的配套能力制約意味著(zhù)產(chǎn)業(yè)結構不完善，部分領(lǐng)域受到外部制約，存在產(chǎn)業(yè)鏈短板。隨著(zhù)近幾年的發(fā)展，集成電路技術(shù)覆蓋面和產(chǎn)業(yè)水平都有明顯提高，但高端芯片技術(shù)能力、性能的穩定性和應用推廣程度等與國際領(lǐng)先水平還有差距。社會(huì )或風(fēng)險資金方面，除了少部分企業(yè)從海外證券市場(chǎng)上市，其他芯片企業(yè)因為缺乏資金而難以提升產(chǎn)能規模。企業(yè)缺少機會(huì )獲得足夠的資金來(lái)滿(mǎn)足自身的發(fā)展需要，國內企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新投入少，限制了企業(yè)創(chuàng )新能力。

圖2 技術(shù)應用推廣和普及的制約程度

2.3 各影響因素主要制約的技術(shù)

在實(shí)驗室技術(shù)實(shí)現方面，受 9 個(gè)因素制約程度最大的技術(shù)見(jiàn)表 1。全光計算技術(shù)等新集成電路新方向由于支撐技術(shù)發(fā)展還不夠成熟，過(guò)去不屬于主流發(fā)展方向，調查結果顯示受科學(xué)原理突破影響較大，過(guò)程檢測類(lèi)技術(shù)涉及支撐技術(shù)較多，受學(xué)科交叉程度影響較大。

表1 實(shí)驗室技術(shù)實(shí)現受各項因素影響最大的技術(shù)

在技術(shù)應用推廣和普及方面，受 9 個(gè)因素制約程度最大的技術(shù)見(jiàn)表 2。新型半導體材料技術(shù)類(lèi)應用推廣受成果轉化、產(chǎn)業(yè)鏈配套及示范應用推廣等方面制約程度較大，光刻技術(shù)受?chē)飧偁幭拗浦萍s程度較大。

表2 技術(shù)應用推廣和普及受各項因素影響最大的技術(shù)

3 主要制約因素分析

3.1 核心領(lǐng)域高層次技術(shù)人才短缺

高層次人才和技術(shù)人員不足對集成電路領(lǐng)域發(fā)展影響很大，當前人才短缺問(wèn)題在不同地區和集成電路不同領(lǐng)域廣泛存在。數據顯示，在人才和學(xué)科發(fā)展政策支持下，在領(lǐng)域人才數量逐步提升的情況下，人才缺口仍然高達 20 萬(wàn)。除了研發(fā)人員的短缺，技術(shù)工人、技師、高水平生產(chǎn)操作人員短缺情況同樣嚴峻，操作工人短缺成為包括集成電路行業(yè)在內的生產(chǎn)行業(yè)普遍存在的突出問(wèn)題。核心技術(shù)領(lǐng)域高水平對口專(zhuān)業(yè)人才更加短缺，以光刻技術(shù)為例，國內從事光刻設備研發(fā)人員數量只有一千多人，總數還不到有些國外代表性光刻技術(shù)企業(yè)的研發(fā)人員的十分之一。不僅領(lǐng)域內高端人才總量不足，專(zhuān)業(yè)人才對口就業(yè)率也不夠高，由于行業(yè)薪資水平限制，存在向其他行業(yè)就業(yè)的現象；人才流失局面沒(méi)有得到解決，集成電路、微電子、物理電子學(xué)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)和人才培養模式與產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向相結合的程度還不夠，共同制約著(zhù)人才供給水平，導致高端人才難以滿(mǎn)足行業(yè)發(fā)展，難以保障技術(shù)高速發(fā)展需求。

3.2 研發(fā)資金投入轉化程度低

當前，集成電路領(lǐng)域受到國家高度重視，集成電路產(chǎn)業(yè)確定為戰略性產(chǎn)業(yè)之一，行業(yè)資金投入總量不小，但對行業(yè)推動(dòng)作用和轉化程度較低，“熱錢(qián)難用到實(shí)處”。國家和地方政府紛紛出臺大量支持政策，為行業(yè)各環(huán)節都提供了相應財政、稅收等支持政策。集成電路領(lǐng)域一度迎來(lái)投資熱潮，多地紛紛設立重點(diǎn)項目，然而項目建設領(lǐng)域重復、集中，存在扎堆建設，如大硅片領(lǐng)域、化合物半導體領(lǐng)域。除了領(lǐng)域扎堆，新建項目還存在基礎薄弱，產(chǎn)業(yè)能力差，與地方發(fā)展難以結合，出現“水土不服”現象，投資后項目難以出現實(shí)效。此外，領(lǐng)域研發(fā)投入嚴重不足。研發(fā)投入占比嚴重落后于國外企業(yè)，集成電路企業(yè)資金實(shí)力不足，英特爾研發(fā)支出達到 134 億美元，光刻機巨頭 ASML 近十年研發(fā)費用支出超過(guò) 90 億歐元，與此相比，國內企業(yè)研發(fā)投入嚴重不足，2019 年半導體行業(yè)研發(fā)投入前十的企業(yè)，中國只有華為一家。

3.3 產(chǎn)業(yè)鏈短板限制整體行業(yè)發(fā)展

產(chǎn)業(yè)鏈與供應鏈及創(chuàng )新機制的協(xié)同效應還不強?？v觀(guān)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，封裝環(huán)節與國際水平差距不大，但其他領(lǐng)域還有較大差距。一方面，產(chǎn)業(yè)某些環(huán)節短板較為明顯，對整體行業(yè)發(fā)展較為不利。EDA、光刻技術(shù)等與國外水平差距很大，長(cháng)期依賴(lài)國外產(chǎn)品，受制于人。EDA 產(chǎn)品被 Synopsys、Cadence、Mentor Graphics 幾家巨頭長(cháng)期占據市場(chǎng)，國內不但產(chǎn)品有限，產(chǎn)品較為孤立、零星，產(chǎn)品推廣難度也很大。另一方面，產(chǎn)業(yè)鏈的某些環(huán)節存在著(zhù)重復建設缺乏整體規劃、項目雷同、高端產(chǎn)品 缺乏，造成資源浪費，不利于產(chǎn)業(yè)鏈健康有序發(fā)展。

3.4 成果轉化及創(chuàng )新體系效能不夠高

高水平科技成果供給能力不足，成果轉化水平仍然不夠高，難以支撐技術(shù)高水平發(fā)展，對產(chǎn)業(yè)供應支撐不足。企業(yè)創(chuàng )新研發(fā)能力與創(chuàng )新生態(tài)建設都有不足，創(chuàng )新體系沒(méi)有形成可持續效應。自主創(chuàng )新能力不足，沒(méi)有形成攻關(guān)關(guān)鍵領(lǐng)域和核心技術(shù)的攻關(guān)機制。企業(yè)創(chuàng )新風(fēng)險防控和保障機制不足，使得企業(yè)不愿承受高額投資帶來(lái)的風(fēng)險?？蒲泄芾?、科技獎勵分配等制度機制存在欠缺。

4 研究總結

近幾年來(lái)，我國集成電路發(fā)展已初步完成從無(wú)到有的過(guò)程，但還需精細化發(fā)展，轉型升級，注重高端產(chǎn)品和技術(shù)的培育?？傮w看來(lái)，當前領(lǐng)域資金投入不足及使用不到位和高端人才短缺仍是制約技術(shù)發(fā)展的重要因素。自主技術(shù)體系仍舊不完善，新興替代產(chǎn)品和技術(shù)的應用推廣程度不夠，制約著(zhù)整體行業(yè)發(fā)展。面對當前困境，還需多方面發(fā)力。

探索機制，引導高校和企業(yè)形成合力，注重多學(xué)科交叉融合培育，培育創(chuàng )新型人才。注重培育集成電路產(chǎn)業(yè)核心領(lǐng)域人才和專(zhuān)業(yè)團隊。以行業(yè)發(fā)展重大需求和核心技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)作為指引，培育重大項目，以此培養高端人才團隊。

集中政府和市場(chǎng)化力量引導多種方式的投入和支持，引導土地、設備、資金共同作為投入，培育新型研發(fā)組織，注重創(chuàng )新生態(tài)的融合，引入多方面資金來(lái)源共同投入。優(yōu)化人才反饋機制，建立合理受益機制，培育合作共贏(yíng)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)合模式。推動(dòng)企業(yè)、研究機構、產(chǎn)學(xué)研合作組織共同發(fā)力，提升創(chuàng )新能力。

強化自主研發(fā)能力，提升企業(yè)創(chuàng )新能力，打造行業(yè)和學(xué)術(shù)界聯(lián)合研發(fā)的機制，探索合作模式鼓勵大型企業(yè)開(kāi)放共享機制，促進(jìn)融通發(fā)展。補齊企業(yè)創(chuàng )新風(fēng)險防控和保障機制。

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（本文轉自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年第6期）