科學(xué)觀(guān)察丨加強半導體基礎能力建設 點(diǎn)亮半導體自立自強發(fā)展的“燈塔”

在“逆全球化”下產(chǎn)業(yè)鏈“脫鉤”愈演愈烈，當前我國的科技基礎能力難以支撐實(shí)現高水平科技自立自強的國家戰略。為此，在黨的二十大報告中提出了加強科技基礎能力建設。中科院院長(cháng)、黨組書(shū)記侯建國在《人民日報》撰文指出，科技基礎既包括各類(lèi)科技創(chuàng )新組織、科研設施平臺、科學(xué)數據和文獻期刊等“硬條件”，也包括科技政策與制度法規、創(chuàng )新文化等“軟環(huán)境”。中科院在2022年制定了“基礎研究十條”，明確中科院基礎研究的戰略定位、重點(diǎn)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(jià)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，強調學(xué)風(fēng)、作風(fēng)和學(xué)術(shù)生態(tài)建設。

中美科技戰暴露了我國關(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(lái)，全民都在討論半導體“卡脖子”問(wèn)題，從黨和國家領(lǐng)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(shū)記在2020年科學(xué)家座談會(huì )上指出：“我國面臨的很多‘卡脖子’技術(shù)問(wèn)題，根子是基礎理論研究跟不上，源頭和底層的東西沒(méi)有搞清楚?！彪m然半導體基礎研究在過(guò)去幾年受到了很大重視，但包括學(xué)科設置、協(xié)同創(chuàng )新、基礎設施、研發(fā)投入、評價(jià)機制、研究生名額等半導體基礎能力并沒(méi)有得到根本性改善，難以支撐半導體科技高水平自立自強。

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加強半導體基礎能力建設具有重大戰略意義

半導體是當前中美科技戰的“主戰場(chǎng)”。全球年產(chǎn)值6000億美元的半導體產(chǎn)品涵蓋了上千款芯片和近10萬(wàn)種分立器件，支撐了下游年產(chǎn)值幾萬(wàn)億美元的各類(lèi)電子產(chǎn)品，以及年產(chǎn)值幾十萬(wàn)億美元的數字經(jīng)濟。據統計，1美元半導體產(chǎn)品拉動(dòng)了全球100美元的GDP。

半導體產(chǎn)業(yè)鏈長(cháng)且廣：上游包括EDA軟件/IP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(lèi)電子產(chǎn)品，涉及大量材料、設備和配件、軟件和IP模塊。王陽(yáng)元院士指出，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(gè)配件都可能成為制約競爭者的手段。即使半導體的發(fā)源地美國也不可能獨立解決整個(gè)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組建半導體四方聯(lián)盟（Chip4），提升其半導體供應鏈安全，同時(shí)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下一代GAA晶體管的EDA軟件，意圖把我國的半導體產(chǎn)業(yè)“鎖死”在FinFET晶體管技術(shù)。全球半導體物理和微電子領(lǐng)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。我國各芯片企業(yè)通過(guò)購買(mǎi)EDA公司的PDK包共享全球半導體基礎研究成果，導致我國決策者、政府人員甚至產(chǎn)業(yè)界都認為，沒(méi)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(jìn)入“黑暗森林”。

半導體物理是一切半導體技術(shù)的源頭。第一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、分立器件在內的半導體信息技術(shù)，半導體領(lǐng)域的11項成果獲得了9個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎。當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、新結構、新理論、新器件和新電路，面臨眾多“沒(méi)有已知解決方案”的基本物理問(wèn)題挑戰。

在中美科技戰和產(chǎn)業(yè)鏈“脫鉤”的背景下，即使設計或制造出先進(jìn)芯片也難以打入國際供應鏈。通過(guò)大量投資進(jìn)行國產(chǎn)化替代，只能實(shí)現內循環(huán)或拉近與美國的差距，仍然無(wú)法改變“我中有你、你中無(wú)我”的“卡脖子”困境。習近平總書(shū)記已經(jīng)多次指出加強基礎研究解決“卡脖子”難題的戰略方針。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(shù)；在上萬(wàn)件FinFET晶體管專(zhuān)利中，相當大一部分核心專(zhuān)利來(lái)自半導體物理基礎研究成果，而且這些成果不依賴(lài)EUV光刻機等最先進(jìn)的半導體制造設備。通過(guò)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(zhuān)利，就可以在芯片制造這個(gè)全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈的“咽喉”部位設置“關(guān)卡”，形成反制手段，有望解決半導體關(guān)鍵核心技術(shù)“卡脖子”難題。

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美國正在加強半導體基礎研究能力

加大半導體人才的培養和引進(jìn)

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

20世紀60—90年代半導體****展時(shí)期，世界各知名大學(xué)都擁有規模龐大的半導體領(lǐng)域教授隊伍；進(jìn)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(guān)研究轉移到半導體企業(yè)研究機構。該法案將使美國高校重新招聘大量半導體領(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體基礎研究，將為半導體技術(shù)的源頭創(chuàng )新注入強大活力。

國家實(shí)驗室轉向“后摩爾時(shí)代”半導體創(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(shí)代”半導體技術(shù)攻關(guān)。早在2016年，美國能源部8個(gè)國家實(shí)驗室就在桑迪亞國家實(shí)驗室舉行了“后摩爾時(shí)代”半導體技術(shù)的研討會(huì )，評估國家實(shí)驗室大科學(xué)設施對微電子研究的支撐能力，提出從材料、器件一直到系統架構和軟件的“后摩爾時(shí)代”新計算范式的顛覆性創(chuàng )新。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室更是在2018年進(jìn)行重組，“超越摩爾”是4個(gè)研究方向中的一個(gè)，提出了從半導體材料物理、結點(diǎn)物理、器件物理、電路到系統的深度協(xié)同設計創(chuàng )新框架。

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我國半導體基礎研究能力建設所面臨的困境

1978年召開(kāi)的全國科學(xué)大會(huì )號召向科學(xué)技術(shù)現代化進(jìn)軍，我國科技工作經(jīng)過(guò)“文化大革命”十年內亂后終于迎來(lái)了“科學(xué)的春天”。然而，當時(shí)我國與西方發(fā)達國家在技術(shù)設備上已經(jīng)形成代差，我國企業(yè)無(wú)法為基礎研究“出題”；基礎研究在追趕世界科技前沿過(guò)程中只能脫離國內產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求。加入WTO后，“科學(xué)無(wú)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(jià)機制，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)應用的基礎研究越?jīng)]人做。

半導體物理人才嚴重短缺

我國第一次向半導體進(jìn)軍始于1956年，我國固體物理學(xué)和半導體物理學(xué)奠基人黃昆建議和組織實(shí)施了“五校聯(lián)合半導體物理專(zhuān)門(mén)化”，北大、復旦、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；兩年間共培養了300多名我國第一代半導體專(zhuān)門(mén)人才。然而，由于教育部在1997年取消半導體物理與器件專(zhuān)業(yè)，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。沒(méi)有龐大的半導體物理研究隊伍，就難以實(shí)現半導體技術(shù)源頭和底層的自主創(chuàng )新，在美國的封鎖下我國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將成空中樓閣。

半導體基礎研究投入嚴重不足

長(cháng)期以來(lái)，美國每年的半導體研發(fā)投入超過(guò)全球其他國家總和的2倍。2018年，美國聯(lián)邦政府投入半導體的研發(fā)經(jīng)費是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，資助半導體基礎研究的半導體科學(xué)與信息器件（3.84億）、光學(xué)和光電子學(xué)（5.51億）2個(gè)處的經(jīng)費僅占330億元人民幣總經(jīng)費的2.8%；包括科技部的01、02、03重大專(zhuān)項和半導體領(lǐng)域的重點(diǎn)專(zhuān)項，我國的半導體研發(fā)投入長(cháng)期不足美國的5%。

美國除擁有數量眾多的世界一流大學(xué)外，還有數量不少的國家實(shí)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(mén)，如貝爾實(shí)驗室和IBM實(shí)驗室等。而我國半導體基礎研究的基地數量稀少，半導體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗室是唯一以半導體基礎物理為研究領(lǐng)域的國家重點(diǎn)實(shí)驗室；在已成立的國家實(shí)驗室中，從事半導體基礎研究的人員也非常少；至今沒(méi)有建設服務(wù)半導體基礎研究的大科學(xué)裝置；半導體企業(yè)還停留在國產(chǎn)化替代階段，沒(méi)有能力兼顧基礎研究。

評價(jià)機制不利于半導體基礎研究

十八大以來(lái)，黨和國家領(lǐng)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(lǐng)域，2014年國家啟動(dòng)示范性微電子學(xué)院建設，至今共28所高校設立了微電子學(xué)院；2020年設立集成電路科學(xué)與工程一級學(xué)科。但是，由于產(chǎn)業(yè)與科研的脫節，以論文為綱的慣性在短期內難以扭轉。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(zhuān)業(yè)入選“雙一流”建設，化學(xué)22所，物理學(xué)8所，集成電路科學(xué)1所；與此同時(shí)，半導體卻連學(xué)科也沒(méi)有。傳統半導體的基礎研究不但投入大、門(mén)檻高、周期長(cháng)而且難以發(fā)表高端論文，在當前論文為綱的評價(jià)機制下，難以入選各類(lèi)人才項目且投入產(chǎn)出比低，無(wú)法成為各高校的重點(diǎn)發(fā)展對象，這導致各示范性微電子學(xué)院集中在新興熱點(diǎn)材料方向開(kāi)展“換道超車(chē)”研究。

缺乏協(xié)同創(chuàng )新機制

日本在1976年通過(guò)“VLSI研究聯(lián)盟”組織集成電路攻關(guān)，幫助日本在1986年半導體市場(chǎng)份額超過(guò)美國。美國在1987年成立的SEMATECH（半導體制造技術(shù)聯(lián)盟），幫助美國重新奪回半導體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導地位。如今，比利時(shí)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(chēng)為全球微電子領(lǐng)域“3I”。美國大學(xué)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(méi)有成立類(lèi)似的機構來(lái)組織半導體基礎研究的協(xié)同創(chuàng )新；國內的半導體企業(yè)落后國際先進(jìn)水平兩代以上，主要在別人提供的PDK基礎上進(jìn)行工藝優(yōu)化提高良品率，無(wú)暇圍繞下一代晶體管開(kāi)展前沿基礎研究，難以為大學(xué)和科研院所等國家戰略科技力量“出題”；而大學(xué)和科研院所的研究人員只能從文獻和會(huì )議中了解半導體前沿技術(shù)的科學(xué)問(wèn)題，難以找到真問(wèn)題和真解決問(wèn)題。

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加強半導體基礎研究能力建設的建議

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建立健全跨部門(mén)協(xié)調機制

建議將國家集成電路領(lǐng)導小組改名為國家半導體領(lǐng)導小組，涵蓋半導體基礎研究?？绮块T(mén)協(xié)調人、財、物、政策等科技資源，強化攻關(guān)決策和統籌協(xié)調，負責制定國家半導體發(fā)展戰略。下設辦公室，負責聘用產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的科學(xué)家脫產(chǎn)擔任項目經(jīng)理人，遴選關(guān)鍵核心技術(shù)和領(lǐng)軍人才、攻關(guān)計劃監督與落實(shí)、攻關(guān)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，中科院或工程院設立半導體學(xué)部，工信部、科技部、基金委專(zhuān)設半導體部門(mén)，以“千金買(mǎi)骨”的手段吸引最優(yōu)秀人才壯大半導體基礎研究隊伍。

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恢復半導體物理專(zhuān)業(yè)

出臺強力措施彌補半導體基礎研究的歷史欠帳。必須盡快恢復半導體物理專(zhuān)業(yè)，同時(shí)學(xué)習第一次向半導體進(jìn)軍以舉辦“五校聯(lián)合半導體物理專(zhuān)門(mén)化”為起點(diǎn)的戰略，緊急集合全國各“雙一流”高校的物理專(zhuān)業(yè)一半的大三、大四學(xué)生，集中培訓半導體基礎理論課程，選拔一批進(jìn)入博士研究生課程繼續深造。通過(guò)培養、引進(jìn)、穩固一大批長(cháng)期從事半導體物理研究的人才，努力在半導體技術(shù)的源頭和底層開(kāi)辟新方向、提出新理論、發(fā)展新方法、發(fā)現新現象。

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建設半導體基礎研究網(wǎng)絡(luò )

鼓勵各研究型高校成立半導體學(xué)院；建議國家基金委為半導體基礎研究增設國家杰出青年科學(xué)基金和創(chuàng )新研究群體等人才類(lèi)項目的特殊名額，在全國設立10個(gè)左右的半導體物理基礎科學(xué)研究中心，資助20個(gè)創(chuàng )新群體和100個(gè)研究組，以人才團隊效應帶動(dòng)基礎研究向半導體領(lǐng)域回流。

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建立區域聯(lián)合創(chuàng )新平臺

美國即將成立國家半導體技術(shù)中心；韓國將設立國家半導體研究院；中國臺灣地區成立了半導體研究中心等。我國必須盡快加強半導體領(lǐng)域國家實(shí)驗室體系的建設。結合地區半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，全國建立10個(gè)左右大型區域聯(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)鏈的共融和半導體產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)展。

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深化科技體制改革，用好“指揮棒”

大力扭轉實(shí)用主義主導科研的弊端，拆除“小農經(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，建立由原始創(chuàng )新驅動(dòng)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(xué)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(xué)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重的多元化基礎研究投入機制，充分發(fā)揮國家實(shí)驗室、科研院所、研究型高校等國家戰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。新興研究方向連續資助10年后進(jìn)行評估，取消沒(méi)有產(chǎn)生重大應用的資助方向，迫使基礎研究人員轉向新方向，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(xué)科交叉能力，把博士后提升為基礎研究的主力軍。

6. 使用學(xué)科評估和人才評價(jià)等手段，引導研究型高校加強學(xué)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(mén)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)權保護制度，激發(fā)企業(yè)創(chuàng )新動(dòng)力。

加強半導體基礎能力建設，穩定一批半導體基礎研究隊伍，在半導體技術(shù)的源頭和底層進(jìn)行理論創(chuàng )新，在無(wú)法繞開(kāi)的芯片底層提前布局專(zhuān)利設置“關(guān)卡”，是解決半導體關(guān)鍵核心技術(shù)“卡脖子”難題的一種有效策略。