我國集成電路技術(shù)發(fā)展制約因素分析

摘要：本文通過分析集成電路領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展需求，基于德爾菲調(diào)查結(jié)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，分別對實驗室技術(shù)實現(xiàn)、技術(shù)應(yīng)用推廣和普及的制約因素進(jìn)行探討，并簡要進(jìn)行了理論解釋；最后對幾項突出共性的制約因素，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(dāng)前我國集成電路技術(shù)總體發(fā)展態(tài)勢良好，據(jù)中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會發(fā)布的產(chǎn)業(yè)運行報告，2021 中國集成電路產(chǎn)業(yè)總銷售額為 10458.3 億元，同比增長為 18.2%^[1]?？苿?chuàng)板集成電路公司實現(xiàn)歸母凈利潤 238.51 億元，同比增長 191%，超八成公司凈利潤增長。芯片市場供不應(yīng)求帶動了半導(dǎo)體晶圓代工和封測企業(yè)加速擴(kuò)產(chǎn)，刺激了半導(dǎo)體設(shè)備和材料需求大幅增長。但縱觀領(lǐng)域整體技術(shù)水平，呈現(xiàn)“大而不強(qiáng)”“快而不優(yōu)”的特點，技術(shù)發(fā)展水平參差不齊，技術(shù)短板依然存在。多類集成電路細(xì)分領(lǐng)域技術(shù)水平還有待進(jìn)一步提高和重點發(fā)展，如：高端光刻技術(shù)、以EDA為代表的設(shè)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(shè)備等。集成電路技術(shù)發(fā)展現(xiàn)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(xì)分領(lǐng)域看，技術(shù)發(fā)展痛點、難點仍有很多，制約著相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，乃至整個信息領(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)域德爾菲調(diào)查結(jié)果出發(fā)，對得到的幾項領(lǐng)域主要制約因素展開分析、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，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(nèi)企業(yè)提高研發(fā)資金投入等多方面努力之下，取得了長足的進(jìn)步。許多過去“卡脖子”的技術(shù)有了補(bǔ)齊替代方案，全產(chǎn)業(yè)鏈均實現(xiàn)不同程度的增長。對于設(shè)計領(lǐng)域，當(dāng)前高端芯片的設(shè)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(jié)， 14 nm 及以上制造工藝已經(jīng)較為成熟，均已實現(xiàn)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(jié)，技術(shù)水平逐步向高端演進(jìn)，九成以上技術(shù)接近或達(dá)到國際領(lǐng)先水平；對于裝備及材料環(huán)節(jié)，28 nm 以上制程能力逐步成熟，7~14 nm 逐步研發(fā)出來。

1.1 萬物互聯(lián)對技術(shù)發(fā)展提出創(chuàng)新需求

隨著萬物互聯(lián)世界的到來，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(yīng)用多個領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。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(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)領(lǐng)域?qū)χ悄苤圃燹D(zhuǎn)型實現(xiàn)以及生產(chǎn)設(shè)備智能升級都對芯片水平提出了越來越高的要求；智慧城市、智慧交通車路協(xié)同、智能航運、智能安防等眾多智慧領(lǐng)域應(yīng)用深化拓展，也在對芯片領(lǐng)域擴(kuò)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、智能汽車等應(yīng)用市場已逐漸成為半導(dǎo)體增長的下一輪重要驅(qū)動力。智能應(yīng)用對芯片的速度、可靠性、穩(wěn)定性等都提出了新的需求，將帶動半導(dǎo)體整個產(chǎn)業(yè)鏈的改變，包括半導(dǎo)體器件、制造工藝以及測試領(lǐng)域。新型智能汽車作為當(dāng)前發(fā)展熱點，融合了自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、新能源等多種技術(shù)，綜合數(shù)據(jù)傳感、芯片算法、通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對芯片功能融合有更高的要求。智能網(wǎng)聯(lián)汽車對信息安全、互聯(lián)互通、智慧節(jié)能的更高要求使得汽車制造領(lǐng)域技術(shù)重點從以機(jī)械制造逐步向電子信息融合技術(shù)轉(zhuǎn)變，成為拉動集成電路及半導(dǎo)體發(fā)展的一大動力。智慧領(lǐng)域的拓展應(yīng)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(shù)據(jù)等技術(shù)推動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(zhàn)

隨著新一代信息技術(shù)逐步發(fā)展和智慧應(yīng)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)展的重點和難點。許多集成電路設(shè)備、材料和技術(shù)專利長期以來依賴國外，自主化程度較低，面對當(dāng)前瞬息萬變的局勢，產(chǎn)業(yè)運行安全也難以保障。長期以來，對技術(shù)和設(shè)備的智能監(jiān)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(yīng)對越來越突出的信息安全需求，不斷加快實現(xiàn)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)展制約因素的德爾菲分析

我們就集成電路領(lǐng)域有關(guān)技術(shù) 9 個分領(lǐng)域 44 個核心技術(shù)群，前期通過專家問卷調(diào)查開展了德爾菲調(diào)研，對集成電路領(lǐng)域制約因素，分為“實驗室技術(shù)實現(xiàn)”和“技術(shù)應(yīng)用推廣及普及”兩方面進(jìn)行調(diào)查，問卷每類預(yù)設(shè) 9 項因素，針對每項技術(shù)，請專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 實驗室技術(shù)實現(xiàn)制約分析

對于調(diào)查得出的 10 項最重要技術(shù)，綜合看來調(diào)查結(jié)果（如圖 1）認(rèn)為，在 9 項制約因素中，對該領(lǐng)域?qū)嶒炇壹夹g(shù)實現(xiàn)制約程度最大的三個因素是高層次人才及團(tuán)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% 的專家認(rèn)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(tuán)隊的短缺是制約我國半導(dǎo)體和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要原因。科學(xué)原理突破也是主要制約因素之一，制約主要表現(xiàn)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(shè)計環(huán)節(jié)高檔 IP 核的許可費用很高，產(chǎn)線建設(shè)及高端集成電路設(shè)備都需要較大投入。

圖1 實驗室技術(shù)實現(xiàn)的制約程度

2.2 技術(shù)應(yīng)用推廣和普及制約分析

調(diào)查結(jié)果認(rèn)為（如圖 2），在 9 項制約因素中，對技術(shù)應(yīng)用推廣方面影響最大的三個因素是產(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% 的專家認(rèn)為此項因素為影響最大的因素）、社會或風(fēng)險資金（平均影響占比為 21.29%）和成果轉(zhuǎn)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(nèi)整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)調(diào)能力。集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的配套能力制約意味著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)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(wěn)定性和應(yīng)用推廣程度等與國際領(lǐng)先水平還有差距。社會或風(fēng)險資金方面，除了少部分企業(yè)從海外證券市場上市，其他芯片企業(yè)因為缺乏資金而難以提升產(chǎn)能規(guī)模。企業(yè)缺少機(jī)會獲得足夠的資金來滿足自身的發(fā)展需要，國內(nèi)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(yīng)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)

在實驗室技術(shù)實現(xiàn)方面，受 9 個因素制約程度最大的技術(shù)見表 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，過去不屬于主流發(fā)展方向，調(diào)查結(jié)果顯示受科學(xué)原理突破影響較大，過程檢測類技術(shù)涉及支撐技術(shù)較多，受學(xué)科交叉程度影響較大。

表1 實驗室技術(shù)實現(xiàn)受各項因素影響最大的技術(shù)

在技術(shù)應(yīng)用推廣和普及方面，受 9 個因素制約程度最大的技術(shù)見表 2。新型半導(dǎo)體材料技術(shù)類應(yīng)用推廣受成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)鏈配套及示范應(yīng)用推廣等方面制約程度較大，光刻技術(shù)受國外競爭限制制約程度較大。

表2 技術(shù)應(yīng)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(dāng)前人才短缺問題在不同地區(qū)和集成電路不同領(lǐng)域廣泛存在。數(shù)據(jù)顯示，在人才和學(xué)科發(fā)展政策支持下，在領(lǐng)域人才數(shù)量逐步提升的情況下，人才缺口仍然高達(dá) 20 萬。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(yán)峻，操作工人短缺成為包括集成電路行業(yè)在內(nèi)的生產(chǎn)行業(yè)普遍存在的突出問題。核心技術(shù)領(lǐng)域高水平對口專業(yè)人才更加短缺，以光刻技術(shù)為例，國內(nèi)從事光刻設(shè)備研發(fā)人員數(shù)量只有一千多人，總數(shù)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(nèi)高端人才總量不足，專業(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(xiàn)象；人才流失局面沒有得到解決，集成電路、微電子、物理電子學(xué)等相關(guān)專業(yè)教學(xué)和人才培養(yǎng)模式與產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向相結(jié)合的程度還不夠，共同制約著人才供給水平，導(dǎo)致高端人才難以滿足行業(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(zhuǎn)化程度低

當(dāng)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(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，行業(yè)資金投入總量不小，但對行業(yè)推動作用和轉(zhuǎn)化程度較低，“熱錢難用到實處”。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(jié)都提供了相應(yīng)財政、稅收等支持政策。集成電路領(lǐng)域一度迎來投資熱潮，多地紛紛設(shè)立重點項目，然而項目建設(shè)領(lǐng)域重復(fù)、集中，存在扎堆建設(shè)，如大硅片領(lǐng)域、化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域。除了領(lǐng)域扎堆，新建項目還存在基礎(chǔ)薄弱，產(chǎn)業(yè)能力差，與地方發(fā)展難以結(jié)合，出現(xiàn)“水土不服”現(xiàn)象，投資后項目難以出現(xiàn)實效。此外，領(lǐng)域研發(fā)投入嚴(yán)重不足。研發(fā)投入占比嚴(yán)重落后于國外企業(yè)，集成電路企業(yè)資金實力不足，英特爾研發(fā)支出達(dá)到 134 億美元，光刻機(jī)巨頭 ASML 近十年研發(fā)費用支出超過 90 億歐元，與此相比，國內(nèi)企業(yè)研發(fā)投入嚴(yán)重不足，2019 年半導(dǎo)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(yīng)鏈及創(chuàng)新機(jī)制的協(xié)同效應(yīng)還不強(qiáng)?？v觀整個產(chǎn)業(yè)鏈，封裝環(huán)節(jié)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(jié)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，長期依賴國外產(chǎn)品，受制于人。EDA 產(chǎn)品被 Synopsys、Cadence、Mentor Graphics 幾家巨頭長期占據(jù)市場，國內(nèi)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(jié)存在著重復(fù)建設(shè)缺乏整體規(guī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)支撐不足。企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)能力與創(chuàng)新生態(tài)建設(shè)都有不足，創(chuàng)新體系沒有形成可持續(xù)效應(yīng)。自主創(chuàng)新能力不足，沒有形成攻關(guān)關(guān)鍵領(lǐng)域和核心技術(shù)的攻關(guān)機(jī)制。企業(yè)創(chuàng)新風(fēng)險防控和保障機(jī)制不足，使得企業(yè)不愿承受高額投資帶來的風(fēng)險。科研管理、科技獎勵分配等制度機(jī)制存在欠缺。

4 研究總結(jié)

近幾年來，我國集成電路發(fā)展已初步完成從無到有的過程，但還需精細(xì)化發(fā)展，轉(zhuǎn)型升級，注重高端產(chǎn)品和技術(shù)的培育?？傮w看來，當(dāng)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(yīng)用推廣程度不夠，制約著整體行業(yè)發(fā)展。面對當(dāng)前困境，還需多方面發(fā)力。

探索機(jī)制，引導(dǎo)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)域人才和專業(yè)團(tuán)隊。以行業(yè)發(fā)展重大需求和核心技術(shù)發(fā)展重點作為指引，培育重大項目，以此培養(yǎng)高端人才團(tuán)隊。

集中政府和市場化力量引導(dǎo)多種方式的投入和支持，引導(dǎo)土地、設(shè)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，引入多方面資金來源共同投入。優(yōu)化人才反饋機(jī)制，建立合理受益機(jī)制，培育合作共贏的產(chǎn)業(yè)聯(lián)合模式。推動企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、產(chǎn)學(xué)研合作組織共同發(fā)力，提升創(chuàng)新能力。

強(qiáng)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(jī)制，探索合作模式鼓勵大型企業(yè)開放共享機(jī)制，促進(jìn)融通發(fā)展。補(bǔ)齊企業(yè)創(chuàng)新風(fēng)險防控和保障機(jī)制。

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（本文轉(zhuǎn)自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年第6期）