科學觀察丨加強半導體基礎(chǔ)能力建設(shè) 點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(chǔ)能力難以支撐實現(xiàn)高水平科技自立自強的國家戰(zhàn)略。為此，在黨的二十大報告中提出了加強科技基礎(chǔ)能力建設(shè)。中科院院長、黨組書記侯建國在《人民日報》撰文指出，科技基礎(chǔ)既包括各類科技創(chuàng)新組織、科研設(shè)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”。中科院在2022年制定了“基礎(chǔ)研究十條”，明確中科院基礎(chǔ)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一系列有針對性、可操作的政策措施，強調(diào)學風、作風和學術(shù)生態(tài)建設(shè)。

中美科技戰(zhàn)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，全民都在討論半導體“卡脖子”問題，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(shù)問題，根子是基礎(chǔ)理論研究跟不上，源頭和底層的東西沒有搞清楚。”雖然半導體基礎(chǔ)研究在過去幾年受到了很大重視，但包括學科設(shè)置、協(xié)同創(chuàng)新、基礎(chǔ)設(shè)施、研發(fā)投入、評價機制、研究生名額等半導體基礎(chǔ)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。

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加強半導體基礎(chǔ)能力建設(shè)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”。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10萬種分立器件，支撐了下游年產(chǎn)值幾萬億美元的各類電子產(chǎn)品，以及年產(chǎn)值幾十萬億美元的數(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GDP。

半導體產(chǎn)業(yè)鏈長且廣：上游包括EDA軟件/IP模塊、半導體設(shè)備和材料，中游是芯片設(shè)計、制造、封裝和測試，下游是各類電子產(chǎn)品，涉及大量材料、設(shè)備和配件、軟件和IP模塊。王陽元院士指出，半導體產(chǎn)業(yè)鏈上游的任何一種材料、一種設(shè)備甚至一個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(yīng)鏈安全，同時遏制我國發(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(chǔ)研究成果都被整合在EDA工具的工藝設(shè)計套件（PDK）中。我國各芯片企業(yè)通過購買EDA公司的PDK包共享全球半導體基礎(chǔ)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，沒有半導體基礎(chǔ)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(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(nèi)的半導體信息技術(shù)，半導體領(lǐng)域的11項成果獲得了9個諾貝爾物理學獎。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(jié)構(gòu)、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)。

在中美科技戰(zhàn)和產(chǎn)業(yè)鏈“脫鉤”的背景下，即使設(shè)計或制造出先進芯片也難以打入國際供應(yīng)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(chǔ)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(shù)；在上萬件FinFET晶體管專利中，相當大一部分核心專利來自半導體物理基礎(chǔ)研究成果，而且這些成果不依賴EUV光刻機等最先進的半導體制造設(shè)備。通過大力加強半導體基礎(chǔ)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(shè)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(chǔ)研究能力

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2800億美元的《芯片與科學法案》，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，美國科學基金會（810億）、能源部（679億）等研究資助機構(gòu)未來5年共新增1699億美元經(jīng)費。

20世紀60—90年代半導體****展時期，世界各知名大學都擁有規(guī)模龐大的半導體領(lǐng)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(chǔ)研究逐漸衰落，相關(guān)研究轉(zhuǎn)移到半導體企業(yè)研究機構(gòu)。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(chǔ)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該法案獲得的679億美元將主要用于“后摩爾時代”半導體技術(shù)攻關(guān)。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(shù)的研討會，評估國家實驗室大科學設(shè)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(gòu)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(jié)點物理、器件物理、電路到系統(tǒng)的深度協(xié)同設(shè)計創(chuàng)新框架。

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我國半導體基礎(chǔ)研究能力建設(shè)所面臨的困境

1978年召開的全國科學大會號召向科學技術(shù)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(shù)設(shè)備上已經(jīng)形成代差，我國企業(yè)無法為基礎(chǔ)研究“出題”；基礎(chǔ)研究在追趕世界科技前沿過程中只能脫離國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際需求。加入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(shè)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(lǐng)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(yīng)用的基礎(chǔ)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”，北大、復旦、吉大、廈大和南大5所大學的物理系大四學生和相關(guān)老師集中在北大培訓；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)，67年后的今天，我國半導體基礎(chǔ)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(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(chǔ)研究投入嚴重不足

長期以來，美國每年的半導體研發(fā)投入超過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(chǔ)研究的半導體科學與信息器件（3.84億）、光學和光電子學（5.51億）2個處的經(jīng)費僅占330億元人民幣總經(jīng)費的2.8%；包括科技部的01、02、03重大專項和半導體領(lǐng)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(chǔ)研究的“壓艙石”；此外，美國各大半導體巨頭擁有龐大的基礎(chǔ)研究部門，如貝爾實驗室和IBM實驗室等。而我國半導體基礎(chǔ)研究的基地數(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(chǔ)物理為研究領(lǐng)域的國家重點實驗室；在已成立的國家實驗室中，從事半導體基礎(chǔ)研究的人員也非常少；至今沒有建設(shè)服務(wù)半導體基礎(chǔ)研究的大科學裝置；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(chǔ)研究。

評價機制不利于半導體基礎(chǔ)研究

十八大以來，黨和國家領(lǐng)導人非常重視基礎(chǔ)研究，國家出臺了加強基礎(chǔ)研究和破“四唯”的一系列文件。在半導體領(lǐng)域，2014年國家啟動示范性微電子學院建設(shè)，至今共28所高校設(shè)立了微電子學院；2020年設(shè)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(shè)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(shè)，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。傳統(tǒng)半導體的基礎(chǔ)研究不但投入大、門檻高、周期長而且難以發(fā)表高端論文，在當前論文為綱的評價機制下，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。

缺乏協(xié)同創(chuàng)新機制

日本在1976年通過“VLSI研究聯(lián)盟”組織集成電路攻關(guān)，幫助日本在1986年半導體市場份額超過美國。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IMEC成為世界級的半導體創(chuàng)新機構(gòu)，與美國的Intel公司和IBM公司并稱為全球微電子領(lǐng)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(chǔ)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(gòu)來組織半導體基礎(chǔ)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(chǔ)上進行工藝優(yōu)化提高良品率，無暇圍繞下一代晶體管開展前沿基礎(chǔ)研究，難以為大學和科研院所等國家戰(zhàn)略科技力量“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(shù)的科學問題，難以找到真問題和真解決問題。

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加強半導體基礎(chǔ)研究能力建設(shè)的建議

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建立健全跨部門協(xié)調(diào)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(chǔ)研究。跨部門協(xié)調(diào)人、財、物、政策等科技資源，強化攻關(guān)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。下設(shè)辦公室，負責聘用產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界的科學家脫產(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(jiān)督與落實、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(chǔ)研究經(jīng)費，中科院或工程院設(shè)立半導體學部，工信部、科技部、基金委專設(shè)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(chǔ)研究隊伍。

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恢復半導體物理專業(yè)

出臺強力措施彌補半導體基礎(chǔ)研究的歷史欠帳。必須盡快恢復半導體物理專業(yè)，同時學習第一次向半導體進軍以舉辦“五校聯(lián)合半導體物理專門化”為起點的戰(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(chǔ)理論課程，選拔一批進入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，努力在半導體技術(shù)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。

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建設(shè)半導體基礎(chǔ)研究網(wǎng)絡(luò)

鼓勵各研究型高校成立半導體學院；建議國家基金委為半導體基礎(chǔ)研究增設(shè)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(shè)立10個左右的半導體物理基礎(chǔ)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(yīng)帶動基礎(chǔ)研究向半導體領(lǐng)域回流。

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建立區(qū)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(shè)立國家半導體研究院；中國臺灣地區(qū)成立了半導體研究中心等。我國必須盡快加強半導體領(lǐng)域國家實驗室體系的建設(shè)。結(jié)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，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術(shù)交流機制，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。

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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(chǔ)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(quán)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(gòu)建資助對象各有側(cè)重的多元化基礎(chǔ)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(chǔ)研究資助體系設(shè)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(yīng)用的資助方向，迫使基礎(chǔ)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(chǔ)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(shè)置研究團隊，破除扎堆在少量熱門領(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(quán)保護制度，激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新動力。

加強半導體基礎(chǔ)能力建設(shè)，穩(wěn)定一批半導體基礎(chǔ)研究隊伍，在半導體技術(shù)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(shè)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。