中科院：半導體基礎研究匱乏，我們進入"黑暗森林"

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2023-02-22 06:44:20 967

本文刊載于《中國科學院院刊》2023年第2期“科學觀察”

李樹深*

中國科學院半導體研究所半導體超晶格*重點實驗室

在“逆全球化”下產業鏈“脫鉤”愈演愈烈，當前我國的科技基礎能力難以支撐實現高水平科技自立自強的*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、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新組織、科研設施平臺、科學數據和文獻期刊等“硬條件”，也包括科技政策與制度法規、創新文化等“軟環境”。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、重點布局和發展目標，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，強調學風、作風和學術生態建設。

中美科技戰暴露了我國關鍵核心技術被“卡脖子”難題。2018年美國制裁中興事件以來，*都在討論半導體“卡脖子”問題，從黨和*領導人到普通百姓一致認為必須大力發展半導體科技。特別是，*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。”雖然半導體基礎研究在過去幾年受到了很大重視，但包括學科設置、協同創新、基礎設施、研發投入、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。

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”。全球年產值6000億美元的半導體產品涵蓋了上千款芯片和近10萬種分立器件，支撐了下游年產值幾萬億美元的各類電子產品，以及年產值幾十萬億美元的數字經濟。據統計，1美元半導體產品拉動了全球100美元的GDP。

半導體產業鏈長且廣：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，下游是各類電子產品，涉及大量材料、設備和配件、軟件和IP模塊。王陽元院士指出，半導體產業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。即使半導體的發源地美國也不可能獨立解決整個半導體產業鏈。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盟（Chip4），提升其半導體供應鏈安全，同時遏制我國發展高端芯片產業。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業“鎖死”在FinFET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。我國各芯片企業通過購買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、政府人員甚至產業界都認為，沒有半導體基礎研究也可以發展半導體產業。如今，美國已經擰熄了“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。*次量子革命誕生了激光器和晶體管等器件，產生了包括集成電路、光電子器件、傳感器、分立器件在內的半導體信息技術，半導體領域的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。

在中美科技戰和產業鏈“脫鉤”的背景下，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化替代，只能實現內循環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。*總書記已經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；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業鏈的“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。

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

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新。包括：110億用于建立*半導體技術中心，美國科學基金會（810億）、能源部（679億）等研究資助機構未來5年共新增1699億美元經費。

20世紀60—90年代半導體大發展時期，*各知名大學都擁有規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，相關研究轉移到半導體企業研究機構。該法案將使美國高校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，將為半導體技術的源頭創新注入強大活力。

*實驗室轉向“后摩爾時代”半導體創新

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”半導體技術攻關。早在2016年，美國能源部8個*實驗室就在桑迪亞*實驗室舉行了“后摩爾時代”半導體技術的研討會，評估*實驗室大科學設施對微電子研究的支撐能力，提出從材料、器件一直到系統架構和軟件的“后摩爾時代”新計算范式的顛覆性創新。勞倫斯伯克利*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、電路到系統的深度協同設計創新框架。

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代化進軍，我國科技工作經過“文化大革命”十年內亂后終于迎來了“科學的春天”。然而，當時我國與西方發達*在技術設備上已經形成代差，我國企業無法為基礎研究“出題”；基礎研究在追趕*科技前沿過程中只能脫離國內產業發展的實際需求。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*”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，科研資源向易發表高端論文的新興熱點方向加速集聚，越是靠近產業應用的基礎研究越沒人做。

半導體物理人才嚴重短缺

我國*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老師集中在北大培訓；兩年間共培養了300多名我國*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，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。沒有龐大的半導體物理研究隊伍，就難以實現半導體技術源頭和底層的自主創新，在美國的封鎖下我國半導體產業的發展將成空中樓閣。

半導體基礎研究投入嚴重不足

長期以來，美國每年的半導體研發投入超過全球其他*總和的2倍。2018年，美國聯邦政府投入半導體的研發經費是60億美元，而半導體企業投入則高達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與信息器件（3.84億）、光學和光電子學（5.51億）2個處的經費僅占330億元人民幣總經費的2.8%；包括科技部的01、02、03重大專項和半導體領域的重點專項，我國的半導體研發投入長期不足美國的5%。

美國除擁有數量眾多的**大學外，還有數量不少的*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的基地數量稀少，半導體超晶格*重點實驗室是*以半導體基礎物理為研究領域的*重點實驗室；在已成立的*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；半導體企業還停留在國產化替代階段，沒有能力兼顧基礎研究。

評價機制不利于半導體基礎研究

十八大以來，黨和*領導人非常重視基礎研究，*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*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，由于產業與科研的脫節，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*”建設名單中，全國有30所以上高校的材料專業入選“雙*”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。傳統半導體的基礎研究不但投入大、門檻高、周期長而且難以發表高端論文，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出比低，無法成為各高校的重點發展對象，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。

缺乏協同創新機制

日本在1976年通過“VLSI研究聯盟”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SEMATECH（半導體制造技術聯盟），幫助美國重新奪回半導體產業領導地位。如今，比利時IMEC成為*級的半導體創新機構，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同創新；國內的半導體企業落后國際先進水平兩代以上，主要在別人提供的PDK基礎上進行工藝優化提高良品率，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*戰略科技力量“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的科學問題，難以找到真問題和真解決問題。

加強半導體基礎研究能力建設的建議

建立健全跨部門協調機制

建議將*集成電路領導小組改名為*半導體領導小組，涵蓋半導體基礎研究。跨部門協調人、財、物、政策等科技資源，強化攻關決策和統籌協調，負責制定*半導體發展戰略。下設辦公室，負責聘用產業界和學術界的科學家脫產擔任項目經理人，遴選關鍵核心技術和領軍人才、攻關計劃監督與落實、攻關目標考核、制定支持政策等事項。建議以半導體產值的10%為標準匹配半導體基礎研究經費，中科院或工程院設立半導體學部，工信部、科技部、基金委專設半導體部門，以“千金買骨”的手段吸引最優秀人才壯大半導體基礎研究隊伍。

恢復半導體物理專業

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業，同時學習*次向半導體進軍以舉辦“五校聯合半導體物理專門化”為起點的戰略，緊急集合全國各“雙*”高校的物理專業一半的大三、大四學生，集中培訓半導體基礎理論課程，選拔一批進入博士研究生課程繼續深造。通過培養、引進、穩固一大批長期從事半導體物理研究的人才，努力在半導體技術的源頭和底層開辟新方向、提出新理論、發展新方法、發現新現象。

建設半導體基礎研究網絡

鼓勵各研究型高校成立半導體學院；建議*基金委為半導體基礎研究增設*杰出青年科學基金和創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。

建立區域聯合創新平臺

美國即將成立*半導體技術中心；韓國將設立*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域*實驗室體系的建設。結合地區半導體產業發展需求，全國建立10個左右大型區域聯合創新平臺，聯合攻關共性技術。為高校、科研院所、產業界提供信息共享和學術交流機制，建立廣泛的合作聯盟，促進創新鏈與產業鏈的共融和半導體產業鏈上下游協同發展。

深化科技體制改革，用好“指揮棒”

大力扭轉實用主義主導科研的弊端，拆除“小農經濟”思想下的圍墻，出臺措施保障顯示度低的“死亡谷”創新環節，建立由原始創新驅動的自下而上創新體系，提升基礎研究支撐*發展與安全。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重的多元化基礎研究投入機制，充分發揮*實驗室、科研院所、研究型高校等*戰略科技力量的特色與優勢。

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年后進行評估，取消沒有產生重大應用的資助方向，迫使基礎研究人員轉向新方向，提升原始創新能力。

5. 在制度上保障博士畢業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，百舸爭渡”的原始創新策源地。

7. 完善知識產權保護制度，激發企業創新動力。

加強半導體基礎能力建設，穩定一批半導體基礎研究隊伍，在半導體技術的源頭和底層進行理論創新，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。

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