國際器件與系統(tǒng)路線圖對我國科技規(guī)劃的啟示*

張曉沛 余和軍 李少帥

（1．天津工業(yè)大學馬克思主義學院，天津300387；2．中國科學院學部工作局，北京100864；3．中國地質大學土地科學技術學院，北京100083；4．國土資源部土地整治中心，北京100035）

1 引言

技術路線圖，作為一種“使決策者在未來科技發(fā)展遠景上達成一致的工具，其過程就是確認、評估和選擇各種戰(zhàn)略上的可能性，使這種可能性可以實現(xiàn)已有的科技目標?！保?］基于技術路線圖制定的發(fā)展規(guī)劃，目標更加明確、路徑更加清晰、可操作性更強，因此，近年來很多國家和組織都采用了這種方法來規(guī)劃科技發(fā)展、制定政策戰(zhàn)略。

國際器件與系統(tǒng)路線圖（International Roadmap for Devices and Systems，IRDS）［2］的前身，國際半導體技術發(fā)展路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）［3，4］由美國半導體工業(yè)協(xié)會聯(lián)合日本、歐洲、韓國、臺灣的半導體工業(yè)協(xié)會制作，旨在評估和把握全球半導體工業(yè)未來15年的技術走向，為企業(yè)和學術團體的研發(fā)策略提供指導。多年來，該路線圖總結提煉的半導體產業(yè)技術發(fā)展規(guī)律得到了全球半導體從業(yè)者的廣泛認可，成為業(yè)內人士的必讀之物和引證最多的權威文獻。同時也是多個國家相關產業(yè)規(guī)劃或者重大項目計劃的重大參考。它通過前瞻產業(yè)技術發(fā)展態(tài)勢，引導各國將創(chuàng)新資源配置到最需要解決的產業(yè)重大問題和行業(yè)瓶頸問題中，實際發(fā)揮了規(guī)劃引領的重要作用。

本文在分析和研究此路線圖誕生背景、內容選擇、組織結構、運行模式及特點的基礎上，對我國借鑒路線圖方法做好規(guī)劃戰(zhàn)略研究、提升科技規(guī)劃水平提出思考和建議。

2 IRDS／ITRS的內容選擇和規(guī)律趨勢

自1945年計算機誕生、1958年集成電路發(fā)明以來，半導體工業(yè)沿著摩爾定律指出的方向飛速發(fā)展［5］。1992年SIA率先編寫了美國國家半導體技術發(fā)展路線圖（National Technology Roadmap for Semiconductor，NTRS），以總結行業(yè)發(fā)展規(guī)律、辨析行業(yè)發(fā)展方向、避免點錯“科技樹”。1998年，由SIA提議，邀請ESIA（歐洲半導體工業(yè)協(xié)會）、JEITA（日本電子和信息技術工業(yè)協(xié)會）、KSIA（韓國半導體工業(yè)協(xié)會）和TSIA（臺灣半導體工業(yè)協(xié)會）參加，對NTRS進行了更新完善，形成了1999年發(fā)表的第一版ITRS，之后每2年更新一次，截至2015年，累計發(fā)布了9個版本。之后，由于摩爾定律趨于極限，大量新材料出現(xiàn)、新型SOC（System on Chip）芯片商用以及傳統(tǒng)半導體計算轉向移動設備、大數(shù)據(jù)、云計算等泛半導體領域，ITRS升級為 IRDS，于2017年首次發(fā)布［2］。

IRDS與ITRS都分為摘要版、詳細版以及總體路線圖技術特征總表ORTC（Overall Roadmap Technology Characteristics，ORTC）。摘要版主要供高層決策者閱讀，從器件、系統(tǒng)集成、制造等宏觀板塊總結行業(yè)發(fā)展態(tài)勢；詳細版供企業(yè)和科研人員參考，從系統(tǒng)驅動、前道工藝技術、后道工藝技術、使能技術等產業(yè)鏈具體環(huán)節(jié)展開分析；ORTC為關鍵核心技術點。由此從戰(zhàn)略到技術，從面、鏈、點給出面向未來15年的發(fā)展規(guī)劃，為從業(yè)人員提供從發(fā)展藍圖、技術路線到戰(zhàn)略選擇的指引。

同時，路線圖還不斷引入新章節(jié)以更好反映技術發(fā)展新態(tài)勢和行業(yè)發(fā)展新動向［3，4］。例如上面提到的“系統(tǒng)驅動”章節(jié)于2001年增加，“新興器件”章節(jié)于2005年增加，“新興材料”章節(jié)和“擴展摩爾定律”于2007年增加，微電子機械系統(tǒng)（MEMS）也于2011年獨立成章。之后，IRDS重新劃分章節(jié)，2017年版本包括綜合摘要、應用標桿、系統(tǒng)與構架、外部系統(tǒng)連接、超越摩爾、制造集成、光刻、新興材料、場增強、計量學、環(huán)境安全健康和可持續(xù)、虛擬計量白皮書等章節(jié)。

縱觀20多年來的ITRS和IRDS報告可以看出，半導體行業(yè)的發(fā)展有基本明確的邏輯和主線，在ITRS時期以摩爾定律為主，引領業(yè)界往更小的特征尺寸、更高的集成度、更低的價格方向發(fā)展，其本質是CMOS技術集成度的提高。在IRDS時期，器件特征尺寸縮小至10納米以下以致將達到電子衍射極限并將出現(xiàn)量子效應的挑戰(zhàn)，進一步降低尺寸、提高芯片上晶體管數(shù)量的周期已經延長到30個月及更多，摩爾定律難以為繼，半導體領域發(fā)展的重點轉向降低芯片功耗、擴展芯片功能等方面，對市場而言，由于技術的壟斷化，無論ITRS時期還是IRDS時期半導體市場都呈現(xiàn)越來越集中的態(tài)勢，后發(fā)國家追趕并分享市場“蛋糕”的難度已經越來越大。

圖1 ITRS和IRDS揭示的半導體行業(yè)主要發(fā)展趨勢Fig．1 Main trends of semiconductor industry revealed by ITRS and IRDS

3 IRDS／ITRS的組織結構和運行模式

1）組織結構

IRDS／ITRS的組織機構主要包括執(zhí)行委員會即國際路線圖委員會（IRC）、區(qū)域和國際技術工作組（TWGS／ITWGS）以及管理辦公室，其組織機構如圖2所示。

圖2 IRDS／ITRS的組織機構圖Fig．2 IRDS／ITRS's organization chart

IRC的職責是對IRDS／ITRS進行決策和指導，并研究決定內容提綱及分工、重大技術選擇，并制定ORTC，其職責類似于實體組織的理事會。IRC成員由來自五個國家和地區(qū)的十余位專家組成。

區(qū)域和國際技術工作組（TWGS／ITWGS）負責具體的技術研究和路線圖撰寫，由1000多位來自不同地區(qū)的科學家、工程師、行業(yè)研究者組成；以IRDS／ITRS的分工任務為牽引，形成縱橫交叉、有機結合的矩陣式結構；工作中經常通過專題研討會、視頻會等分享交流、爭辯探討、達成共識，因此最終形成的研究成果是在全球芯片制造商、設備供應商、研究團體的共同努力下，眾多行業(yè)專家群體智慧的結晶。

IRDS／ITRS管理辦公室是該項目的全球樞紐，負責管理路線圖的進展、信息更新與發(fā)布等“穿針引線”與推動落實工作。辦公室設在由多家芯片制造商和設備商組成的國際技術組織Sematech（Semiconductor Manufacturing Technology Research Consortium，其成立的目的是通過多家公司參與，共同資助新技術研究，分擔創(chuàng)新風險，減少研發(fā)成本，共享研究成果）。

2）運行模式及特點

IRDS／ITRS是世界行業(yè)協(xié)會組織主導，任務導向下的跨區(qū)域、跨領域分工協(xié)作項目。項目運行者包括常設的工作人員與兼職專家。常設工作人員負責信息收集、進度管理、宣傳等支撐和服務保障，兼職專家來自各會員單位，包括管理者、企業(yè)家和學者，主要發(fā)揮研究分析和前瞻指引的作用，是研究編制IRDS／ITRS的主體。項目經費來自各成員單位的出資，而獲得ITRS成果和相關信息數(shù)據(jù)則成為出資者的“權利”之一。

ITRS的突出特點還體現(xiàn)在：

（1）“核心—衛(wèi)星”模式。ITRS及IRDS均由美國提出和主導，無論是技術的先進性還是市場規(guī)模，美國都是半導體領域絕對的“領頭羊”，數(shù)十年來美國企業(yè)半導體銷售始終占全球一半左右，占絕對優(yōu)勢地位，因此當1990年代SIA提出ITRS的想法時，很容易就吸引到了歐洲、日本、韓國、臺灣等國家和地區(qū)的參與，因而形成了一家主導、多家參與的“核心—衛(wèi)星”的運作模式。

（2）廣泛的協(xié)同性。IRDS／ITRS成員單位近1300家，從區(qū)域數(shù)量分布看，美國大致占55%，歐洲占10%，日本占17%，韓國占5%，中國臺灣占13%。從產業(yè)鏈分布看，芯片制造商677家，占53%；設備、材料供應商263家，占20%；研究所、大學等274家，占21%；其他性質的成員占6%。充分體現(xiàn)了國家和區(qū)域間制造商、供應商、學術界、投資界以及政府等產學研之間以及產業(yè)鏈上中下游間廣泛的協(xié)同。由于攀錯“科技樹”代價昂貴，半導體企業(yè)很難游離于主流技術路線之外生存，因此雖然處于同一產業(yè)鏈位置的企業(yè)在市場上存在競爭，但在技術方面融入主流、抱團前進便是他們基于利益和發(fā)展的選擇。

（3）規(guī)劃周期的技術合理性。由于半導體技術飛速更新?lián)Q代，IRC因此決定ITRS每偶數(shù)年修訂，每奇數(shù)年發(fā)布新版，相當于每兩年推出全新的規(guī)劃版本，以跟上技術發(fā)展節(jié)奏，準確把握和指導本領域的發(fā)展。同時，它不是出于管理部門的工作安排比如逢五逢十作出規(guī)劃，而是依據(jù)技術確定路線圖的跨度。比如ITRS的研究表明，過去十年中革新了CMOS晶體管制造工藝的絕大多數(shù)創(chuàng)新，如應變硅、高κ值／金屬柵極工藝、多柵晶體管等，早在其應用于CMOS工藝之前10～15年就出現(xiàn)了，因此它把路線圖的目標跨度定為15年，只評估未來15年的技術走向，這種科學性決定了其在行業(yè)的權威價值。

（4）突出的科學性和引領性。ITRS是技術路線圖，也是體現(xiàn)行業(yè)技術發(fā)展走勢的技術戰(zhàn)略規(guī)劃，必須以技術為“皮”、以科學為“筋”，其中包含大量的技術生產上升曲線、量產提升曲線、技術轉移趨勢等圖表，這是基于大量數(shù)據(jù)擬合分析的結果，指引著半導體技術沿著摩爾定律、按比例縮小定律、擴展摩爾定律（MtM）等技術內在邏輯發(fā)展，從而為絕大多數(shù)公司決定未來1～2年的研發(fā)投資和生產安排提供決策參考。

4 對我國器件與系統(tǒng)規(guī)劃的啟示和對策建議

1）積極參與國際合作，學習科技規(guī)劃先進經驗

通過近30年的實踐，IRDS／ITRS項目組織已經積累了豐富的組織管理經驗和行業(yè)技術數(shù)據(jù)庫，歐洲、日本、韓國、中國臺灣等參與其中，無論在本國本地區(qū)規(guī)劃制定還是產業(yè)發(fā)展方面都獲益良多。

我國作為半導體行業(yè)的重要市場，多年來一直沒有參與到IRDS／ITRS的相關工作中，已然錯失了先機。半導體領域目前也已成為我國最重要的短板之一，在2018年受到美國挑起的貿易戰(zhàn)的嚴重威脅［6］。因此，我國應設法參與到IRDS等國際組織牽頭的工作中，深入學習積累世界發(fā)達國家的行業(yè)技術規(guī)劃經驗，先學習后趕超，進而指導我國規(guī)劃制定和科技發(fā)展。

2）適時發(fā)起國際合作軟科學項目

隨著我國綜合國力和科技實力的增加，我國科學家已經日益廣泛地參與到熱核聚變實驗堆（ITER）、平方公里陣列望遠鏡（SKA）等國外發(fā)起的國際大科學計劃與工程中。2018年3月，國務院印發(fā)了《關于印發(fā)積極牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程方案》的通知（國發(fā)〔2018〕5號）［7］，鼓勵我國科學家按照“國際尖端、科學前沿，戰(zhàn)略導向、提升能力，中方主導、合作共贏，創(chuàng)新機制、分步推進”的原則提出和牽頭組織大科學計劃。時機成熟時，建議我國在半導體芯片及相關領域牽頭組織類似IRDS／ITRS的國際合作項目，以推動建立由我國主導、符合我國戰(zhàn)略利益又多方共贏的創(chuàng)新鏈和產業(yè)鏈，提升和鞏固我國在相關領域的國際地位。

3）借鑒IRDS／ITRS的思路和方法進行科技規(guī)劃

路線圖的制定體現(xiàn)了眾多專家對科技發(fā)展前沿的宏觀分析與判斷，通過路線圖能夠明確未來學科以及產業(yè)技術發(fā)展的目標、方向、重點、關鍵問題、時間節(jié)點，以及實施路線圖的建議配套政策和途徑。比如，ITRS自發(fā)布之初即聚焦的基本問題就是，為保證半導體工業(yè)沿著摩爾定律或其他有跡可循的規(guī)律繼續(xù)發(fā)展，需要匹配什么樣的技術能力以及時間表？路線圖要包含哪些內容，才能正確引導半導體工業(yè)未來10～15年的發(fā)展？

因此，在新一輪（2020—2035）國家中長期科技規(guī)劃中［8］，可以借鑒 IRDS／ITRS的模式，重點針對我國仍然落后的半導體芯片等戰(zhàn)略必爭領域開展工作，根據(jù)行業(yè)技術特點和發(fā)展態(tài)勢，合理確定規(guī)劃周期，組織專家深入研究從而在規(guī)劃中提出前瞻的科學思想、優(yōu)化的路徑選擇、“卡脖子”的技術瓶頸等路線圖基本內容和要素。

4）科技規(guī)劃應長期重視并動態(tài)調整

以往，我國制定和出臺的很多規(guī)劃包括科技規(guī)劃往往是“一次性的”，即把規(guī)劃制定當成一個短期行為，對規(guī)劃的實施效果缺乏持續(xù)跟蹤和動態(tài)調整。在科技發(fā)展日新月異的今天，這種做法的弊端顯而易見。

因此，有必要以新一輪中長期科技規(guī)劃為契機，選取半導體等若干領域為試點，持續(xù)進行規(guī)劃研究；更加重視技術預見過程而不是形成規(guī)劃文本的結果；在技術預見過程中鍛煉形成一支科技戰(zhàn)略研究隊伍；通過長期關注和積累，建立完善行業(yè)產業(yè)數(shù)據(jù)庫、提升凝練重大關鍵科技問題的水平；規(guī)劃發(fā)布后還要根據(jù)規(guī)劃實施效果和科技發(fā)展態(tài)勢，及時動態(tài)調整和完善規(guī)劃內容，確?？萍际冀K沿著正確的方向前進。

5）科技規(guī)劃制定應突出科學引領和協(xié)同創(chuàng)新

制定科技規(guī)劃的目的在于引領科技發(fā)展，科學性始終是科技規(guī)劃之魂，正如IRDS／ITRS的科學性來自數(shù)千專家的集體智慧和眾多數(shù)據(jù)。我國制定科技規(guī)劃特別要注意兩點，一是要發(fā)揮專家群體而非政府科技管理部門的主體作用，二要注意科技規(guī)劃制定不是編寫材料的文字性工作，而是對科學技術發(fā)展進行綜合分析和研究判斷的過程，因此必須突出研究定位和創(chuàng)新導向，最終發(fā)揮出權威的前瞻指引作用。

同時，科技規(guī)劃必須技術與戰(zhàn)略并重，因此需要有管理、經濟、技術、金融等多方面專家參與，通過不斷溝通研討、磋商交流形成智慧共識。在新一輪中長期科技規(guī)劃制定中，還可以借鑒IRDS／ITRS模式，發(fā)揮中國半導體行業(yè)協(xié)會、集成電路產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟等組織的作用，構建“決策指導—專家智庫—工作機構”三位一體的組織體系，廣泛組織科技管理專家、技術專家和企業(yè)家參與，并組建專兼職結合的管理—研究—支撐隊伍，在規(guī)劃制定中實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新。