“中國芯”何去何從

孫媛媛

集成電路是強國必爭的領(lǐng)域。芯片的研究與發(fā)展和國家產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)，中國要成為一個強大的國家，必須占據(jù)該領(lǐng)域的話語權(quán)。發(fā)達國家針對中國的技術(shù)封鎖是最大的攔路虎。西安交通大學(xué)微電子學(xué)院在微電子專業(yè)領(lǐng)域有著深厚的積淀，副院長、博士生導(dǎo)師張國和教授長期開展半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)理論與集成電路設(shè)計研究，主持和參與了多項國家重大專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等重要項目。在《中國科學(xué)》《半導(dǎo)體學(xué)報》、IEEE?EDL、IEEE?TED、IEEE?TVLSI、IEEE?TCASII等刊物發(fā)表論文90余篇，授權(quán)發(fā)明專利30余件，獲2020年陜西省科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎1項、2021年中國儀器儀表學(xué)會科技進步一等獎1項、陜西省教學(xué)成果獎特等獎1項。

接受《小康》雜志、中國小康網(wǎng)專訪時，張國和教授表示，對于集成電路行業(yè)，國家實際上一直在進行著重點扶持，從863計劃、973計劃到國家重大專項，再到集成電路大基金的成立，政策層面一直不缺乏激勵，著力推進形成了材料、儀器裝備、工藝制造、設(shè)計、EDA、封裝測試等多方面及其配套環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)。

國產(chǎn)芯片正“低調(diào)地前行”

《小康》·中國小康網(wǎng)：在這新一輪的技術(shù)變革當(dāng)中，中國芯片研究處于何種位置？

張國和：芯片就是把一個電路所需的晶體管和其他器件制作在一塊半導(dǎo)體上，又被稱為微電路、微芯片、集成電路。芯片包含了很多種類，按照應(yīng)用功能分為計算芯片、存儲芯片、感知芯片、能源芯片、通信芯片、接口芯片等；按照工藝制程可以分為7納米芯片、14納米芯片、28納米芯片等；按照半導(dǎo)體材料，可分為硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化硅等；按照應(yīng)用場景可分為數(shù)據(jù)中心級別芯片、消費類產(chǎn)品級別芯片、工業(yè)類產(chǎn)品級別芯片、汽車電子級別芯片、軍工和國防級別芯片。

談到我國芯片在國際上所處的位置，難以一概而論，我們在一些種類的芯片技術(shù)方面實際上是能夠與國際并行的，一些高等院校、研究所、企業(yè)的研究也逐步登上了引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展的位置。一般，民眾關(guān)注的“卡脖子”芯片大多是對硅基先進制程比較依賴的芯片，比如計算機CPU、手機CPU，這一類屬于數(shù)字類的計算芯片，還有一些高性能的模擬、數(shù)?；旌系男酒??？偟膩碇v，中國芯片的研究落后于西方國家，但也有一些領(lǐng)域是并行，甚至是領(lǐng)先的。

《小康》·中國小康網(wǎng)：國產(chǎn)芯片喊了很多年，也時有成果發(fā)布，但是普通人的手機和電腦上，仍然是進口芯片一統(tǒng)江湖。目前這種現(xiàn)狀有所改變嗎？

張國和：一顆芯片產(chǎn)品的采用，需要經(jīng)過嚴格的測試驗證、可靠性試驗等流程，需要非常長的時間周期。一顆芯片產(chǎn)品研制成功后，通過了功能性能測試和可靠性試驗，也不一定能成功推入市場，還受其他因素影響，比如行業(yè)標準認證、生態(tài)鏈、市場競爭等。

也有人會問，“為什么有些芯片推出了幾十年了，我們到現(xiàn)在還不能夠造出來，這就是能力不行?！边@個觀點對也不對。舉個例子，第一款芯片推出時，作為使用者，它有什么bug，民眾都會忍受，因為享受了它帶來的便利。比如帶Intel?x86的PC機剛面市時，價格昂貴，30多年前就幾萬元一臺，人們依然趨之若鶩。當(dāng)時的PC經(jīng)常藍屏，盡管如此，重啟一下，多等待幾分鐘，大家也覺得可以涵容?，F(xiàn)如今，不會再有人愿意使用它，因為“好慢、真難用”。Intel?CPU一般1～2年左右會迭代一版，它的成功還因為是與微軟的Windows操作系統(tǒng)進行了綁定。通過與操作系統(tǒng)的軟硬件協(xié)調(diào)開發(fā)，Intel的CPU在與同時期其他同類產(chǎn)品的競爭中勝出，壟斷了市場。Intel和微軟的合作，有力地甩開各自的競爭對手，每有新一代操作系統(tǒng)或CPU推出，填補了前面的技術(shù)漏洞，增加了新功能，激發(fā)了民眾的購買熱情，如此催生了持續(xù)且龐大的全球市場，強有力的市場支撐反哺研發(fā)，形成了良性循環(huán)，這是追趕者通過單純的研發(fā)投入所難以實現(xiàn)的，需要我們冷靜認識客觀情況。

因此，我國芯片產(chǎn)業(yè)在手機、電腦領(lǐng)域的每一點突破都是難能可貴的。失去了先機，作為一個落后者來講，基本上難以再有廣闊市場。在商用領(lǐng)域，一個對標市場已有的新品牌產(chǎn)品推出，首先需要產(chǎn)品功能性能勝出，才有可能被采用，后面還需要產(chǎn)業(yè)鏈支持、市場團隊的努力。對于新產(chǎn)品而言，如果沒有前期版本的迭代使用和大量用戶試錯的話，那么后期芯片的研制改進就會越來越困難。

任何偉大的設(shè)計師或芯片從業(yè)者，都不敢說從0開始設(shè)計一款芯片就能夠去取代原有的成熟產(chǎn)品。當(dāng)然，我國在此領(lǐng)域不斷取得了進步，推出了很多同類產(chǎn)品，比如龍芯、麒麟，但因為種種因素，發(fā)展一直受到制約。我國實際上很早也開始了自主研發(fā)操作系統(tǒng)，但同樣原因，也沒有成功進入民用市場，迭代改進也存在制約。

因此，不是說我們設(shè)計不出那么高性能的芯片，實際上是可以的。美國為什么打壓華為？因為華為手機的水平可以跟蘋果手機媲美，甚至一些方面已經(jīng)勝出，在5G通信芯片技術(shù)層面已經(jīng)處在領(lǐng)先行列。但是中美貿(mào)易戰(zhàn)之后，它的芯片生產(chǎn)就被限制了，能設(shè)計出來但是制造不了。

芯片種類非常多，各個領(lǐng)域加起來應(yīng)該超過了10萬種，如果都要突破的話，那就需要龐大的市場和工業(yè)體系來支撐。從個人觀點來看，中美貿(mào)易戰(zhàn)應(yīng)該是我國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個機遇，也讓我們國家很多整機、系統(tǒng)廠商堅定了試用國產(chǎn)芯片的決心。在我國這么龐大的市場支撐下，如果擁有更多時間打造我們自己的芯片生態(tài)鏈體系，我相信再經(jīng)過幾年的市場迭代，肯定能夠擺脫現(xiàn)在這種受制于人的局面。

打造芯片生態(tài)鏈體系需要時間積累

《小康》·中國小康網(wǎng)：我國芯片企業(yè)面臨了哪些不利環(huán)境？

張國和：第一，芯片的應(yīng)用層面，也就是芯片生態(tài)鏈的建設(shè)問題?？梢哉f整個國際的應(yīng)用生態(tài)鏈其實一直對我國企業(yè)都是不友好的。一旦生態(tài)不利好的話，想發(fā)展起來很困難，特別是加入WTO之后，企業(yè)必須和國際巨頭們?nèi)ジ偁?，盡管如此，以華為為代表的一些高新技術(shù)企業(yè)，在艱難求存的時候也在逐步發(fā)展起來。中美貿(mào)易戰(zhàn)也證明了我國的發(fā)展戰(zhàn)略其實很對路，如果沒有對對方產(chǎn)生威脅的話，他們也不會頻繁打壓。相關(guān)領(lǐng)域國家也在布局，把短板補起來慢慢發(fā)展，生態(tài)鏈是關(guān)鍵。

第二，不利的外部環(huán)境。我國加入WTO之后，必須要認同他們的一些規(guī)則。在這個戰(zhàn)略規(guī)則下，我們在一些地方受益了，全球一體化，貿(mào)易壁壘消除，經(jīng)濟得到了發(fā)展，但是從高新技術(shù)的發(fā)展來講，西方國家一直在對我們進行限制，從巴統(tǒng)、瓦森納協(xié)定開始，到近兩年發(fā)布的“美國創(chuàng)新與競爭法案”等等，他們一直在限制高端儀器設(shè)備、高端技術(shù)，中國實際上是購買不到的，同時因為很多標準、規(guī)則是他們定的，也不利于我國自主發(fā)展。

第三，競爭激烈的市場環(huán)境。產(chǎn)品競爭層面，在芯片領(lǐng)域，第一名獲取豐厚利潤，第二名、第三名則生存困難，非常殘酷。同類產(chǎn)品即使研制出來了，量產(chǎn)或良品率過低，導(dǎo)致成本過高，同樣也難。舉個例子，數(shù)字電視近些年的市場價格變動，民眾應(yīng)該可以感受到，2013年以前，電視是比較貴的，現(xiàn)在相比于某些高端手機，像是白菜價了。這源于我們擁有了國產(chǎn)數(shù)字電視芯片和LED屏。很多國產(chǎn)芯片從0到1投入研發(fā)，成本很高。我們同類產(chǎn)品出來了，但是投放市場難度還是很大，簡單講個價格戰(zhàn)的例子：海外公司的同類芯片已經(jīng)在市場上投放了很多年，已經(jīng)獲取了巨額的市場利潤支撐，其成本也要低得多，等我們芯片產(chǎn)品出來后，他們的產(chǎn)品就可以以壓到我們的成本價甚至略低于成本價去賣。這樣花費巨額成本研發(fā)出來的同類型、甚至稍好一點的芯片，在投放市場時面臨價格戰(zhàn)，或者資本市場競爭的時候，還是否具有優(yōu)勢？這也是近兩年很多芯片企業(yè)遇冷的原因，面臨激烈的競爭，尚處于被動地位。

第四，同行業(yè)相互之間的競爭?，F(xiàn)在國產(chǎn)化增多，做同類產(chǎn)品的公司也比較多，不僅要面臨海外企業(yè)的壓制，也要面臨國內(nèi)同行的競爭。后者可以促進企業(yè)進步，是個好現(xiàn)象。

第五，后備人才體系的建設(shè)。人才培養(yǎng)是國家發(fā)展的重中之重。長期以來，我國制造業(yè)主要依靠人口紅利，這也意味著對人才的不重視，待遇低，人才的智慧產(chǎn)出不能夠得到正確衡量，導(dǎo)致優(yōu)秀人才外流，企業(yè)發(fā)展缺乏動力。人才培養(yǎng)是核心環(huán)節(jié)，是整個未來科技發(fā)展的源動力。因此，國家需要更大力度實施“微電子人才培養(yǎng)和引進工程”，以最大的力度吸引國內(nèi)外優(yōu)秀的微電子技術(shù)和管理人才，尤其是事業(yè)有成的國外留學(xué)生；制訂出優(yōu)惠政策，扭轉(zhuǎn)微電子人才大量外流的趨勢；依據(jù)微電子工程特色及落后于人的現(xiàn)狀，制訂特色的人才培養(yǎng)計劃，繼續(xù)在重點高校擴大微電子學(xué)科人才培養(yǎng)規(guī)模，培養(yǎng)出一批微電子材料制備、設(shè)備研制、工藝開發(fā)、設(shè)計和系統(tǒng)應(yīng)用人才。

在市場先機丟失之后，再奮起直追，要從各個局部逐漸突破，再去解決這些不利因素。我國在這方面做了非常多的努力，包括在科技政策上，長期以來一直在投入，而且是大額投入。

直面新挑戰(zhàn)，尋找新方向

《小康》·中國小康網(wǎng)：當(dāng)您和團隊一起攻克難題的時候，實際具體遇到的困難是什么？最后是如何解決的？

張國和：高校更多承擔(dān)的是教育的職能，我們也參與到很多國家重大項目中，所遇到的困難分不同層面。

第一，人員層面。我們高校除了老師之外，更重要的科研力量是研究生，而研究生是動態(tài)的，培養(yǎng)兩到三年，碩士生就畢業(yè)了，博士生也差不多四年畢業(yè)。人員的流動對于參與國家的一些重大工程任務(wù)，其實是短板。早在十多年前，交大在校長鄭南寧院士的支持下就推出了科研專職政策，允許團隊聘用高水平技術(shù)人才來解決這個問題，但仍然很難。因為待遇遠遠跟不上企業(yè)水平，近年芯片行業(yè)很熱，就業(yè)很好，對于剛畢業(yè)的碩士研究生，企業(yè)給的薪水待遇就比我本人的都高。所以，對于熱門行業(yè)，高校很難留住高技術(shù)人才，各級校領(lǐng)導(dǎo)也在想辦法幫我們科研團隊來解決這些問題。

第二，芯片流片方面，我們也遇到了很多困難。2019年，西安交大也進入了美國商務(wù)部的實體名單，直接去流片，對方會拒接。近年來，由于產(chǎn)能問題，這也給我們做研發(fā)性質(zhì)的芯片帶來了很多困難。當(dāng)然我們通過合作企業(yè)得到了一些援助，解決了流片問題，但這只能算是曲線措施。另外，先進制程的流片費用很貴，因為每流一次片，價錢從不同的工藝節(jié)點，所需費用從幾十萬到幾百萬甚至上千萬，對于靠科研經(jīng)費支持的研究來講，其實很難得到先進制程。如果我們做研究的，不能接觸到先進制程的話，很難做出特別出色的芯片，也限制了在研究方面的發(fā)展，培養(yǎng)不了相應(yīng)的高水平后備人才。美國的大學(xué)都有政府牽頭組織的代工企業(yè)給予的免費shuttle，可以搭班車去流片，所以也希望國家或者企業(yè)能夠給科研單位更多支持。

《小康》·中國小康網(wǎng)：后摩爾時代，集成電路技術(shù)發(fā)展有哪些方向和建議？

張國和：這個問題很有挑戰(zhàn)，由于集成電路技術(shù)涉及很廣，延續(xù)摩爾定律（More?Moore）和超越摩爾定律（More?than?Moore）是其發(fā)展的兩個重要方向。一個就是延續(xù)摩爾定律，研究基于硅基工藝的新器件結(jié)構(gòu)和工藝制程，繼續(xù)往3納米以下工藝節(jié)點走，解決納米尺度器件面臨的短溝道效應(yīng)、高泄漏電流等問題。超越摩爾定律則可以致力于多芯粒集成，發(fā)展在單個芯片上的異質(zhì)集成技術(shù)、系統(tǒng)封裝技術(shù)、3D集成、Chiplet技術(shù)等。另外，量子器件、自旋器件、神經(jīng)形態(tài)器件等新型信息器件也在開始嶄露頭角，新型器件也是后摩爾時代發(fā)展的重要方向。

國家把集成電路定義為交叉學(xué)科，因此從產(chǎn)業(yè)角度來看，集成電路發(fā)展可以與其他行業(yè)深度結(jié)合，比如跟生物醫(yī)療行業(yè)去結(jié)合，再比如跟汽車行業(yè)、儲能行業(yè)等，持續(xù)深入推進芯片在各行業(yè)的深度融合發(fā)展。

《小康》·中國小康網(wǎng)：如今我國不僅僅是芯片制造，而是整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈都需要突破，急需關(guān)鍵技術(shù)人才。請簡單介紹一下目前西安交通大學(xué)微電子學(xué)院這方面的人才培養(yǎng)機制和進展。

張國和：西安交通大學(xué)微電子學(xué)院是在西安交通大學(xué)1959年成立的以半導(dǎo)體物理為主要研究方向的“應(yīng)用物理”專業(yè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是國內(nèi)最早從事半導(dǎo)體技術(shù)研究和人才培養(yǎng)的單位之一。

與“集成電路科學(xué)與工程”密切相關(guān)的“微電子學(xué)與固體電子學(xué)”專業(yè)是國家重點二級學(xué)科、“211工程”建設(shè)學(xué)科、“985工程”建設(shè)學(xué)科，具有碩士和博士學(xué)位授予權(quán)，建有博士后流動站。

2022年7月，國務(wù)院學(xué)位委員會批準我校成立“集成電路科學(xué)與工程”博士學(xué)位授權(quán)一級學(xué)科。因此，微電子學(xué)院現(xiàn)有電子科學(xué)與技術(shù)和集成電路科學(xué)與工程一級學(xué)科博士、碩士學(xué)位授權(quán)點，電子信息專業(yè)學(xué)位博士、碩士學(xué)位授權(quán)點和2個本科專業(yè)，電子科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科設(shè)有博士后流動站。2個本科專業(yè)微電子科學(xué)與工程和集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)入選首批國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點，均為國家質(zhì)量工程建設(shè)特色專業(yè)和陜西省名牌專業(yè)。

西安交通大學(xué)微電子學(xué)院借助已有的多個平臺，目前學(xué)科建設(shè)和發(fā)展已經(jīng)取得了顯著的成果和突出的階段性成績。學(xué)校先后雙聘2位、引進4位微電子領(lǐng)域的院士和國家領(lǐng)軍專家，投入約1.4億元資金用于學(xué)科發(fā)展和建設(shè)，形成了一支以院士和領(lǐng)軍學(xué)者專家為學(xué)科帶頭人、以中青年專業(yè)人才為主體的多層次人才梯隊，建立了完備的多層次人才培養(yǎng)體系和穩(wěn)定的產(chǎn)學(xué)研基地，培養(yǎng)了一批高素質(zhì)的集成電路領(lǐng)域?qū)I(yè)人才。

學(xué)院目前每年招收微電子科學(xué)與工程專業(yè)本科生130人，微電子與固體電子學(xué)學(xué)術(shù)碩士和集成電路工程碩士研究生規(guī)模均為130人，電子科學(xué)與技術(shù)和集成電路科學(xué)與工程博士生25人，工程博士5人。

西安交通大學(xué)建設(shè)集成電路科學(xué)與工程一級學(xué)科符合國家戰(zhàn)略要求和學(xué)科建設(shè)需求，與學(xué)校辦學(xué)方向一致。在集成電路領(lǐng)域已經(jīng)擁有高素質(zhì)的教學(xué)與科研隊伍、一流的支撐條件，擁有建設(shè)集成電路科學(xué)與工程一級學(xué)科的基礎(chǔ)，課程體系完善，研究生培養(yǎng)方案合理、可行，各方面資源滿足培養(yǎng)集成電路高水平人才的條件。

為了進一步促進我國集成電路技術(shù)的長期高速發(fā)展，圍繞集成電路一級學(xué)科建設(shè)，學(xué)校和學(xué)院將制定全新的人才培養(yǎng)方案與課程體系，針對從半導(dǎo)體材料、器件，到芯片設(shè)計和制造工藝，再到封裝、測試和系統(tǒng)應(yīng)用的戰(zhàn)略性新興學(xué)科的學(xué)科定位，建設(shè)集成電路科學(xué)與工程一級學(xué)科，把分散在原有學(xué)科的集成電路知識體系化和系統(tǒng)化，打破常規(guī)學(xué)科建設(shè)模式，構(gòu)建注重基礎(chǔ)知識、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)為核心的學(xué)科建設(shè)體系，解決產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)問題，培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)急需的創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才。