■ 文/趙宇航

面向2035年的下一輪發(fā)展，長(zhǎng)三角地區(qū)應(yīng)該建立創(chuàng)新高地，以創(chuàng)新來引領(lǐng)長(zhǎng)三角產(chǎn)業(yè)集聚，打造中國(guó)自主可控的集成電路產(chǎn)業(yè)。

從集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史，我們可以很清楚地看到，每一代技術(shù)進(jìn)步，都是一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的集體進(jìn)步。有任何一環(huán)落下了，這一代技術(shù)肯定就進(jìn)步不了。集成電路是一個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)新，系統(tǒng)創(chuàng)新依賴于創(chuàng)新生態(tài)的建立。

集成電路發(fā)展依賴于系統(tǒng)創(chuàng)新

什么是系統(tǒng)創(chuàng)新？首先來看兩個(gè)例子。20世紀(jì)80年代，大規(guī)模集成電路興起之后，原來用手工繪制電路圖的方式已經(jīng)無法跟上集成電路發(fā)展的腳步，于是芯片設(shè)計(jì)開始依賴于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具。但是，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等軟件的運(yùn)行，取決于計(jì)算機(jī)的性能，而計(jì)算機(jī)的性能在很大程度上由CPU的性能決定。于是，現(xiàn)實(shí)就使發(fā)展陷入了一個(gè)死循環(huán)：我要設(shè)計(jì)出好的芯片，要有好的軟件，但這個(gè)好的軟件又要靠好的芯片來運(yùn)行。幸運(yùn)的是，集成電路產(chǎn)業(yè)突破了這個(gè)瓶頸，最后進(jìn)入了一個(gè)正向的循環(huán)：我們有了更好的軟件，就能生產(chǎn)出更好的CPU，并漸漸演變成為一個(gè)創(chuàng)新耦合系統(tǒng)。

這樣的情況在隨后的30年中幾乎沒有再發(fā)生過，直到最近，我們又再次面臨類似的問題——機(jī)器學(xué)習(xí)。機(jī)器學(xué)習(xí)主要依賴于處理器的性能提升來處理海量數(shù)據(jù)，同時(shí)大數(shù)據(jù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)又大大加強(qiáng)了工藝、裝備、材料的研制能力，推動(dòng)處理器芯片的進(jìn)步。如果沒有更好的機(jī)器學(xué)習(xí)來提升處理器性能的話，工藝、裝備、材料都無法進(jìn)步。目前，這個(gè)瓶頸只是初現(xiàn)端倪，預(yù)計(jì)5年之內(nèi)一定會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)無法處理的情況。當(dāng)然，這種情況也有望形成下一個(gè)創(chuàng)新耦合系統(tǒng)。如果我們能夠集中精力創(chuàng)建這個(gè)創(chuàng)新耦合系統(tǒng)，就有可能突破摩爾定律的瓶頸。

未來，我們應(yīng)該瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和單項(xiàng)技術(shù)突破相輔相成，形成清晰的技術(shù)發(fā)展路徑，并從應(yīng)用需求牽引，立足本土和開展國(guó)際合作相結(jié)合，共建生態(tài)系統(tǒng)。

目前，我們已經(jīng)進(jìn)入后摩爾時(shí)代，技術(shù)進(jìn)步逐漸放緩。這個(gè)放緩主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是單位面積上可以容納的晶體管數(shù)量已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)18個(gè)月增長(zhǎng)1倍了；二是單個(gè)晶體管的制造成本已經(jīng)無法進(jìn)一步下降，但我們的要求是它還需要下降。這種情況是不是代表著集成電路的發(fā)展已經(jīng)走到了終點(diǎn)？答案必定是否定的。隨著大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的涌現(xiàn)，我們可以看到今后幾年，每年會(huì)生產(chǎn)500億顆物聯(lián)網(wǎng)的芯片、8 900萬輛自動(dòng)駕駛汽車、每人每天要用40ZB的數(shù)據(jù)量……因此，集成電路必須要突破物理瓶頸往前走。

現(xiàn)階段，能夠挑戰(zhàn)摩爾定律的主流技術(shù)路徑主要是4個(gè)：一是平面圖形的持續(xù)收縮，這是非常重要的，因?yàn)樗械募呻娐肪w管都源自圖形，要使圖形縮小必須用更先進(jìn)的光刻機(jī)，主流將采用極紫外（EUV）光刻和圖形計(jì)算技術(shù)；二是晶體管器件結(jié)構(gòu)和材料創(chuàng)新，5納米制程以下的器件將從現(xiàn)在主流的鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFET）結(jié)構(gòu)發(fā)展到納米線多柵、圍柵等多種結(jié)構(gòu)，二維材料的應(yīng)用也會(huì)加快；三是器件級(jí)多層堆疊技術(shù)，推動(dòng)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）從目前的平面到三維立體集成；四是智能計(jì)算架構(gòu)革新和應(yīng)用，主要采用能加快向量、矩陣等AI運(yùn)算的新型存儲(chǔ)計(jì)算。

系統(tǒng)創(chuàng)新生態(tài)的形成

說到系統(tǒng)創(chuàng)新生態(tài)的問題，我們不妨看一看國(guó)際上集成電路發(fā)展得比較好的地區(qū)，他們是怎樣發(fā)展的。首先看美國(guó)的硅谷，硅谷的特點(diǎn)是從原創(chuàng)發(fā)明到產(chǎn)業(yè)集群。硅谷的企業(yè)數(shù)每年在飛速增長(zhǎng)，集成電路從1955年實(shí)驗(yàn)室發(fā)明以來，通過不斷的發(fā)展，形成了集成電路的原創(chuàng)群。到目前為止，硅谷已經(jīng)集聚了一批國(guó)際知名的大企業(yè)，如英特爾、蘋果、谷歌、惠普、思科等公司，融科學(xué)、技術(shù)、研發(fā)、生產(chǎn)為一體，這就是系統(tǒng)創(chuàng)新形成的一個(gè)效果。2016年，硅谷地區(qū)共申請(qǐng)發(fā)明專利近2萬個(gè)。

第二個(gè)地區(qū)是中國(guó)臺(tái)灣的新竹，新竹是一個(gè)科學(xué)工業(yè)園區(qū)的擴(kuò)展。一開始是在新竹成立工業(yè)園區(qū)，然后在新竹集聚了像臺(tái)積電等一批企業(yè)，待到這些園區(qū)運(yùn)行得比較完善之后，再?gòu)?fù)制到臺(tái)灣的其他地區(qū)，然后再進(jìn)行新的園區(qū)的擴(kuò)張。這樣一來，整個(gè)臺(tái)灣地區(qū)的集成電路產(chǎn)業(yè)的規(guī)模越做越大，從新竹工業(yè)園區(qū)一直擴(kuò)展到中部和南部，這也是一種整體化的發(fā)展。

第三個(gè)地區(qū)是韓國(guó)，其特點(diǎn)是以龍頭企業(yè)牽引城市群協(xié)同發(fā)展。20世紀(jì)50年代至70年代，韓國(guó)的產(chǎn)業(yè)主要由美國(guó)、日本投資。1973年，韓國(guó)政府開始扶持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。1983年，韓國(guó)采用“政府+財(cái)團(tuán)”的經(jīng)濟(jì)模式專注動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）。1984年，三星公司開始批量生產(chǎn)64K的DRAM，并首次出口。1992年，三星公司成為世界第一大DRAM制造商。韓國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分工明確，設(shè)計(jì)、制造、加工、包裝、運(yùn)輸?shù)让恳粋€(gè)環(huán)節(jié)都有非常細(xì)致的企業(yè)分工，以龍頭半導(dǎo)體企業(yè)為核心聚集大量配套企業(yè)。目前，韓國(guó)的水原、華城、龍仁利川、平澤、安城等多個(gè)城市都有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地，支撐韓國(guó)整體半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

歐洲的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展也獨(dú)具特色，以堅(jiān)實(shí)的城市工業(yè)基礎(chǔ)支撐產(chǎn)品在全球的領(lǐng)先地位。光刻機(jī)作為芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈中的一環(huán)，也是技術(shù)難度極高的一環(huán)，目前世界上先進(jìn)光刻機(jī)基本被荷蘭的阿斯麥（ASML）公司壟斷。阿斯麥公司自1984年創(chuàng)立以來，就采用了和用戶共同合作、分享利潤(rùn)的模式，用戶可以用很低的價(jià)格購(gòu)買到產(chǎn)品。這種整合現(xiàn)有資源，并最大利用外部資源的商業(yè)新形式最終成為如今企業(yè)的新理念：開放式創(chuàng)新。阿斯麥公司的合作單位遍布?xì)W洲各個(gè)城市，這些城市的工業(yè)都非常強(qiáng)，可以用非常強(qiáng)大的工業(yè)基礎(chǔ)來支撐尖端的集成電路裝備的研發(fā)生產(chǎn)以及持續(xù)的研究，保證了阿斯麥公司在高端光刻機(jī)領(lǐng)域持續(xù)擁有絕對(duì)領(lǐng)先地位。

上述4個(gè)地區(qū)的半導(dǎo)體集聚發(fā)展以及創(chuàng)新生態(tài)的形成極具代表性，對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)建立創(chuàng)新生態(tài)具有很強(qiáng)的借鑒意義。

共建長(zhǎng)三角創(chuàng)新生態(tài)

長(zhǎng)三角地區(qū)一市三?。ㄉ虾Ｊ?、江蘇省、浙江省、安徽?。┦俏覈?guó)集成電路產(chǎn)業(yè)集中度最高、產(chǎn)業(yè)鏈最完整、制造技術(shù)水平最高的區(qū)域，產(chǎn)業(yè)規(guī)模占全國(guó)半壁江山，代表了我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平，是我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的縮影。

正因?yàn)殚L(zhǎng)三角地區(qū)在全國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)扮演著最重要的角色，所以面向2035年的下一輪發(fā)展，長(zhǎng)三角地區(qū)應(yīng)該建立創(chuàng)新高地，以創(chuàng)新來引領(lǐng)長(zhǎng)三角產(chǎn)業(yè)集聚，打造中國(guó)自主可控的集成電路產(chǎn)業(yè)。這是長(zhǎng)三角地區(qū)在中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)下一步發(fā)展中的使命和任務(wù)。

在創(chuàng)新生態(tài)方面，長(zhǎng)三角地區(qū)可以做哪些事呢？我認(rèn)為，首先是共建整機(jī)牽引的裝備、材料及零部件創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。以光刻機(jī)為例，光刻機(jī)已經(jīng)不單單是一臺(tái)設(shè)備的問題，實(shí)際上它是一個(gè)生態(tài)，可以解決很多集成電路制造的問題。光刻機(jī)發(fā)展能給硅片刻下更小的溝道，從而能實(shí)現(xiàn)在芯片上集成更多的晶體管，進(jìn)而提高芯片性能，繼續(xù)延續(xù)摩爾定律。光刻技術(shù)是一個(gè)技術(shù)群，將工藝、應(yīng)用、設(shè)計(jì)、設(shè)備、材料合為一體。未來，我們應(yīng)該瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和單項(xiàng)技術(shù)突破相輔相成，形成清晰的技術(shù)發(fā)展路徑，并從應(yīng)用需求牽引，立足本土和開展國(guó)際合作相結(jié)合，共建生態(tài)系統(tǒng)。

其次是建立整合元件制造商（Integrated Device Manufacture，IDM）的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。IDM是半導(dǎo)體芯片行業(yè)的一種運(yùn)作模式，集芯片設(shè)計(jì)、芯片制造、芯片封裝和測(cè)試等多個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)于一身。其優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化，有助于充分發(fā)掘技術(shù)潛力，能有條件率先實(shí)驗(yàn)并推行新的半導(dǎo)體技術(shù)。其劣勢(shì)是公司規(guī)模龐大，管理成本、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較高，資本回報(bào)率偏低。早期多數(shù)集成電路企業(yè)采用這一模式，最具代表性的是韓國(guó)的三星公司和美國(guó)的德州儀器公司，目前僅有極少數(shù)企業(yè)能夠維持?，F(xiàn)在，我國(guó)量產(chǎn)大的生產(chǎn)線都是代工廠，但代工廠也碰到了一些問題。例如硅片，自主研發(fā)硅片的應(yīng)用，到代工廠去認(rèn)證，認(rèn)證之后，代工廠的客戶要進(jìn)一步認(rèn)證，這加大了我國(guó)國(guó)產(chǎn)材料進(jìn)入生產(chǎn)的難度。從產(chǎn)品的角度來看，IDM是對(duì)代工的一個(gè)補(bǔ)充。那么，是否可以基于國(guó)產(chǎn)裝備來探索建立一些大規(guī)模的集成電路生產(chǎn)的IDM產(chǎn)業(yè)模式，從而豐富我國(guó)集成電路的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，搶占一些重大的芯片產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)？長(zhǎng)三角地區(qū)在加大代工規(guī)模、擴(kuò)大力度的同時(shí)，應(yīng)把IDM作為一種戰(zhàn)略來發(fā)展。

第三是建立支撐創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科研究。隨著摩爾定律物理極限的臨近，我們要抓緊關(guān)注下一代計(jì)算架構(gòu)和芯片形態(tài)的革命性變化，例如原來的二元邏輯運(yùn)算會(huì)變成多元運(yùn)算，算法將成為芯片架構(gòu)的決定性因素，晶體管將從控制電子轉(zhuǎn)為控制量子。這些顛覆性的變化都需要基礎(chǔ)學(xué)科的支撐。現(xiàn)在，人工智能和量子技術(shù)有望成為延續(xù)摩爾定律的有效手段，但面臨巨大的理論挑戰(zhàn)，亟待突破基礎(chǔ)理論和應(yīng)用創(chuàng)新。目前，我國(guó)的整個(gè)基礎(chǔ)研究理論都是偏弱的，而且和應(yīng)用是脫節(jié)的。因此，我們呼吁能夠集聚長(zhǎng)三角的基礎(chǔ)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化基礎(chǔ)科學(xué)跨領(lǐng)域的創(chuàng)新研究，支持建立若干非營(yíng)利性基礎(chǔ)學(xué)科的應(yīng)用研究機(jī)構(gòu)，為形成集成電路產(chǎn)業(yè)顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)打好理論基礎(chǔ)。