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  • 追赶“芯”时代

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    芯片被认为是当今信息技术产业高速发展的主要载体,是信息时代的“工业粮食”,广泛渗透与融合到国民经济和社会发展的各个角落

    “有芯片才能制造出各种电子产品和信息系统,没有芯片的支撑,电子信息产业就失去了根基。因为最核心的技术、最基础的支撑都在芯片上面??ㄗ×诵酒?,就很有可能切断中国产业链向顶端延伸的途径,严重迟滞中国产业发展进程,进而影响我国制造业的发展?!?/p>

    文?|《瞭望》新闻周刊记者?孙英兰

    芯片到底有多重要?和国人的日常有多大关系?很多人原本关心不多,直到2018年4月,美国对中兴实施禁售,继而制裁华为等中国企业,此时,举国上下把目光投向芯片及其相关领域。很多人焦虑,但也有业内人士认为,中国的芯片产业或将迎来发展的重要机遇期。情况究竟如何呢?

    芯片被认为是当今信息技术产业高速发展的主要载体,是信息时代的“工业粮食”,广泛渗透与融合到国民经济和社会发展的各个角落。

    在这个可以称作“芯”时代的当下,面对美国的高压抑制、技术切割,根基薄弱的中国“芯”产业能否化危为机、扩量提质、加速崛起?能否迈过“缺芯少魂”被卡脖子这道坎,补上关键核心技术缺失的短板弱项,逆势成长?实现芯片产业从中低端向高端的攀升,实现全产业链的自主可控,我们该如何追赶?

    为什么是芯片

    “当下中美经贸竞争,紧盯科技领域,是世界两大经济体在高科技领域的博弈。而以国家在芯片产业战略部署为代表的中国高科技产业的全面发展和升级,就成了导火索?!币晃怀て诖邮虏嫡哐芯康淖以诮邮堋恫t望》新闻周刊采访时强调,经贸竞争之所以从芯片开始,是因为芯片产业对上下游的带动、拉动作用非常明显,对我国工业整体发展至关重要。

    芯片产业链条很长,包括指令系统架构、设计、制造、封装、测试等主要环节,也涉及上游的半导体设备和材料产业,以及下游的应用行业。作为电子信息产业发展的基础,可以说,半导体材料是芯片的载体,芯片是集成电路的体现形式。在当前语境下,半导体、集成电路、芯片产业指的都是相同的电子信息技术领域。

    芯片是什么?它是内含集成电路的硅片,是采用半导体工艺把多种元件以及元件之间的连线制作在半导体晶圆上的、具有特定功能的电路,是电子产品的基础构件。简单说,芯片是由无数个开、关组成的集成电路,具有计算和逻辑判断的功能。

    从手机到超算、从普通家电到飞机高铁、从大型工程机械设备到卫星导弹核电等,芯片几乎无所不在。如果把电子产品设备比作一个人,那么集成电路芯片就是这个人的心脏。芯片是信息科技迈上新台阶的关键命门。而芯片制造技术更是当今世界最高水平微细加工技术,是全球高科技竞争必争的战略制高点。

    我国是世界第一大电子设备生产国和消费国,生产的家电、手机、电脑、服务器、信息通信设备乃至各类交通工具、医疗设备等产业都需要大量芯片产品。

    美国Gartner公司的数据显示,近年来,全球接近80%的手机是中国生产的,95%的电脑在中国组装生产。从2013年开始,中国连续5年进口的集成电路超过2000亿美元,相当于石油进口额的2倍。

    中国海关统计数据显示,2017年中国进口集成电路总金额为2601.4亿美元,2018年进口集成电路总金额约为3120.6亿美元,集成电路产品是我国进口的单一最大宗商品。而占全部集成电路进口总值接近一半的,是“处理器及控制器”类,其次是存储器、逻辑芯片。随着我国产业转型升级,在工业应用、汽车应用、信息通信、移动互联网、人工智能、医疗应用等新兴行业,集成电路芯片多元化的增长态势日趋明显。

    “有芯片才能制造出各种电子产品和信息系统,没有芯片的支撑,电子信息产业就失去了根基。因为最核心的技术、最基础的支撑都在芯片上面??ㄗ×诵酒?,就很有可能切断中国产业链向顶端延伸的途径,严重迟滞中国产业发展进程,进而影响我国制造业的发展?!鼻笆鲎移兰鬯?,从这个角度讲,得芯片者得天下也非虚言。

    被卡在哪里

    随着5G、人工智能、物联网、车联网等一系列高科技的入市,芯片将更加不可或缺。但缺“芯”的情况却不容乐观,我们究竟被“卡”在哪里?

    今年1月,美国两大智库之一的战略与国际研究中心(CSIS)发表题为《中国对半导体独立的追求》的报告,从美国角度论述了他们对中国发展半导体的看法。

    报告称,尽管进行了40年的投资,中国无法制造出先进的半导体。中国希望“向价值链上游”转移,从将进口零部件组装成最终产品转换到在国内创造先进技术,但芯片和技术进口仍将是未来许多年的常态。如今,中国使用的半导体只有16%是在国内生产的,其中只有一半是由中国企业生产的。中国依赖外国供应商提供先进的芯片。

    “CSIS的报告有一定道理?!币晃徊辉妇呙囊的谧噬钭姨寡?,上世纪八九十年代正是全球半导体产业激烈角逐的时期。我国也实施了“908”“909”工程,希望带动集成电路产业的发展?!暗罢哂捎谏笈奔涔?,企业投产时技术已经大大落后于当时芯片技术的发展;后者则是由于缺乏产业相关配套、没有形成产业生态链,也没能达到预期的发展目标。在政策层面上,支持政策落实效率低,缺乏连续性。诸多因素下,我们在上一轮芯片产业技术竞争中收获甚微?!?/p>

    2006年初国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》,部署了16个重大科技专项,这是国家在战略层面上的前瞻布局。其中前两项就是“核高基”,即核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品,和极大规模集成电路制造装备与成套工艺。

    经过多年的努力,至今已有30多种高端装备和上百种的关键材料研发成功并进入海内外市场,实现了从无到有的突破,填补了产业链空白。

    “我们在核心电子器件关键技术方面也取得了重大突破,技术水平全面提升,与国外的差距由专项启动前的15年以上缩短到5年,一批重大产品,使我国核心电子器件长期依赖进口的‘卡脖子’问题得到缓解?!薄昂烁呋弊ㄏ钭苁?、清华大学微电子学研究所所长魏少军说。

    但“卡脖子”的关键核心技术并没有完全解决。

    根据工业和信息化部的数据,我国境内芯片设计业规模已位居全球第二位,但设计业能力严重不足。

    “主要是卡在EDA软件方面了?!币晃谎芯克目蒲腥嗽背?,EDA(电子设计自动化)软件能帮助设计人员提高电路设计效率,在虚拟世界里反复“试错”、验证,降低开发风险,最终低成本设计出合格产品。他介绍说,国产EDA与国外先进EDA工具相比,设计原理上并无差异,但软件性能上差距不小,主要表现在对先进技术和工艺支持不足,与国外先进EDA工具存在“代差”。比如对只能依靠全自动EDA软件设计和布局布线工具来完成设计的大规模数字电路,国产的EDA软件就难以满足需求。大规模集成电路最先进的设计和生产工艺,都源自美国等国家。

    魏少军直言,国内设计企业主要依靠工艺技术和EDA工具的进步,除了关键IP核的设计能力不足外,大部分缺乏自主定义设计流程的能力,高度依赖国际EDA公司或Foundry给出的参考设计流程,设计方法缺失?!八孀拍Χ赏V?,工艺技术进步放缓,EDA软件的创新迭代也变慢了,这为中国设计企业和EDA公司创造了重要机遇。我们要尽快补上缺失的这一课?!?/p>

    中国工程院院士倪光南也向记者表示,我国芯片设计业整体发展很快,短板也很明显,EDA软件就是芯片的短板,也是工业软件的短板。

    “信息技术的发展和软件有很大的关系。人们常说‘软件定义世界’,这也说明软件的基础性和通用性。它将促进新一代信息技术如人工智能、大数据、5G、机器人、VR/AR等的发展?!蹦吖饽纤?。

    在受访专家看来,当人们寄希望用人工智能、大数据、工业互联网来推动制造业转型升级的时候,“数字化建模和仿真”工具??榛涂攀狡教ú攀撬墓丶煊?,高端的EDA软件才是它的“硬核”。

    据了解,上世纪80年代初,国人对工业软件的认识几乎是零。随着昂贵的IBM大型机、Apolo工作站等计算机硬件的引进,模仿和开发工业软件也提上日程。

    在国家有关部委支持下,我国CAD/CAE(计算机辅助设计/计算机辅助仿真)软件自主研发取得了一定成果。上世纪90年代后,集成电路芯片的复杂程度与日俱增,单个芯片上能集成上亿晶体管,第三代的EDA软件诞生,实现了从行为设计到逻辑网表的自动生成并按照目标优化。

    倪光南认为,作为智能制造的重要基础和核心支撑,工业软件对于推动我国制造业转型升级、实现制造强国具有重要的战略意义?!罢獯蚊拦曰闹撇弥?,工业软件进口也受到了限制,这是一个非常重要的问题。我国最落后的是面向集成电路设计的工业软件。在这方面,亟需我们奋起直追?!?/p>

    除了EDA软件的掣肘,光刻机是我国芯片产业的另一个“软肋”。

    光刻机是集成电路生产制造过程中的核心设备。它就相当于一台投影仪,光就如一把雕刻刀,将精细的线条图案投射于感光板上,但线条的精细程度不能低于光波长的一半。目前,荷兰ASML公司垄断的尖端集成电路光刻机,加工极限为7纳米,国内光刻机装备与ASML公司差距巨大。高精度光刻机也成为国内集成电路制造业的最大痛点。

    另外,在半导体工艺中,直接决定着芯片制程的最核心材料光刻胶,现阶段市场还被日、美企业垄断。国产光刻胶产品与国外先进产品相差三四代,也极易被国外企业“卡脖子”。目前光刻胶国产化进程正在加快,有望逐步降低我国对光刻胶进口的依赖程度。

    如何爬坡过坎

    这是一个最好的时代,这是一个最坏的时代。芯片产业就处在这样一个时代。

    从引进模仿跟随到国产化、自主创新,多年的学习积累使我国的芯片产业在一片杂草丛生之地,搭建起了自己的初步班底。但在发达国家严厉限制下,我国芯片产业如何图存发展?

    中科院微电子所所长叶甜春认为,芯片是信息化时代的基础,软硬件的载体都在芯片里面?!熬拖窆ひ祷贝颐潜匦胍饩龈痔侍?,当下最重要的产品就是芯片,不能让它成为我国信息化发展中的瓶颈?!?/p>

    要做到这一点,叶甜春认为,首先我国集成电路产业从设计材料到装备制造等都要形成自身产业链,形成能够自我良性发展、相互驱动的产业环境。其次是要掌握核心技术,比如工业和基础软件。第三要面向应用领域,从应用到产品定义再到产品制造,应该形成垂直整合。作为基础产业,集成电路产业的发展,对其他行业而言,都是从技术高点向下辐射,是技术的溢出和应用?!八嬲阄夜呒际醪捣⒄剐枨?,并为传统产业转型升级提供解决方案?!?/p>

    中科院院士李国杰强调产业环境对科技发展的重要性,强调国产芯片产业发展需要应用的支撑?!安凡皇褂镁筒荒芊⑾秩钡?,就很难进行有针对性的改进完善,也就很难进步?!?/p>

    “龙芯”处理器负责人、中科院计算所研究员胡伟武感叹,技术是需要迭代的,迭代就得经过市场的检验,“辛苦攻关出来的产品如果不能得到应用,就等于白做?!彼衔?,在内有需求、外受制裁的当下,更应该为国产集成电路营造一个良好的成长空间。

    一位受访的权威专家表示,芯片是典型的全球化布局的行业,没有哪个国家可以包打天下,即便是美国,也需要依托国际分工来发展。我们要始终保持开放的心态,但也要针对过分依赖的一两家国际巨头公司的产品和技术重点布局,全力攻坚,避免陷入完全依赖进口的被动局面。

    他认为,在全球化的价值链中,各国已是“你中有我、我中有你”,我们不必做全产业链的所有环节,但必须要发展自己的特长,有可与别人叫板的东西。只有加强长板,才能解决“卡脖子”问题。建议聚焦国家战略重点,引导企业、社会资本加大研发投入,并由国家提供相应配套政策;同时要战略性调整存量,防止盲目铺摊子。

    要高度重视基础研究的长远重点布局,把重心从以往的技术引进和设备投资转移到人才培养和激励机制上。有人才做基础研究,产业发展才有保障。要建立完善芯片产业重点项目支持对象的遴选标准,对一些市场应用量不大又非常关键的基础器件和软件,应从国家层面布局攻关。要创新芯片研发组织模式,支持产品迭代试错,采用多元政策组合拳积极引导国产芯片替代进口。

    人才最重要

    随着集成电路产业的快速发展,芯片领域人才短缺的问题也日益凸显。

    《中国集成电路产业人才白皮书(2017—2018)》预测,我国集成电路产业人才需求规模约为72万人。截至2017年,我国集成电路产业现有人才约40万人,人才缺口达32万人。

    数据显示,我国集成电路专业领域的应届毕业生人数占毕业生人数2.6%左右,其中仅12%~15%的毕业生进入集成电路行业。2017年我国集成电路专业的高校毕业生达20万人,在本行业就业的不足3万人。而据美国劳工统计局公布的数据,仅2016年美国半导体及电子元件制造业就业人数就有约36万人。

    受访的业内人士认为,待遇不高是主要原因。集成电路行业和泛互联网行业需要的人才有很大部分重合,相比之下,集成电路行业薪资远低于互联网行业。另外,随着近年的发展,芯片人才需求处于供不应求状态,求职者会更倾向于条件好薪资高的企业。

    中科院科技战略咨询研究院专项研究认为,我国现有人才培养机制并不适应芯片产业发展需求。芯片研发需要基础理论扎实的人才,而我国相关专业培养更注重应用领域,如机器学习、数据挖掘等;芯片产业需要高水平的工程型人才,而当下人才培养缺乏和产业界的有效对接,学生普遍缺乏实践能力。

    人才梯队建设也亟待加强。目前,我国芯片产业领军人才缺口严重,尤其是具有10年以上国际研发经验的集成电路设计、制造和材料装备技术领军人才匮乏。而刚毕业的学生进入企业后,至少需要2年的实训才能成长起来。从目前看,我国高教规模虽大,但学科结构、教学模式、内容、教育导向等与社会需求及科技发展相对脱节,这也是我国高等教育人才培养的一个突出问题,亟待从根本上解决。

    受访专家表示,国际芯片产业的竞争,归根到底还是人才的竞争。培育发展芯片人才队伍,是我国发展芯片产业的根本之策。

    专家建议,一方面应积极引进海外留学人员,尤其是学科领军人才,营造良好的人才激励机制,稳定人才队伍;打造开放包容的创业环境,引导鼓励相关领域人员投入到芯片行业。建立大型企业和研究机构的合作机制,打通产学研转化通道,落地技术应用。

    另一方面,高校和科研院所应根据芯片产业特点,加强国内人才培养。尤其是高等教育,应结合国家和科技发展需求,在专业结构设置、教学内容、模式等方面进行重大调整,提升教育质量;对国家急需人才实行“定制式”培养,形成国家需求导向。

    第三,要高度重视职业教育,加大职业教育改革力度,为国家培养急需的高端技术技能人才,助力集成电路产业在全球产业创新链中形成自己的特色。

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    责任编辑: 秦逗
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