當(dāng)下的國際政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境，正處于激烈的調(diào)整期。其中既有地緣政治的因素，也蘊(yùn)含著全球化大分工過程中價值鏈體系的重新定位。作為一個處于持續(xù)發(fā)展、要實(shí)現(xiàn)民族復(fù)興的大國，讓國民過上更好的生活，不斷地向著產(chǎn)業(yè)鏈上游延伸是必然趨勢。在這個過程中，難免會打破現(xiàn)有的市場格局，遭受一定的阻力也是難以避免的。試想，誰會把市場拱手讓人呢？但基于市場競爭的原則，強(qiáng)于其他更激烈的對抗手段。
博眾精工研究院認(rèn)為：激烈對抗手段對中美都不利，中國一直采取和平崛起、平等競爭的方式，但如何通過創(chuàng)新自身的價值，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體行業(yè)的良性競爭，共生共榮——而不是一家壟斷性的獨(dú)大，可能將是接下來相當(dāng)長一段時間內(nèi)中美在半導(dǎo)體行業(yè)的主題。而從商業(yè)競爭看，應(yīng)該秉承“一起做大蛋糕“而非”只切現(xiàn)有蛋糕“的思路，有競爭更能促進(jìn)雙方的共同提升，從而培育更多元和高效的技術(shù)路線、實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用市場，這一點(diǎn)從通信、航空等領(lǐng)域都已得到驗(yàn)證。未來中美在半導(dǎo)體行業(yè)的并駕齊驅(qū)，可能更有利于新一輪工業(yè)革命的智能化和數(shù)字化水平提升。
這對于中國來說，就如新能源汽車一樣，有無可能跳出現(xiàn)有困境，在技術(shù)路線上實(shí)現(xiàn)新的超越呢？
（一）因美國已覺得涉及到了其國家利益，收緊趨勢難以避免；
經(jīng)濟(jì)學(xué)家李斯特在《政治經(jīng)濟(jì)學(xué)的國民經(jīng)濟(jì)體系》里提到“踢開梯子”的說法，講的就是“一個人攀上高峰后，就會把身后的梯子一腳踢開，以免別人跟上來，以此來保證自己的優(yōu)勢”。芯片&半導(dǎo)體行業(yè)起源于美國，美國想要保持自己的優(yōu)勢就要不斷地踹梯子。
1980年代，通過“DRAM制法革新”項(xiàng)目，日本完全超過美國成為半導(dǎo)體行業(yè)的霸主。到了1985年，美國SIA認(rèn)為，如果政府還不迅速采取嚴(yán)厲措施，整個行業(yè)將在與日本的競爭中消亡，美國正式發(fā)起了“第一次芯片戰(zhàn)爭”，通過這次戰(zhàn)爭，1992年，美國本土公司重新奪回了市場份額，在日本的份額也達(dá)到了20%，1993年，美國重新成為世界最大芯片出口國。韓國和臺灣也在此期間，借著美國的扶持而崛起，世界進(jìn)入一國獨(dú)大，多強(qiáng)并存的局面。到了現(xiàn)在，日本雖然還是芯片產(chǎn)業(yè)中的重要玩家，但在全球的份額已經(jīng)只剩下6%。
有了日本的前車之鑒，美國在中國做大之前，就主動掀起了新一輪的“芯片大戰(zhàn)”。美國從 2018年開始，對中國科技企業(yè)和個人實(shí)施一系列的制裁，到2022年3月提出打造“四方芯片聯(lián)盟”，再到8月通過“芯片法案”，該法案計劃為美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，提供高達(dá)527億美元的政府補(bǔ)貼。其中，500億美元被撥給“美國芯片基金”計劃。剩余27億美元，分別是20億美元美國芯片國防基金，5億美元芯片國際科技安全和創(chuàng)新基金，以及2億美元芯片勞動力和教育基金。根據(jù)美國商務(wù)部發(fā)布的信息，“美國芯片基金”計劃旨在振興美國國內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)并激勵創(chuàng)新，同時在美國各地創(chuàng)造高薪工作。
美國商務(wù)部6日發(fā)布的實(shí)施戰(zhàn)略顯示，上述500億美元資金中，約280億美元將用于資助建立先進(jìn)制程芯片的制造和封裝設(shè)施，約100億美元將用于擴(kuò)大在汽車等領(lǐng)域使用的成熟制程芯片制造，另外約110億美元計劃投入到半導(dǎo)體領(lǐng)域研發(fā)之中。通常認(rèn)為，28納米及以下的制程屬于先進(jìn)制程。美國《紐約時報》6日援引雷蒙多的話稱，美國商務(wù)部的目標(biāo)是在明年2月前開始向相關(guān)企業(yè)收集資金申請，并可能在明年春天開始撥款。據(jù)香港《南華早報》報道，雷蒙多表示，申請者必須“以資本投資財務(wù)披露的形式”提供證據(jù)，證明所尋求的資金對于進(jìn)行投資是“絕對必要的”。
值得注意的是，“芯片法案”中包含了“護(hù)欄條款”，即接受資助的公司至少10年內(nèi)不能在中國或其他“令人擔(dān)憂的國家”進(jìn)行新的高科技投資，除非它們生產(chǎn)的是技術(shù)含量較低的成熟制程芯片，只為當(dāng)?shù)厥袌龇?wù)。
美國商務(wù)部部長雷蒙多此前在白宮新聞發(fā)布會上強(qiáng)調(diào)，如果獲得資助的企業(yè)和機(jī)構(gòu)未能履行某些承諾，商務(wù)部將“毫不猶豫地收回資金”。
由于美國芯片法案的核心目的是提振美國芯片產(chǎn)業(yè)，尤其是芯片制造業(yè)，因此政策出臺后受益最大的，當(dāng)屬美國本土的芯片制造工廠，比如英特爾、格芯。大和資本證券指出，在390億美元的晶圓廠補(bǔ)貼中，預(yù)計英特爾將獲得 32%，美光將獲得 31%，德州儀器獲得 14%，三星獲得 13%，臺積電約 10%。受到該法案的影響，美國芯片企業(yè)中的龍頭也紛紛有所動作。
英特爾是其中動作最大的一家企業(yè)，其CEO基辛格更是美國芯片法案積極推動者，曾多次公開場合督促美國國會盡早通過芯片法案。法案落地后，英特爾位于俄亥俄州的晶圓廠再次啟動，計劃依然是200億美元，從這個規(guī)模來看，它將是當(dāng)前全球最大的晶圓廠了。目前intel還在7nm，落后臺積電2代，而按照介紹，英特爾新建的這家晶圓廠，在2025年投入生產(chǎn)時，工藝水平上可以量產(chǎn)20A及18A兩代工藝。20A工藝，就是對應(yīng)的臺積電、三星的2nm，而18A對應(yīng)的是臺積電、三星的1.8nm，也就是18埃米工藝。也就是說，intel計劃在2025年，直接量產(chǎn)2nm，追上臺積電、三星，因?yàn)榕_積電、三星的計劃也是2025年量產(chǎn)2nm芯片的。
其次，像美光這類IDM的公司，也會成為芯片法案第二類受益對象。日前，美光宣布一項(xiàng)400億美元的投資計劃，以促進(jìn)美國國內(nèi)存儲芯片的制造。
最后，與芯片制造相關(guān)的美國設(shè)備公司是法案的第三梯隊(duì)受益群體。這些公司是美國芯片制造能力提升的中流砥柱，隨著美國芯片制造能力的提升，美國半導(dǎo)體設(shè)備將迎來新的發(fā)展浪潮。
而對于美國政府來說，扶持龍頭企業(yè)更容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，加速美國實(shí)現(xiàn)“美國芯”的夢想。同時，美國政府也充當(dāng)了美國芯片制造廠商與設(shè)計廠商的黏合劑，在拜登正式簽署芯片前，高通和格芯宣布，將斥資42億美元擴(kuò)建紐約州北部的一家芯片工廠。從高通給格芯下訂單這事也可以看出，芯片法案可能會推動晶圓代工慢慢轉(zhuǎn)向美國制造，且主要是美國晶圓代工廠。
到10 月 8 日，美國又公布了一系列出口管制新措施，其中包括禁止向中國提供使用美國設(shè)備在世界各地生產(chǎn)的某些芯片等內(nèi)容。美對華發(fā)起的“芯片戰(zhàn)爭”愈演愈烈。
（二）美國本土的人才瓶頸給中國提供了戰(zhàn)略緩沖期。
芯片企業(yè)的投資建廠，無疑會給美國芯片行業(yè)帶來活力，但是工廠建好后，就要面臨一個重大問題，那就是美國缺少足夠的芯片專業(yè)人才。
先前美國半導(dǎo)體協(xié)會和牛津研究院一份報告指出，相比一般科技行業(yè)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對經(jīng)濟(jì)拉動乘數(shù)大概是 6.7，而其他統(tǒng)計行業(yè)中位數(shù)大概是3.7。相當(dāng)于，半導(dǎo)體行業(yè)每雇用一個工人，會間接支撐7個工作崗位。也就是說美國的芯片法案給美國創(chuàng)造了大量就業(yè)崗位。
但是，多年來，隨著美國芯片制造產(chǎn)業(yè)不斷衰落和外移，芯片行業(yè)不再是一個高薪、高美譽(yù)度的行業(yè)。因此，美國優(yōu)秀人才在選擇專業(yè)的時候，會選擇金融、營銷等專業(yè)，而不會選擇電子信息工程、機(jī)械設(shè)計自動化、材料等與芯片相關(guān)的專業(yè)。芯片行業(yè)是一個產(chǎn)業(yè)鏈，美國不僅缺乏與芯片相關(guān)的專業(yè)人才，也缺乏芯片生產(chǎn)上下游的工廠建設(shè)、儀器耗材制造、物流儲運(yùn)相關(guān)領(lǐng)域的人才。
這個問題靠美國政府的補(bǔ)貼無法解決，美國政府的優(yōu)惠、補(bǔ)貼力度再大，在美國依舊很難招到合適的員工。沒有符合要求的勞動力，芯片公司自然不愿意在美國投資設(shè)廠。臺積電、三星在美國的一再壓力下，被迫到美國設(shè)廠，而其現(xiàn)在遇到的最大問題，就是工廠建好了，員工哪里來？臺積電董事長劉德音6月份公開表示，在美國招聘工程師和技術(shù)人員很困難。拜登簽署《芯片法案》之后，白宮發(fā)布新聞稿說該法案給美國創(chuàng)造了大量的就業(yè)機(jī)會。事實(shí)上，就業(yè)機(jī)會是創(chuàng)造出來了，但是美國到底有多少匹配這個機(jī)會的勞動力呢？
就算好不容易招來了專業(yè)對口的員工，很多人的敬業(yè)精神也無法達(dá)到芯片行業(yè)的要求。美國的員工評價網(wǎng)站上曾經(jīng)出現(xiàn)過一篇文章，作者正是臺積電在美國好不容易招來的新員工。他參加新員工培訓(xùn)之后發(fā)現(xiàn)，臺積電的員工每天工作至少10個小時，要上夜班，周末還要輪班，其他時間還要隨時待命。同事告訴他，這就是芯片行業(yè)的日常工作狀態(tài)。這個美國人抱怨，他沒想到要這么拼，工作強(qiáng)度這么大。
在中國近年來的半導(dǎo)體振興政策中，有三個關(guān)鍵詞頻繁出現(xiàn)：產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動發(fā)展、引進(jìn)和培育企業(yè)、公共服務(wù)平臺建設(shè)。這也映射出現(xiàn)今在政治影響下全球芯片行業(yè)割裂、對抗趨勢越來越明顯，地方政府不再僅僅著眼于某一環(huán)節(jié)的支持和趕超，更聚焦于上下游的聯(lián)動發(fā)展與配套建設(shè)，以期提高芯片產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化水平，保障自身的供應(yīng)安全。
當(dāng)下，國家政策和金融投資都已經(jīng)大幅度地向芯片行業(yè)傾斜。所以，芯片產(chǎn)業(yè)鏈上每個環(huán)節(jié)基本上都有人在搞。市場需求方面，中國也是芯片需求量最大的國家。
從整體來看，我國有著眾多的企業(yè)，完整地覆蓋了整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈。在芯片產(chǎn)業(yè)的最上游的EDA軟件方面有華大九天、芯和半導(dǎo)體、鴻芯微納、行芯科技、廣立微等，其中廣立微的EDA軟件覆蓋了集成電路成品率提升領(lǐng)域的全流程，產(chǎn)品已成功應(yīng)用于目前最先進(jìn)的3納米工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，廣立微的客戶涵蓋了三星電子等頭部晶圓廠。
半導(dǎo)體材料方面，有中環(huán)股份、有研新材、興森科技等上市企業(yè)，其中排名第一的中環(huán)股份，陸續(xù)完成包括FZ超高阻、CZ超低阻、CZ超低氧等晶體技術(shù)開發(fā)，及8-12英寸EPI、RTP、Ar-Anneal等晶片加工技術(shù)的開發(fā)。主要產(chǎn)品包括光伏硅片、光伏組件、半導(dǎo)體材料、光伏電站、半導(dǎo)體器件等。
再次，在半導(dǎo)體設(shè)備上面，中國也是全球產(chǎn)業(yè)鏈布局最完整的，從光刻機(jī)到刻蝕機(jī)，到各種設(shè)備，基本上都有生產(chǎn)，比如北方華創(chuàng)、中微公司、拓荊科技、盛美上海等公司
最后就是芯片封測產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)是我國半導(dǎo)體領(lǐng)域優(yōu)勢最為突出的子行業(yè)，在當(dāng)前國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，國產(chǎn)化程度最高、行業(yè)發(fā)展最為成熟。國內(nèi)的幾家封測廠商長電科技、華天科技、通富微電等巨頭都已經(jīng)擠進(jìn)全球前十名。
雖然芯片產(chǎn)業(yè)鏈條已經(jīng)齊全，部分環(huán)節(jié)也十分強(qiáng)勢，但從整體來看還是十分薄弱，國產(chǎn)化替代之路依然漫長。比如，在EDA軟件方面，整體國產(chǎn)化率在10%左右。
在核心的設(shè)備領(lǐng)域，涂膠顯影設(shè)備國產(chǎn)化率1%，光刻機(jī)國產(chǎn)化率1.1%，離子注入設(shè)備國產(chǎn)化率3.1%，過程控制國產(chǎn)化率3.6%，薄膜沉積國產(chǎn)化率5.7%，刻蝕設(shè)備國產(chǎn)化率22%，化學(xué)機(jī)械平坦化國產(chǎn)化率23%，氧化擴(kuò)散/熱處理設(shè)備國產(chǎn)化率28%，清洗設(shè)備國產(chǎn)化率38%，去膠設(shè)備國產(chǎn)化率74%；
芯片設(shè)備國產(chǎn)化替代之所以占比如此低下，一方面是我們在芯片基礎(chǔ)研究方面的積累還不夠，主要是起步實(shí)在太晚，中間還走了不少彎路。
另一方面就是我國綜合的工業(yè)積累跟不上。就比如我們無法造出頂尖的光刻機(jī)。其實(shí)在1980年，我國就造出了國內(nèi)第一臺投影光刻機(jī)。1985年，中科院45所在光刻機(jī)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，研制出分步投影式光刻機(jī)，被認(rèn)定達(dá)到了1978年美國GCA公司推出的光刻機(jī)水準(zhǔn)。當(dāng)時，日后的光刻機(jī)巨頭ASML公司才剛剛誕生。
但因改革開放，國外更先進(jìn)的光刻機(jī)大量涌入，再加上國家經(jīng)費(fèi)的抽離，國產(chǎn)光刻機(jī)的研究陷入停滯狀態(tài)。一直到2016年，上海微電子終于實(shí)現(xiàn)了90nm光刻機(jī)的量產(chǎn)。據(jù)上海微電子披露：有望在2022年交付第一臺28nm工藝國產(chǎn)光刻機(jī)。但就算28nm國產(chǎn)光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，仍然與7nm、5nm仍隔著數(shù)代距離。
所以在芯片設(shè)備國產(chǎn)化，尤其是高端設(shè)備的國產(chǎn)化程度，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到需求，對國外設(shè)備的依賴程度依然很高。
材料領(lǐng)域，半導(dǎo)體材料制造的技術(shù)壁壘很高，由于企業(yè)長期研發(fā)投入和積累不足，我國半導(dǎo)體材料多處于中低端領(lǐng)域。半導(dǎo)體硅片、濕電子化學(xué)品、電子氣體、靶材、光刻膠等材料供應(yīng)仍高度依賴進(jìn)口。
還有，我國目前大部分設(shè)備能夠支持的工藝不是最先進(jìn)的水平，最高可以量產(chǎn)14nm級別的芯片，再高端一些的芯片絕大部分還是要依賴國外，需要進(jìn)口。
這些歸根結(jié)底是國內(nèi)裝備制造業(yè)的發(fā)展跟不上，無法造成芯片產(chǎn)業(yè)所必需的頂尖設(shè)備。20世紀(jì)90年代中期，我國形成了門類齊全、具有相當(dāng)規(guī)模和技術(shù)水平的產(chǎn)業(yè)體系。但時至今日，我國裝備制造業(yè)與國際先進(jìn)水平相比，我國裝備制造技術(shù)依然落后 5~20 年。這種發(fā)展的滯后，已經(jīng)成為掣肘國民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益提高、制約高技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展、制約國防安全的瓶頸。
這主要在于：
第一，國家重視不夠及其戰(zhàn)略的失誤和滯后。 1956 年到 1976 年 20 年間，我國錯過了發(fā)展的黃金期，導(dǎo)致我國裝備制造業(yè)長期落后先進(jìn)國家；
第二、我國裝備制造產(chǎn)業(yè)，一般低水平加工能力和普通機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)能力嚴(yán)重過剩，具有國際先進(jìn)水平的大型成套設(shè)備大部分卻不能制造，許多重大技術(shù)裝備仍然依賴進(jìn)口；
第三、數(shù)控系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)和關(guān)鍵部件是裝備制造業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)。數(shù)控系統(tǒng)是裝備的神經(jīng)系統(tǒng)，代表著裝備的自動化水平。關(guān)鍵部件和基礎(chǔ)元器件落后已經(jīng)成為裝備制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。
第四、自主創(chuàng)新能力薄弱。設(shè)備制造企業(yè)與使用企業(yè)之間缺乏利益聯(lián)結(jié)機(jī)制，除政府重點(diǎn)扶持企業(yè)外，其余處于萎縮狀態(tài)，自主創(chuàng)新能力嚴(yán)重不足。
博眾精工研究院認(rèn)為：想要真正讓中國半導(dǎo)體行業(yè)崛起，必須同步將政策、投資向裝備制造業(yè)傾斜，特別是涉及半導(dǎo)體制造的裝備制造業(yè)傾斜，才能從根本上解決問題。
首先要再次明確的一點(diǎn)，中國要成為制造強(qiáng)國，實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興；而美國要打壓競爭對手保持自己在國際上的地位和優(yōu)勢，二者之間的對抗是必然的。而芯片行業(yè)的發(fā)展，關(guān)乎未來國家科技發(fā)展的方方面面，是二者競爭的主要領(lǐng)域之一。那么，很明顯未來半芯片逆全球化將持續(xù)，甚至?xí)蔀槌B(tài)。芯片行業(yè)將由供需競爭狀態(tài)，轉(zhuǎn)向國家科技競賽狀態(tài)。
硅基芯片方面，有個行業(yè)共識，就是國內(nèi)的芯片產(chǎn)業(yè)在未來很長一段時間都將處于追趕狀態(tài)。那么，要實(shí)現(xiàn)真正的彎道超車，可能需要等待顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)或產(chǎn)業(yè)發(fā)展賽道的切換。
（一）AI技術(shù)機(jī)會
在芯片設(shè)計方面加入AI技術(shù)的應(yīng)用。有業(yè)界專家說，AI技術(shù)會給整個芯片行業(yè)帶來顛覆性變化。如果將AI應(yīng)用于芯片設(shè)計的單個環(huán)節(jié)，能夠把經(jīng)驗(yàn)豐富工程師的積累融入EDA工具中，大幅降低芯片設(shè)計的門檻。如果將AI應(yīng)用于芯片設(shè)計的整個流程，同樣可以利用已有的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計流程，顯著縮短芯片設(shè)計周期的同時，提升芯片性能，降低設(shè)計成本。
在過去的二十多年，在摩爾定律下，芯片設(shè)計主要方向在晶體管的持續(xù)微縮，通過硬件固有架構(gòu)增加算力。而隨著摩爾定律的逐漸失效，AI技術(shù)的不斷成熟，軟硬件聯(lián)合設(shè)計成為新的芯片設(shè)計趨勢。
采用具有AI技術(shù)的EDA工具來設(shè)計芯片，時間肯定會縮短，AI能夠縮短芯片設(shè)計周期的原因并不復(fù)雜，主要是讓AI先通過學(xué)習(xí)，有了知識的累積，在后續(xù)使用的過程中遇到相同或者類似的問題能夠以更快的速度解決問題，所以帶有AI的EDA可以節(jié)省芯片設(shè)計周期幾乎是一個定論。
AI應(yīng)用于EDA有兩種形式，由于芯片設(shè)計是一個很長的復(fù)雜流程，整個過程中可能需要十幾個EDA工具，因此AI既可以應(yīng)用于EDA點(diǎn)工具中來優(yōu)化單個芯片設(shè)計環(huán)節(jié)，也可以用于整個芯片設(shè)計流程的優(yōu)化。
當(dāng)然，將AI與EDA工具融合不僅可以顯著節(jié)省研發(fā)時間，還能帶來芯片性能的提升和設(shè)計成本的降低。而且未來，從芯片的架構(gòu)設(shè)計、制造以及封裝的全流程都極有可能會融入AI技術(shù)。
但需要引起注意的是：AI應(yīng)用的底層支撐也需要芯片行業(yè)做支撐，如何解決雞與蛋互生的矛盾問題？
（二）碳納米管和量子芯片技術(shù)路線
另外一種方式就是換賽道，比如提前布局碳基芯片產(chǎn)業(yè)。用碳納米管制備的碳基芯片的綜合性能可以比硅基集成電路提高成百上千倍，這已成學(xué)界的共識。
碳納米管是1991年由日本科學(xué)家飯島澄男（S.Iijima）發(fā)現(xiàn)的。碳原子按照六角排布，形成一個單原子層，這就是石墨烯。而一個矩形的石墨烯條帶，長邊對接卷成一個卷，就變成碳納米管，直徑一般是一納米左右。碳納米管具有一些奇特的量子效應(yīng)，使其電子學(xué)性能變得非常好，速度快、功耗低，可以說是目前已知材料中，碳納米管是做芯片最好的材料。
北京大學(xué)電子學(xué)院教授彭練矛團(tuán)隊(duì)，從2000年至今，一直從事國產(chǎn)碳基芯片研究。22年來，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了整套碳基芯片技術(shù)，首次制備出性能接近理論極限，柵長僅5納米的碳納米管晶體管，實(shí)現(xiàn)了“從0到1”的突破，為中國芯片突破西方封鎖、開啟自主創(chuàng)新時代開辟了一條嶄新的道路。
首先是突破材料瓶頸，掌握碳納米管制備技術(shù)。經(jīng)過十年的技術(shù)攻堅(jiān)，彭練矛團(tuán)隊(duì)放棄了傳統(tǒng)摻雜工藝，研發(fā)了一整套高性能碳納米管晶體管的無摻雜制備方法。
碳納米管材料非常微小，肉眼不可見。光學(xué)顯微鏡看不到，只能用電子顯微鏡來看，同時，還要操縱它，讓它按照一定秩序排列。彭練矛之前做過大量電子顯微鏡相關(guān)研究，對于觀察和操縱“小東西”有一定經(jīng)驗(yàn)。2017年，團(tuán)隊(duì)首次制備出柵長5納米的碳納米管晶體管，這一世界上迄今最小的高性能晶體管，在本征性能和功耗綜合指標(biāo)上相較最先進(jìn)的硅基器件具有約10倍的綜合優(yōu)勢，性能接近由量子力學(xué)測不準(zhǔn)原理決定的理論極限。
2018年，團(tuán)隊(duì)再次取得重要突破，發(fā)展出新原理的超低功耗狄拉克源晶體管，為超低功耗納米電子學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同年，團(tuán)隊(duì)用高性能的晶體管制備出小規(guī)模集成電路，最高速度達(dá)到5千兆赫茲。
2020年，該團(tuán)隊(duì)首次制備出達(dá)到大規(guī)模碳基集成電路所需的高純、高密碳納米管陣列材料，并采用這種材料首先實(shí)現(xiàn)了性能超越硅基集成電路的碳納米管集成電路，電路頻率超過8千兆赫茲，躋身國際領(lǐng)跑行列。
彭練矛團(tuán)隊(duì)基本掌握了碳納米管集成電路制備技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室已可以采用碳納米管材料制備出一些中等規(guī)模甚至大規(guī)模的集成電路，但要用它做超大規(guī)模集成電路還不行。
要實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模高性能集成電路，首先就需要在大面積的基底上制備出超高半導(dǎo)體純度、順排、高密度和大面積均勻的單壁碳納米管陣列。此外更困難的就是需要有專用的工業(yè)級研發(fā)線，而這樣一條研發(fā)線是其團(tuán)隊(duì)所不具備的。在學(xué)校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，能夠制作出的最復(fù)雜的碳納米管芯片的集成度只有幾千、最多幾十萬個晶體管，尺寸還是微米級的；而當(dāng)下全球最先進(jìn)的硅基芯片中有五百億個晶體管，每個晶體管的面積大小只有100納米左右。
尖端碳基芯片的專用設(shè)計工具同樣缺乏。目前，基于碳納米管的無摻雜CMOS技術(shù)已經(jīng)不存在原理上不可克服的障礙，但僅在實(shí)驗(yàn)室完成存在性驗(yàn)證和可能性研究和演示，并不意味著碳基芯片技術(shù)就可以自行完成技術(shù)落地，具備商業(yè)競爭力。把學(xué)校的技術(shù)變成一個可規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)化技術(shù)，中間還要做很多工作。目前，碳基芯片的工程化和產(chǎn)業(yè)化還有許多問題亟待解決，還需要很長的時間和大量的投入。
但不可否認(rèn)的是，碳基芯片替代硅基芯片是大趨勢，彭練矛表示，在國家重視且科研經(jīng)費(fèi)充足的情況下，預(yù)計3-5年后碳基技術(shù)能夠在一些特殊領(lǐng)域得到小規(guī)模應(yīng)用；預(yù)計10年之后碳基芯片有望隨著產(chǎn)品更迭逐漸成為主流芯片技術(shù)。
而碳基芯片對全球來說都是一條新的道路，目前我國還處于相對領(lǐng)先的位置。所以通過發(fā)展碳基芯片，實(shí)現(xiàn)中國芯的“換道超車”，是很有可能的事情。
其次，量子芯片由于不需要光刻機(jī)，也被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)彎道超車的機(jī)會。這方面，中國也一直處于世界領(lǐng)先水平。
比如，中科院郭光燦院士團(tuán)隊(duì)，2018年2月，制備出世界上最大的三維集成光量子芯片，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體的三量子比特邏輯門操控；2021年6月，該團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)、浙江大學(xué)等研究組進(jìn)行合作，首次成功設(shè)計制備出了“魚叉”形的拓?fù)浞质鹘Y(jié)構(gòu)。
另外，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的合肥本源量子，先后推出的本源6比特超導(dǎo)量子芯片“夸父KFC6-130”和24比特超導(dǎo)量子芯片“夸父KFC24-100”，其保真度以及相干時間等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，都屬于國際一流水平。
2022年2月，國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院QUANTA團(tuán)隊(duì)與軍事科學(xué)院、中山大學(xué)等國內(nèi)外單位共同開發(fā)了新型可編程硅基光量子計算BD6236FM-E2芯片，實(shí)現(xiàn)了解決各種圖像問題的量子算法。 雖然這種新型量子芯片也采用了微納加工工藝，但由于生產(chǎn)原理的不同，它主要將大量的光學(xué)量子設(shè)備集成在一個芯片上。 一旦光量子芯片商業(yè)化成功，對7nm、5nm等工藝技術(shù)的研究將失去原有的意義，芯片制造領(lǐng)域?qū)⑦~出新的里程，突破芯片制造被卡住的困境。
總而言之，不管是碳基芯片還是量子芯片，外界預(yù)估其量產(chǎn)時間都在3-10年之間。而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就要求與碳基芯片、量子芯片配套產(chǎn)業(yè)鏈一定要跟上，這其中裝備制造業(yè)占據(jù)著重要地位。
因?yàn)殡S著芯片材質(zhì)變了，那與之相匹配的設(shè)計軟件、制造工藝、生產(chǎn)設(shè)備等等方面，肯定會有別于硅基芯片。
目前這兩種芯片都還處于實(shí)驗(yàn)室手工加工的階段。真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的制造設(shè)備，還需要各大裝備制造企業(yè)去花費(fèi)大量資源和時間去探索，也需要大量國家政策方面的傾斜和社會資金方面的支持。
但目前在這兩個領(lǐng)域，中國和國外都處于同一起跑線。所以，中國能不能解決卡脖子問題，實(shí)現(xiàn)彎道超車；國外能不能在繼續(xù)限制中國在硅基芯片方面發(fā)展的同時，又在碳基芯片和量子芯片方面繼續(xù)圍堵，都要在未來的三到十年之間，逐見分曉。
博眾精工研究院認(rèn)為：裝備制造是一切產(chǎn)品最終能成品應(yīng)用的關(guān)鍵，這也是切換技術(shù)路線能否成功的重中之重。因此中國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的布局應(yīng)該堅(jiān)持研發(fā)設(shè)計與裝備制造并重的路線，才能實(shí)現(xiàn)真正獨(dú)立的垂直產(chǎn)業(yè)體系和大規(guī)模國產(chǎn)化應(yīng)用。
從中國在航天、通信、高鐵等領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)看，有著巨大國內(nèi)應(yīng)用市場是無可替代的巨大優(yōu)勢，加上有著成千上萬高度敬業(yè)、愿意日夜奮戰(zhàn)的中國技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)制造工程師，只要在技術(shù)路線上選對方向，相信中國半導(dǎo)體行業(yè)在未來的5-10年或?qū)⒛軐?shí)現(xiàn)更獨(dú)立完善的國內(nèi)應(yīng)用，并能在國際市場上擁有一席之地。
（本文作者衛(wèi)龍騰、吉站來自博眾精工研究院）
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