“中國芯”何去何從

孫媛媛

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

接受《小康》雜志、中國小康網專訪時，張國和教授表示，對于集成電路行業，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、設計、EDA、封裝測試等多方面及其配套環節的產業鏈建設。

國產芯片正“低調地前行”

《小康》·中國小康網：在這新一輪的技術變革當中，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；按照半導體材料，可分為硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化硅等；按照應用場景可分為數據中心級別芯片、消費類產品級別芯片、工業類產品級別芯片、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、企業的研究也逐步登上了引領技術發展的位置。一般，民眾關注的“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，這一類屬于數字類的計算芯片，還有一些高性能的模擬、數模混合的芯片?？偟膩碇v，中國芯片的研究落后于西方國家，但也有一些領域是并行，甚至是領先的。

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

張國和：一顆芯片產品的采用，需要經過嚴格的測試驗證、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，比如行業標準認證、生態鏈、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。當時的PC經常藍屏，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操作系統進行了綁定。通過與操作系統的軟硬件協調開發，Intel的CPU在與同時期其他同類產品的競爭中勝出，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或CPU推出，填補了前面的技術漏洞，增加了新功能，激發了民眾的購買熱情，如此催生了持續且龐大的全球市場，強有力的市場支撐反哺研發，形成了良性循環，這是追趕者通過單純的研發投入所難以實現的，需要我們冷靜認識客觀情況。

因此，我國芯片產業在手機、電腦領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。在商用領域，一個對標市場已有的新品牌產品推出，首先需要產品功能性能勝出，才有可能被采用，后面還需要產業鏈支持、市場團隊的努力。對于新產品而言，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。

任何偉大的設計師或芯片從業者，都不敢說從0開始設計一款芯片就能夠去取代原有的成熟產品。當然，我國在此領域不斷取得了進步，推出了很多同類產品，比如龍芯、麒麟，但因為種種因素，發展一直受到制約。我國實際上很早也開始了自主研發操作系統，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，甚至一些方面已經勝出，在5G通信芯片技術層面已經處在領先行列。但是中美貿易戰之后，它的芯片生產就被限制了，能設計出來但是制造不了。

芯片種類非常多，各個領域加起來應該超過了10萬種，如果都要突破的話，那就需要龐大的市場和工業體系來支撐。從個人觀點來看，中美貿易戰應該是我國芯片產業發展的一個機遇，也讓我們國家很多整機、系統廠商堅定了試用國產芯片的決心。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鏈體系，我相信再經過幾年的市場迭代，肯定能夠擺脫現在這種受制于人的局面。

打造芯片生態鏈體系需要時間積累

《小康》·中國小康網：我國芯片企業面臨了哪些不利環境？

張國和：第一，芯片的應用層面，也就是芯片生態鏈的建設問題?？梢哉f整個國際的應用生態鏈其實一直對我國企業都是不友好的。一旦生態不利好的話，想發展起來很困難，特別是加入WTO之后，企業必須和國際巨頭們去競爭，盡管如此，以華為為代表的一些高新技術企業，在艱難求存的時候也在逐步發展起來。中美貿易戰也證明了我國的發展戰略其實很對路，如果沒有對對方產生威脅的話，他們也不會頻繁打壓。相關領域國家也在布局，把短板補起來慢慢發展，生態鏈是關鍵。

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

第三，競爭激烈的市場環境。產品競爭層面，在芯片領域，第一名獲取豐厚利潤，第二名、第三名則生存困難，非常殘酷。同類產品即使研制出來了，量產或良品率過低，導致成本過高，同樣也難。舉個例子，數字電視近些年的市場價格變動，民眾應該可以感受到，2013年以前，電視是比較貴的，現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數字電視芯片和LED屏。很多國產芯片從0到1投入研發，成本很高。我們同類產品出來了，但是投放市場難度還是很大，簡單講個價格戰的例子：海外公司的同類芯片已經在市場上投放了很多年，已經獲取了巨額的市場利潤支撐，其成本也要低得多，等我們芯片產品出來后，他們的產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，或者資本市場競爭的時候，還是否具有優勢？這也是近兩年很多芯片企業遇冷的原因，面臨激烈的競爭，尚處于被動地位。

第四，同行業相互之間的競爭?，F在國產化增多，做同類產品的公司也比較多，不僅要面臨海外企業的壓制，也要面臨國內同行的競爭。后者可以促進企業進步，是個好現象。

第五，后備人才體系的建設。人才培養是國家發展的重中之重。長期以來，我國制造業主要依靠人口紅利，這也意味著對人才的不重視，待遇低，人才的智慧產出不能夠得到正確衡量，導致優秀人才外流，企業發展缺乏動力。人才培養是核心環節，是整個未來科技發展的源動力。因此，國家需要更大力度實施“微電子人才培養和引進工程”，以最大的力度吸引國內外優秀的微電子技術和管理人才，尤其是事業有成的國外留學生；制訂出優惠政策，扭轉微電子人才大量外流的趨勢；依據微電子工程特色及落后于人的現狀，制訂特色的人才培養計劃，繼續在重點高校擴大微電子學科人才培養規模，培養出一批微電子材料制備、設備研制、工藝開發、設計和系統應用人才。

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，尋找新方向

《小康》·中國小康網：當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，而研究生是動態的，培養兩到三年，碩士生就畢業了，博士生也差不多四年畢業。人員的流動對于參與國家的一些重大工程任務，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水平，近年芯片行業很熱，就業很好，對于剛畢業的碩士研究生，企業給的薪水待遇就比我本人的都高。所以，對于熱門行業，高校很難留住高技術人才，各級校領導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部的實體名單，直接去流片，對方會拒接。近年來，由于產能問題，這也給我們做研發性質的芯片帶來了很多困難。當然我們通過合作企業得到了一些援助，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點，所需費用從幾十萬到幾百萬甚至上千萬，對于靠科研經費支持的研究來講，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展，培養不了相應的高水平后備人才。美國的大學都有政府牽頭組織的代工企業給予的免費shuttle，可以搭班車去流片，所以也希望國家或者企業能夠給科研單位更多支持。

《小康》·中國小康網：后摩爾時代，集成電路技術發展有哪些方向和建議？

張國和：這個問題很有挑戰，由于集成電路技術涉及很廣，延續摩爾定律（More?Moore）和超越摩爾定律（More?than?Moore）是其發展的兩個重要方向。一個就是延續摩爾定律，研究基于硅基工藝的新器件結構和工藝制程，繼續往3納米以下工藝節點走，解決納米尺度器件面臨的短溝道效應、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，發展在單個芯片上的異質集成技術、系統封裝技術、3D集成、Chiplet技術等。另外，量子器件、自旋器件、神經形態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展的重要方向。

國家把集成電路定義為交叉學科，因此從產業角度來看，集成電路發展可以與其他行業深度結合，比如跟生物醫療行業去結合，再比如跟汽車行業、儲能行業等，持續深入推進芯片在各行業的深度融合發展。

《小康》·中國小康網：如今我國不僅僅是芯片制造，而是整個芯片產業鏈都需要突破，急需關鍵技術人才。請簡單介紹一下目前西安交通大學微電子學院這方面的人才培養機制和進展。

張國和：西安交通大學微電子學院是在西安交通大學1959年成立的以半導體物理為主要研究方向的“應用物理”專業基礎上發展起來的，是國內最早從事半導體技術研究和人才培養的單位之一。

與“集成電路科學與工程”密切相關的“微電子學與固體電子學”專業是國家重點二級學科、“211工程”建設學科、“985工程”建設學科，具有碩士和博士學位授予權，建有博士后流動站。

2022年7月，國務院學位委員會批準我校成立“集成電路科學與工程”博士學位授權一級學科。因此，微電子學院現有電子科學與技術和集成電路科學與工程一級學科博士、碩士學位授權點，電子信息專業學位博士、碩士學位授權點和2個本科專業，電子科學與技術一級學科設有博士后流動站。2個本科專業微電子科學與工程和集成電路設計與集成系統入選首批國家級一流本科專業建設點，均為國家質量工程建設特色專業和陜西省名牌專業。

西安交通大學微電子學院借助已有的多個平臺，目前學科建設和發展已經取得了顯著的成果和突出的階段性成績。學校先后雙聘2位、引進4位微電子領域的院士和國家領軍專家，投入約1.4億元資金用于學科發展和建設，形成了一支以院士和領軍學者專家為學科帶頭人、以中青年專業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體系和穩定的產學研基地，培養了一批高素質的集成電路領域專業人才。

學院目前每年招收微電子科學與工程專業本科生130人，微電子與固體電子學學術碩士和集成電路工程碩士研究生規模均為130人，電子科學與技術和集成電路科學與工程博士生25人，工程博士5人。

西安交通大學建設集成電路科學與工程一級學科符合國家戰略要求和學科建設需求，與學校辦學方向一致。在集成電路領域已經擁有高素質的教學與科研隊伍、一流的支撐條件，擁有建設集成電路科學與工程一級學科的基礎，課程體系完善，研究生培養方案合理、可行，各方面資源滿足培養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的長期高速發展，圍繞集成電路一級學科建設，學校和學院將制定全新的人才培養方案與課程體系，針對從半導體材料、器件，到芯片設計和制造工藝，再到封裝、測試和系統應用的戰略性新興學科的學科定位，建設集成電路科學與工程一級學科，把分散在原有學科的集成電路知識體系化和系統化，打破常規學科建設模式，構建注重基礎知識、創新能力和綜合素質為核心的學科建設體系，解決產業核心技術問題，培養產業急需的創新型領軍人才。