加强半导体基础研究刻不容缓

以半导体为主战场的中美科技战是从芯片产品到基础研究的全方位竞争，没有源头和底层的突破就难以实现超越，没有超越就难以解决“卡脖子”难题。美国通过《芯片与科学法案》统一战线形成合力，国家实验室和研究型大学的大量科研人员已经转向半导体基础研究，意图通过加速半导体创新进一步扩大与我国的领先优势。而我国在1997年取消的半导体物理学科至今仍未恢复，半导体基础研究的重要战略意义还没有达成统一认识。为此，二十届三中全会提出：“教育、科技、人才是中国式现代化的基础性、战略性支撑。必须深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，统筹推进教育科技人才体制机制一体改革，健全新型举国体制，提升国家创新体系整体效能。”

未来十年是解决半导体“卡脖子”难题的黄金战略窗口期

美国在《2022年国家安全战略》的白宫报告中将中国列为其“首要竞争对手”及“最大地缘政治挑战”，明确未来十年是“决定性的十年”。这标志我国已接替俄罗斯（苏联）成为美国的最大战略目标。2023年3月29日，美国众议院415票全票通过一项法案将中国列入发达国家，取消了我国的发展中国家待遇，显示美国两党对华政策高度一致，不会随着总统的更替改变这一战略目标。美国自2018年以来积极推动对我国“脱钩断链”，我国已经从美国的第一大贸易伙伴下降至第四，大批在华美国高科技企业正在撤离。中美之间不但产业链在脱钩，科技创新链也在脱钩中。例如，美国规定获得其能源部和国防部等项目资助的大学教授需获得审批才能来华参加学术交流，我国一位新当选的外籍院士因此不能来华领取院士证书，美国甚至在动议限制获得科学基金会项目资助的学者来华进行学术交流。美国政客一直在寻求出台政策，限制美国大学的科学、技术、工程和数学专业招收中国留学生，美国佛罗里达州率先禁止公立大学招收中国研究生和博士后。作为美国的盟友，日本大学的半导体相关教授职位不再招聘中国籍学者，在日华裔学者所参与申请的半导体相关项目也纷纷被搁置。法国在几年前就对我国停止签发半导体领域的签证，我国留法学生已不能攻读半导体相关学位。

半导体产品涵盖了上千款芯片和近10万种分立器件，全球年产值在6000亿美元左右，支撑了下游年产值几万亿美元的各类电子产品和系统，以及年产值几十万亿美元的软件、互联网、物联网、大数据等数字经济。据统计，1美元的半导体产品拉动了全球100美元的国内生产总值。半导体技术被认为是国民经济社会发展的“卡脖子”关键核心技术。作为美国对我国实施科技战的总纲领，2017年发布的《确保美国在半导体行业长期领导地位》白宫报告指出：“先进的半导体技术更是国防和军队的重要保障，为了维持美国的军事领先优势，美国军方追求拥有潜在对手没有掌握的半导体技术，这使得提升美国半导体竞争力的需求变得更加迫切。”美国曾经使用二十年时间取得了以半导体为关键战场的上一场科技世界大战的胜利。有学者把苏联的失败归咎于其错误地选择了真空电子管而放弃发展半导体，导致美式装备在1991年的海湾战争中凭借半导体技术的巨大优势取得了非对称战争优势。美国为首的多国部队仅以126人阵亡、300余人受伤、12人失踪的轻微代价取得了巨大胜利，而拥有大量最先进苏制武器号称世界第四军事强国的伊拉克，伤亡近10万人、6.2万人被俘、3847辆坦克等所有重型武器被摧毁，直接经济损失达2000亿美元。海湾战争打破了苏制武器的神话，同年底苏联解体。如今，美国同样以半导体为主战场意图让我国重蹈苏联的覆辙。在此历史关键时刻，我们应该清醒地认清团结一切力量打赢以半导体为主战场的科技战。

学科失衡和科研资源错配制约我国科技创新

自2018年美国制裁中兴事件以来，全民都在讨论半导体“卡脖子”问题，从党和国家领导人到普通百姓一致认为必须大力发展半导体科技。特别是，习近平总书记在2020年科学家座谈会上指出：“我国面临的很多‘卡脖子’技术问题，根子是基础理论研究跟不上，源头和底层的东西没有搞清楚。”事实是，半导体物理研究没有得到应有的重视，不但没有恢复1997年取消的半导体物理与器件专业，没有设立半导体物理专项，甚至连研究生名额也没有倾斜。全国唯一的半导体物理领域国家重点实验室半导体超晶格国家重点实验室，在2022年6月份商讨包括4名院士在内的38个博导如何分配20个博士生名额。同期，一个材料科学领域的院士则在要求其178名在读研究生放弃暑假继续做研究。据统计，我国在材料科学领域的论文过去20年呈指数增长，每年发表的论文已经是美国的三倍以上，占我国SCI论文总数的11-12%，而美国在该领域的论文只占其总论文总数的2-3%，日本作为材料大国也只有6%左右。疫情前的2018年，我国化学学会年会的参会人数达到13000人，而同年物理学会年会的参会人数突破历史纪录也只有3400人。这说明，在中国化学研究人员数量是物理的4倍，而美国是1比1。有呼吁称：“基础研究更要应用牵引、突破瓶颈，从经济社会发展和国家安全面临的实际问题中凝练科学问题，弄通‘卡脖子’技术的基础理论和技术原理。”但是，2022年公布的第二轮“双一流”建设名单中，全国有30所以上高校的材料专业入选“双一流”建设，化学22所，物理学8所，集成电路科学1所；与此同时，半导体却连学科也没有。2023年我国研发人员总量为635万人（连续11年位居世界首位），硕士研究生入学人数为130万，博士生入学数量为15万，而美国每年授予的博士学位也仅仅5.5万左右。我们已经无法继续通过增量来实现大的提升，只能通过调结构、提质量、重原创来提升基础研究。

美国国家安全委员会网络和新兴技术政策主任在2022年5月战略与国际研究中心主办的一次活动上发表演讲时称：“在赢得量子计算的竞赛中，美国相对于中国总体上处于有利地位。”其解释是“中国不像我们那样具有广泛的合作关系。”

清华大学吴国盛教授认为实用主义主导了我国科研。在2021年发布的“十四五”规划和2035年远景目标纲要把“集成电路”列为重点攻关科技；而美国参众两院和白宫的报告则把“半导体”作为关键领域，全球最大的集成电路代工企业台积电的英文名字直译是“台湾半导体制造有限公司”，而中文名字则是“台湾积体电路制造有限公司”，实用主义已经刻在中华民族的基因里。在实用主义主导下，人人都在抢显示度高的研究，而显示度低见效慢的没人做。而科技创新链就像一座冰山，浮在水面上显示度高的只占12%。另外，科研团队规模无上限和“肥水不流外人田”的文化观念也是阻碍我国科研广泛合作的一大原因。

在实用主义主导下，我国在创新链自上而下进行布局，比如电子技术、通信技术、人工智能，集成电路，然后才局部往下延伸，越往底层的基础研究越得不到重视，造成学科发展严重不平衡，短期主义制约了国家长期的发展目标。美国半导体研发的特点是自下而上，从半导体物理、材料、结构、器件、电路、架构、算法逐步上升到应用层面，做出产品取得丰厚的利润后再以销售额的20%投入研发，形成良性循环。

路径依赖容易忽视基础研究的创新作用

在2024年5月举行的第26届集成电路制造年会上，半导体行业协会集成电路分会理事长叶甜春在演讲中指出：“我国集成电路产业过去十几年的发展思路，基本是追赶现有技术路径、围绕‘补短板’展开的，在全球化体系中跟随发展，在全产业链环节中找到自己的位置。这固然可以跑得快、少走弯路，但也容易陷入‘路径依赖’，面临技术上的被动局面。”他认为，“路径依赖”才是制约我国集成电路向高端迈进的最大“卡点”，如不能开辟新的赛道，3-5年内则有重回中低端的风险。

虽然我国使用该路径在光伏、固态照明、锂电池、新能源汽车、高铁等高科技产业取得了巨大胜利。但是，这些成功难以在高端半导体芯片产业进行复制：首先，半导体是美国确保要领导的关键核心技术；其次，长且广的半导体产业链难以实现全产业链自主可控；再次，发展了70年的半导体集成电路芯片还在持续创新快速迭代演进中。

《确保美国在半导体行业长期保持领导地位》的白宫报告指出：“全球半导体市场从来没有完全自由过。因为从半导体的发展史来看，基本上都是由政府和学术界推动的，尖端的半导体技术是美国的国防系统和军队实力的重要保证，很多半导体技术的应用被限制在国防安全和主动防御中，这使得半导体成为国家政策紧盯的产业。”半导体产业链长且广：上游包括半导体设备和材料等，中游是芯片设计、制造、封装和测试，下游是各类电子产品，涉及大量材料、化学试剂、特种气体、设备和配件、软件和知识产权模块。中国科学院院士王阳元指出：“半导体产业链上游的任何一种材料、一种设备甚至一个配件都可能成为制约竞争者的手段。”2019年日本限制向韩国出口“氟聚酰亚胺”“光刻胶”和“高纯度氟化氢”3种半导体工艺材料，卡住了韩国半导体行业的“脖子”；最终，在美国的协调下才得以解决。即使半导体的发源地美国也不可能独立解决整个半导体产业链。为此，美国拉拢日本、韩国和中国台湾地区组建半导体四方联盟，随后又与荷兰、日本达成共同限制向我国出口半导体设备的协议，以此提升其半导体供应链安全，同时遏制我国发展高端芯片产业，企图将我国排挤出全球半导体供应链。

路径依赖容易高估市场的力量而低估创新的价值。铜换铝、应变硅技术、高k栅介质层、鳍式场效应晶体管、离子掺杂与缺陷控制等大量半导体基础研究成果，全部汇集在美国三大电子设计自动化公司提供的软件和工艺设计套件里。我国半导体企业通过购买相关软件共享全球半导体基础研究成果，在此基础上进行工艺开发，提升良品率，形成产品，导致我国决策者、政府人员甚至产业界都认为，没有半导体基础研究也可以发展半导体产业。这也导致“卡脖子”问题普遍认为都是工程问题，科学问题少之又少。

但是，2022年美国宣布对我国禁运下一代全环栅晶体管的相关软件，意图阻止我国参与包括芯片设计在内的下一代半导体技术全产业链的竞争，把我国的半导体产业“锁死”在当前的晶体管技术。比利时微电子研究中心作为当前全球先进制程关键推进者，最近也宣布不再保持中立，切断与华为和中芯国际的合作。没有强大的半导体基础研究，在美国的封锁下我国半导体产业的发展将成空中楼阁。

半导体基础研究的重大战略意义

钱学森先生曾感慨：“60年代，我们搞两弹一星，结果得到很多；70年代我们没有搞半导体，结果失去很多。”他在《创建系统学》一书中指出，从现代电子技术发展历史看，先有半导体物理这样的基础科学，后来才发展到了现在了不起的电子技术及工业，以至于出现今天人们所说的“信息社会”。第一次量子革命揭示了量子力学的基本原理，诞生了激光器和晶体管等器件，产生了包括集成电路、光电子器件、传感器、分立器件在内的四大类半导体产业，半导体领域的12项成果获得了9个诺贝尔物理学奖和1个诺贝尔化学奖。

剑桥大学物理系前系主任认为：“工程师不想要新材料，避开物理学家。”在过去半个多世纪，物理学家通过不断引入新材料确保了摩尔定律的延续。如今，芯片制造用到的元素种类已经达到77种。特别是，在上世纪末普遍认为硅芯片的寿命将在21世纪初终结，物理学家提出的应变硅技术实现沟道载流子迁移率的大幅提升，利用高k栅介质层遏制量子隧穿漏电流，这两项技术分别在2003年和2007年被应用于芯片制造，拯救了摩尔定律。

当前，2纳米半导体工艺节点即将实现量产，CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管的源漏间沟道物理长度只剩14纳米，已接近物理极限，“摩尔定律”即将失效。根据国际路线图，如果没有物理上的重大突破，晶体管沟道的物理长度将停滞在12纳米的物理极限尺寸。进入“后摩尔时代”的半导体技术已经从原先单纯追求器件尺寸微缩提升集成密度，扩展到同时追求功能性集成；技术路线按照“延续摩尔”“扩展摩尔”和“超越摩尔”3个不同维度继续演进，急需发展突破性能瓶颈的新材料、新结构、新理论、新器件和新电路，面临众多“没有已知解决方案”的基本物理问题挑战。

在中美科技战和“脱钩断链”的背景下，即使设计或制造出先进芯片也难以打入国际供应链。通过大量投资进行国产化替代，只能实现内循环或拉近与美国的差距，仍然无法改变“我中有你、你中无我”的“卡脖子”困境。唯有在半导体产业链的某些环节实现超越形成反制才能达到战略平衡。受限于摩尔定律面接近物理极限瓶颈，先进芯片制程的推进步伐变缓，如果我们能够在半导体物理源头率先突破瓶颈，就能制造出性能领先的芯片，而且可以通过建立专利壁垒形成反制。例如，当前绝大部分高端芯片所使用的晶体管技术共有上万件专利，部分核心专利来自半导体物理基础研究成果，而且这些成果不依赖EUV（极紫外辐射）光刻机等最先进的半导体制造设备。因此，即使在受限的情况下，通过大力加强半导体基础研究，围绕下一代晶体管的材料、器件、工艺等在欧洲和美国布局大量专利，就可以在芯片制造这个全球半导体产业链的“咽喉”部位设置“关卡”，形成反制手段，有望解决半导体关键核心技术“卡脖子”难题。习近平总书记也多次指出加强基础研究解决“卡脖子”难题的战略方针。