五、半导体
五、半导体篇 ——我国半导体产业的现状和发展前景 电子信息产业已成为当今全球规模最大、发展最迅猛的产业，微电子技术是其中的核 心技术之一（另一个是软件技术）。现代电子信息技术，尤其是计算机和通讯技术发展 的驱动力，来自于半导体元器件的技术突破，每一代更高性能的集成电路的问世，都会 驱动各个信息技术向前跃进，其战略地位与近代工业化时代钢铁工业的地位不相上下。 当前，世界半导体产业仍由美国占据绝对优势地位，日本欧洲紧随其后，韩国和我国 台湾地区也在迅速发展。台湾地区半导体工业已成为世界最大的集成电路代工中心，逐 步形成自己的产业体系。 我国的微电子科技和产业起步在50年代，仅比美国晚几年。计划经济时期，由于体制 的缺陷和其间10年“文革”，拉大了和国际水平的差距。进入80年代，我国面对国内外微 电子技术的巨大反差和国外对我技术封锁，我们没有能够在体制和政策上及时拿出有效 应对措施。国有企业无法适应电子技术的快节奏进步，国家协调组织能力下降，科研体 制改革缓慢，以致1980～1990年代我国自主发展半导体产业的努力未获显著效果。 “市场‘开放’后，集成电路商品从合法、不合法渠道源源涌入，集成电路所服务的终端产 品，以整机或部件散装的形式，也大量流入，但人家确实考虑到微电子的战略核心性质 ，死死卡住生产集成电路的先进设备，不让进口，在迫使我们落后一截，缺乏竞争力的 同时，又时刻瞄准我们科研与生产升级的潜力，把我们的每一次进步扼杀在萌芽状态， 冲垮科技能力，从外部加剧我们生产与科研的脱节，迫使我们不得不深深依赖他们。…… 我们的产业环境又多多少少带有计划色彩，不能很快与国际接轨，其中特别是对微电子 产业发展有重大影响的企业制度、资本市场、税收政策、科研体制等，又不适应市场经 济要求，使得我们在国际竞争中缺乏活力”。[1] 20世纪90年代，我国半导体产业的增长速度达到30%以上，但其规模仅占世界半导体 子产业的1%，仅能满足大陆半导体市场的不足10%。即使“十五”期间各地计划的项目都能 如期实施，到2005年，我国半导体产业在世界上的份额，顶多占到2%～3%。自己的设计 和制造水平和国际先进水平的差距很大，企业规模小、重复分散、缺乏竞争力，基本上 是跨国公司全球竞争战略的附庸，自己的产业体系还没有成形。 我国半导体产业如此落后的现状，使得我国的经济、科技、国防现代化的基础“建筑 在沙滩上”。在世界微电子技术迅猛发展的情况下，我国如不努力追赶，就会在国际竞争 中越来越被动，对我国未来信息产业的升级和市场份额的分配，乃至对整个经济发展， 都可能造成十分不利的影响。形势逼迫我国必须加快这一产业的发展。“十五”计划中， 加快半导体产业的发展被放在重要地位，这是具有重大意义的。 发展中国家要追赶国际高科技产业的步伐，一般都会面临技术、资金、管理、市场的 障碍。高科技的产业化是一个大规模的系统工程，需要科研和产业的紧密结合，以及各 部门的有效协调，而这些都不是单个企业所能跨越得过去的。在市场机制尚未成熟到有 效调动资源的情况下，高层次的组织协调和扶持是必需的。构建具有较高透明度的政策 环境和市场环境。有助于鼓励高科技民营企业进入电路设计业领域，鼓励生产企业走规 模化和面向国内市场自主开发的路子，形成产业群体。 要打破部门界限，整合全国力量，在引进消化吸收的基础上，加快自主创新，掌握自 主知识产权，走出一条创新之路。要重视子人才培养，稳定人才队伍，吸引国外优秀微 电子人才。 在半导体产业发展的目标和途径，以及市场定位、技术路线等方面，需要有战略性的 决策和通盘的政策考虑。政府坚定明确的发展政策，合理的投资融资方式，灵活高效的 企业经营方式和能够鼓励企业和个人的积极性创造性的激励机制，是产业得以成长的必 要条件。 半导体：信息时代的制高点产业 电子信息技术是当代新一轮科技革命的核心，是当今“全球化”和“知识经济”的最重要 物质技术基础。微电子技术又是电子信息技术的核心和基础。我们今天处在一个真正的 技术革命时代，而微电子技术的突飞猛进是这个革命的最基础的组成部分。 微电子技术是在半导体材料上采用微米级线度加工处理的技术。其主体产品集成电路 （也就是半导体器件的主体），构成电子产品的核心硬件。20年前，托夫勒的《第三次浪 潮》预测信息技术革命将深刻改变人类生活，在许多中国人的心目中这还是一个可望不可 及的梦想，但今天梦已经成为现实。正是微电子技术的巨大进步和大规模应用，把人类 带进了信息时代。 半导体是信息时代的基础产业 正如钢铁、机械、电力是大工业时代的基础工业，半导体工业可说是是信息经济时代 的基础工业。 首先，半导体是电子信息整机产品中占据核心地位的部件。当今从世界范围看，GDP 每增长100- 300元，需要10元左右电子工业产值和1元集成电路产值的支持。2000年，全球电子信息 产业贸易总额约1～1.4万亿美元，2005年将达到2.6万亿美元，成为全球第一大产业。所 以美国半导体工业协会称“美国半导体工业是美国经济的倍增器”，韩国称其为“工业粮食 ”。 据有关资料测算，如以单位质量钢筋对GDP的贡献为1计算，小汽车为5，彩电为30，计算 机为1000，集成电路为2000。 半导体的巨大价值还表现在“用高新技术改造传统产业”上。例如，仅对我们全国各行 业的风机、水泵（总耗电量占全国发电量的36%）采用变频技术进行改造，每年的节电量 等于3个葛洲坝电站的发电量，对全国白炽灯的1/18进行节能改造，所节省的电能，相当 于3座大亚湾核电站的发电量。所以有人提出，以半导体产值占GDP的0.5%作为进入信息 化社会的一个指标。 近20 年来，全球电子信息产业迅猛扩张。半导体世界市场容量每5年翻一番。1999年世界半导 体的销售额1570亿美元，2000年已达到1950亿美元。[2] 如此推算，预计2012年，世界半导体产值1万亿美元，支持6- 8万亿美元的电子设备产值，30万亿信息服务业产值（大约等于1997年全世界GDP总值） 。 半导体对国家安全的战略意义 半导体制造技术在美国起步时，首先是用于军事目的。20世纪60年代中期，美国投入大 量人力物力，搞了民兵导弹、阿波罗导航计算机以及W2F飞机数据处理器三大工程，将集 成电路的可靠性提高了100倍，也促进了器件基础（设计、工艺、测试评价、组织管理） 的完善，半导体产业由此跨入大规模生产的门槛。从海湾战争到科索沃战争，所谓“现代 高科技战争”的概念，首先就是信息战、电子战。国家间军事实力的对比，在很大程度上 是系统能力和芯片实力的较量。当今先进国家中，军舰、战车、飞机、导弹和航天器中 集成电路的成本，已分别占总成本的22%，24%，33%，45%，66%。 所以，对于象我们这样的的大国、掌握微电子核心技术就不仅仅是一个经济问题，不 是可有可无，而是维护国家安全所必需。通用电路即使可以靠国际购买，也难以保证安 全，专用电路更只能依靠自己的力量，否则将被别人卡住脖子，没有任何安全感。关键 芯片和软件技术上的过分落后，战时就会变成聋子瞎子。奔腾Ⅲ微处理器被安装了“后门 ”，无密可保，连INTEL自己都承认了，这是众所周知的一个例子。 所以，掌握微电子先进技术，关系到综合国力的提高，关系到国民经济的整体效益和 国家安全。没有自己的半导体产业体系，也不能说掌握了自己的电子信息产业的命脉。 正因为如此，世界各国（包括许多发展中国家和地区）对其高度重视，纷纷制定面向21 世纪的集成电路中长期发展计划，以期争夺未来世界竞争的主动权。 全球化的产业和垂直国际分工 当代半导体产业呈现典型的全球性垂直分工性质。 美国是当今世界微电子技术进步的先驱，以其经济、科技实力和高强度创新机制，稳 居全球领导地位，处于半导体产业链条的顶端。1987- 96年，美国半导体工业年增长率15.7%，3倍于国民经济的增长速度；该国GDP增长部分的 65%以上与微电子技术有关。在微电子技术日新月异的进展中，美、日、欧洲等发达国家 垄断技术的局面，韩国、新加坡和我国台湾半导体制造业在世界上也占有举足轻重的份 额。 1990年代以来，我国台湾省半导体工业的年增长率达到30％，6倍于GDP增长率（5.6 %）。其总产值已占其GDP的5％，成为名副其实的支柱产业。其信息产业规模在1996年即 已达世界第三位。 相比之下，我国大陆近年来半导体集成电路工业占世界份额不到1%，只能满足国内15%左 右的需求；处于国际产业链条的低端，这是我国微电子技术长期落后的集中反映。这种 状态是不能令国人满意的。 国际经济竞争的战略制高点 由于其重要战略地位，半导体产业从来就是发达国家竞相争夺的战略制高点。 延续10年之久的美日半导体贸易战就是著名的案例。日本的半导体产业比美国晚了将 近10年。1970年代，日本政府认定半导体产业的重要战略价值，制定了产业发展政策， 组织官产学研协同搞技术攻关，及时抢占了新一代关键设备这个制高点，瞄准工业控制 和消费类电子这两个市场空档，在国际市场奠定了可与美国比肩的半导体强国地位。 到1980年代末，日本的半导体国际市场份额一度超过了美国，以致1990年的海湾战争 ，美国导弹中的很多核心芯片，都不得不依赖日本货，这使美国人感到，日本半导体芯 片已威胁到美国的产业利益和国家安全。在这种情况下，一贯标榜奉行“自由贸易”、“自 由竞争”原则的美国，毫不犹豫地拿起贸易壁垒和产业政策这两个武器，抵制日货，制定 产业发展战略，用市场保护、税收信贷优惠、政府资助组织企业研发等典型的“通产省” 式手段，大力扶持本国半导体产业。经过大约10年的贸易战，终以美国夺回主动权告终 （当然，美国的“通产省”政策只是美国半导体重新称雄的原因之一，硅谷机制是日本所 缺乏的）。这充分说明即使是在自由度很大的市场经济下，国家的必要干预，对产业发 展也起着不可忽视的作用。 可以说，半导体产业和技术的飞速发展，在很大程度上带有国家间竞争的背景，也是 发达国家对其他后进国家保持技术优势的重要筹码。直到今天，美国可以将部分通用电 路的制造技术转移海外，但始终努力保持CPU等尖端芯片的技术优势。 半导体产业的技术经济特点 半导体的市场竞争性既源于芯片在信息产业中的核心与基础地位，又跟微电子的技术 创新特点和高竞争性有关。微电子技术的不断创新，导致电子系统升级所带来的巨大经 济效益，引发了同行在人才与资金上的剧烈竞争，并因此推动了产业的国际化。 一日千里的微电子技术 目前广泛应用的数字集成电路，是将大量逻辑电路蚀刻在半导体芯片上，电流通过“ 门电路”时以高、低电位实现逻辑运算。 微电子有两个著名定律，即“器件按比例缩小定律”和“摩尔定律”。 “器件按比例缩小原理”。MOS器件的横向纵向尺寸（沟道长、宽度等横向尺寸和栅层 厚度、结深等纵向尺寸）按一定比例K（K- 1.4）缩小，单位面积上的功耗可保持不变；这时器件所占的面积（因而成本）可随之缩 小K2倍，器件性能可提高K3倍。所以器件越小，同样面积芯片可集成更多、更好的器件 ，还降低了器件相对成本。这是摩尔定律的物理基础，也正是这种物理特性，刺激了加 速的技术创新。 摩尔定律指出，芯片集成度每18- 24个月增长一倍，价格不变，或者说器件尺寸每三年缩小K倍，技术整体更新一代。现在 这个规律已经成为全球半导体技术发展指南（roadmap），“这种把技术指标极其到达是 限准确地摆在竞争者面前的规律，就为企业发展提出了一个‘永难喘息’，否则就‘永远停 息’的竞争法则”。[3] 最近30年来，集成电路制造技术经历了10代。1970年，存储器容量只有1K，线宽10微 米。现容量为1G、线宽0.18微米存储器将投入批量生产（2001年）。 1991年，日立公司宣布64M DRAM，在10×20平方毫米的芯片面积上，集成1.4亿只晶体管，集成密度达到70万管/平方 毫米，1.5伏电压，功耗44毫瓦，寻址时间50纳秒。 目前主流加工技术是8英寸硅片，0.25微米线宽。12英寸硅片0.18微米已经批量生产 。据国际权威机构预测，到2014年，半导体芯片加工技术将达到18英寸硅片、0.035微米 特征尺寸（线宽）。当集成电路线宽达到0.1微米及以下，标志着半导体制造技术及器件 、工艺理论随之全面进入纳米领域。硅基芯片的微细加工技术将可能到达极限。届时， 微电子的基础理论、材料技术和加工技术都可能发生革命性的变化。 我国专家预测，21世纪微电子技术的具体发展趋势主要以下三个方面： · 集成电路的特征尺寸将继续缩小，与硅CMOS相关的器件物理、电路结构和材料体系将不 断创新，但由于长期的科研投入，其产业能力和知识积累决...
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