加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究刻不容緩

以半導(dǎo)體為主戰(zhàn)場的中美科技戰(zhàn)是從芯片產(chǎn)品到基礎(chǔ)研究的全方位競爭，沒有源頭和底層的突破就難以實(shí)現(xiàn)超越，沒有超越就難以解決“卡脖子”難題。美國通過《芯片與科學(xué)法案》統(tǒng)一戰(zhàn)線形成合力，國家實(shí)驗(yàn)室和研究型大學(xué)的大量科研人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究，意圖通過加速半導(dǎo)體創(chuàng)新進(jìn)一步擴(kuò)大與我國的領(lǐng)先優(yōu)勢。而我國在1997年取消的半導(dǎo)體物理學(xué)科至今仍未恢復(fù)，半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的重要戰(zhàn)略意義還沒有達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識。為此，二十屆三中全會提出：“教育、科技、人才是中國式現(xiàn)代化的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，統(tǒng)籌推進(jìn)教育科技人才體制機(jī)制一體改革，健全新型舉國體制，提升國家創(chuàng)新體系整體效能。”

未來十年是解決半導(dǎo)體“卡脖子”難題的黃金戰(zhàn)略窗口期

美國在《2022年國家安全戰(zhàn)略》的白宮報(bào)告中將中國列為其“首要競爭對手”及“最大地緣政治挑戰(zhàn)”，明確未來十年是“決定性的十年”。這標(biāo)志我國已接替俄羅斯（蘇聯(lián)）成為美國的最大戰(zhàn)略目標(biāo)。2023年3月29日，美國眾議院415票全票通過一項(xiàng)法案將中國列入發(fā)達(dá)國家，取消了我國的發(fā)展中國家待遇，顯示美國兩黨對華政策高度一致，不會隨著總統(tǒng)的更替改變這一戰(zhàn)略目標(biāo)。美國自2018年以來積極推動(dòng)對我國“脫鉤斷鏈”，我國已經(jīng)從美國的第一大貿(mào)易伙伴下降至第四，大批在華美國高科技企業(yè)正在撤離。中美之間不但產(chǎn)業(yè)鏈在脫鉤，科技創(chuàng)新鏈也在脫鉤中。例如，美國規(guī)定獲得其能源部和國防部等項(xiàng)目資助的大學(xué)教授需獲得審批才能來華參加學(xué)術(shù)交流，我國一位新當(dāng)選的外籍院士因此不能來華領(lǐng)取院士證書，美國甚至在動(dòng)議限制獲得科學(xué)基金會項(xiàng)目資助的學(xué)者來華進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。美國政客一直在尋求出臺政策，限制美國大學(xué)的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)專業(yè)招收中國留學(xué)生，美國佛羅里達(dá)州率先禁止公立大學(xué)招收中國研究生和博士后。作為美國的盟友，日本大學(xué)的半導(dǎo)體相關(guān)教授職位不再招聘中國籍學(xué)者，在日華裔學(xué)者所參與申請的半導(dǎo)體相關(guān)項(xiàng)目也紛紛被擱置。法國在幾年前就對我國停止簽發(fā)半導(dǎo)體領(lǐng)域的簽證，我國留法學(xué)生已不能攻讀半導(dǎo)體相關(guān)學(xué)位。

半導(dǎo)體產(chǎn)品涵蓋了上千款芯片和近10萬種分立器件，全球年產(chǎn)值在6000億美元左右，支撐了下游年產(chǎn)值幾萬億美元的各類電子產(chǎn)品和系統(tǒng)，以及年產(chǎn)值幾十萬億美元的軟件、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等數(shù)字經(jīng)濟(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1美元的半導(dǎo)體產(chǎn)品拉動(dòng)了全球100美元的國內(nèi)生產(chǎn)總值。半導(dǎo)體技術(shù)被認(rèn)為是國民經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)。作為美國對我國實(shí)施科技戰(zhàn)的總綱領(lǐng)，2017年發(fā)布的《確保美國在半導(dǎo)體行業(yè)長期領(lǐng)導(dǎo)地位》白宮報(bào)告指出：“先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)更是國防和軍隊(duì)的重要保障，為了維持美國的軍事領(lǐng)先優(yōu)勢，美國軍方追求擁有潛在對手沒有掌握的半導(dǎo)體技術(shù)，這使得提升美國半導(dǎo)體競爭力的需求變得更加迫切。”美國曾經(jīng)使用二十年時(shí)間取得了以半導(dǎo)體為關(guān)鍵戰(zhàn)場的上一場科技世界大戰(zhàn)的勝利。有學(xué)者把蘇聯(lián)的失敗歸咎于其錯(cuò)誤地選擇了真空電子管而放棄發(fā)展半導(dǎo)體，導(dǎo)致美式裝備在1991年的海灣戰(zhàn)爭中憑借半導(dǎo)體技術(shù)的巨大優(yōu)勢取得了非對稱戰(zhàn)爭優(yōu)勢。美國為首的多國部隊(duì)僅以126人陣亡、300余人受傷、12人失蹤的輕微代價(jià)取得了巨大勝利，而擁有大量最先進(jìn)蘇制武器號稱世界第四軍事強(qiáng)國的伊拉克，傷亡近10萬人、6.2萬人被俘、3847輛坦克等所有重型武器被摧毀，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2000億美元。海灣戰(zhàn)爭打破了蘇制武器的神話，同年底蘇聯(lián)解體。如今，美國同樣以半導(dǎo)體為主戰(zhàn)場意圖讓我國重蹈蘇聯(lián)的覆轍。在此歷史關(guān)鍵時(shí)刻，我們應(yīng)該清醒地認(rèn)清團(tuán)結(jié)一切力量打贏以半導(dǎo)體為主戰(zhàn)場的科技戰(zhàn)。

學(xué)科失衡和科研資源錯(cuò)配制約我國科技創(chuàng)新

自2018年美國制裁中興事件以來，全民都在討論半導(dǎo)體“卡脖子”問題，從黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人到普通百姓一致認(rèn)為必須大力發(fā)展半導(dǎo)體科技。特別是，習(xí)近平總書記在2020年科學(xué)家座談會上指出：“我國面臨的很多‘卡脖子’技術(shù)問題，根子是基礎(chǔ)理論研究跟不上，源頭和底層的東西沒有搞清楚。”事實(shí)是，半導(dǎo)體物理研究沒有得到應(yīng)有的重視，不但沒有恢復(fù)1997年取消的半導(dǎo)體物理與器件專業(yè)，沒有設(shè)立半導(dǎo)體物理專項(xiàng)，甚至連研究生名額也沒有傾斜。全國唯一的半導(dǎo)體物理領(lǐng)域國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在2022年6月份商討包括4名院士在內(nèi)的38個(gè)博導(dǎo)如何分配20個(gè)博士生名額。同期，一個(gè)材料科學(xué)領(lǐng)域的院士則在要求其178名在讀研究生放棄暑假繼續(xù)做研究。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在材料科學(xué)領(lǐng)域的論文過去20年呈指數(shù)增長，每年發(fā)表的論文已經(jīng)是美國的三倍以上，占我國SCI論文總數(shù)的11-12%，而美國在該領(lǐng)域的論文只占其總論文總數(shù)的2-3%，日本作為材料大國也只有6%左右。疫情前的2018年，我國化學(xué)學(xué)會年會的參會人數(shù)達(dá)到13000人，而同年物理學(xué)會年會的參會人數(shù)突破歷史紀(jì)錄也只有3400人。這說明，在中國化學(xué)研究人員數(shù)量是物理的4倍，而美國是1比1。有呼吁稱：“基礎(chǔ)研究更要應(yīng)用牽引、突破瓶頸，從經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國家安全面臨的實(shí)際問題中凝練科學(xué)問題，弄通‘卡脖子’技術(shù)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)原理。”但是，2022年公布的第二輪“雙一流”建設(shè)名單中，全國有30所以上高校的材料專業(yè)入選“雙一流”建設(shè)，化學(xué)22所，物理學(xué)8所，集成電路科學(xué)1所；與此同時(shí)，半導(dǎo)體卻連學(xué)科也沒有。2023年我國研發(fā)人員總量為635萬人（連續(xù)11年位居世界首位），碩士研究生入學(xué)人數(shù)為130萬，博士生入學(xué)數(shù)量為15萬，而美國每年授予的博士學(xué)位也僅僅5.5萬左右。我們已經(jīng)無法繼續(xù)通過增量來實(shí)現(xiàn)大的提升，只能通過調(diào)結(jié)構(gòu)、提質(zhì)量、重原創(chuàng)來提升基礎(chǔ)研究。

美國國家安全委員會網(wǎng)絡(luò)和新興技術(shù)政策主任在2022年5月戰(zhàn)略與國際研究中心主辦的一次活動(dòng)上發(fā)表演講時(shí)稱：“在贏得量子計(jì)算的競賽中，美國相對于中國總體上處于有利地位。”其解釋是“中國不像我們那樣具有廣泛的合作關(guān)系。”

清華大學(xué)吳國盛教授認(rèn)為實(shí)用主義主導(dǎo)了我國科研。在2021年發(fā)布的“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要把“集成電路”列為重點(diǎn)攻關(guān)科技；而美國參眾兩院和白宮的報(bào)告則把“半導(dǎo)體”作為關(guān)鍵領(lǐng)域，全球最大的集成電路代工企業(yè)臺積電的英文名字直譯是“臺灣半導(dǎo)體制造有限公司”，而中文名字則是“臺灣積體電路制造有限公司”，實(shí)用主義已經(jīng)刻在中華民族的基因里。在實(shí)用主義主導(dǎo)下，人人都在搶顯示度高的研究，而顯示度低見效慢的沒人做。而科技創(chuàng)新鏈就像一座冰山，浮在水面上顯示度高的只占12%。另外，科研團(tuán)隊(duì)規(guī)模無上限和“肥水不流外人田”的文化觀念也是阻礙我國科研廣泛合作的一大原因。

在實(shí)用主義主導(dǎo)下，我國在創(chuàng)新鏈自上而下進(jìn)行布局，比如電子技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能，集成電路，然后才局部往下延伸，越往底層的基礎(chǔ)研究越得不到重視，造成學(xué)科發(fā)展嚴(yán)重不平衡，短期主義制約了國家長期的發(fā)展目標(biāo)。美國半導(dǎo)體研發(fā)的特點(diǎn)是自下而上，從半導(dǎo)體物理、材料、結(jié)構(gòu)、器件、電路、架構(gòu)、算法逐步上升到應(yīng)用層面，做出產(chǎn)品取得豐厚的利潤后再以銷售額的20%投入研發(fā)，形成良性循環(huán)。

路徑依賴容易忽視基礎(chǔ)研究的創(chuàng)新作用

在2024年5月舉行的第26屆集成電路制造年會上，半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會集成電路分會理事長葉甜春在演講中指出：“我國集成電路產(chǎn)業(yè)過去十幾年的發(fā)展思路，基本是追趕現(xiàn)有技術(shù)路徑、圍繞‘補(bǔ)短板’展開的，在全球化體系中跟隨發(fā)展，在全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)中找到自己的位置。這固然可以跑得快、少走彎路，但也容易陷入‘路徑依賴’，面臨技術(shù)上的被動(dòng)局面。”他認(rèn)為，“路徑依賴”才是制約我國集成電路向高端邁進(jìn)的最大“卡點(diǎn)”，如不能開辟新的賽道，3-5年內(nèi)則有重回中低端的風(fēng)險(xiǎn)。

雖然我國使用該路徑在光伏、固態(tài)照明、鋰電池、新能源汽車、高鐵等高科技產(chǎn)業(yè)取得了巨大勝利。但是，這些成功難以在高端半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)行復(fù)制：首先，半導(dǎo)體是美國確保要領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)鍵核心技術(shù)；其次，長且廣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈難以實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控；再次，發(fā)展了70年的半導(dǎo)體集成電路芯片還在持續(xù)創(chuàng)新快速迭代演進(jìn)中。

《確保美國在半導(dǎo)體行業(yè)長期保持領(lǐng)導(dǎo)地位》的白宮報(bào)告指出：“全球半導(dǎo)體市場從來沒有完全自由過。因?yàn)閺陌雽?dǎo)體的發(fā)展史來看，基本上都是由政府和學(xué)術(shù)界推動(dòng)的，尖端的半導(dǎo)體技術(shù)是美國的國防系統(tǒng)和軍隊(duì)實(shí)力的重要保證，很多半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用被限制在國防安全和主動(dòng)防御中，這使得半導(dǎo)體成為國家政策緊盯的產(chǎn)業(yè)。”半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈長且廣：上游包括半導(dǎo)體設(shè)備和材料等，中游是芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試，下游是各類電子產(chǎn)品，涉及大量材料、化學(xué)試劑、特種氣體、設(shè)備和配件、軟件和知識產(chǎn)權(quán)模塊。中國科學(xué)院院士王陽元指出：“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游的任何一種材料、一種設(shè)備甚至一個(gè)配件都可能成為制約競爭者的手段。”2019年日本限制向韓國出口“氟聚酰亞胺”“光刻膠”和“高純度氟化氫”3種半導(dǎo)體工藝材料，卡住了韓國半導(dǎo)體行業(yè)的“脖子”；最終，在美國的協(xié)調(diào)下才得以解決。即使半導(dǎo)體的發(fā)源地美國也不可能獨(dú)立解決整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈。為此，美國拉攏日本、韓國和中國臺灣地區(qū)組建半導(dǎo)體四方聯(lián)盟，隨后又與荷蘭、日本達(dá)成共同限制向我國出口半導(dǎo)體設(shè)備的協(xié)議，以此提升其半導(dǎo)體供應(yīng)鏈安全，同時(shí)遏制我國發(fā)展高端芯片產(chǎn)業(yè)，企圖將我國排擠出全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈。

路徑依賴容易高估市場的力量而低估創(chuàng)新的價(jià)值。銅換鋁、應(yīng)變硅技術(shù)、高k柵介質(zhì)層、鰭式場效應(yīng)晶體管、離子摻雜與缺陷控制等大量半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究成果，全部匯集在美國三大電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司提供的軟件和工藝設(shè)計(jì)套件里。我國半導(dǎo)體企業(yè)通過購買相關(guān)軟件共享全球半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究成果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝開發(fā)，提升良品率，形成產(chǎn)品，導(dǎo)致我國決策者、政府人員甚至產(chǎn)業(yè)界都認(rèn)為，沒有半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究也可以發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。這也導(dǎo)致“卡脖子”問題普遍認(rèn)為都是工程問題，科學(xué)問題少之又少。

但是，2022年美國宣布對我國禁運(yùn)下一代全環(huán)柵晶體管的相關(guān)軟件，意圖阻止我國參與包括芯片設(shè)計(jì)在內(nèi)的下一代半導(dǎo)體技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈的競爭，把我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“鎖死”在當(dāng)前的晶體管技術(shù)。比利時(shí)微電子研究中心作為當(dāng)前全球先進(jìn)制程關(guān)鍵推進(jìn)者，最近也宣布不再保持中立，切斷與華為和中芯國際的合作。沒有強(qiáng)大的半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究，在美國的封鎖下我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將成空中樓閣。

半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的重大戰(zhàn)略意義

錢學(xué)森先生曾感慨：“60年代，我們搞兩彈一星，結(jié)果得到很多；70年代我們沒有搞半導(dǎo)體，結(jié)果失去很多。”他在《創(chuàng)建系統(tǒng)學(xué)》一書中指出，從現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展歷史看，先有半導(dǎo)體物理這樣的基礎(chǔ)科學(xué)，后來才發(fā)展到了現(xiàn)在了不起的電子技術(shù)及工業(yè)，以至于出現(xiàn)今天人們所說的“信息社會”。第一次量子革命揭示了量子力學(xué)的基本原理，誕生了激光器和晶體管等器件，產(chǎn)生了包括集成電路、光電子器件、傳感器、分立器件在內(nèi)的四大類半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)體領(lǐng)域的12項(xiàng)成果獲得了9個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和1個(gè)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

劍橋大學(xué)物理系前系主任認(rèn)為：“工程師不想要新材料，避開物理學(xué)家。”在過去半個(gè)多世紀(jì)，物理學(xué)家通過不斷引入新材料確保了摩爾定律的延續(xù)。如今，芯片制造用到的元素種類已經(jīng)達(dá)到77種。特別是，在上世紀(jì)末普遍認(rèn)為硅芯片的壽命將在21世紀(jì)初終結(jié)，物理學(xué)家提出的應(yīng)變硅技術(shù)實(shí)現(xiàn)溝道載流子遷移率的大幅提升，利用高k柵介質(zhì)層遏制量子隧穿漏電流，這兩項(xiàng)技術(shù)分別在2003年和2007年被應(yīng)用于芯片制造，拯救了摩爾定律。

當(dāng)前，2納米半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)即將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）晶體管的源漏間溝道物理長度只剩14納米，已接近物理極限，“摩爾定律”即將失效。根據(jù)國際路線圖，如果沒有物理上的重大突破，晶體管溝道的物理長度將停滯在12納米的物理極限尺寸。進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”的半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)從原先單純追求器件尺寸微縮提升集成密度，擴(kuò)展到同時(shí)追求功能性集成；技術(shù)路線按照“延續(xù)摩爾”“擴(kuò)展摩爾”和“超越摩爾”3個(gè)不同維度繼續(xù)演進(jìn)，急需發(fā)展突破性能瓶頸的新材料、新結(jié)構(gòu)、新理論、新器件和新電路，面臨眾多“沒有已知解決方案”的基本物理問題挑戰(zhàn)。

在中美科技戰(zhàn)和“脫鉤斷鏈”的背景下，即使設(shè)計(jì)或制造出先進(jìn)芯片也難以打入國際供應(yīng)鏈。通過大量投資進(jìn)行國產(chǎn)化替代，只能實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)或拉近與美國的差距，仍然無法改變“我中有你、你中無我”的“卡脖子”困境。唯有在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的某些環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)超越形成反制才能達(dá)到戰(zhàn)略平衡。受限于摩爾定律面接近物理極限瓶頸，先進(jìn)芯片制程的推進(jìn)步伐變緩，如果我們能夠在半導(dǎo)體物理源頭率先突破瓶頸，就能制造出性能領(lǐng)先的芯片，而且可以通過建立專利壁壘形成反制。例如，當(dāng)前絕大部分高端芯片所使用的晶體管技術(shù)共有上萬件專利，部分核心專利來自半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)研究成果，而且這些成果不依賴EUV（極紫外輻射）光刻機(jī)等最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造設(shè)備。因此，即使在受限的情況下，通過大力加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究，圍繞下一代晶體管的材料、器件、工藝等在歐洲和美國布局大量專利，就可以在芯片制造這個(gè)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的“咽喉”部位設(shè)置“關(guān)卡”，形成反制手段，有望解決半導(dǎo)體關(guān)鍵核心技術(shù)“卡脖子”難題。習(xí)近平總書記也多次指出加強(qiáng)基礎(chǔ)研究解決“卡脖子”難題的戰(zhàn)略方針。

華為作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界龍頭企業(yè)，在物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)下造出麒麟芯片后，制定了在沒有EUV光刻機(jī)情況下的芯片超越戰(zhàn)略，提出通過一系列單點(diǎn)技術(shù)的突破打開未來芯片的非光刻制造路徑，并向?qū)W術(shù)界發(fā)出了尋求理論指導(dǎo)的召喚。面對如此重大的戰(zhàn)略窗口期，急迫需要更多的物理工作者轉(zhuǎn)向研究關(guān)鍵核心技術(shù)的基礎(chǔ)理論，在底層物理上產(chǎn)生突破，實(shí)現(xiàn)超越形成反制。

我國半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究所面臨的困境

（一）從事半導(dǎo)體物理研究的理論人才屈指可數(shù)

西北工業(yè)大學(xué)黨委書記李言榮院士認(rèn)為，當(dāng)前我國科技創(chuàng)新的關(guān)鍵是解決從1到0的問題。半導(dǎo)體物理就是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“0”。當(dāng)前各部委部署的半導(dǎo)體或集成電路專項(xiàng)鮮有涉及半導(dǎo)體物理的理論創(chuàng)新內(nèi)容。如果沒有理論上的率先突破，談何超越？

我國第一次向半導(dǎo)體進(jìn)軍始于1956年，我國固體物理學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)奠基人黃昆建議和組織實(shí)施了“五校聯(lián)合半導(dǎo)體物理專門化”，北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、東北人民大學(xué)（現(xiàn)“吉林大學(xué)”）、廈門大學(xué)和南京大學(xué)5所大學(xué)的物理系大四學(xué)生和相關(guān)老師集中在北京大學(xué)進(jìn)修培訓(xùn)，兩年間共培養(yǎng)了300多名我國第一代半導(dǎo)體專門人才。然而，由于在1997年取消半導(dǎo)體物理與器件專業(yè)后至今沒有恢復(fù)，65年后的今天，我國半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究人才凋零，從事半導(dǎo)體理論研究的人員屈指可數(shù)。國家自然科學(xué)基金委員會數(shù)理學(xué)部凝聚態(tài)物理學(xué)科從2011年至2023年共資助杰青45個(gè)，其中半導(dǎo)體物理專業(yè)只有1個(gè)；資助優(yōu)青76個(gè)，其中半導(dǎo)體物理專業(yè)也只有1個(gè)。即使從2018年開始半導(dǎo)體已經(jīng)成為國家最重要的戰(zhàn)略需求，也沒有人愿意轉(zhuǎn)向從事半導(dǎo)體物理研究。黃昆先生在1990年的回憶中談道：“在我國的一個(gè)很長時(shí)期內(nèi)，形成了越有重要應(yīng)用的學(xué)科，越是撇開基礎(chǔ)研究不搞的不正常局面。”他的這一感嘆至今還在延續(xù)。

著名的理論物理學(xué)家約翰·惠勒一生培養(yǎng)了50個(gè)非常優(yōu)秀的理論物理學(xué)家，其中包括費(fèi)曼在內(nèi)的眾多物理學(xué)大師級人物，他曾表示：“全世界只需要兩個(gè)理論物理學(xué)家”，有人問他為什么要培養(yǎng)這么多學(xué)生時(shí)，他的回答是因?yàn)樗淮_定哪兩個(gè)。能夠提出顛覆性想法的天才比例很低，沒有龐大的半導(dǎo)體物理研究隊(duì)伍，就難以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體技術(shù)源頭和底層的自主創(chuàng)新，難以率先突破摩爾定律物理極限瓶頸。

（二）評價(jià)機(jī)制不利于半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究

在歐美日韓等發(fā)達(dá)國家，企業(yè)作為創(chuàng)新主體發(fā)揮了引導(dǎo)基礎(chǔ)研究面向國家急迫需要與長遠(yuǎn)需求的關(guān)鍵作用。例如，韓國企業(yè)提供了該國基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)的58%，日本是48%，美國是27%，而中國只有4%。

1978年召開的全國科學(xué)大會號召向科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化進(jìn)軍，我國科技工作終于迎來了“科學(xué)的春天”。然而，當(dāng)時(shí)我國與西方發(fā)達(dá)國家在技術(shù)設(shè)備上已經(jīng)形成代差，我國企業(yè)無法為基礎(chǔ)研究“出題”；基礎(chǔ)研究在追趕世界科技前沿過程中只能脫離國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求。加入世界貿(mào)易組織后，“科學(xué)無國界”和“全球化”理念深入人心；從“211工程”“985工程”到如今的“雙一流”建設(shè)不斷強(qiáng)化論文為綱、以刊評文的評價(jià)機(jī)制，把科研指標(biāo)化。廣大科研人員由做“科研”轉(zhuǎn)變?yōu)樽觥翱蒲兄笜?biāo)”，忽視了學(xué)科方向和研究領(lǐng)域的差異，科研資源向容易發(fā)表高端論文的新興熱點(diǎn)方向加速集聚，甚至有的高校整個(gè)學(xué)院聚集在一兩個(gè)熱點(diǎn)方向，越是靠近產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)研究越?jīng)]人做，導(dǎo)致國家和個(gè)人被卡的不再是同一個(gè)脖子，難以指揮科研人員轉(zhuǎn)向國家急迫需要。

硅和砷化鎵等傳統(tǒng)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)研究不但投入大、門檻高、周期長而且難以發(fā)表高端論文；在忽視學(xué)科方向和研究領(lǐng)域差異的評價(jià)機(jī)制引導(dǎo)下，傳統(tǒng)半導(dǎo)體難以入選各類人才項(xiàng)目，且投入產(chǎn)出比低，無法成為各高校的重點(diǎn)發(fā)展方向，導(dǎo)致各示范性微電子學(xué)院和集成電路學(xué)院集中在新興半導(dǎo)體材料開展“換道超車”研究，自發(fā)進(jìn)行舉國攻關(guān)。但歷史上絕大部分新興材料最后都失敗了。IBM在20世紀(jì)90年代投入大量資源在碳納米管上，期望代替硅引領(lǐng)未來半導(dǎo)體技術(shù)，其后IBM選擇的全耗盡型絕緣層上硅技術(shù)在與技術(shù)競爭中敗北，導(dǎo)致IBM退出芯片制造領(lǐng)域。英特爾在10納米工藝節(jié)點(diǎn)因使用太多創(chuàng)新技術(shù)難以量產(chǎn)，導(dǎo)致落后臺積電2.5年，從此失去了全球半導(dǎo)體龍頭地位。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Herbert

硅因擁有高質(zhì)量本征氧化物二氧化硅打敗所有半導(dǎo)體材料統(tǒng)治了集成電路，確保晶體管溝道界面缺陷密度足夠低，1平方厘米內(nèi)能夠集成上百億個(gè)晶體管，單個(gè)晶體管的良品率無與倫比，導(dǎo)致硅難以被新興半導(dǎo)體材料代替。

（三）半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究投入嚴(yán)重不足

美國長期以來在半導(dǎo)體領(lǐng)域投入巨額研發(fā)資金，超過全球其他國家總和的2倍。早在1978年，美國聯(lián)邦政府投入半導(dǎo)體的研發(fā)經(jīng)費(fèi)就達(dá)到10億美元，企業(yè)投入為4億美元。2018年，美國聯(lián)邦政府投入增加到每年60億美元，而半導(dǎo)體企業(yè)投入則高達(dá)400億美元，這接近我國中央財(cái)政3738億元人民幣的科技研發(fā)總支出。以我國的國家自然科學(xué)基金委員會2019年的資助為例，資助半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的半導(dǎo)體科學(xué)與信息器件（3.84億元人民幣）、光學(xué)和光電子學(xué)（5.51億元人民幣）2個(gè)處的經(jīng)費(fèi)僅占330億總經(jīng)費(fèi)的2.8%。包括科學(xué)技術(shù)部的01、02、03重大專項(xiàng)和半導(dǎo)體領(lǐng)域的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)（平均每年35億元人民幣），及未公開的國防領(lǐng)域半導(dǎo)體項(xiàng)目和半導(dǎo)體企業(yè)研發(fā)投入，我國的半導(dǎo)體年研發(fā)投入長期不足美國的5%。

美國除擁有數(shù)量眾多的世界一流大學(xué)外，還有數(shù)量不少的國家實(shí)驗(yàn)室作為其基礎(chǔ)研究的“壓艙石”；此外，美國各大半導(dǎo)體巨頭擁有龐大的基礎(chǔ)研究部門，如貝爾實(shí)驗(yàn)室、IBM實(shí)驗(yàn)室和英特爾研究院等。而我國半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究基地?cái)?shù)量稀少，半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是唯一以半導(dǎo)體基礎(chǔ)物理為研究領(lǐng)域的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；在已經(jīng)成立的國家實(shí)驗(yàn)室中，從事半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的人員也非常少；至今沒有建設(shè)服務(wù)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的大科學(xué)裝置；我國半導(dǎo)體企業(yè)還停留在國產(chǎn)化替代階段，沒有能力兼顧基礎(chǔ)研究。

（四）缺乏協(xié)同創(chuàng)新平臺

日本在1976年組織集成電路攻關(guān)，幫助日本在1985年實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體市場占有率超過美國位居全球第一。美國在1987年成立的“半導(dǎo)體制造技術(shù)科研聯(lián)合體”，幫助美國重新奪回半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位。如今，比利時(shí)imec成為世界級的半導(dǎo)體創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，與美國的英特爾公司和IBM公司并稱為全球微電子領(lǐng)域“3I”。美國通過《芯片與科學(xué)法案》投資110億美元成立國家半導(dǎo)體技術(shù)中心，跨部門跨行業(yè)整合美國半導(dǎo)體行業(yè)力量，推動(dòng)半導(dǎo)體創(chuàng)新鏈中材料、結(jié)構(gòu)、器件、電路、架構(gòu)、算法、軟件、應(yīng)用、木馬安全、測試和封裝等所有環(huán)節(jié)的集體全棧創(chuàng)新，幫助大學(xué)和國家實(shí)驗(yàn)室更多的突破性半導(dǎo)體技術(shù)跨越“死亡谷”。《芯片與科學(xué)法案》促使美國能源部8個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)。美國大學(xué)的大量教授正在承擔(dān)英特爾、三星和臺積電等公司委托的基礎(chǔ)研究課題，甚至包括半導(dǎo)體理論的研究課題。而我國至今沒有成立類似的機(jī)構(gòu)來組織半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的協(xié)同創(chuàng)新；國內(nèi)的半導(dǎo)體企業(yè)落后國際先進(jìn)水平兩代以上，主要在歐美的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝優(yōu)化提高良品率，無暇圍繞下一代晶體管開展前沿基礎(chǔ)研究，難以為大學(xué)和科研院所等國家戰(zhàn)略科技力量的半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究“出題”；而大學(xué)和科研院所的研究人員只能從文獻(xiàn)和會議中了解半導(dǎo)體前沿技術(shù)的科學(xué)問題，難以找到真問題和真解決問題。

加強(qiáng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的建議

（一）建立健全跨部門協(xié)調(diào)機(jī)制

建議在中央科技委設(shè)立涵蓋半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的半導(dǎo)體辦公室，跨部門協(xié)調(diào)人、財(cái)、物、政策等科技資源，強(qiáng)化攻關(guān)決策和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，負(fù)責(zé)制定國家半導(dǎo)體發(fā)展戰(zhàn)略；同時(shí)，賦予其相應(yīng)的資源動(dòng)員權(quán)力，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各方研究力量，從科技投入、機(jī)構(gòu)建設(shè)、學(xué)科設(shè)置、人才培養(yǎng)、激勵(lì)機(jī)制、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、地方配套等全方位協(xié)同推進(jìn)，確保在半導(dǎo)體技術(shù)和創(chuàng)新領(lǐng)域形成強(qiáng)大合力。以半導(dǎo)體產(chǎn)值的20%匹配半導(dǎo)體研發(fā)投入，其中20%用于資助半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究。聘請產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的科學(xué)家脫產(chǎn)擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理人，遴選關(guān)鍵核心技術(shù)和領(lǐng)軍人才、監(jiān)督與落實(shí)攻關(guān)計(jì)劃、考核攻關(guān)目標(biāo)、制定支持政策等事項(xiàng)。建議工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會專設(shè)半導(dǎo)體部門，以“千金買骨”的手段壯大半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究隊(duì)伍和吸引最優(yōu)秀人才。

（二）立刻恢復(fù)半導(dǎo)體物理專業(yè)

從事半導(dǎo)體物理研究的人員已經(jīng)屈指可數(shù)，必須立刻恢復(fù)半導(dǎo)體物理與器件學(xué)科。建議仿效1956年第一次向半導(dǎo)體進(jìn)軍的措施，從“雙一流”高校的物理專業(yè)緊急遴選300名大三學(xué)生，集中培訓(xùn)半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論課程，選拔一批進(jìn)入半導(dǎo)體物理專業(yè)的博士研究生課程繼續(xù)深造。

（三）建設(shè)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究網(wǎng)絡(luò)

出臺強(qiáng)力措施彌補(bǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究的歷史欠帳。鼓勵(lì)各研究型高校成立半導(dǎo)體學(xué)院；完善半導(dǎo)體領(lǐng)域全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的體系化布局，實(shí)現(xiàn)從半導(dǎo)體物理到芯片的全鏈條創(chuàng)新；建議為半導(dǎo)體物理專業(yè)固定一個(gè)杰青名額和一個(gè)中國科學(xué)院院士名額，國家自然科學(xué)基金委員會為半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究增設(shè)1個(gè)創(chuàng)新研究群體特殊名額，在全國設(shè)立10個(gè)左右的半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)科學(xué)研究中心，資助20個(gè)創(chuàng)新群體和100個(gè)研究組，以人才團(tuán)隊(duì)效應(yīng)帶動(dòng)基礎(chǔ)研究向半導(dǎo)體領(lǐng)域回流；從而吸引更多優(yōu)秀人才投身半導(dǎo)體，壯大半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究力量，強(qiáng)化半導(dǎo)體技術(shù)的源頭創(chuàng)新能力。

（四）建議設(shè)立半導(dǎo)體物理專項(xiàng)，實(shí)施專利戰(zhàn)略

在北京、上海、武漢建立半導(dǎo)體區(qū)域聯(lián)合創(chuàng)新平臺，面向下一代半導(dǎo)體技術(shù)，進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)和任務(wù)分解，統(tǒng)一全國的半導(dǎo)體物理、微電子、設(shè)備和材料等領(lǐng)域科研力量和企業(yè)科研力量在各創(chuàng)新平臺進(jìn)行新型舉國體制攻關(guān)，統(tǒng)一組織在歐美布局大量半導(dǎo)體專利，爭取產(chǎn)生一批下一代制程不可繞開的核心專利，為國家在科技戰(zhàn)中提供與美國和西方談判的籌碼。遴選從事半導(dǎo)體理論研究的科學(xué)家來領(lǐng)導(dǎo)專項(xiàng)的實(shí)施。曼哈頓計(jì)劃的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)是理論物理學(xué)家奧本海默，我國的原子彈和氫彈科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)是理論物理學(xué)家鄧稼先，美國航天之父馮·卡門是從事理論的空氣動(dòng)力學(xué)家與應(yīng)用數(shù)學(xué)家，我國的“航天之父和導(dǎo)彈之父” 錢學(xué)森是馮·卡門的學(xué)生，也是理論科學(xué)家。20世紀(jì)50年代建議、組織和實(shí)施了我國第一次向半導(dǎo)體進(jìn)軍的黃昆先生也是從事固體物理理論研究的科學(xué)家。理論研究不需要太大的團(tuán)隊(duì)和太多的資源，只追求盡快把理論成果推向應(yīng)用，能夠制衡和協(xié)調(diào)各技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新鏈各環(huán)節(jié)的合理投入。

（五）建立區(qū)域聯(lián)合創(chuàng)新平臺

為了實(shí)現(xiàn)全棧創(chuàng)新，跨過研究成果的“死亡谷”，美國成立國家半導(dǎo)體技術(shù)中心；韓國設(shè)立了國家半導(dǎo)體研究院；中國臺灣地區(qū)成立了半導(dǎo)體研究中心，目標(biāo)是打造世界級半導(dǎo)體研發(fā)機(jī)構(gòu)，臺灣清華大學(xué)成立了半導(dǎo)體研究學(xué)院等。我國必須盡快加強(qiáng)半導(dǎo)體領(lǐng)域國家實(shí)驗(yàn)室體系的建設(shè)，優(yōu)化國家科研機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體領(lǐng)域布局。結(jié)合地區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，全國建立10個(gè)左右大型區(qū)域聯(lián)合創(chuàng)新平臺，整合研發(fā)創(chuàng)新資源，加強(qiáng)設(shè)備共享，減少重復(fù)投入，聯(lián)合攻關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展共性技術(shù)。為研究型高校、科研院所、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供信息共享和學(xué)術(shù)交流機(jī)制，有序引導(dǎo)社會資本參與半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新，建立廣泛的合作聯(lián)盟，促進(jìn)創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的共融和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)展。

（六）建設(shè)半導(dǎo)體大科學(xué)裝置

《確保美國在半導(dǎo)體行業(yè)長期領(lǐng)導(dǎo)地位》的白宮報(bào)告提出推動(dòng)先進(jìn)科學(xué)設(shè)施的建設(shè)、保證半導(dǎo)體研究的先人一步。在當(dāng)前情況下，迫切需要利用先進(jìn)科學(xué)設(shè)施開展EUV光刻技術(shù)以及相關(guān)供應(yīng)鏈方面的研究，如掩模、光學(xué)鏡頭、光刻膠、光機(jī)設(shè)計(jì)與加工等，推動(dòng)我國半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展。建議參照美國和日本等利用同步輻射光源發(fā)展極紫外光刻技術(shù)的歷史經(jīng)驗(yàn)，利用中國科學(xué)院在大科學(xué)裝置、尖端儀器研制等多學(xué)科交叉的建制化優(yōu)勢，基于同步輻射建設(shè)中國自己的光刻實(shí)驗(yàn)平臺，攻克下一代關(guān)鍵光刻原理、技術(shù)和材料測試，并系統(tǒng)相關(guān)的底層核心技術(shù)專利，搶占半導(dǎo)體科技制高點(diǎn)。

（七）建設(shè)優(yōu)化博士后制度

博士后是歐美科研的主力軍，很多博士找不到更高級的位置，只能在不同實(shí)驗(yàn)室輪流從事博后工作，歐美學(xué)術(shù)圈戲稱“千年博后”。這些博士后成為了學(xué)科交叉的天然踐行者。而且，博士畢業(yè)后必須再做兩屆以上的博士后，不受雜事干擾心無旁騖地潛心研究才有機(jī)會成為具有獨(dú)特創(chuàng)新能力的優(yōu)秀科學(xué)家。而我國絕大部分博士畢業(yè)生沒有從事博士后研究就過早地走上工作崗位，失去了成為具有創(chuàng)新能力優(yōu)秀科學(xué)家的機(jī)會，國家也因此損失了巨量科研資源。必須在制度上保障博士畢業(yè)后更愿意從事博士后研究，加強(qiáng)其獨(dú)立研究和學(xué)科交叉能力，把博士后提升為基礎(chǔ)研究的主力軍。

（八）建設(shè)警惕美國對我進(jìn)行戰(zhàn)略誘導(dǎo)

美國曾經(jīng)成功利用“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃對蘇聯(lián)進(jìn)行戰(zhàn)略誘導(dǎo)。當(dāng)前國內(nèi)各種獎(jiǎng)項(xiàng)和人才帽子的評選都以頂刊論文為馬首是瞻，容易忽視學(xué)科和研究方向的差異，我們應(yīng)該警惕美國利用頂級期刊對我國實(shí)施“新時(shí)代星球大戰(zhàn)戰(zhàn)略”，防止在美國設(shè)定的斷頭路上進(jìn)行“換道超車”，掉入懸崖。在可預(yù)見的未來硅在集成電路和化合物半導(dǎo)體在光電子產(chǎn)業(yè)的地位難以被替代，就如楊振寧先生“寧柮勿巧”的科學(xué)精神，國家應(yīng)該把更多科研資源投入到硅等經(jīng)典半導(dǎo)體，彌補(bǔ)歷史欠賬，堅(jiān)持守正創(chuàng)新。

（九）深化科技體制改革，用好“指揮棒”

大力扭轉(zhuǎn)實(shí)用主義主導(dǎo)科研的弊端，拆除“小農(nóng)經(jīng)濟(jì)”思想下的圍墻，出臺措施保障顯示度低的“死亡谷”創(chuàng)新環(huán)節(jié)，建立由原始創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的自下而上創(chuàng)新體系，提升基礎(chǔ)研究支撐國家發(fā)展與安全。建議：一是以資金為手段一體化配置學(xué)科、人才、評估、平臺、政策等科研資源，斬?cái)嗯で枨蟮臋?quán)力之手。二是大力弘揚(yáng)追求獨(dú)創(chuàng)的科學(xué)家精神，抵制低水平重復(fù)的跟班式研究。三是構(gòu)建資助對象各有側(cè)重的多元化基礎(chǔ)研究投入機(jī)制，充分發(fā)揮國家實(shí)驗(yàn)室、科研院所、研究型高校等國家戰(zhàn)略科技力量的特色與優(yōu)勢。四是基礎(chǔ)研究資助體系設(shè)立退出機(jī)制。新興研究方向連續(xù)資助10年后進(jìn)行評估，取消沒有產(chǎn)生重大應(yīng)用的資助方向，迫使基礎(chǔ)研究人員轉(zhuǎn)向新方向，提升原始創(chuàng)新能力。五是使用學(xué)科評估和人才評價(jià)等手段，引導(dǎo)研究型高校加強(qiáng)學(xué)科多樣性。遏制在同一方向重復(fù)設(shè)置研究團(tuán)隊(duì)，破除扎堆在少量熱門領(lǐng)域的不利局面，形成“千帆競發(fā)，百舸爭渡”的景象；進(jìn)而，把研究型高校建成學(xué)科門類齊全、研究方向成體系、學(xué)術(shù)思想活躍、學(xué)術(shù)氛圍濃郁的原始創(chuàng)新策源地。六是完善知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度，激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新動(dòng)力。

（作者系中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員，博士生導(dǎo)師）