面對(duì)新冠肺炎疫情影響的新形勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家新基建、大物流、數(shù)字經(jīng)濟(jì)、信息強(qiáng)國(guó)等戰(zhàn)略布局，我國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須提供強(qiáng)大的韌性支撐。

我國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)消費(fèi)能力仍遠(yuǎn)高于生產(chǎn)能力

根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織（WSTS）的數(shù)據(jù)，2019年世界半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了4540億美元。2021年?yáng)|亞區(qū)域的半導(dǎo)體制造市場(chǎng)預(yù)計(jì)會(huì)成長(zhǎng)1330億美元。

我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚，但是發(fā)展迅速。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)市場(chǎng)在2018年僅850億美元，而在2019年增長(zhǎng)25%左右，達(dá)到1100億美元。由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有的環(huán)境復(fù)雜、開發(fā)成本高、研發(fā)周期長(zhǎng)等特征，并且其發(fā)展需要多個(gè)產(chǎn)業(yè)相互結(jié)合促進(jìn)，尤其需要強(qiáng)大的精密工業(yè)制造基礎(chǔ)，這導(dǎo)致了我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展不均衡，消費(fèi)能力仍遠(yuǎn)高于生產(chǎn)能力，并且差距還在逐年遞增。

從新技術(shù)發(fā)展和新產(chǎn)品開發(fā)來看，國(guó)際頂級(jí)大公司仍處于霸主地位。為了搶占未來市場(chǎng)份額與知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這些公司還在不斷提出新的技術(shù)與發(fā)展規(guī)劃。例如多家公司基于傳統(tǒng)MOS技術(shù)，采用先進(jìn)的Fin-FET技術(shù)架構(gòu)，逐步實(shí)現(xiàn)了從22nm工藝到5nm工藝的更替，并向著3nm制程挺進(jìn)。其中，三星于2019年提出了針對(duì)3nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的全柵工藝（GAA-FET）。

回顧過去，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)仍沒有走出“迭代卡脖子”的怪圈，其根源在于核心裝備的缺失。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一個(gè)多產(chǎn)業(yè)綜合促進(jìn)的過程，尤其以國(guó)家精密設(shè)備制造業(yè)為重。工業(yè)母機(jī)是整個(gè)工業(yè)體系的基石和搖籃，但我國(guó)對(duì)工業(yè)母機(jī)這種“制造設(shè)備的設(shè)備”重視程度不夠，并且沒有形成統(tǒng)一的公共工業(yè)基準(zhǔn)，加上國(guó)際出口限制，導(dǎo)致我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)制備設(shè)備發(fā)展滯后，關(guān)鍵裝備及核心技術(shù)依然落后。另外，由于我國(guó)高端技術(shù)發(fā)展起步較晚，導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)（專利）壁壘已經(jīng)形成。

回顧過去，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)仍缺少核心技術(shù)專利。新概念、新思路的提出一直是技術(shù)發(fā)展的先決條件，也是幫助相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展贏在起跑線的基礎(chǔ)。指導(dǎo)信息領(lǐng)域和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新概念和思路，如“馮·諾依曼”架構(gòu)、“摩爾定律”、類腦計(jì)算、量子芯片等概念，均由西方國(guó)家率先提出，中國(guó)在創(chuàng)建主導(dǎo)領(lǐng)域發(fā)展的概念與思路方面仍然有較大差距，沒有形成核心技術(shù)專利。核心技術(shù)專利在國(guó)外，導(dǎo)致我國(guó)在高端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展上難以占得先機(jī)。國(guó)際半導(dǎo)體大公司平均研發(fā)投入長(zhǎng)期保持在營(yíng)業(yè)額的20%，但是我國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)迫于生存壓力，難以投入充足的研發(fā)資金，這也造成了人才吸引力度不夠，半導(dǎo)體人才缺乏的后果。因此，造成了技術(shù)落后、市場(chǎng)窄、利潤(rùn)低、人才短缺的惡性循環(huán)。

新材料和新器件不斷面市

立足當(dāng)前，基于新理念的新材料和新器件將不斷被提出。當(dāng)前半導(dǎo)體電路集成度越來越高，器件尺寸越來越小，如芯片的功耗過高和量子尺寸效應(yīng)等新的科學(xué)問題，已經(jīng)成為世界科技前沿研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，解決途徑之一是探索新材料及新原理器件。基于新理念的新材料和新器件也被提出，以滿足未來信息器件低能耗、高效率、高可靠性的要求。

作為電子信息領(lǐng)域的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體信息技術(shù)為信息領(lǐng)域提供了大量的工業(yè)設(shè)備與核心元件。隨著5G通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體信息技術(shù)正朝著低能耗、高效率、高可靠性的方向邁進(jìn)。為滿足未來信息器件低能耗、高效率、高可靠性的要求，在國(guó)際前沿科學(xué)研究來看，新概念新原理新器件在不斷提出。

立足當(dāng)前，在面向未來信息器件的新材料和新理念方面，中國(guó)在國(guó)際上具有較大的影響力。例如，過去幾年，中國(guó)科學(xué)家發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)刊物論文逐年增加。但是，我們必須保持清醒的頭腦，高端學(xué)術(shù)論文還只是研究成果的表現(xiàn)形式，還沒有對(duì)前期投入產(chǎn)出倍增效益。如果論文成果沒有轉(zhuǎn)化為新技術(shù)，沒有從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線，“科研和技術(shù)兩張皮”現(xiàn)象沒有克服，就難以改變半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)落后的局面。

當(dāng)前，新型二維材料在電子學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)等方面表現(xiàn)出新奇特性，被稱為“未來材料”或“變革性材料”。具有高遷移率、高光電響應(yīng)、自旋量子效應(yīng)等性能的新型二維材料開發(fā)、新原理器件探索、與現(xiàn)有硅基微電子器件的互補(bǔ)、智能芯片的設(shè)計(jì)等，處于世界研究前沿，正在成為國(guó)際新興研究領(lǐng)域。量子計(jì)算器件是實(shí)現(xiàn)低功耗、高效率、高可靠性的新興概念之一。類腦計(jì)算及器件被認(rèn)為是下一代人工智能的重要方向，借鑒人類大腦可并行處理信息數(shù)據(jù)和具備自主學(xué)習(xí)能力，并且有著超低功耗和高集成，得到業(yè)內(nèi)的廣泛支持。

力爭(zhēng)引領(lǐng)下一代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展

展望未來，我國(guó)需加大對(duì)新的顛覆性技術(shù)研究的支持力度，拓展賽道，引領(lǐng)前沿技術(shù)發(fā)展，避免出現(xiàn)“迭代卡脖子”現(xiàn)象。目前，信息器件及系統(tǒng)的制造采用“自上而下”加工技術(shù)，精度達(dá)到納米尺度。然而，在納米尺度下，加工制造遇到了原理性的瓶頸和壁壘，探索和發(fā)展新的信息器件制造技術(shù)勢(shì)在必行。近年來，以二維材料、量子點(diǎn)為代表的納米尺度新材料的出現(xiàn)，為發(fā)展新的加工制造技術(shù)提供了基礎(chǔ)。發(fā)展原子精度的加工制造技術(shù)，發(fā)展“自下而上”的變革性制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)器件的圖案化、自組裝及系統(tǒng)的集成，對(duì)于提升國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力也具有戰(zhàn)略意義。

展望未來，我國(guó)需加快引領(lǐng)下一代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前，新興二維電子信息材料、新奇拓?fù)湮镄?、基于超快光學(xué)的新應(yīng)用這三個(gè)國(guó)際重大前沿方向分別于2010年、2016年、2018年被授予了諾貝爾獎(jiǎng)。把這些處于國(guó)際前沿方向的技術(shù)作為突破口，有望制備具有拓?fù)潆娮討B(tài)的新型二維電子材料，發(fā)掘電子能谷極化等新現(xiàn)象，有望構(gòu)建基于谷電子的新原理器件。一方面，拓?fù)洳牧暇哂行缕嫘再|(zhì)，其電子運(yùn)動(dòng)方向具有選擇性，可顯著降低傳導(dǎo)電子間的散射、減小宏觀電阻、降低熱耗。另一方面，利用二維層間近鄰效應(yīng)，有望在材料中引入新奇特性例如局域電場(chǎng)和磁場(chǎng)，產(chǎn)生光電流不需要外加電場(chǎng)，響應(yīng)速度快到飛秒級(jí)，可望研究出無需外加電場(chǎng)或者磁場(chǎng)的低功耗高速器件以及新原理性器件，例如低功耗自旋電子器件、高容錯(cuò)性量子計(jì)算器件、超快光電響應(yīng)器件以及光電互聯(lián)器件等。這些新型信息器件不僅僅對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)具有重大意義，而且有望牽引信息、材料、生物、醫(yī)學(xué)和能源等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)于提升國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力具有戰(zhàn)略意義。若在諸如此類的多個(gè)方面取得國(guó)際重大影響力的突破，相信不久的將來，我國(guó)將引領(lǐng)下一代半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
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