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

我國半導(dǎo)體市場消費能力仍遠(yuǎn)高于生產(chǎn)能力

根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織（WSTS）的數(shù)據(jù)，2019年世界半導(dǎo)體市場規(guī)模達(dá)到了4540億美元。2021年東亞區(qū)域的半導(dǎo)體制造市場預(yù)計會成長1330億美元。

我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚，但是發(fā)展迅速。根據(jù)統(tǒng)計，中國半導(dǎo)體工業(yè)市場在2018年僅850億美元，而在2019年增長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)周期長等特征，并且其發(fā)展需要多個產(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)致了我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展不均衡，消費能力仍遠(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，國際頂級大公司仍處于霸主地位。為了搶占未來市場份額與知識產(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3nm技術(shù)節(jié)點的全柵工藝（GAA-FET）。

回顧過去，我國半導(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)展是一個多產(chǎn)業(yè)綜合促進(jìn)的過程，尤其以國家精密設(shè)備制造業(yè)為重。工業(yè)母機(jī)是整個工業(yè)體系的基石和搖籃，但我國對工業(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)，加上國際出口限制，導(dǎo)致我國半導(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”、類腦計算、量子芯片等概念，均由西方國家率先提出，中國在創(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)專利在國外，導(dǎo)致我國在高端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展上難以占得先機(jī)。國際半導(dǎo)體大公司平均研發(fā)投入長期保持在營業(yè)額的20%，但是我國半導(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、市場窄、利潤低、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和難點，解決途徑之一是探索新材料及新原理器件?；谛吕砟畹男虏牧虾托缕骷脖惶岢?，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，中國在國際上具有較大的影響力。例如，過去幾年，中國科學(xué)家發(fā)表在國際頂級刊物論文逐年增加。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)，沒有從實驗室走向生產(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)計等，處于世界研究前沿，正在成為國際新興研究領(lǐng)域。量子計算器件是實現(xiàn)低功耗、高效率、高可靠性的新興概念之一。類腦計算及器件被認(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。

力爭引領(lǐng)下一代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展

展望未來，我國需加大對新的顛覆性技術(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)勢在必行。近年來，以二維材料、量子點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)，實現(xiàn)器件的圖案化、自組裝及系統(tǒng)的集成，對于提升國家核心競爭力也具有戰(zhàn)略意義。

展望未來，我國需加快引領(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)湮镄浴⒒诔旃鈱W(xué)的新應(yīng)用這三個國際重大前沿方向分別于2010年、2016年、2018年被授予了諾貝爾獎。把這些處于國際前沿方向的技術(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)，其電子運動方向具有選擇性，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和磁場，產(chǎn)生光電流不需要外加電場，響應(yīng)速度快到飛秒級，可望研究出無需外加電場或者磁場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、高容錯性量子計算器件、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)和能源等多個領(lǐng)域的發(fā)展，對于提升國家核心競爭力具有戰(zhàn)略意義。若在諸如此類的多個方面取得國際重大影響力的突破，相信不久的將來，我國將引領(lǐng)下一代半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
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