突破芯片产业“卡脖子”技术瓶颈
夯实国家安全基础
肖汉平
20220603突破芯片“卡脖子”（肖汉平）.docx
前言
制造业是立国之本，强国之基。目前我国虽是全球制造业大国，但在产业基础和核心关键技术方面存在明显缺陷，"大而不强"是我国制造业的典型特征。这一方面与我国长期性的技术进步和创新模式存在缺陷密切有关，另一方面是作为市场经济的微观主体片面强调做大规模，忽视做精做专的发展思路不无联系。在中美地缘政治冲突，贸易摩擦和科技竞争日益激烈的环境下，制造业在一些关键核心技术上的缺失导致一些关系国计民生和国家安全的重要产业在关键核心技术严重受制于人，成为我国产业升级和经济发展的重要短板，如，半导体芯片行业。面对世界政治和经贸环境的大变局，2020年9月11日，国家领导人在科学家座谈会上的讲话明确指出：我国在工业方面，一些关键核心技术受制于人，部分关键元器件、零部件、原材料依赖进口；并提出要推动重要领域关键核心技术攻关。关键核心技术是买不来、要不来和讨不来的，唯有放弃幻想，坚持不懈加强基础研究，持续推进工程技术探索，强化创新驱动才是兴国之本，强国之道。在科技创新上没有捷径可走，只能一步一个脚印往前走。在新发展阶段，如何有效突破关键核心技术"卡脖子"瓶颈，夯实制造业基础，实现产业关键核心技术自主创新，将我国打造成为全球领先创新驱动型国家已经成为全国各界广泛关注的重要战略和现实问题。
一、建设全球领先半导体芯片产业事关未来国家总体安全大局
一个国家是否拥有稳定的国内国际环境，是否拥有充满潜力和富有动力的经济，决定一个国家在这个时代的国家实力和国际地位。全球化时代各国之间竞争和较量逐步由传统的军事力量转换为综合国力。随着时间推移，国家安全外延不断变化，国家安全战略的内涵也需适时地进行调整和变革。国家领导人指出，总体国家安全观是"以人民安全为宗旨，以政治安全为根本，以经济安全为基础，以军事、文化、社会安全为保障，以促进国际安全为依托，走出一条中国特色国家安全道路"，"构建集政治安全、国土安全、军事安全、经济安全、文化安全、社会安全、科技安全、信息安全、生态安全、资源安全、核安全等于一体的国家安全体系。经济安全是国家安全体系的重要组成部分，是国家安全的基础，是政治安全和国防安全的依托。国家经济安全战略主要包括：战略资源安全、粮食安全、金融安全、贸易安全、产业安全、网络安全和信息安全等。长期以来，在经济全球化背景下，利用劳动力优势，建立在产业链、价值链全球化分工基础上的经营模式，导致我国庞大工业体系仍处于全球价值链的中低端，缺乏产业关键核心技术。这些问题在中美经贸和科技冲突中演变成为"卡脖子"问题，严重影响到产业安全，并威胁经济安全和国家安全。如，目前我国在半导体、生物医药、精密制造等战略性领域，核心技术仍受制于人，导致产业升级步伐存在被延缓的风险。
芯片被喻为工业的"粮食"、是信息产业的基石，更是抓住新一轮科技和产业革命机遇的关键。美国对全球芯片产业的控制力是建立在其长期对半导体芯片相关领域巨大投入而形成的知识产权基础上。目前全球芯片主要应用于包括：通信、计算机、消费电子、汽车、工业和政府机构等六大领域。在新一轮科技革命中，以人工智能、量子计算、5G、物联网、区块链技术为核心等新兴产业将是芯片应用的主战场。随着数字经济时代全面来临，半导体产业所具备的价值已经远远超出其经济意义，成为全球各国竞争的关键赛道。在中美地缘政治冲突中，一方面美国通过对高端芯片及相关技术进口管制，另一方面通过对使用美国知识产权的境外公司出口管制，胁迫这些公司中断与中国公司正常交易，达到延缓中国公司的技术和产品升级和遏制中国经济发展的目的。美国对半导体芯片及相关产品、设备、材料和软件的出口管制，势必将妨碍我国传统产业升级，战略新兴产业发展和未来产业培育，进而威胁到国家总体安全。
二、半导体芯片产业是高资本和R&D投入、工艺技术复杂的全球化产业链分工的竞争产业
自2018年开始的中兴芯片危机和华为高端芯片进口受阻以来，芯片产业一直是中国产业发展之痛。为理解芯片产业面临的"卡脖子"问题，需要对芯片产业有一个基本的理解和判断，在对芯片产业分析和研究基础上，可以发现目前全球芯片产业具有以下典型特征：
1、半导体芯片产业是建立在广泛的基础科学、技术科学和工程理论基础之上的高度知识密集型产业。在上游的材料、设备和软件的生产和开发以及中游的芯片设计、制造和封测过程中涉及从基础物理、数学、化学等基础科学到信息论、控制论、通信理论等现代技术科学，再到材料工程、精细化工、光学工程、超精密机械、基础软件等现代工程技术，其产品性能的改进是建立在基础研究上的突破、长期的实践经验积累和工艺上的不断改进基础上的，需要大量的资本开支和R&D投入。
2、半导体芯片产业的正常运营需要大规模的资本开支和高强度R&D投入，而且随着芯片工艺技术的进步，资本投入规模的要求越来越高。开发现代复杂芯片，如,支持智能手机的"芯片上系统"(SOC)处理器，需要数百名工程师团队花数年时间，有时还利用外部IP和设计支持服务，芯片设计需要高强度R&D投入。通常一款28nm芯片设计的研发投入约1-2亿元，14nm芯片约2-3亿元，研发周期约1-2年。芯片制造需要大规模资本控制、一条28纳米工艺芯片生产线的投资额约50亿美元，20纳米工艺生产线高达100亿美元，而先进模拟芯片生产线需100-150亿美元投资，先进逻辑或内存芯片生产线需要30-40亿美元投资。而芯片封测环节资本投入相对较少，但需要较多劳动力。
3、芯片是由高度先进的复杂工艺制造而成的高度复杂的产品。开发现代芯片需要在硬件和软件方面拥有深厚的技术专业知识，并依赖于专业公司提供先进设计工具和知识产权。芯片制造需要多达300种不同的投入，包括：原始圆晶片、商品化学品、特种化学品和散装气体等。这些投入由50多类高工程精密设备处理。一些关键设备包含了数百个技术子系统，如，支撑在7和5纳米节点及以下制造半导体关键设备EUV，除了在基础技术开发上全球合作外，EUV还依赖于全球供应链，ASML开发的EUV设备包含了由全球5000多家供应商提供的约10万个部件。芯片性能改进在硬科学上取得突破需要多年时间才能实现。芯片制造是结合了设备、材料与工艺的完整过程。芯片生产不仅需要先进光刻机设备、材料和软件，而且还需要对材料、工艺、工序的理解、经验积累和know-how的掌握，存在长的学习曲线。
4、芯片产业是一个产业链全球分工的产业。芯片产业链包括：上游基础层、中游制造和下游应用。上游EDA软件/IP、材料和设备是芯片产业的基础和关键，光刻机和光刻胶是芯片生产的关键设备和材料是中游芯片制造是核心。目前美国在芯片设计和制造设备领域处于领导地位，占全球销售收入50%，前20家芯片设计公司有10家，前5家中有4家。此外，设计公司越来越依赖于进入全球工程人才库。材料和晶圆制造主要集中在东亚地区（台湾、日本、中国大陆和韩国）。事实上，目前世界上几乎所有的领先制程芯片（5和7纳米）都位于台湾和韩国。欧洲在先进光刻机领域处于绝对领导地位，荷兰ASML是全球先进光刻机唯一厂家。中国在芯片封测市场份额相对领先。
5、芯片产品技术创新来自日积累月的迭代，下游需求是芯片技术迭代创新的原动力，并推动芯片工艺不断迭代和升级。芯片只有在不断应用中，获得用户的反馈，不断发现问题，解决问题，实现芯片技术迭代创新。芯片的核心难点是没有捷径，时间是关键要素，企业只能依靠不断迭代，一般一年只能迭代两次，这就大大制约后来者的追赶速度。目前全球芯片的主要应用于包括：通信、计算机、消费电子、汽车、工业和政府机构等六大领域。未来，芯片性能的进一步改进将对新一轮的技术变革成为可能至关重要，包括：人工智能、人工智能、5g、自动驾驶电动汽车或物联网解决方案。这些新领域对芯片的性能要求将越来越高。根据SIA统计，2020年全球芯片销售总额达到4390亿美元，预测未来十年芯片制造市场还将增长56%。美中两国是最大的半导体市场，均占全球消费的25%。广阔的市场前景和事关国家安全是近期全球主要经济体政府频频发力加大对芯片产业的支持力度的重要原因。
6、芯片产业是一个相对成熟且迭代创新快的创新驱动的竞争性产业。芯片产业虽然是一个创立已久且相对成熟的产业，但由于下游应用的不断拓展，使得芯片产业得以持续扩张，目前看不到尽头，未来仍然存在巨大的成长空间，因此，发展芯片产业仍然是世界主要经济体的重要战略目标。在一个完全开放的体系中，只要芯片性能落后，就没有客户买，自然也没有厂家设计和生产。如果没有外力作用，放任芯片成为一个完全自由竞争的产业，下游就没有用户使用的后来者产品，将难以获得改进，从而陷入恶性循环和永远发展不起来的后发劣势，因此，有效的政府保护性支持必不可缺。
三、构建"府产学研金用"利益共同体，快速突破"卡脖子"技术瓶颈，补齐产业链短板
"卡脖子"技术是指一些关键核心技术与技术供给方之间存在短期难以超越的技术差距的关系到国家安全一类技术。"卡脖子"技术本身是一些原始创新来自国外的成熟技术，并非"无人区"，基本原理和知识都是现成的，但这些技术一旦被供给方实行出口限制，就会成为产业发展与企业创新生态系统重要瓶颈。2018年《科技日报》在梳理我国制造业领域一些关键技术时，列举了35项"卡脖子"技术，高端芯片制造光刻机居首位。
半导体芯片行业是一个高资本开支和研发投入资本和知识密集行业。全球芯片产业的快速的创新是需要长期巨大R&D投入和资本支出，巨大R&D和资本开支需要全球下游产业长期持续扩大市场需求来获得足够收入和利润。全球芯片产业是建立在世界各地高度专业化公司和机构在全球产业链、供应链和价值链上广泛合作和研究基础设施复杂整合的基础上。在这一全球芯片产业体系中，已经形成美国、韩国、日本、中国大陆、台湾和欧洲六大各具优势的板块。在六大板块中，美国处于领先地位，在技术和知识产权上具有明显优势，台湾在高端芯片制程上处于绝对领先地位，欧洲在芯片制造关键设备（EUV）具有绝对控制力，目前中国芯片产业发展迅速，产业链相对完整，在封测环节有一定实力，但总体上仍然处于中低端。
作为信息技术产业的核心，半导体芯片产业是支撑国家经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，已成为实现科技强国、产业强国的关键标志。芯片产业已成为21世纪一个激烈的地缘政治竞争领域。2018年以来，半导体芯片行业持续升级的紧张关系中占据了突出地位。美国政府以"国家安全为"借口在2019年和2020年对我国企业实施了一系列出口管制，限制为华为和其他我国实体获得含有美国技术的半导体，截至2021年3月，这些出口控制包括整个半导体供应链，如，包括EDA和包含美国开发的技术的制造设备。这些控制目前有效地阻止受影响的中国实体采购美国半导体芯片和设备等，甚至从非美国供应商采购半导体。面对我国芯片"卡脖子"问题，我们需要减少对美国半导体供应商和技术的依赖和推动供应链本土化。
半导体芯片产业作为新工业革命时代的基础性和先导性产业，关乎国家信息安全和科技地位，是衡量一个国家现代化进程和综合国力的重要标志。芯片行业发展产品制造和升级换代既需要强大的基础科学、技术科学和工程技术的支持，也需要经验积累和默会知识的支撑，因此，一国要建立完整的全产业链半导体产业，满足高端需求需要长期不懈努力，大规模的持续投入，高质量的人才储备，丰富的行业经验，强大的制造业基础，这些都不是短期突击可以实现，需要脚踏实地，持续稳步推进。
面对美国的半导体技术和产品的封锁，重着眼于未来半导体芯片产业发展和国家安全，需要采取综合措施，谨慎应对，稳步推进进口替代和产业链分工本土化，加快建立政府支持，市场驱动的半导体芯片产业创新驱动体系；建设以产业协会和上中下游龙头企业为核心，大学和科研机构广泛参与，金融机构和下游用户强力支持的"政府-产业-大学-科研院所-金融机构-用户"一体化的产业创新共同体。在具体行动上需要在以下方面重点发力。即：1、要立足关键核心技术自主可控，依托产业龙头企业，建立国家级或区域性芯片科技创新研究中心，加强关键核心技术联合攻关，有效突破关键核心技术和共性技术"卡脖子"问题，补齐产业链短板；2、立足国内市场，逐渐建立完整芯片产业链生态体系，提高芯片产业的抗风险能力，建设具有全球影响力和竞争力芯片产业；3、产业创新的快速步伐需要大量的资本支出才能继续生产更先进的设备，因此加大投资力度对半导体制造商保持竞争力至为关键。因此，建立国家集成电路研究基金，支持大学、科研院所的加强基础研究、应用基础研究和技术科学研究，建立开放型研究和创新平台，推动国际研究合作，为芯片产业提供知识，赋能原发性创新，提高工程技术开发能力，推进芯片产业高端化进程；4、行业各类人才缺口大，高端人才和领军人物缺乏是制约我国芯片行业发展的重要瓶颈，因此，需要以南京集成电路大学建设为依托，一方面需要完善人才教育培养体系，加强跨学科人才培养，另一方面，广其途引进国际高端芯片人才，满足产业发展升级的人才需要。5、建立以国家集成电路产业基金、创业投资基金和资本市场为核心的金融生态系统，加快科技创新成果商业化运用，支持创新创业，培育芯片产业的未来企业之星；6、建立政府采购机制，鼓励下游用户优先使用国产化材料、设备、软件和芯片，为材料、设备、软件和芯片迭代创新提供强有力市场支持，有效发挥政府在支持芯片产业发展中的作用。
四、长江经济带在突破芯片技术"卡脖子"问题上有得天独厚的优势和义不容辞的责任
半导体芯片对经济增长和国家安全都具有重要的战略意义。面对世界百年未有之大变局，芯片产业链、供应链运营弹性和连续性已成为全球主要经济体重点关注的关键领域。美国政府为增强国内芯片产业链韧性，邀请台积电和三星公司到美国投资先进制程芯片生产工厂，同时，支持国内芯片制造企业扩大芯片生产规模。在今年4月白宫总统新闻发布会上，美国总统拜登表示，计划投资500亿美元用于半导体制造和研究，同时制订《为美国生产半导体创造有益激励法案》，希望用法律手段解决当地汽车、手机等多个领域芯片短缺的危机。据美国半导体工业协会估计，要恢复该国在全球芯片业的领导地位，需要200亿至500亿美元的投资和《为美国生产半导体创造有益激励法案》的支持。
改革开放以来，基于全球芯片产业链和价值链分工，我国通过培育本土半导体企业和引进国际跨国公司，国内逐渐建成了包括芯片设计、晶圆生产、芯片封测及上游的配套设备和材料等各个环节的全产业链芯片产业生态，涌现了一批优质的企业，但总体上看，芯片产业链上中游存在明显的技术差距，如，EUV光刻机、光刻胶、EDA软件等，导致芯片制程处于明显落后状态，芯片供给不能满足国内需要。如，全球芯片制造的龙头老大--台积电已将芯片制程推进至5nm并成功实现量产，目前正在加紧推进3nm、甚至1nm制程，中芯国际2020年底才突破14nm，由于缺乏EUV光刻机等因素无法继续推进先进制程。
随着中国"芯片"战略推进，以集成电路为中心的新一代信息技术产业被列为国家"十大重点发展领域"之一，《国家集成电路产业发展"十三五"规划》和《国家集成电路产业发展推进纲要》颁布以来，国家集成电路产业投资基金一期投资已经全部完成，总投资额为1387亿元，累计有效投资项目70项左右。经过二十余年的快速发展，2019年集成电路制造业销售额已达到2110.4亿元，增速达到16.07%。目前国内芯片产业基本分布呈现"一轴一带"的分布特征，形成四个产业集聚区，分别是：以上海为中心的长三角、以北京为中心的环渤海、以深圳为中心的珠三角和以武汉、成都为代表的中西部区域。目前我国建立了相对完整的芯片产业链，是世界最大的芯片市场，但由于在芯片产业存在明显技术差距，芯片产业高端化存在明显的"卡脖子"技术。根据中国半导体产业协会统计，2020年中国芯片进口达3500亿美元，巨大市场规模为我国芯片产业发展创造良好的市场基础，是未来中国芯片产业健康发展的一大可利用的优势。
长江经济带是我国重要芯片产业聚集带，产业规模占全国七成以上，并涌现出一批包括华为海思、中芯国际、华虹半导体、长电科技、中微半导体、上海微电子等芯片设计、制造、封测、设备等环节产业龙头企业。2021年中国大陆城市芯片产业竞争力排行榜前15位城市中有8个位于长江经济带，前10位的城市中有7个位于长江经济带。目前长江经济带几乎覆盖芯片产业上中下游各个领域，是我国最重要的芯片产业发展带。
长江经济带是我国经济发展的重要支撑地带，人口和经济总量占全国半壁江山。带内聚集了以大学、科研院所、国家实验室、创新中心，新型研究机构为核心的科技创新资源、劳动力资源和人力资本以及雄厚的制造业基础。2020年10月22日，中国首家"芯片大学"南京集成电路大学正式揭牌，这些资源为长江经济带未来的芯片产业发展提供了坚实的基础，因此，在新发展阶段，长江经济带在突破芯片"卡脖子"技术上有得天独厚的优势和义不容辞的责任，理当成为我国突破高端芯片"卡脖子"瓶颈的"主力军"。
【作者：肖汉平，中国人民大学长江经济带研究院高级研究员】
来源：中宏网
https://www.zhonghongwang.com/show-385-203494-1.html