【科学强国】“中国芯”何去何从——专访西安交通大学微电子学院副院长张国和

　　集成电路是强国必争的领域。芯片的研究与发展和国家产业息息相关，中国要成为一个强大的国家，必须占据该领域的话语权。发达国家针对中国的技术封锁是最大的拦路虎。西安交通大学微电子学院在微电子专业领域有着深厚的积淀，副院长、博士生导师张国和教授长期开展半导体器件基础理论与集成电路设计研究，主持和参与了多项国家重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等重要项目。在《中国科学》《半导体学报》、IEEE EDL、IEEE TED、IEEE TVLSI、IEEE TCASII等刊物发表论文90余篇，授权发明专利30余件，获2020年陕西省科学技术进步奖一等奖1项、2021年中国仪器仪表学会科技进步一等奖1项、陕西省教学成果奖特等奖1项。

供图：张国和教授

　　接受《小康》杂志、中国小康网专访时，张国和教授表示，对于集成电路行业，国家实际上一直在进行着重点扶持，从863计划、973计划到国家重大专项，再到集成电路大基金的成立，政策层面一直不缺乏激励，着力推进形成了材料、仪器装备、工艺制造、设计、EDA、封装测试等多方面及其配套环节的产业链建设。

　　国产芯片正“低调地前行”

　　《小康》·中国小康网：在这新一轮的技术变革当中，中国芯片研究处于何种位置？

　　张国和：芯片就是把一个电路所需的晶体管和其他器件制作在一块半导体上，又被称为微电路、微芯片、集成电路。芯片包含了很多种类，按照应用功能分为计算芯片、存储芯片、感知芯片、能源芯片、通信芯片、接口芯片等；按照工艺制程可以分为7纳米芯片、14纳米芯片、28纳米芯片等；按照半导体材料，可分为硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等；按照应用场景可分为数据中心级别芯片、消费类产品级别芯片、工业类产品级别芯片、汽车电子级别芯片、军工和国防级别芯片。

　　谈到我国芯片在国际上所处的位置，难以一概而论，我们在一些种类的芯片技术方面实际上是能够与国际并行的，一些高等院校、研究所、企业的研究也逐步登上了引领技术发展的位置。一般，民众关注的“卡脖子”芯片大多是对硅基先进制程比较依赖的芯片，比如计算机CPU、手机CPU，这一类属于数字类的计算芯片，还有一些高性能的模拟、数模混合的芯片。总的来讲，中国芯片的研究落后于西方国家，但也有一些领域是并行，甚至是领先的。

　　《小康》·中国小康网：国产芯片喊了很多年，也时有成果发布，但是普通人的手机和电脑上，仍然是进口芯片一统江湖。目前这种现状有所改变吗？

　　张国和：一颗芯片产品的采用，需要经过严格的测试验证、可靠性试验等流程，需要非常长的时间周期。一颗芯片产品研制成功后，通过了功能性能测试和可靠性试验，也不一定能成功推入市场，还受其他因素影响，比如行业标准认证、生态链、市场竞争等。

供图：张国和教授

　　也有人会问，“为什么有些芯片推出了几十年了，我们到现在还不能够造出来，这就是能力不行。”这个观点对也不对。举个例子，第一款芯片推出时，作为使用者，它有什么bug，民众都会忍受，因为享受了它带来的便利。比如带Intel x86的PC机刚面市时，价格昂贵，30多年前就几万元一台，人们依然趋之若鹜。当时的PC经常蓝屏，尽管如此，重启一下，多等待几分钟，大家也觉得可以涵容。现如今，不会再有人愿意使用它，因为“好慢、真难用”。Intel CPU一般1~2年左右会迭代一版，它的成功还因为是与微软的Windows操作系统进行了绑定。通过与操作系统的软硬件协调开发，Intel的CPU在与同时期其他同类产品的竞争中胜出，垄断了市场。Intel和微软的合作，有力地甩开各自的竞争对手，每有新一代操作系统或CPU推出，填补了前面的技术漏洞，增加了新功能，激发了民众的购买热情，如此催生了持续且庞大的全球市场，强有力的市场支撑反哺研发，形成了良性循环，这是追赶者通过单纯的研发投入所难以实现的，需要我们冷静认识客观情况。

　　因此，我国芯片产业在手机、电脑领域的每一点突破都是难能可贵的。失去了先机，作为一个落后者来讲，基本上难以再有广阔市场。在商用领域，一个对标市场已有的新品牌产品推出，首先需要产品功能性能胜出，才有可能被采用，后面还需要产业链支持、市场团队的努力。对于新产品而言，如果没有前期版本的迭代使用和大量用户试错的话，那么后期芯片的研制改进就会越来越困难。

　　任何伟大的设计师或芯片从业者，都不敢说从0开始设计一款芯片就能够去取代原有的成熟产品。当然，我国在此领域不断取得了进步，推出了很多同类产品，比如龙芯、麒麟，但因为种种因素，发展一直受到制约。我国实际上很早也开始了自主研发操作系统，但同样原因，也没有成功进入民用市场，迭代改进也存在制约。

　　因此，不是说我们设计不出那么高性能的芯片，实际上是可以的。美国为什么打压华为？因为华为手机的水平可以跟苹果手机媲美，甚至一些方面已经胜出，在5G通信芯片技术层面已经处在领先行列。但是中美贸易战之后，它的芯片生产就被限制了，能设计出来但是制造不了。

　　芯片种类非常多，各个领域加起来应该超过了10万种，如果都要突破的话，那就需要庞大的市场和工业体系来支撑。从个人观点来看，中美贸易战应该是我国芯片产业发展的一个机遇，也让我们国家很多整机、系统厂商坚定了试用国产芯片的决心。在我国这么庞大的市场支撑下，如果拥有更多时间打造我们自己的芯片生态链体系，我相信再经过几年的市场迭代，肯定能够摆脱现在这种受制于人的局面。

　　打造芯片生态链体系需要时间积累

　　《小康》·中国小康网：我国芯片企业面临了哪些不利环境？

　　张国和：第一，芯片的应用层面，也就是芯片生态链的建设问题。可以说整个国际的应用生态链其实一直对我国企业都是不友好的。一旦生态不利好的话，想发展起来很困难，特别是加入WTO之后，企业必须和国际巨头们去竞争，尽管如此，以华为为代表的一些高新技术企业，在艰难求存的时候也在逐步发展起来。中美贸易战也证明了我国的发展战略其实很对路，如果没有对对方产生威胁的话，他们也不会频繁打压。相关领域国家也在布局，把短板补起来慢慢发展，生态链是关键。

　　第二，不利的外部环境。我国加入WTO之后，必须要认同他们的一些规则。在这个战略规则下，我们在一些地方受益了，全球一体化，贸易壁垒消除，经济得到了发展，但是从高新技术的发展来讲，西方国家一直在对我们进行限制，从巴统、瓦森纳协定开始，到近两年发布的“美国创新与竞争法案”等等，他们一直在限制高端仪器设备、高端技术，中国实际上是购买不到的，同时因为很多标准、规则是他们定的，也不利于我国自主发展。

　　第三，竞争激烈的市场环境。产品竞争层面，在芯片领域，第一名获取丰厚利润，第二名、第三名则生存困难，非常残酷。同类产品即使研制出来了，量产或良品率过低，导致成本过高，同样也难。举个例子，数字电视近些年的市场价格变动，民众应该可以感受到，2013年以前，电视是比较贵的，现在相比于某些高端手机，像是白菜价了。这源于我们拥有了国产数字电视芯片和LED屏。很多国产芯片从0到1投入研发，成本很高。我们同类产品出来了，但是投放市场难度还是很大，简单讲个价格战的例子：海外公司的同类芯片已经在市场上投放了很多年，已经获取了巨额的市场利润支撑，其成本也要低得多，等我们芯片产品出来后，他们的产品就可以以压到我们的成本价甚至略低于成本价去卖。这样花费巨额成本研发出来的同类型、甚至稍好一点的芯片，在投放市场时面临价格战，或者资本市场竞争的时候，还是否具有优势？这也是近两年很多芯片企业遇冷的原因，面临激烈的竞争，尚处于被动地位。

　　第四，同行业相互之间的竞争。现在国产化增多，做同类产品的公司也比较多，不仅要面临海外企业的压制，也要面临国内同行的竞争。后者可以促进企业进步，是个好现象。

　　第五，后备人才体系的建设。人才培养是国家发展的重中之重。长期以来，我国制造业主要依靠人口红利，这也意味着对人才的不重视，待遇低，人才的智慧产出不能够得到正确衡量，导致优秀人才外流，企业发展缺乏动力。人才培养是核心环节，是整个未来科技发展的源动力。因此，国家需要更大力度实施“微电子人才培养和引进工程”，以最大的力度吸引国内外优秀的微电子技术和管理人才，尤其是事业有成的国外留学生；制订出优惠政策，扭转微电子人才大量外流的趋势；依据微电子工程特色及落后于人的现状，制订特色的人才培养计划，继续在重点高校扩大微电子学科人才培养规模，培养出一批微电子材料制备、设备研制、工艺开发、设计和系统应用人才。

　　在市场先机丢失之后，再奋起直追，要从各个局部逐渐突破，再去解决这些不利因素。我国在这方面做了非常多的努力，包括在科技政策上，长期以来一直在投入，而且是大额投入。

　　直面新挑战，寻找新方向

　　《小康》·中国小康网：当您和团队一起攻克难题的时候，实际具体遇到的困难是什么？最后是如何解决的？

　　张国和：高校更多承担的是教育的职能，我们也参与到很多国家重大项目中，所遇到的困难分不同层面。

　　第一，人员层面。我们高校除了老师之外，更重要的科研力量是研究生，而研究生是动态的，培养两到三年，硕士生就毕业了，博士生也差不多四年毕业。人员的流动对于参与国家的一些重大工程任务，其实是短板。早在十多年前，交大在校长郑南宁院士的支持下就推出了科研专职政策，允许团队聘用高水平技术人才来解决这个问题，但仍然很难。因为待遇远远跟不上企业水平，近年芯片行业很热，就业很好，对于刚毕业的硕士研究生，企业给的薪水待遇就比我本人的都高。所以，对于热门行业，高校很难留住高技术人才，各级校领导也在想办法帮我们科研团队来解决这些问题。

　　第二，芯片流片方面，我们也遇到了很多困难。2019年，西安交大也进入了美国商务部的实体名单，直接去流片，对方会拒接。近年来，由于产能问题，这也给我们做研发性质的芯片带来了很多困难。当然我们通过合作企业得到了一些援助，解决了流片问题，但这只能算是曲线措施。另外，先进制程的流片费用很贵，因为每流一次片，价钱从不同的工艺节点，所需费用从几十万到几百万甚至上千万，对于靠科研经费支持的研究来讲，其实很难得到先进制程。如果我们做研究的，不能接触到先进制程的话，很难做出特别出色的芯片，也限制了在研究方面的发展，培养不了相应的高水平后备人才。美国的大学都有政府牵头组织的代工企业给予的免费shuttle，可以搭班车去流片，所以也希望国家或者企业能够给科研单位更多支持。

　　《小康》·中国小康网：后摩尔时代，集成电路技术发展有哪些方向和建议？

　　张国和：这个问题很有挑战，由于集成电路技术涉及很广，延续摩尔定律（More Moore）和超越摩尔定律（More than Moore）是其发展的两个重要方向。一个就是延续摩尔定律，研究基于硅基工艺的新器件结构和工艺制程，继续往3纳米以下工艺节点走，解决纳米尺度器件面临的短沟道效应、高泄漏电流等问题。超越摩尔定律则可以致力于多芯粒集成，发展在单个芯片上的异质集成技术、系统封装技术、3D集成、Chiplet技术等。另外，量子器件、自旋器件、神经形态器件等新型信息器件也在开始崭露头角，新型器件也是后摩尔时代发展的重要方向。

　　国家把集成电路定义为交叉学科，因此从产业角度来看，集成电路发展可以与其他行业深度结合，比如跟生物医疗行业去结合，再比如跟汽车行业、储能行业等，持续深入推进芯片在各行业的深度融合发展。

　　《小康》·中国小康网：如今我国不仅仅是芯片制造，而是整个芯片产业链都需要突破，急需关键技术人才。请简单介绍一下目前西安交通大学微电子学院这方面的人才培养机制和进展。

　　张国和：西安交通大学微电子学院是在西安交通大学1959年成立的以半导体物理为主要研究方向的“应用物理”专业基础上发展起来的，是国内最早从事半导体技术研究和人才培养的单位之一。

　　与“集成电路科学与工程”密切相关的“微电子学与固体电子学”专业是国家重点二级学科、“211工程”建设学科、“985工程”建设学科，具有硕士和博士学位授予权，建有博士后流动站。

　　2022年7月，国务院学位委员会批准我校成立“集成电路科学与工程”博士学位授权一级学科。因此，微电子学院现有电子科学与技术和集成电路科学与工程一级学科博士、硕士学位授权点，电子信息专业学位博士、硕士学位授权点和2个本科专业，电子科学与技术一级学科设有博士后流动站。2个本科专业微电子科学与工程和集成电路设计与集成系统入选首批国家级一流本科专业建设点，均为国家质量工程建设特色专业和陕西省名牌专业。

　　西安交通大学微电子学院借助已有的多个平台，目前学科建设和发展已经取得了显著的成果和突出的阶段性成绩。学校先后双聘2位、引进4位微电子领域的院士和国家领军专家，投入约1.4亿元资金用于学科发展和建设，形成了一支以院士和领军学者专家为学科带头人、以中青年专业人才为主体的多层次人才梯队，建立了完备的多层次人才培养体系和稳定的产学研基地，培养了一批高素质的集成电路领域专业人才。

　　学院目前每年招收微电子科学与工程专业本科生130人，微电子与固体电子学学术硕士和集成电路工程硕士研究生规模均为130人，电子科学与技术和集成电路科学与工程博士生25人，工程博士5人。

　　西安交通大学建设集成电路科学与工程一级学科符合国家战略要求和学科建设需求，与学校办学方向一致。在集成电路领域已经拥有高素质的教学与科研队伍、一流的支撑条件，拥有建设集成电路科学与工程一级学科的基础，课程体系完善，研究生培养方案合理、可行，各方面资源满足培养集成电路高水平人才的条件。

　　为了进一步促进我国集成电路技术的长期高速发展，围绕集成电路一级学科建设，学校和学院将制定全新的人才培养方案与课程体系，针对从半导体材料、器件，到芯片设计和制造工艺，再到封装、测试和系统应用的战略性新兴学科的学科定位，建设集成电路科学与工程一级学科，把分散在原有学科的集成电路知识体系化和系统化，打破常规学科建设模式，构建注重基础知识、创新能力和综合素质为核心的学科建设体系，解决产业核心技术问题，培养产业急需的创新型领军人才。

　　来源：《小康》·中国小康网

　　作者：孙媛媛

　　编辑：刘彦华

　　审核：龚紫陌