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?趙榮杰 房超：芯片領域科技安全現狀與對策

點擊：  作者：?趙榮杰 房超    來源：科技導報微信號  發布時間:2023-05-12 09:59:16

 

 

集成電路產業由于其基礎性、戰略性、先導性作用，已成為大國博弈的關鍵領域和重要手段?？偨Y梳理了中國集成電路產業的發展現狀，分析了中國在芯片領域面臨的發展困境，得出了中國在芯片領域不僅存在基礎發展薄弱、創新力不足等短板，而且產業生態不完整，還面臨著美國日益加碼的出口管制措施。針對這些問題現狀，立足芯片領域，提出了應兼顧重點、多點布局、發揮新型舉國體制優點、加大基礎研究創新力度、預警科技安全等方面的意見建議。

 

科技安全是國家安全的重要組成部分。當前，新一輪科技革命和產業變革加速演進，科技創新的滲透性、擴散性、顛覆性特征正深刻改變人類社會的生產生活方式，科技也越來越成為影響國家競爭力和國家安全的關鍵因素。然而，在安全化傾向的影響下，科技領域的競爭與合作越來越多受到權力關系、利益關系和價值關系中的安全要素約束。集成電路產業作為戰略性、基礎性和先導性產業，具有極強的創新力和融合力，已經滲透到日常生活、生產及國防安全的各個方面，在牽引一個國家的科技進步、促進社會經濟發展、保障國家安全等方面具有舉足輕重的作用。集成電路已是國家科技戰略的基礎和工業發展的紐帶，它的發展水平從一定程度上反映了國家創新制造水平。集成電路在一個國家經濟和社會發展中發揮著工業“糧食”和社會“腦細胞”作用，它的發展深刻影響著人類的生產和生活。一方面，集成電路是新一代信息技術的“大腦”，其技術進步速度和創新進程直接關乎到數字經濟市場的規模和潛在增長空間；另一方面，嵌入了集成電路的數字化裝備和產品，驅動著各行業各領域的數字化轉型，加速了ICT（information and communication technology，信息通信技術）資本在經濟體系中的深化速度，提升了全要素生產率。放眼全球，集成電路產業正在高速發展，成長勢頭強勁、技術創新特征更趨明顯；產業重心動態變化，熱門產業應用不斷涌現；產業競爭態勢越來越激烈，國家間的合作和競爭呈現出新趨勢。

 

2022年以來，美國密集出臺一系列政策限制中國獲取高性能圖形處理器（GPU）芯片、芯片制造的高端設備和10nm及以下制程的半導體設計軟件，2022年10月7日，美國商務部工業和安全局 （BIS）又發布了新的管制措施，對中國先進計算和半導體制造項目實施新的出口管制，限制中國獲得先進的計算芯片和相關制造設備，直接管制14nm以下先進芯片技術出口中國。由此可證明中國芯片產業發展必須依靠自立自強。

 

中國集成電路產業發展狀況

 

中國受人口紅利、經濟穩定發展、產業利好政策等因素驅動，人工智能、第五代通信技術（5G）等新興技術產業應用的快速發展和傳統產業數字化轉型升級的需求激增，集成電路產業規?？焖僭鲩L，不僅擁有全球最大的電子終端消費群體，也是全球最大的電子信息產品制造國，成為全球集成電路產業發展的主要市場之一。

 

2021年，中國集成電路產業銷售額為10458.3億元人民幣，同比增長18.2%。其中，設計業銷售額為4519億元人民幣，同比增長19.6%；制造業銷售額為3176.3億元人民幣，同比增長24.1%；封裝測試業銷售額2763億元人民幣，同比增長10.1%。2021年，中國集成電路企業已達24.4萬家，年增長速率保持在27%左右。從集成電路制造的業態來看，當前中國集成電路制造企業以純晶圓代工企業為主。從技術發展水平來看，當前國內集成電路制造產業正處于加快45/40nm技術產能擴充，32/28nm技術量產并逐漸形成規模生產力，16/14nm完成研發并進入客戶產品導入階段，逐漸形成量產能力，國內領先的制造企業也已經積極投入10nm以下技術研發。

 

而且，通過有效的政策引導和市場競爭，圍繞集成電路“設計-制造-封測”以及設備和材料這一超長產業鏈，中國集成電路在一些細分領域取得突破，國產化替代成效顯著。在傳統上被國外壟斷的高性能計算以及服務器芯片領域，飛騰信息技術有限公司、龍芯中科技術股份有限公司、海光信息技術股份有限公司、海思半導體有限公司等設計企業有所突破，尤其是海思半導體有限公司在移動芯片設計領域已經邁入全球一線陣營；在芯片制造領域，中芯國際2019年8月實現了14nm量產，華虹半導體（無錫）有限公司也取得制程突破，長江存儲科技有限責任公司在2020年4月宣布128層QLC3D NAND閃存芯片研發成功；在封測領域，江蘇長電科技股份有限公司、通富微電子股份有限公司、天水華天科技股份有限公司位居全球封測行業的第3、6、7名，為中國在封測領域貢獻了全球28.1％的市場份額。

 

此外，中國集成電路產業結構發生顯著變化，附加值更高的設計和制造環節比重穩步增長。產業的空間布局也正在發生新的變化，呈現“有聚有分，東進西移”的演變趨勢。產業的區域分布趨于集聚，企業的區域投資則逐漸分散，集成電路設計業向東部的智力密集區域匯聚，制造業和封裝測試業向西部的低成本地區轉移，根據區域條件和集成電路的技術特點形成產業集聚。

 

整體看，中國集成電路產業結構逐漸趨于合理化，產業鏈生態結構更加健康。“十四五”期間，集成電路產業鏈將有更全面的發展，產業也將向高質量方向發展，聚焦高端芯片、集成電路裝備和工藝技術、集成電路關鍵材料、集成電路設計工具、基礎軟件和工業軟件的關鍵技術研發，圍繞產業發展“卡脖子”環節，不斷探索并解決關鍵核心技術攻關難題，進一步增強集成電路產業鏈自主可控的能力。

 

中國芯片領域的科技安全現狀

 

《總體國家安全觀干部讀本》指出，科技安全是指國家科技體系完整有效，重點領域核心技術自主可控，核心利益和安全不受外部科技優勢威脅，以及持續保障安全狀態的能力。安全和發展是一體之兩翼，保障科技領域安全是維護國家安全的基石。當前大國博弈加劇背景下，中國芯片領域的科技安全面臨若干問題和挑戰。

 

總體上，中國集成電路產業起步晚，而且受國家整體科技體系底子薄、起步晚的影響，在“核心技術、關鍵工藝和裝備材料”等方面都存在明顯的短板，一些關鍵材料、工藝設備依靠進口，企業創新發展面臨挑戰。

 

產業鏈和創新鏈沒有打通，產業生態尚未形成

 

中國集成電路產業布局雖然日趨合理，但依然存在一些較突出的問題。（1）集成電路產業鏈發展的最關鍵的問題是產業鏈上各點的協同性不足。集成電路產業鏈涉及行業眾多，中國集成電路產業鏈各環節之間的銜接度不夠完善，產業鏈上下游之間的協同能力不足，產業鏈不暢通，主要表現在集成電路設計、制造和封裝測試環節技術和工藝發展不匹配，集成電路設計與國內集成電路制造企業未形成協作發展模式。例如半導體襯底和外延還不能完全滿足功率器件工藝的“大尺寸、低缺陷”要求，器件芯片不能滿足模塊封裝和應用對“大電流和高電壓”的要求。（2）產業鏈各環節的聯動力不足，缺乏完善的溝通協調機制和主導部門，從芯片、軟件、系統和整機應用信息間互暢度不夠。隨著產業的深入發展，產業集群化已經開始顯現，現初步形成珠江三角洲、長江三角洲、京津環渤海和中西部地區聚集的產業發展格局，創新發展區域與產業集群區域不匹配。

 

人才供需矛盾限制產業發展，高端人才的短缺成為行業痛點。在全球產業蓬勃發展的大趨勢下，中國現有集成電路人才存在明顯缺口，短期內難以滿足產業持續擴張的需求。從供給側來看，集成電路專業人才培養是一項周期漫長的任務。從高端領軍人才、核心技術人員到有豐富經驗的一線工人，都成為各國（地區）爭奪的重點對象。根據調查顯示，2020年中國集成電路從業人員共有54萬人，其中從事IC設計約20萬人、生產制造約18萬人、封裝測試約16萬人，但仍無法滿足中國集成電路產業高速發展的需求，預計到2023年，全行業人才需求將達到76萬人左右，人才缺口巨大。《半導體人才白皮書》顯示，中國臺灣地區半導體行業人才需求在2021年二季度創造了6.5年以來的新高，其平均每月人才缺口達到2.7萬人，年增幅44.4%。未來，集成電路產業需要形成“學校與企業互通有無”的新格局，加強校企融合，縮短集成電路人才培養問題，為集成電路產業快速輸送全面型人才。

 

嚴重依賴進口，產業鏈“抗風險”能力較差

 

由于在集成電路下游應用端產品的制造優勢以及國內龐大的消費市場，中國在集成電路產業鏈下游競爭力顯著，成為全球最大的集成電路進口國，集成電路也成為中國最大的貿易逆差品類。由圖1可見，2019年中國集成電路出口金額為1015.78億美元，而進口金額高達3055.5億美元，單品類逆差高達2039.72億美元。中國集成電路的需求嚴重依賴于進口，從2015年起集成電路進口額已經連續3年超過原油，2020年由于美國的芯片禁令，促使大量公司芯片備貨，2020年中國芯片的進口總額就占到國內進口總額的18%。2020年中商產業研究數據庫顯示，中國集成電路進口數量為5435億個，同比增長22.1%。但是，剔除外國和中國臺灣地區半導體公司在大陸的活動，2018年大陸企業在全球半導體銷售和制造中的總體份額僅為3％~4％，中國半導體行業需求龐大但自身供給能力不足。目前，集成電路產業相關支撐產業的發展滯后，已經成為制約中國集成電路產業發展的瓶頸。包括設計行業所必須的電子設計自動化軟件、制造業與封測業所需的關鍵設備和材料等，對于進口的依賴性仍然巨大，且存在很高的技術突破壁壘。中興通訊股份有限公司、華為技術有限公司等被美國商務部制裁的案例更是凸顯了中國集成電路產業鏈的抗風險能力較弱的弊病。

 

 

圖1 2015—2020年8月中國集成電路進出口情況

 

關鍵核心技術突破與創新嚴重不足，企業發展受限

 

中國在集成電路發展的關鍵材料及工藝等重要支撐技術領域的自主研發、設計和制造能力長期嚴重缺失。從技術掌握情況看，中國基本掌握了集成電路設計、生產、封裝測試等環節的相關技術，當前最大的瓶頸在于仍未掌握重大的關鍵核心技術。電子氣體、化學機械研磨（CMP）拋光液、濺射靶材、電子設計自動化軟件（EDA）、光刻機、離子注入機、薄膜沉積設備、熱處理成膜設備等高端關鍵材料和設備不能完全自足，芯片設計、制造技術均有待提高。目前，就集成電路裝備材料而言，相關產業政策還處于初步探索階段。2018年，國家發展和改革委員會發布《關于促進首臺（套）重大技術裝備示范應用的意見》，從資金支持、稅收導向、金融服務等角度對首臺（套）裝備進行正向激勵，從實施首臺 （套）保險不暢政策角度進行反向兜底。裝備自主化是封裝和測試性能達到國際先進水平乃至領先水平的重要前提條件。國家和地方在資源有限的背景下，前期聚焦支持集成電路芯片制造環節的設備研制，在集成電路封裝和測試裝備上著力不多，導致相關企業大而不強，規模上是第一梯隊，技術能級上卻未能進入第一梯隊。

 

技術落后的直接后果就是制造企業無法獲取最新技術誕生初期的高額利潤，前期研發持續高投入，技術形成量產能力后迫于國際領先企業降價壓力只得低價搶單維系自身生產，資本支出的回報周期大大增加，直接限制了制造企業規模的擴大。實際上，國內集成電路制造企業的規模和盈利能力根本無法對標國際領先企業巨量且持續不斷增長的研發投入。即使通過國家科技重大專項等研發項目對企業研發進行支持，但還是與國際巨頭每年動輒近百億美元的投入差距巨大。國內集成電路制造企業只能把有限的資源用于技術的追趕，無法進行先導技術的研發投入，更不可能對未來的技術進行投入。這樣直接造成國內的集成電路制造高端人才很難由自身產生，只能從國際先進企業招募，并且加入國內企業的高端人才，由于缺乏前沿技術研發的機會，將失去對領先技術的了解，喪失持續研發的能力。

 

“后摩爾時代”，中國需要把握重大機遇，依托巨大的國內市場，利用新一代信息技術的領先優勢，推進集成電路技術研發，在關鍵核心技術領域取得突破。中國未來亟需在以下領域重點發力：開發新材料、新原理器件，為集成電路注入新動力；利用新一代信息技術優勢，拓寬集成電路應用領域，向人工智能、物聯網和超級計算機延伸，加快技術融合。

 

面臨復雜多變的全球競爭環境，快速發展受阻

 

一方面，美國以國家安全、保護知識產權、平衡貿易赤字等“緣由”發起貿易戰，試圖遏制中國在集成電路等高科技產業領域的發展。早在2017年1月，奧巴馬政府總統科技顧問委員會（PCAST）發布《如何確保美國在半導體行業的長期領導地位》，提出通過“正式的貿易談判、非正式的貿易和投資協定以及美國外資投資委員會（CFIUS）外資投資審查機制”對限制中國半導體行業的發展是“十分有效的”，并提出“要繼續限制美方認為與國防有關的半導體技術出口到中國，直到中國有一天確保這些技術是‘安全的’”。2017年12月18日，特朗普政府發布的首份《國家安全戰略報告》稱中國為美國的“戰略競爭對手”。2020年7月24日，美國蘭德公司發布《中國大戰略：趨勢、軌跡與長期競爭》，提出從軍事對抗的角度應對中國。在美國視中國為“戰略競爭對手”的條件下，美國對中國實施了前所未有的技術“遏制”。例如，CFIUS對中國企業海外并購案件的限制，《瓦森納協議》對高端設備和產品出口予以限制，實施“301調查”對中國產品大量提高關稅，以國家安全之名不斷擴大“實體清單”。2022年8月9日，美國總統拜登簽署的《芯片與科學法案》規定，美國將投入500多億美元推動芯片的研發制造和勞動力發展，但獲得資金補貼的芯片企業于未來10年內不能在中國增產28nm以下的先進制程芯片；同年10月7日，美國商務部工業和安全局（BIS）發布了新的管制措施，對中國先進計算和半導體制造項目實施新的出口管制，限制中國獲得先進的計算芯片和相關制造設備。這些措施對于中國集成電路產業參與全球供應鏈、創新鏈和價值鏈產生巨大威脅，不利于中國集成電路產業融入全球化進程。

 

另一方面，在中美貿易摩擦趨于常態化的基本假設下，集成電路產業全球化分工模式面臨巨大挑戰，安全將成為產業鏈和供應鏈布局的重要考量因素，主要經濟體尋求更廣泛的全球布局和“回流”成為未來一段時期的重要選擇。例如臺積電不僅在中國大陸和臺灣地區開設工廠，也在美國新建最新工藝制程的代工廠；日本企業為應對日韓爭端，將一些原料生產企業搬遷到本土；東南亞諸國由于地緣位置和勞動力成本優勢，正成為各國集成電路低附加值制造業轉移的首選之地，美日韓鼓勵本國制造企業包括集成電路企業向本土回流，并在全球新冠肺炎疫情暴發后表現出加速態勢。

 

芯片領域科技安全治理的對策

 

黨的二十大報告提出，推進國家安全體系和能力現代化，堅定不移貫徹總體國家安全觀，堅決維護國家安全和社會穩定。其中，科技安全治理的首要目標是維護國家核心利益，其內涵特征包括維護國家科學技術體系完整有效、科技應用安全風險自主可控、核心利益不受外部科技優勢威脅以及保持科技持續安全發展的狀態。習近平總書記多次對科技安全作出重要指示，強調要把核心關鍵技術掌握在自己手中、推進產學研用深度融合、持續開展顛覆性技術研究、加快科技安全預警體系建設等，為科技安全治理指明了道路和方向。對于芯片領域，應從以下4方面做好相關安全治理。

 

兼顧重點突破和多點布局，保障中國集成電路產業的可持續競爭力

 

關注產業關鍵環節和領域追趕、破解“卡脖子”問題的同時，要引導市場投資“多點布局”，在一些細分領域形成一定競爭力，保障中國集成電路產業可持續發展。

 

一是高度關注精密設備制造，除了光刻機、刻蝕機需要集中力量快速突破之外，鍍膜設備、量測設備、清洗設備、離子注入設備、化學機械研磨設備、快速退火設備等也需要相關企業進入和配套。

 

二是在精密材料制造領域，在優先攻克大尺寸硅片、掩膜版生產技術以及制造工藝的同時，在光刻膠、電子氣體、濕化學品、濺射靶材、化學機械拋光材料等方面有所突破，既要通過工藝創新推動相關高精密材料的產業化，形成在成本和質量上的優勢，也要提前布局第二代和第三代先進半導體材料研究和產業化，目前可繼續推進《極大規模集成電路制造技術及成套工藝》相關項目的進一步研發，同時深化項目成果之間的整合，向整機、系統方向推進。

 

三是培育一批專業化生產性服務企業，例如超高潔凈室設計和運維企業、污染物回收與處理企業等，通過專業化分工和有效市場協作實現在特定領域和環節的快速突破。

 

四是關注集成電路應用細分領域，例如在汽車芯片、新能源、智能電網、高速軌道交通等領域形成差異化優勢。通過“多點布局”，不僅可以有效避免大量投資集中在熱點環節造成的產能過剩風險，也能有效把握產業最新的發展態勢和動向，支撐中國集成電路產業長期可持續發展。

 

貫徹新型舉國體制的新要求，強化國家實驗室技術研發主體地位

 

國家實驗室是體現國家意志、實現國家使命、代表國家水平的戰略科技力量，是新型舉國體制在核心技術攻關領域的最優化承載模式和實現方式，能夠對各類型科技力量進行高效集中和科學統籌。國家實驗室的突出作用能夠與中國集成電路發展需求有效結合，促進創新資源高效流動和分配、促進體制內各參與方均可獲益，從而提升協同創新的可持續性。

 

國家實驗室需要始終堅持以國家需求為導向，服務于國家重大戰略需求、社會與經濟發展的使命追求。其核心任務在科研，順應時代趨勢，不斷調整研究領域與方向，在保持基礎能力的基礎上，確定優勢研究方向。同時設立專門的戰略規劃機構，制定實驗室戰略規劃，以保證實驗室完成服務國家需求的使命。國家實驗室伴隨國家大型科技計劃而生，通過大型科研計劃的實施，已經在基礎研究、應用基礎研究、關鍵技術突破、科研試驗條件建設、人才團隊建設、產業發展等方面奠定了良好的基礎，同時聚集了大量科技人才，擁有了空前的人才優勢，進而能夠迅速轉化為技術優勢，提高中國在全球集成電路產業的地位。

 

通過統籌布局國家實驗室在集成電路產業發展中的使命定位、戰略目標、主營任務等頂層安排，明確以國家目標和集成電路戰略需求為核心引導學科設定的領域與方向，發揮新時期的舉國體制優勢，針對單一市場無法解決的、需要開展大規模有組織科研的集成電路技術創新領域開展研究工作，通過國家實驗室搭建產學研融合的協同創新體制，以充分發揮國家實驗室在集成電路關鍵核心技術攻關中的先導作用和堅實力量。

 

加大基礎研究支持力度，強化技術尤其是底層技術的自主可控

 

盡管目前產業界和決策層已形成加大支持集成電路產業發展的共識，但從目前的政策支持對象來看，主要關注于短期產品和制造技術的國產化替代方面，對集成電路未來發展的基礎性、原始性技術重視度不夠，對于產業鏈更底層的材料、設備、軟件工具等重視度不夠。根據美國國家科學基金會 （National Science Foundation）披露的數據，2018年美國研發投入達到5800億美元，研發強度為2.82％，其中，在基礎研究、應用研究和實驗開發方面的投入比重分別為16.6％、19.8％和63.5％。與之形成鮮明對照的是，2019年中國研發經費22143.6億元，投入強度為2.23％，基礎研究、應用研究和實驗開發經費占比分別為6.0％、11.3％和82.7％。

 

發揮市場在資源配置中的決定性作用，優化營商環境，減少行政干預，為社會資本、境外資本進入集成電路產業創造良好條件，鼓勵國內企業進行境內境外投資組合和并購，鼓勵產業上下游以及競爭性企業整合，形成大中小企業融通發展的良好生態，利用好中國超大規模市場優勢為集成電路產業發展提供有效市場需求。值得關注的是，美國的研發投入從聯邦政府為主導的投入模式轉變為商業企業主導的投入模式，盡管自20世紀60年代以來美國的研發強度整體未有較大上升，但商業領域的研發強度不斷增加，從1965年的0.88％上升到2018年的1.96％，而聯邦政府投入的研發強度則從1965年的1.86％下降到2018年的0.62％，市場化研發投入為集成電路產業探索性發展提供了良好的契機（圖2）。芯片是受摩爾定律支配的龐大的全球競爭性產業，對于這樣一個分工精密、高速迭代的高科技行業，無論何時，它都要以市場為導向，開放合作，通過時間積累來厚植基礎，然后才有可能在某個時刻實現逆襲。

 

 

圖2 1953—2018年美國研發投入強度

 

聚焦風險隱患防控，建立健全科技安全預警監測、防范化解機制

 

芯片已成為國家之間管控制裁的工具。日本限制向韓國出口高端半導體材料；美國持續開展芯片領域調查評估，也相繼出臺多個政策文件以加強對全球競爭加劇的應對。習近平總書記強調，要加快科技安全預警監測體系建設。通過實時跟蹤國內外國家戰略、科技動態等，關注科技創新、發展、競爭、遏制、管控等相關信息，定期或不定期組織開展科技安全相關模擬推演工作，研究設計風險處置程序、應急管理預案，建立健全專業應急隊伍，根據監測結果和風險閾值及時觸發啟動防范化解機制，完善國家安全體系。

 

中國作為世界上最大的芯片消費國，面對美國等西方國家不友好的芯片政策，在經濟全球化的背景下，一方面應該繼續積極尋求互利合作的談判，另一方面也需要利用自身優勢，出臺相關反制措施，維護貿易的公平性，保障國內半導體產業健康發展。

 

結論

 

芯片領域的科技發展在國家經濟增長、國防和軍事安全、能源安全等領域發揮著越來越重要的戰略和支撐作用，但從芯片領域的發展來看，中國芯片領域還存在著產業生態尚未形成、產業鏈抗風險能力較差、關鍵核心技術突破和創新嚴重不足以及面臨的國際競爭環境復雜多變等問題。針對這些發展問題，為深入貫徹落實黨的二十大報告關于推進國家安全體系和能力現代化、確保國家安全和社會穩定的精神，需要兼顧重點突破和多點布局，貫徹新型舉國體制的新要求，加大基礎研究支持力度，并且建立健全科技安全預警監測、防范化解機制等，從源頭上解決核心技術受制于人的問題，更好地發揮芯片產業戰略性、基礎性和先導性作用。

 

作者簡介：趙榮杰，啟元實驗室，研究員，研究方向為集成電路技術與產業；房超（通信作者），啟元實驗室，研究員，研究方向為高新技術戰略。來源：科技導報微信號；原文發表于《科技導報》2023年第6期