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中国半导体的世纪沉浮

2018-05-09
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本文转载自《伐柴商心事》


2000年3月4日,79岁的复旦大学前校长谢希德先生与世长辞。


谢希德先生


这位新中国第一位女大学校长,是享誉海内外的物理学家、教育家、社会活动家。她还是我国半导体事业的奠基人,被人们称为“中国半导体之母”。

1949年,谢希德拿到史密斯学院硕士学位的时候,弟弟就写信告诉她新中国成立的消息。自小在炮火和逃亡中长大的谢希德觉得中国的曙光来了,从那时,她就立志要回国效力。但是,1950年朝鲜战争爆发,美国政府随后禁止留美的理工科中国学生回国。

1951年,30岁的谢希德从麻省理工学院理论物理专业毕业,他的爱人曹天钦也在英国剑桥大学生物化学系博士毕业。归国心切的谢希德在李约瑟的担保下来到英国,与曹天钦完婚。第二年,两人便迫不及待地从英国辗转印度、香港,踏上了归国的旅程。

回国后的谢希德被安排在复旦大学物理系担任教授。短短五年时间,她从无到有,开设了固体物理学、量子力学等6门课程。

1956年,周总理发起了“向科学进军”的口号,她被国务院调到北京大学联合筹建半导体专业组,并与北京大学的黄昆、吉林大学的高鼎三创立了我国第一个半导体专门化培训班。

经过一整年的时间,谢希德与黄昆合著的《半导体物理学》问世,这也是我国该领域的第一部著作,直到现在也是专业经典教材。

《半导体物理学》黄昆、谢希德著

经过两年的培养,包括中科院院士王阳元、工程院院士许居衍、微电子专家俞忠钰等的300多名青年科技工作者,分赴我国第一批半导体科研单位和生产第一线,成为行业的先锋和骨干。

半导体,这门1947年才诞生的学科,在谢希德和其他老一辈科学家的努力下,早早地在中国落地生根。

 

 

朝鲜战争的爆发,让中国成为世界政治、军事冲突矛盾的最前沿。为解决军队电子通信问题,在苏联和民主德国的技术支持下,我国在北京酒仙桥筹建北京电子管厂(774厂,即现在的京东方)。该厂年产电子管1220万只,是亚洲最大的电子管厂。除此之外,酒仙桥还建起了规模庞大的北京电机总厂、华北无线电器材联合厂(其中就有现在的798艺术区)、北京有线电厂(738厂)、华北光电技术研究所等单位。这些一五期间的工厂,成为我国电子工业的基础。

1956年,国家结合当时世界科技发展的趋势,制定了为期十二年的《1956-1967科技发展远景规划》,并把计算机、无线电、半导体和自动化作为国家生产和国防需要紧急发展的领域,正式向科学进军。

在“重点发展、迎头赶上”和“以任务带学科”的方针指引下,我国半导体事业从无到有,有了长足的进展。

1957年,北京电子管厂拉出锗单晶,同年,研制出锗晶体管。

1958年,中科院王守武、王守觉兄弟(中科院人称“大王”、“小王”)研制出我国第一批锗合金高频晶体管,并成功应用在109厂(现中科院微电子所)的109乙计算机上。

向科学技术现代化进军

1959年,赫鲁晓夫在参加了国庆十周年大典后正式表态停止对中国的一切援助,苏联专家撤出中国。中苏正式绝裂,并开始了长达二十多年的对抗。

在地球的另一边,美国德州仪器的基尔比提出集成电路的构想;三个月后,仙童公司的诺伊斯用蒸发沉积金属的方法替代导线,使得集成电路大规模量产成为可能。1960年,美国人发明平面光刻技术,仙童公司随即开发出全球第一块晶体管集成电路。

1959年,在林兰英的带领下,我国冲破西方禁运,仅比美国晚一年拉出了硅单晶。同年,李志坚在清华拉出高纯度多晶硅。

1960年,中科院半导体所和河北半导体研究所(现中电13所)正式成立。我国的半导体工业体系初步建成。同年,黄昆、王守武、王守觉、林兰英开始研究平面光刻技术,并在1963年研发出5种硅平面器件,应用在了109丙型计算机上。

1965年,王守觉在一块约1平方厘米大小的硅片内,刻蚀了7个晶体管、1个二极管、7个电阻和6个电容的电路,我国第一块集成电路由此诞生。


王守觉先生

60年代初,日本在美国的扶植下,通过官产学联合的形式,引进美国技术,建立了初步的半导体工业体系。而此时的韩国、台湾,仍然没有像样的半导体工业。

1966年,十年风波开始,但我国的半导体工业建设并未止步。1968年,北京组建国营东光电工厂(878厂),上海组建无线电十九厂,至1970年建成投产。其中北京878厂主要生产TTU电路、CMOS钟表电路及A/D转换电路;上海无线电19厂,主要生产TTL、HTL数字集成电路。他们是当时中国集成电路产业中的南北两强。

1968年,国防科委在四川永川县,成立固体电路研究所(即永川半导体研究所,现中电24所),是中国唯一的模拟集成电路研究所。同年,上海无线电十四厂首次制成PMOS电路。

1970年代永川半导体研究所、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路,之后又研制成CMOS电路。

1972年,美国总统尼克松访华后,中国从欧美大量引进技术,全国有四十多家集成电路厂建成投产。包括四机部下属的749厂(甘肃天水永红器材厂)、871厂(甘肃天水天光集成电路厂)、878厂(北京东光电工厂)、4433厂(贵州都匀风光电工厂)、4435厂(湖南长沙韶光电工厂)和航天691厂(侯为贵创立中兴前的工作单位,现并入航天771所)等。

也是在1972年,我国自主研制的PMOS大规模集成电路在永川半导体研究所诞生,实现了从中小集成电路发展到大规模集成电路的跨越。实现这一过程,中国人比美国人晚了4年。

1975年,王阳元在北京大学设计出第一批1K DRAM,比英特尔生产的C1103晚5年。

1978年,王守武带领徐秋霞等人在中科院半导体所成功研制4K DRAM,次年在109厂量产成功。这时,比美国人晚了6年。

1979年,中国成功反向英特尔的8080八位微处理器,比德国和日本早一年。

1980年,王守武兼任109厂厂长,将老厂房升级改造为1000到10000级的高标准洁净室,并在这里组装了我国第一条中、大规模集成电路生产线。

1975年王守武(中)和参观半导体所的美籍华人科学家

此时,日本在美国的技术支持下,半导体研发官产学模式大获成功。1971年,研制成功1K DRAM,仅比美国晚1年,并全面超越中国。而韩国、台湾省这一时期凭借代工美国落后的半导体器件,并通过颁布产业发展计划、引进技术、派遣留学人员学习培训等方式,投入大量资金,积累半导体产业基础,但整体技术仍未超越我国。

改革开放之前,中国举全国之力,主攻半导体科技。在一大批舍身忘我的半导体人的努力下,从无到有,建立了相对完整的半导体工业体系。

 

 

时间到了80年代,国人一觉醒来,发现外面的世界已是截然不同。

巨大的物质和精神匮乏感,让人们兴奋又迷惘。渐渐地,举国进入了物质追求的时代。泱泱大国,赚钱机会遍地都是。而半导体这个板凳一坐十年冷的行业,慢慢落伍了。

80年代初期,国家缩减对电子工业的直接投入,希望广大电子厂能够自己到市场找出路。

为了在短期获得效益,大量工厂出国购买技术、生产线。自主研发的电子工业思路逐渐被购买引进所替代。(也就是这个时候,侯为贵被派往美国考察产线,并于1985年在深圳创办了中兴半导体。

然而,由于巴黎统筹委员会(简称“巴统”)的技术限制,我们只能引进落后的二手淘汰设备。各地、各厂各自为战,缺乏统一规划,前沿技术研究被抛在脑后。

于是,整个半导体产业越引进,越落后。

1984年至1990年,中国各地方政府、国有企业和大学,总共从国外引进类似的淘汰晶圆生产线达33条,按照每座300-600万美元估算,总计花费1.5亿美元左右。这33条晶圆生产线,大多是3英寸、4英寸的晶圆线。而1987年,日本研发的DRAM就已经采用了8英寸线。

随后国家也采取了一些措施来协调产业发展。

1986年,电子工业部在厦门举办集成电路战略研讨会,提出“531战略”(即“普及5微米技术、研发3微米技术,攻关1微米技术”),并落实微电子南北两个基地、一个点的布局。即南方集中在江浙沪,北方集中在北京,一个点是西安。

日本在80年代通过前期的技术积累,加上大规模人、财、物力投入,在DRAM技术上完成了对美国人的逆袭,同时带动了整个半导体工业的发展。到了1990年,全球前十大半导体公司有6家都是日本公司。而紧随日本的学生——韩国,也由政府牵头,四大财阀大力投入,并在美国爸爸“扶韩抗日”的政策帮助下,迅速追赶日本。

此时的我们,已经全面落后日本,开始被韩国超越,并很快被甩在了身后。

1981年,中科院半导体所研制成功16K DRAM(比韩国仅晚两年)。

1985年,该所制造出中国第一块64K DRAM(比韩国晚一年)。

1986年制定531战略的时候,日本人已经开始将线宽从0.8微米向0.5微米推进;而韩国人研发加速,研制出1M DRAM,与日本的差距仅1年。

直到1993年,我国才在无锡华晶制造出第一块256K DRAM,比韩国已经晚了整整七年。

80年代的集成电路大生产试验鉴定会

90年代初,日本经济泡沫破裂,韩国趁势加大投资、拉拢人才。

1992年,三星超过NEC,成为世界第一大DRAM制造商。同年,三星开发出世界第一个64M DRAM,在产量和研发上全面超越日本,成为世界第一。

也许是看到了邻国产业飞速发展的事实,国家一改以往各自为战的模式,开始用重点项目的方式集中进行半导体投资研发。

1990年8月,国家计委和机电部在北京联合召开了有关领导和专家参加的座谈会,中央随即决定实施908工程。国家为908工程集中投资20多亿元,目标是在无锡华晶建成一条月产1.2万片、6英寸、0.8-1.2微米的芯片生产线。

但由于审批时间过长,工程从开始立项到真正投产历时7年之久。芯片工艺节点符合摩尔定律,每两年左右就缩减一半。及至1997年建成投产时,华晶的技术水平已大大落后于国际主流技术达四至五代。月产仅800片左右,投产当年即亏损2.4亿元,最终无奈被华润收购。

1995年10月,电子部和国家外专局在北京联合召开国内外专家座谈会,希望加速我国集成电路产业发展。11月,电子部向国务院做了专题汇报,确定实施909工程,对建设大规模集成电路芯片生产线项目正式批复立项。909工程项目注册资金40亿人民币,由国务院和上海市财政按6:4出资拨款。1996年,909工程的主体承担单位上海华虹微电子有限公司与日本NEC公司合作,组建了上海华虹NEC。

就在909工程立项的前一年,“巴统”解散,但西方国家并没有留给我们什么窗口期。紧接着在1996年7月,包括“巴统”17国在内的33个西方国家签署了《瓦森纳协定》,对中国等国家实施军用、军民两用商品和技术的控制清单,包括电子器件、计算机、传感器、新材料等9大类高新技术被实施禁运。半导体相关的高端设备、技术和元器件全部无法引进,产业建设更加困难。

1996年,时任电子部部长胡启立以66岁的年龄兼任华虹集团董事长,直接主持909工程。有好心朋友劝说胡启立“你搞909,是抢个地雷顶在自己的头上。”顶着地雷的胡启立硬着头皮,带领华虹NEC克服了华晶七年漫长建厂的悲剧,于1997年7月31日开工,1999年2月完工,投产之时正赶上全球芯片市场一片向好,2000年取得30.15亿元的销售额,利润达到5.16亿元,出口创汇2.15亿美元。

1999年华虹NEC投产,中为胡启立

朱总理曾对胡启立说:“这是国务院动用财政赤字给你办企业,你可要还给我呀!”可是,半导体这种投入大、回报周期长的行业,想要迅速回笼资金,太难了。

 

 

2001年是中国的祥瑞之年,申奥成功、男足打进世界杯和加入WTO,让每一个国人为之振奋和感动。而半导体行业,却在喧嚣中进入低迷期。美国互联网泡沫破灭,科技行业受到重挫,曾经的半导体巨头日本东芝也宣布不再生产通用DRAM,全面收缩半导体业务。这一年,华虹NEC全年亏损13.84亿元。

半个世纪前,我国半导体产业以服务军事需求为初衷,通过国家计划推动发展。这种传统靠着惯性一直延伸到了908、909工程。而这些有着明显计划经济色彩的国家工程又以企业为主体,希望在市场中分一杯羹。这种思维和身份的冲突,使得工程产物要么过时,要么需要花更大的力气去理清这矛盾,因而步履维艰。更重要的是,单一的工程项目对产业生态的提振十分有限。

加入WTO前后,国际化的视野和市场化的运作方式被引入中国。半导体产业越来越以“真正的产业”姿态出现在人们的视野里。

2000年6月,国务院发布了《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》(18号文),并陆续推出了一系列促进IC产业发展的优惠政策和措施。用政策引导的方式,积极发展产业配套,改善产业发展环境。在中央和地方政策引导下,国内掀起了一波集成电路投资热潮。

信息产业部同时组织实施了“中国芯”工程,大力扶持国内具有自主知识产权IC产品的研发。在国家863、973计划的大力支持下,国产CPU作为重点攻关领域,在多个单位同时研发。

2001年,方舟科技设计的“方舟一号”流片成功,这是我国自主研发的32位RISC指令集CPU。

2002年,中科院计算所的“龙芯一号”问世,是采用MIPS指令集的32位CPU。

2002年,北大众志将X86引进消化吸收再创新,推出了基于自主设计X86兼容的32位“众志863” CPU芯片。

2001年,留美归国的邓中翰在1999年创立的中星微电子有限公司宣布,国内首枚具有自主知识产权的多媒体芯片“星光一号”研发成功。此后,中星微的多媒体芯片被广泛应用于PC和智能手机的摄像头,被索尼、三星、惠普、飞利浦等一线IT企业采购。2003年,全球市场份额一度达到60%。2005年3月,该数字多媒体芯片与神舟飞船等一起荣获国家科技进步一等奖。2005年11月,中星微登陆纳斯达克,成为第一家在纳斯达克上市的具有自主知识产权的中国芯片设计企业。

邓中翰

同年,中国台湾人张汝京由于一手创办的世大积电被大股东偷卖给台积电,含恨带着资金、技术和团队在上海创办了中芯国际。在上海实业、华登国际的大规模资金支持下,仅用两年就建设了三条8寸生产线,速度和效率震惊业界。

然而,就在国内半导体行业蒸蒸日上,一片欣欣向荣的时候,却被汉芯事件打了响亮的一记耳光。

2003年2月,上海交大微电子学院院长陈进举行盛大发布会,宣布国产高性能DSP“汉芯一号”研发成功,信息产业部、上海市政府以及王阳元、许居衍(不知谢先生在世会作何感想)和严晓浪等国内顶级专家纷纷站台,表示“汉芯一号”及其相关设计和应用开发平台,达到了国际先进水平,是中国芯片发展史上一个重要的里程碑。

三年后,有人在水木清华BBS上公开指责陈进的“汉芯一号”造假,很快引起业界关注。随着调查的深入,真相终于大白于天下。“汉芯一号”不过是雇人把摩托罗拉相关芯片的标识用砂纸磨掉,然后加上“汉芯”标志“研制”而成。

陈进因为汉芯,为自己骗取了无数的项目资金和荣誉,使原本该给国人一剂强心剂的“汉芯一号”,变成了一起让人瞠目结舌的科研造假事件。此后的很长一段时间,人们对国产芯片总是带着怀疑的眼光。

陈进在汉芯一号发布会上

芯片行业是技术、资金、管理重积累的行业,一步错,很容易步步错。汉芯事件只是国内整个行业进入低谷的一个标志。

由于产品经验不足,缺乏应用生态,之前国家推进的国产CPU,方舟李德磊跑路,倪光南院士到科技部“负荆请罪”。众志芯片在科技界和市场上逐渐销声匿迹。只有龙芯在熬过了冬天后,在特殊应用领域找到了自己的立足之地。

而邓中翰的中星微,因为一直强调“是一个技术导向型的企业”,面对移动端带来的行业变革显得迟钝和固执,一个多媒体解决方案需要多个芯片支持。台湾的联发科单芯片解决方案很快占据上风,并迅速掌握了多媒体芯片产业链的主导权。中星微从此一蹶不振。2015年12月,中星微从纳斯达克退市。

张汝京创办的中芯国际在2003年也因为知识产权问题,与台积电展开了长达6年的专利诉讼。2009年11月,台积电胜诉。两家公司随即宣布和解,中芯国际向台积电支付2亿美金,并通过向台积电发行新股及授予认股权证,交易完成后台积电持有中芯国际10%的股份。张汝京自此离开中芯国际。

此后,国内缺芯少魂的现状愈演愈烈。

2013年,我国集成电路进口额达2313亿美元,超过石油,成为第一大进口商品。国家也更加意识到整个产业的战略重要性。继2011年国务院发布《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》(4号文)之后,2014年6月,国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》,将集成电路产业发展上升为国家战略;9月,国家集成电路产业投资基金设立,一期幕资1387亿元,用于集成电路产业链企业的股权投资。

大基金一改以往项目为主的资助形式,通过股权投资的方式,扶植产业链上的龙头企业。曾任工信部信息产业司司长的大基金总裁丁文武明确表示“大基金只投行业前三”,加大对芯片制造业的投资力度,兼顾设计和封测,投资布局从“面覆盖”向“点突破”转变,投资工作重心从“注重投资前”向“投前投后并重”转变。

自此,国内半导体产业发展进入快车道。

2014年,长电科技7.8亿美元收购新加坡星科金朋,成为全球封测第三。南车株洲的8英寸IGBT生产线正式投产,在昆明地铁完成运行调试。而紫光集团作为这一时期最为瞩目的企业,在国开行和华芯资本1500亿资金支持下,连续对国内外企业进行了大规模并购。2013年,17.8亿美元私有化展讯科技;2014年,9亿美元率先在海外完成对锐迪科的私有化;2015年5月,耗资25亿美元从惠普手里收购了新华三51%的股权;2016年12月,长江存储在湖北武汉注册成立,并在南京和成都同步建设IC国际城,发力存储相关产业。

2018年4月美国商务部的一纸禁令,又给全体中国人浇了一大盆冷水。禁令限制及禁止中兴通讯申请、使用任何许可证或许可例外,或从事任何涉及受美国出口管制条例约束的物品、软件或技术的交易。

人们这才发现,我们在核心技术方面,竟然如此依赖美国。

 


中国飞速发展的四十年,一切都以超常规的奇迹姿态展现在世人面前。人们乐衷并习惯于获得快速的回报。

而半导体是公认的资本、技术、人才密集型产业,其最主要的呈现形态——集成电路,需要产业链上下游紧密配合,经过仿真设计、晶圆厂制造、封装测试,并通过长期的市场验证才能推出成熟的产品。一旦出现错误,等待回来的往往就是一块废石头,试错成本极高。

想要把半导体做好,需要足够的耐心,需要“慢”性子。

这一快一慢,成为了现阶段产业发展的主要矛盾。

近年来,有些国家高科技项目,对标国外顶尖指标,有10年甚至更长时间的技术差距,往往也要求在2到3年内结题验收,还要有上量的市场应用证明。

成本不说,单资金到位后的时间,仅够一次流片验证。国外专家表示,从设计到制造,高端芯片的原理、架构、设计方法都是基本一致的,但有很多little tricks需要不断试错,才能发现和掌握,从而形成一整套严格的流程。而这些绕不过去的tricks,才是真正的关键,没有十数年、数十年的积累根本无法攻克。

行业特点和浮躁的心态造就了尴尬的现状。

从2013年起,集成电路连续5年超过石油,成为第一大进口商品。而在核心、高端、通用芯片上,特别是在数模混合电路中的AD/DA、超高速SerDes,射频前端的SAW/BAW滤波器、高性能PA,FPGA,高性能处理器和EDA工具等高阶领域差距更大,技术代差普遍在5-10年,替代率乐观的估计也不足20%。

细节里的魔鬼,不但吓跑了喜欢“短平快”的资本,更吓跑了从业人员。来自中国半导体协会的数据显示,预计到2020年,集成电路产业人才缺口达到40万,而到2017年,整个行业的从业人员才30万左右。

人才对产业的提升需要有正向循环,产业做大做强,从业人员待遇提升,吸引更多的人投身进来,进而助推产业发展。很不幸,整个半导体产业恰恰是负向循环。

2002年,南开大学微电子系大二学生张一鸣,实在厌倦了自己的专业,每天央求系主任转到软件工程。十年后,他创立了今日头条,成了广大硅工们茶余饭后的谈资。

总而言之,历经风雨沧桑的中国半导体,还要继续在艰难险阻中负重前行。究竟能不能迎来光明,什么时候才能迎来光明,只能让时间来告诉我们答案了。


本文转载来源:伐柴商心事


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