一、生产工具的创新驱动生产力发展
　　
　　纵观人类的历史进程，在逾5000年的农业社会中，驱动生产力发展的主要因素是劳动力和手工工具，在没有能源的介入下，生产力发展缓慢；在近200年的工业社会中，驱动生产力发展的主要生产工具是以能源为基础的动力机械，机械的诞生使得纺织、钢铁、电力、化工、汽车等产业迅速发展，大大提高了社会生产力；21世纪，人类社会向信息社会迈进，集成电路和软件作为驱动生产力发展的工具，开始逐渐登上历史舞台。在信息社会的初期阶段，世界GDP的年平均增长率是前期工业社会的4倍，是农业社会的60倍（图1）。
　　
　　　　
　　当今，世界信息产业的规模已超过所有传统产业成为世界第一大产业，其生产指数约为传统产业的2—4倍。信息产业的进步源于集成电路科学技术及其相关产业的飞速发展。集成电路已经成为在信息获取、传输、存储、处理和显示等各个方面不可或缺的重要“生产工具”，成为人类“智慧”的重要载体。
　　
　　二、集成电路的技术创新
　　
　　（一）集成电路技术创新的简单回顾
　　
　　1928年，德国物理学家普朗克发表固体能带理论；1931年，英国物理学家威尔逊提出了半导体的物理模型，奠定了半导体学科的理论基础。1946年，贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿实验成功点接触锗三极管，开创了微电子技术的先河。1958年，在TI工作的基尔比完成了将晶体管、电阻和电容集成在一起的相移振荡器及触发器的制造和演示，标志了集成电路的诞生。1959年，仙童公司的诺伊斯发明了更适合于大批量生产的硅平面工艺集成电路。1967年，登纳德和施敏分别发明了单管DRAM器件和非易失性半导体存储器NVSM，改变了千百年来以纸为主要媒介存储信息的面貌。1969年，博伊尔和史密斯发明了CCD，解决了视觉图像信息转换为电子信号的问题（人获取信息总量的83%来自视觉）。1971年，Intel公司的霍夫发明了CPU，使得信息处理技术产生了巨大的、本质的飞跃。此后，集成电路产业逐步形成，开始成为信息社会发展的原动力。（图2）
　　
　　　　
　　1975年以后，集成电路技术创新大约每10年产生一次阶跃式的进步，表现为：每10年特征尺寸缩小1/3，DRAM集成度扩大16倍，CPU晶体管数扩大100倍，时钟频率增加10倍，晶体管单价下降100倍。（图3）
　　
　　　　
　　（二）集成电路技术与产业创新的展望
　　
　　1.当前集成电路技术的障碍
　　
　　1965年4月19日，任职仙童半导体公司的戈登•摩尔在《电子学》杂志上发表了题为“向集成电路填充更多的元件”一文，文章认为，“集成电路在最低元件成本下的复杂度大约每年增加一倍”。1975年，摩尔对此预测做了修正，即集成电路的集成度每两年增加一倍。这就是著名的“摩尔定律”。
　　
　　1971年，Intel公司率先研发并生产了微处理器4004，其集成度为2300个晶体管；2011年，Intel公司至强E7微处理器的集成度达到26亿个晶体管。按每两年集成度增加一倍计算，2300×2（2011-1971）/2=24亿，与26亿个晶体管大致相当，也就是说，迄今为止集成电路技术一直沿摩尔预测的规律发展。但是，继续缩小加工尺寸，将遇到三个障碍：
　　
　　其一是物理障碍。据ITRS预测，到2024年，集成电路的特征尺寸将达到8nm，相当于硅原子直径的36倍，这已进入介观物理和量子物理的范畴，由此将会产生诸如费米钉扎、库伦阻塞、量子隧穿、杂质涨落、自旋输运等物理现象，如不解决这些问题，将直接影响集成电路的功能与性能。
　　
　　其二是功耗障碍。随着晶体管密度的增加，单位面积内的功耗也在膨胀，如果因做功而产生的热量不能及时排除，则高温对集成电路的高频性能、漏电和可靠性劣化将产生巨大影响，甚至对集成电路造成致命的破坏。因此，我认为“未来集成电路产业和科学技术发展的驱动力是降低功耗，不再仅以提高集成度即减小特征尺寸为技术节点，而以提高器件、电路与系统的性能/功耗比作为标尺。”
　　
　　其三是经济障碍。“摩尔定律”最初论述时有一个前提，即“在最低元件成本下”的集成电路复杂度大约每年增加一倍。但是据预测，在加工工艺到达20nm和14nm时，每百万门的成本非但没有继续下降反而略有上升（图4）。这就是说，如果没有成本下降的基础，单纯的继续缩小加工尺寸就失去了市场的价值。
　　
　　图4集成电路每百万门成本随线宽缩小的变化趋势
　　
　　　　
　　2．今后集成电路技术创新的发展趋势
　　
　　为了克服以上障碍，集成电路技术将沿以下几个方向发展：
　　
　　⑴以材料和器件结构创新来驱动加工尺寸按比例缩小，把信息处理中有关数字系统的内容集成在单一芯片上（SystemonChip，SoC）。新材料和新器件结构包括：应变硅，高K介质/金属栅，Fin-FET，Tri-Gate，三五族器件，隧穿器件，硅纳米线器件，碳基器件，自旋逻辑器件等（图5）。
　　
　　图5微纳电子器件发展路线图
　　
　　　　⑵把非数字系统的内容，如模拟、射频、高压、功率、传感、驱动乃至生物芯片，以创新的互联和封装形式集成在一起（SysteminPackage，SiP）。主要技术有：高电导率材料，超低介电常数材料，RF互联，光互联，硅通孔（TSV），3D封装等（图6）。
　　
　　图6TSV与3D封装
　　
　　　　
　　⑶采用Bottomup的方式创造新的器件结构，如量子器件、单电子器件、自旋器件、磁通量器件、石墨烯器件、碳纳米管器件、碳纳米线器件等，并以这些器件为基础，构成全新的电子系统。
　　
　　⑷随着物理、数学、化学、生物学等新的发现和技术突破，有可能另辟蹊径，创建全新形态的信息科学技术及产业。
　　
　　预计到2030年，上述各种创新途径在交会中将产生碰撞的火花，使集成电路技术出现革命性的突破（图7）。
　　
　　　　
　　此外，软硬件的相互驱动也是值得注意的技术发展方向。
　　
　　最初，软件的发展依附于硬件，当存储器容量和处理器能力有限时，软件语言、系统软件和应用软件的发展也存在一定的局限，随着集成电路技术的发展，以PC为代表的整机系统功能日益强大，满足应用需求的各种软件产品也随之丰富（图7内环）；当硬件设备平台足够满足软件运行条件时，新的系统软件又会驱动新的电子系统更新换代，而新的电子系统则进一步驱动崭新的、个性化的集成电路问世。以智能手机的“安卓”操作系统为例，即是应用需求促进适用移动设备的软件系统诞生，以这个软件平台为基础，开发出了不同功能、面向不同应用需求的，包括手机、平板电脑在内的一系列新的整机系统，这些系统又对集成电路开发进一步提出了各种新的市场需求（图7外环）。
　　
　　　　
　　3．集成电路产业结构的创新
　　
　　随着集成电路技术的进步，集成电路产业结构也在不断创新。最初生产集成电路产品的是系统厂商；20世纪60年代末，集成器件制造商IDM出现；70年代初，封装等后工序部分开始分立；80年代初，无生产线设计公司Fabless诞生；80年代末，仅提供加工服务的Foundry问世；90年代初，以只销售IP、并不直接提供集成电路产品的Chipless企业活跃于市场。这表现出一个“合久必分”的过程；但就每一种企业形式而言，却又存在着“分久必合”的趋势，即企业越做越大。如微处理器厂商Intel和AMD，存储器厂商三星和美光，提供代工服务的台积电和联电，设计企业高通和博通等等。从图8可以看出规模企业在市场份额中的集中度非常高。
　　
　　图82010年主要半导体生产企业占世界市场的份额
　　
　　　　
　　由于建设集成电路生产线的投资越来越大，在产业结构上，也出现了重组、合并或转型的现象。如IBM退出集成电路制造业，尔必达破产被美光收购，GLOBALFOUNDRIES并购新加坡特许半导体，Intel和三星分拆出部分产能开展代工业务等。
　　
　　由于经济因素，晶圆直径小于200mm的生产线数量呈现逐年下降趋势，而300mm的生产线数量则呈逐年上升趋势（图9）。其结果是，只有极少数“财大气粗”的企业或者有政府背景支持的企业才能承受巨大的投资压力（近10年，Intel公司每年在固定资产和研发上的投入约为100亿美元，相当于建造一个航母战斗群的费用；2010-2012年，三星仅在固定资产上的投资就分别达到109.48、92和122亿美元）。
　　
　　图9世界不同晶圆尺寸Fab数量的变化
　　
　　　　
　　从地域上看，2007年，日、美、欧的Fab数量分别为152、123和79个，据SEMI预测，到2017年，分别会减少到105、95和70个；而中国大陆和台湾地区则分别从46和49个增加到54和65个（图10）。这表明集成电路制造业有向中国大陆和台湾地区转移的趋势。
　　
　　图10世界ICFab数量变化预测（左2007年，右2017年）
　　
　　
　　
　　三、加强科技创新是发展我国集成电路产业的关键
　　
　　（一）电子产品制造大国的软肋
　　
　　当前，我国是电子产品的制造大国，计算机、彩电、冰箱、空调、手机和数码相机的产量均超过世界总产量的50%。从图11可以看出，电子信息制造业的规模与集成电路的市场规模基本上保持10:1的关系。也就是说，集成电路市场的同步增长支撑了中国电子信息产品制造业的发展。2010年，我国集成电路市场占世界市场总额的44%，但是，我国本土企业所生产的集成电路仅占该市场的19.6%，其余约80%的产品需要进口，为此，近年来集成电路始终在进口产品中位列第一。图11还表明，在2000年时，中国电子信息产品制造业规模与GDP呈1:10的关系，而到2010年时，则该比例变为1:5，也就是说，电子信息产品制造业的销售额占GDP总额的20%。
　　
　　图11中国GDP、电子制造业规模与集成电路市场的关系
　　
　　　　
　　这就带来一个严重的问题，即电子信息产品制造业影响着20%的GDP，而支撑电子信息产品制造业的集成电路市场中，有80%依赖进口，这表明，一个位居世界第一的“空芯化”电子产品制造大国，其庞大的躯体正在被并不属于自己的灵魂所主宰。这种局面的背后潜藏着在政治上和经济上双重受制于人的巨大隐患：一旦国外切断集成电路供应链，或者引爆在芯片中隐含的、被有意植入缺陷就有可能产生不可预计的灾难。其结果是，这一建筑在他人基础上的“空芯”楼阁随时都有坍塌的危险。如果不迅速将中国的集成电路产业做大做强，这种“空芯化”危机爆发的导火索将始终掌握在他人的手中。
　　
　　（二）集成电路产业的创新
　　
　　改变受制于人的局面，创新是关键。
　　
　　在技术上，一要立足现在，尽快缩短在设计、制造与封装技术上的差距；二要瞄准未来，重视基础研究，瞄准10年后有可能取得市场先机的技术和产品。如低功耗集成电路设计技术，以硅基隧道注入新结构器件和硅纳米围栅器件为代表的低功耗、低泄漏电流器件，石墨烯器件，微纳集成系统，高K/金属栅技术，低K介质互联技术，空气桥技术，TSV技术，3D封装技术等等。对有可能取代当今所有存储器的RRAM，应不失时机地投入研发力量，力争取得该产品的技术突破，率先取得占领市场的先机。
　　
　　在市场上，要通过产品创新不断开拓新的应用市场领域。如平板电脑，智能手机，汽车电子，健康数字化，物联网，以太阳能为代表的新能源等。
　　
　　在机制上，要摒弃“宁为鸡头，不为凤尾”的小农意识，通过兼并重组等有效举措，调整产业结构，组建我们的大型企业群体；突破“条块分割”的障碍，使得大学、研究所、集成电路企业、整机系统企业形成有效的产业链，使之成为命运攸关的利益共同体，扭转重复生产，同质低价，恶性竞争的局面。
　　
　　在体制上，根据集成电路的战略性，必须加强国家对集成电路产业强有力的领导，加强对集成电路产业具有战略意识的投资。包括启动资金、优惠政策、研发投入、产业进入低谷期时的持续扶植，以及在有关国家安全和国防建设方面的市场保护等。要尽快启动国家集成电路实验室或研究院的建设工作，尽快实施集成电路专项人才工程，培养包括设计、制造工艺、封装、测试、装备、材料、企业管理、市场营销、财务、金融投资、战略研究、咨询和中介等各个方面的人才。根据集成电路的市场性，要尊重集成电路的技术和市场的发展规律，汲取以往集成电路工程的教训。不能一个工程审批5年，建设5年，待到工程验收时，其生产的产品已被市场淘汰。
　　
　　四、结束语
　　
　　当今，“智能”竞争正在取代以能源和机械为代表的“体能”竞争；在智能时代，电子信息产业已经成为“事关全局，带动性强”的支柱产业，成为较量综合国力的战略性产业。集成电路是所有电子信息产品的基础，掌控集成电路资源重要性和工业时代掌控能源的重要性相当，甚至更加重要。
　　
　　中国现在是世界第一的集成电路消费大国。消费大国在产业强国面前潜藏着两个危机：一是产业强国会以各种手段控制着产品的供给；二是产业强国在供应链中控制了世界经济的财富分配，从而蚕食消费大国的经济肌体。
　　
　　国家与国家之间的竞争从未终止，无论是表现为和平方式的巧取，还是表现为战争方式的豪夺。为了维护国家利益，核心技术已经成为国家间竞争最重要的砝码。为此，任何一个国家都不会向他国出售本国的以核心技术构成的核心竞争力。在以集成电路和软件为基础的信息时代，在全球已经联网的智能社会，集成电路正在成为国家安全的重要屏障。
　　
　　中国已经成为世界第二大经济体，但是，在世界的舞台上，中国还不是在各方面都具有话语权的、能够设计“游戏规则”的强国。没有发达的集成电路科学技术与强大的集成电路产业，就不会在世界舞台上取得真正的强国地位。
　　
　　著名的未来学家、《大趋势》的作者约翰•奈斯比特（JohnNaisbitt）于2011年8月16日在北京国家会议中心举行的“2011NUSKIN大师趋势论坛”上表示：“中国经济的转型已经开始发生。中国的经济总量很可能在2035年超越美国。”我们相信，在集成电路创新潮流的引领之下，中国一定会在信息社会发展的舞台上，将中华民族的才智展现得更加灿烂辉煌。

　　
　　王永文执笔