全球集成电路技术合作研发的发展现状及其经验启示

集成电路是20世纪最伟大的发明之一，自20世纪50年代诞生以来，已发展成为信息产业的核心，在社会经济发展、国家安全、人民日常生活等方方面面发挥了重要的支撑和保障作用。近年来，在国际贸易争端频发和全球新冠疫情大流行的复杂国际形势下，集成电路行业主流的横向水平分工模式，即不同国家（地区）依据各自技术优势在产业链和供应链中发挥不同作用的模式，面临着严峻挑战，世界各主要经济体纷纷开始尝试构建自给自足的芯片供应链。科技创新不仅仅是发展问题，更成为了生存问题。为了提升中国科技创新的国际竞争力，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中提出，中国创新发展的首要任务是强化国家战略科技力量，健全社会主义市场经济条件下的新型举国体制。据此，为了支撑中国集成电路领域创新驱动发展，应对新时期技术研发和合作发展的重大挑战，研究通过文献计量等方法对全球集成电路技术发展现状进行了梳理，分析了技术发展趋势和主要研发力量分工合作情况，并为中国集成电路领域战略科技力量建设提出建议。

60多年来，集成电路按照摩尔定律发展，以器件微缩的方式实现晶体管集成数量每两年（后修正为每18个月）翻一番（图1）。2011年，美国英特尔在其22 nm技术节点中引入了革命性的三栅极晶体管（Tri-Gate Transistor），实现了器件综合性能的巨大提升，标志着集成电路技术从传统的平面结构器件进入了以鳍式场效应晶体管（Fin Field-Effect Transistor， FinFET）为代表的三维结构器件时代。

同时，集成电路技术研发和产业模式发生了巨大变化，从过去自下而上（指由基本器件性能决定系统产品设计）的发展理念，向着以应用需求为导向的自上而下的理念转变；从摩尔定律要求的集成度、性能、功耗、成本等持续优化的发展路线，向着以三维器件微缩和提升能效比为新特征的技术发展路线转变。集成电路技术已进入“后摩尔时代”，技术路线向三维器件微缩、多功能异构集成等方向发展。

图1　微处理芯片关键技术指标50年（1972—2021年）发展趋势

逻辑工艺和器件技术将进一步推动技术节点向着更小尺寸发展，当前最先进的量产技术已达5 nm，极紫外（Extreme Ultra-Violet，EUV）光刻、高迁移率沟道材料等创新技术将为FinFET技术延续生命力。随着FinFET结构在栅控和微缩上面临越来越严峻的挑战，集成电路将向着环栅器件和三维集成方向发展。纳米环栅（Gate-All-Around，GAA）器件、互补场效应晶体管（Complementary Field-Effect Transistor，CFET，指将N型器件和P型器件在垂直方向上堆叠集成的三维结构器件）、二维沟道材料等将成为下一代主流技术，可提供更好的静电控制能力，改善器件开关性能，更高效地提高集成度。设计工艺协同优化（Design Technology Co-Optimization，DTCO）和系统工艺协同优化（System Technology Co-Optimization，STCO）技术对系统性能提升的贡献，预计将在3 nm以后超过尺寸微缩，成为重要的技术驱动力。

在存储技术方面，主流的动态随机存取存储器（DRAM）、非易失性存储器（主要指三维闪存器件）将通过器件微缩、垂直堆叠层数增加等技术方案，进一步提高存储容量。同时，为了避免物理尺寸减小引起的电荷随机起伏，基于非电荷控制的新兴存储技术也得到快速发展。铁电随机存取存储器（FeRAM）具有高读写速度、低功耗、高可靠性等优点，有望在低功耗、人工智能等领域得到应用。磁性随机存取存储器（MRAM）发展出新工作机制，有望取代传统嵌入式闪存和逻辑电路三级静态缓存等结构。相变随机存取存储器（PCRAM）、阻变式随机存取存储器（RRAM）因具有结构简单等优点，在XPoint等新架构中将得到更好的应用。此外，面向高性能计算、人工智能等应用领域的需求，新型存储技术结合三维集成方案，发展出了存算一体/近存计算等非冯·诺依曼的新型计算架构。

三维集成是当前集成电路发展的创新路径之一。除晶体管的三维堆叠外，采用序列集成工艺发展的单片三维集成电路（3D IC）或单片三维异质集成（Heterogeneous Integration）电路等技术方案，将逻辑—逻辑、逻辑—存储、逻辑—模拟等不同功能进行集成，以实现更低的系统功耗和复杂电路功能，进而实现器件、设计与系统的三维集成融合，最终实现三维超大规模集成电路（3D VLSI）。

模拟技术、功率器件、传感器、硅基光电子等功能电子技术的创新空间正在不断扩大，以机器学习为代表的人工智能得到快速发展。面向运动、压力、环境气氛、医疗和健康的智能感知系统，需进一步提高传感器件的敏感度、选择性、重复性、可靠性、精确度等关键指标。面向边缘计算、人工智能等应用领域，需要通过新原理、新材料、新器件持续创新构建低功耗、可求解特定问题的新型应用方案。发展碳化硅、氮化镓以及新一代的宽禁带半导体（β-氧化镓、氮化铝、金刚石等）技术，拓展高频高压、光电子等应用。

世界各主要经济体纷纷开始尝试构建自给自足的芯片供应链，以应对供应链的不确定性和国家安全需求。在贸易争端和疫情大流行等国际形势下，半导体需求持续高涨，全球面临缺芯和产能不足的状况，集成电路领域的横向水平分工模式面临严峻挑战。2022年8月9日，美国总统拜登正式签署了《芯片与科学法案》，该法案计划投入资金规模约2800亿美元，其中527亿美元用于支持集成电路研发和芯片制造，包括390亿美元用于资助企业建设、扩大或更新在美国的晶圆厂，以及110亿美元用于资助半导体的研究和开发。欧盟、日本、韩国等半导体产业聚集国家（地区）也先后提出支持发展集成电路的政策和投资计划。

随着研发成本的不断攀升，集成电路技术研发在地域和研发单位分布上呈现集中的发展趋势。通过对2017—2021年集成电路领域主要国际会议（包括国际电子器件会议（IEDM）、超大规模集成电路研讨会（VLSI）、国际固态电路会议（ISSCC））上发表的3185篇文献进行分析可以得出结论，80%以上的研究论文来自6个国家（地区），其中美国发表文章数量占比达36.9%，占据绝对的优势地位；中国大陆占6.8%，位于第6名。从发展趋势上来看，中国大陆、韩国、比利时、新加坡有较大幅度的增长，美国、日本、法国、意大利等呈下降趋势。具体来看，领军企业、大型研发中心和国立科研机构、研究型大学等优势单位均得到了增长，呈现“寡头化”集中的发展趋势。发表文章数量按国家（地区）和第一完成机构的统计数据见图2和表1。

图2 近5年发表文章按国家（地区）统计

表1 第一完成机构按年均增加量排序情况

在集成电路领域，领军企业是技术创新的主体，引领了技术发展方向，也是研发的主要投资方。企业作为产品需求的直接定义者，在竞争性市场条件下必须通过研发构筑自己的产品优势；与其他行业相比，集成电路领域具有高研发占比、高资本投入的特点，为了控制研发成本溢出，要求企业主动制定面向产品需求的技术发展路线；同时，高投入也提高了行业的技术壁垒，倒逼企业发展成为重要的研发投资主体。

为了有效控制研发成本和资本投入，自20世纪80年代开始，形成了产业链的横向水平分工模式和以大型研发平台为中心的共性技术研发体系。

一方面，当前全球半导体产业供应链以横向水平分工模式为主，美国波士顿咨询公司和半导体行业协会发布的报告指出，美国在半导体设计和制造产业的多个细分领域占据显著优势；日本在半导体材料和设备方面较为强势；而中国台湾和中国大陆分别在晶圆制造和封装测试方面处于领先地位。同时该报告指出，在自由贸易的前提下，所有国家将受益于横向水平分工模式；相对地，如果各国尝试构建自给自足的芯片供应链，将会导致资本投入和产品价格的成倍增加。

另一方面，以大型研发中心为核心的产业研发联盟，在共性关键技术的研发中发挥了重要作用。1976年，日本通商产业省将具有竞争关系的民间企业以及国立科研院所结合在一起，推动组建了“超大规模集成电路技术研发联盟”，为日本的集成电路产业竞争力提升奠定了基础。全球知名的比利时微电子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre，IMEC）作为共性关键制造技术研发的重要承担者，与领军企业合作，在全球7个国家（地区）拥有研发分部，完成了从14 nm工艺FinFET器件到3 nm工艺GAA器件乃至1.5 nm以下工艺CFET器件技术研发，在先进制造工艺领域发挥了重要支撑作用。

在研发分工方面，领军企业、科研机构和研究型大学在量产技术和前沿探索方向上各有侧重，形成了相互配合的局面。3类机构发表文章数量占比分别为33%、13%、54%，发展趋势相对平稳。其中，领军企业在各个研究方向均发挥了引领作用；大型研发中心和国立科研机构擅于开展规模化、平台化的中试研究，方向较为聚焦；研究型大学方向广泛，具有较强灵活性。这里需要注意的是，领军企业和科研机构出于技术保密和商业秘密保密等考虑，实际技术创新贡献应该高于该比例。

以先进逻辑、存储和工艺技术领域为例，产业已经形成较完备的标准规范，技术和平台门槛较高，研发力量主要为领军企业和大型研发中心，如韩国三星、美国英特尔、中国台湾积体电路制造股份有限公司（简称台积电）、IBM和IMEC等；而在机器学习技术方面，由于技术新颖，暂未形成统一标准，既有企业的研发投入，也展示出研究型大学的研发活力，代表性单位有IBM、清华大学、韩国科学技术院等。

不同领域和技术方向的代表性机构统计情况详见表2和表3。

表2 先进逻辑及新型计算技术等领域的代表性机构

表3 FinFET技术等领域的代表性机构

在研发合作方面，形成了以企业或大型研发中心为核心、产学研紧密合作的发展态势，全球化和区域化的合作模式并存。主要国家（地区）领军企业、科研机构、研究型大学发文数量占比见图3。

图3 主要国家（地区）的3类机构发文占比

全球主要研发力量通过组建技术创新联盟，构建核心技术体系，形成联盟内的核心知识产权保护。

当今世界正处于百年未有之大变局，党的十九届五中全会提出把科技自立自强作为国家发展的战略支撑，这为中国科技事业未来一个时期的发展指明了前进方向、提供了根本遵循。集成电路技术作为事关国家安全和发展全局的基础核心领域，要牵住国家战略科技力量这个“牛鼻子”，推动原始创新能力提升和创新链、产业链深度融合，增强自身产业竞争力和国际话语权，坚决打赢关键核心技术攻坚战。