處處顛覆歐巴馬政策的川普，為何在此行業卻延續「對華強硬」？

川普對歐巴馬政策處處顛覆，卻明確表示在半導體領域延續「對華強硬」，還繼續宣揚「中國威脅論」。

中國半導體產業為何成美國之痛？

文/記者 吉菁菁 圖文編輯/陳永傑

新媒體編輯/黃珊

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採訪專家>>>

王占國（中國科學院院士、中國科學院半導體研究所研究員）

任振川（中國半導體行業協會信息部主任）

程 燦（國家知識產權局專利局光電發明審查部審查員）

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太長先看版

1、半導體行業「坐鎮」於整個科技產業鏈條上的最核心處。

2、中國是目前全世界最大的半導體消費國，半導體進口額早已成中國第一大進口商品類別。

「一旦美國關掉開關」，中國可能陷入黑暗之中。

3、雖然目前中國沒有一家晶片企業躋身全球前20」，但美國仍將中國視為半導體行業的最大競爭對手和威脅，百般阻撓中國通過收購獲取半導體先進技術。

4、只有中國半導體業自身迅速的硬起來，尤其是一些骨幹企業，加緊研發，努力縮小差距，才有生存下去的力量。

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在川普宣誓就職前不久，美國總統科學技術諮詢委員會就發表了一份《確保美國在半導體行業長期領先地位》（Ensuring Long-Term US Leadership in Semiconductors）的報告，報告中直指，中國半導體業崛起會威脅產業未來，建議政府用多種手段遏制或限制，同時趕緊壯大美國自己的半導體業。

而1月20日，隨即就任的川普政府明確表態，支持「前任」歐巴馬政府在半導體領域強硬對待中國的呼籲，川普提名的商務部長威爾伯•羅斯也毫不諱言地公開表示：對中國不斷發展壯大的半導體行業「感到非常、非常擔憂」。

▲中美會發生一場半導體貿易大戰嗎？（圖片來自網絡）

猛一看上去，半導體概念似乎離我們普通人的生活有些遙遠，那麼它究竟是什麼？有什麼特別之處？為什麼歷屆美國政府都如此在意中國半導體產業的發展？

★「哪裡都有你」：改變人類生活的半導體

半導體概念聽起來好像比較陌生，但其實很容易理解。

今天90%以上的電子器件和電路都是用半導體矽材料製作的，可以說，它的出現徹底改變了人類的生活和生產方式。

半導體覆蓋廣泛，無處不在，它不僅是PC、智慧型手機、空調、洗衣機、電磁爐等常用家電的重要組成部分，也涵蓋了汽車、照明、醫療等行業。

比如生產一輛汽車可能要用到幾百個半導體元器件和電路。

▲半導體與人類生活休戚相關（圖片來自網絡）

半導體材料及材料物理學家、中國科學院半導體研究所的王占國院士向北京科技報 | 「科學加」客戶端記者介紹，物質材料在導電性能上各有千秋：既有金、銀、銅、鐵、鋁等這種電導率高、導熱性能強的導體，也有橡膠、陶瓷、玻璃、塑料等這種電導率極低、導熱性能也很差的絕緣體，而常溫下，導電性能介於導體和絕緣體之間的物質材料就被稱為半導體，可以用來製作集成電路和半導體器件。

據王占國院士介紹，半導體發展的歷史由來已久。

早在1833年，以發現電磁感應而聞名於世的英國科學家麥可·法拉第首次發現半導體現象：與銅等金屬升溫增加電阻率的特性相反，硫化銀晶體的電導率隨著溫度升高卻增大了，這一有趣的實驗結果也引發了其他科學家的關注。

隨後不久，1839年，法國的貝克萊爾也發現了半導體材料又一特性——光生伏特效應。

半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這個原理也被應用在現在的太陽能電池上：通過光照就可以直接把太陽輻射能轉化為電能。

1873~1874年，英德兩國科學家又先後發現了半導體材料的其他兩個特徵：在光照下電導增加的光電導效應、電導與所加電場方向相關的整流效應，這兩個效應常被用來製造光探測器和交流電的整流。

等到1911年，考尼白格和維斯首次提出「半導體」這個名字，但被命名的36年後，半導體才真正得到世人認可。

為什么半導體被認可需要這麼多年呢？王占國院士解釋，主要原因是當時實驗材料的純度不夠，使科學家難以判斷是否還有其他干擾因素存在。

直到1947年12月，美國貝爾實驗室使用提純的半導體鍺晶體發明了電晶體後，半導體材料才終得大眾承認，從而正式進軍實際應用領域。

而由於半導體器件和電路的體積小，重量輕、耗電量少，光纖通信、軍事國防、航空航天等一批高精尖技術領域中也少不了它的身影。

國家知識產權局專利局光電發明審查部審查員程燦說，光纖通信中的光源和探測器都使用了半導體材料，軍事領域的雷射雷達武器也離不開半導體的「參與」，而去年搭載「天宮二號」一起「飛天」，用於提高全球衛星導航系統精度的世界第一台超高精度空間冷原子鐘，其中核心技術的元器件同樣應用了半導體雷射器。

★小小晶片將成為中美雙方激烈較勁的另一個舞台

以此來看，半導體行業「坐鎮」於整個科技產業鏈條上的最核心處的說法毫不為過，怪不得美國政府會如此緊張中國半導體產業的發展。

中國半導體行業協會信息部主任任振川向北京科技報 |「科學加」客戶端記者表示，中美兩國主要是在這「核心中的核心」——大小為納米級別的小小晶片上展開了激烈角力。

根據策略顧問貝恩諮詢公司（Bain & Co）的數據顯示，作為目前全世界最大的半導體消費國，中國每年進口價值超過2000億美元的集成電路，這超千億美元的半導體消費主要用於中國一年製造11.8億部手機、3.5億台計算機、1.3億台彩電上，每年至少用掉全球54%的晶片。

而這其中，國產晶片市場份額僅在6%-7%，90%以上晶片都依賴進口，大量來自美國英特爾、高通等科技巨頭的晶片，被國內製造廠商嵌入PC、智慧型手機等電子設備然後再出口。

就在2016年，中國集成電路的實際進口額達到了2280億美元，相比進口總額10.49萬億元人民幣，占比相當高。

半導體集成電路進口額近幾年來也早已超過石油，成為中國第一大進口商品類別。

英國《金融時報》引用了一位銀行家的話評論這種情況：「一旦美國關掉開關」，中國可能陷入黑暗之中。

▲中國近年來海外進口晶片（晶片）統計（圖片來自網絡）

雖然在2016年年底，美國總統科學技術諮詢委員會提交給當時歐巴馬政府的《確保美國在半導體行業長期領先地位》報告（以下簡稱報告）也看到這種情況，指出「目前中國還沒有一家晶片企業躋身全球前20」，但《報告》中仍將中國視為美國半導體行業的最大競爭對手和威脅。

成員包括英特爾(Intel)和高通(Qualcomm)等晶片製造商的現任和前任執行長的委員會給出的建議是：阻止中國收購美方認為影響到其國家安全的所有半導體技術和晶片企業，限制對中國對美晶片的行業投資、出口和採購，同時和其他國家聯手，加強限制審查中國的海外晶片出口和投資。

根據該委員會的建議，歐巴馬政府以「國家安全」為由一再干預阻撓，使去年中國宏芯投資基金對德國晶片企業愛思強的收購最終功虧一簣。

而當前尚未展示出完整明朗科學政策的川普政府，自上台伊始便一直積極呼籲製造業回歸美國本土，其和前任歐巴馬政府在半導體領域對待中國態度上罕見一致的論調，可能也意味著美國會再次加大對中國半導體產業發展的盯防力度。

任振川表示，隨著移動互聯、物聯網、雲計算、大數據等新一代信息技術產業迅速發展，汽車電子、移動支付、可穿戴設備、高清智能網絡監控、銀行卡「換芯潮」興起，以人機互動、語音語義、動作追蹤、眼球追蹤等新技術促使人工智慧、虛擬現實、智能家居等新應用的實現，導致傳感器、電源管理器和信號處理器等半導體產品的需求量大幅增長，這一切也同時意味著未來半導體市場空間增幅巨大。

任振川說，從我國目前半導體產業現狀來看，在諸如PC、智慧型手機等終端產品的核心技術還掌握在外資企業手中，發展半導體產業我們可能還有一段路要走。

★「後摩爾時代」來臨？晶片是怎樣「煉成」的

半導體晶片以其「微小之身」，卻牽一髮而動全身，繫著我國整個科技產業崛起的重任。

那麼小小一枚晶片都蘊含了哪些高科技，到底是如何「煉成」的？

據王占國院士介紹，雖然身為一枚「高精尖」，製造矽集成電路晶片料矽材卻「出身平民」，來自我們身邊隨處可見、至為普通的沙子。

因為沙子中含有豐富的矽元素，脫氧後的沙子能提煉出最多25%的二氧化矽(SiO2），二氧化矽和焦碳在高溫下充分燃燒後可製得粗矽。

把粗矽粉和乾燥的氯化氫氣體放在合成爐中反應得到三氯氫矽，再經過精餾、熔煉、提純等步驟，我們就得到了製造晶片的原始材料矽。

矽凝結後形成了多晶矽棒，經過一輪的提純，拉單晶等技術，矽純度高達99.9999999％的電子級單晶矽錠就「誕生」了。

再把單晶矽錠橫向切割成圓形超薄的單個矽片，就得到了半導體產業的根基，即我們常說的矽晶圓。

▲矽晶圓是整個半導體行業的根基（圖片來自網絡）

切割出的矽晶圓經過拋光後表面幾乎完美無瑕，甚至可以作為鏡子使用。

接下來它會被一邊旋轉一邊澆上光刻膠液體，紫外線會透過預先設計好的電路圖照在光刻膠層上，形成微處理器的每一層電路圖案。

接下來的光刻步驟就是真正「黑科技」所在了，在一塊晶圓上切割出數百個處理器，不過這還不算什麼。

從這個步驟開始，光刻機需要把視野縮得更小，集中到其中一個單處理器上，開始「雕刻」以納米級為單位的電晶體等部件。

據王占國院士介紹，電晶體在處理器的中作用相當於開關，可以控制著電流的方向。

而電晶體當前技術的飛速發展，完全可以做到「須彌山藏於芥子」：一個普通針頭上放下大約3000萬個，不過縱然是這種水準也早已被更新。

眼下，我們使用的主流晶片製程還是14納米，而從今年起，整個業界開始向10納米製程發展。

如果說之前電晶體還在延續摩爾定律的效應，5納米被認為是晶片製造的物理極限，一旦電晶體大小低於這一數字，它們賴以存在的物理基礎不再成立，如絕緣氧化物量子隧穿效應、溝道原子統計漲落和功耗等，給晶片製造帶來巨大挑戰。

但隨著進入14納米的技術節點之後，晶片製造其實已經來到「後摩爾時代」，這時微電子技術的發展將不再遵守等比例縮小的定律。

去年10月，美國勞倫斯伯克利國家實驗室就已造出由納米碳管和二硫化鉬(MoS2)製作而成小至1納米的電晶體。

王占國認為，在「後摩爾時代」，通過對材料的改進和更新，晶片可能會做到更小。

而據俄羅斯衛星新聞網2月4日的報導，俄羅斯和美國專家組成的國際科研組已在世界上首次推出一維半導體材料，未來的電子產品有望耗電量更小、體積更小巧，而速度卻更快。

▲一個由俄羅斯和美國專家組成的國際科研組在世界上首次推出一維半導體材料，向更小巧緊湊、速度更快的電子產品邁進一步（圖片來自網絡）

複雜的光刻步驟完成後，下一步是溶解、蝕刻，祛除掉晶圓上不再需要的光刻膠，這時就能看到已經設計好成型的電路圖案。

經過離子注入步驟（在真空系統中，用經過加速的、要摻雜的原子的離子照射注入固體材料）改變注射區域的矽的導電性，再經過電場加速後，使注入的離子流速度每小時超過30萬千米。

然後再經過一輪清除光刻膠的步驟，電晶體就基本製作完成。

接下來就是製作連接電晶體的金屬層了。

王占國表示，在不同電晶體之間形成複合互連金屬層，具體布局取決於相應處理器所需要的不同功能性。

晶片表面看起來異常平滑，但事實上可能包含20多層複雜的電路，放大之後可以看到密密麻麻、極其複雜的電路網絡穿插其中，形如立體的多層高速公路系統。

最後，晶片還要經過一系列的極其複雜的測試步驟，通過層層考驗後達到封裝級別，才能出廠。

★半導體產業要崛起：挑戰與機遇並存

晶片生產設備的先進技術雖然目前仍是半導體行業內一個亟待突破的難題，但在不斷增長的需求面前，未來中國半導體行業領域的發展機遇與挑戰並存，實質整體已上升到國家戰略高度。

縱觀半導體產業目前的主要挑戰，王占國院士介紹，半導體集成電路的主要技術一個是存儲器，一個是CPU。

CPU技術被美國英特爾公司獨霸，存儲器技術則主要掌握在韓國、美國、日本企業手中，而這兩方面我們都缺乏原創性的自主智慧財產權。

最近引起業界關注的武漢新芯，8~12英寸晶圓使用了具有自主支持產權的中國科學院微電子所劉明院士的阻變存儲器（RRAM），王占國認為，半導體產業需要更多這樣的自主創新。

▲半導體行業已經深入我們生活的方方面面（圖片來自網絡）

另外一個需要面對的挑戰是設備。

除了工藝，製備也占到集成電路很大一部分。

而其中最關鍵的設備就是製作晶片光刻步驟要用到的光刻機。

王占國介紹，製造光刻機的先進技術目前只有少數幾個西方國家如設在比利時的微電子中心等擁有，我國目前相關技術還無法望其項背。

且受到高精密光刻機禁運的制約，買回來的光刻機的鏡頭都被「打毛了」，達不到製作想要的精確度。

最後是從半導體產業基礎材料來看，目前國內只有北京有研矽股和浙江大學的金瑞泓公司（原名寧波立立）兩家做ICs矽單晶材料的，同時主流的8~12寸的矽晶圓生產始終也未形成規模。

雖然美國政府始終「嚴防死守」，百般阻撓中國通過收購獲取半導體先進技術，但並未阻擋中國扭轉當前產業發展受制於人的局面的決心，以及大力推進國內半導體產業崛起的雄心。

▲世界任何一家半導體巨頭的發展都離不開中國的市場（圖片來自網絡）

未來中美半導體業對抗會升級嗎?三位專家都表示，只有中國半導體業自身迅速的硬起來，尤其是一些骨幹企業，加緊研發，努力縮小差距，才有生存下去的力量。

好消息是，長江存儲將在2017年可能進行32層3D NAND量產的好消息，極大地鼓舞人心；另一方面是進一步擴大開放，努力改善產業的發展環境，合作共贏是總的趨勢。

（本文由北京科技報全媒體中心采編製作，轉載請聯繫授權：[email protected]，違者必究）

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