2016 年 4 月 19 日，习近平总布告在网络安全和信息化事情漫谈会上指出：“如果核心元器件严重依赖外国，供应链的'命门'节制在别人手里，那就好比在别人的墙基上砌屋子，再大再俊秀也可能经不起风雨，乃至会不堪一击。 ”集成电路和在其上运行的软件正是培植信息社会的“墙基”，是推动经济发展的驱动器，是国家信息安全的主要保障。
集成电路的实质和基本特色
集成电路具有信息的获取、处理、存储、传输和实行功能，可以大批量、高性能/价格比地生产，其运用如水银泄地般无孔不入，涵盖了政治、 经济、文化、军事、科技等各个领域，已经成为各个信息系统的组成细胞，这便是集成电路的生命所在。
“核武库”的计策性表示在其威慑力，但其系统数量一样平常在 103 旁边。而集成电路则具有计策性与市场性的双重特性，其计策性以市场性的办法得以详细表示，若1011 产量的集成电路不能在整机系统运用，不仅集成电路生产线不能正常运转，其计策性亦得不到充分显现（图 1）。也便是说，制造集成电路产品，关乎其“家当链”的培植，而集成电路的运用和市场开拓则关乎其“生态链”的构成和不断拓展。因此节制好计策性和市场性的基本特点是发展集成电路家当及其主要的问题。
图 1 集成电路具有计策性与市场性的双重特性
集成电路与软件已经成为推动国家经济高质量发展的驱动器。据美国能效经济委员会（ACEEE）2009 年揭橥的报告测算，2006 年，美国全体半导体技能的运用节约了大概 7750 千瓦时的能源（约相称于三峡水电站年发电量的 9 倍），随着各种各样的政策和方法勉励半导体节能技能投入的增加，估量到 2030 年，美国经济增长量与 2008 年比较将超过 70%，但耗电量却减少 11%。
集成电路和软件还是国家信息安全的守卫者。据统计，2012 年中国 1420 万台主机被境外监控，涉及 5 亿网民以及金融、交通、能源等多个部门。此外，美国国家安全局还通过监听微软、谷歌、雅虎等 9 家网络公司，能够截获包括电子邮件、谈天日志等任何通信数据，全面监控特定目标及其联系人的一举一动。如果我们的信息安全的钥匙掌握在他人手中，其后果不堪设想。为此，必须加强我国具有自主知识产权的软、硬件研发，堵住统统可能产生的漏洞，方能在各系统中不受国外“入侵者”的任何打击。可喜的是，我们在这方面的研发已经取得部分成果，清华大学魏少军、刘雷波团队的“CPU 硬件安全动态检测管控技能”，已入选本届天下互联网大会 15 项环球领先科技成果，并运用于遐想、长城和新华三的商用做事器；北京大学黄如院士团队的低功耗多栅新构造器件和TFET 超低功耗器件都已在中芯国际进行家当化转化事情，而对纳米级器件可靠性模型和测试方法已嵌入于 Cadence 的 EDA 软件中，并注明“北京大学”的知识产权；中微半导体尹志尧博士团队经由十几年潜心研发，刻蚀机产品已进入天下市场。
集成电路的发明
Kilby 于 1949 和 1950 年分别在 IIIinois 和 Wisconsin 得到学士和硕士学位，然后在 Globe-Union 公司的 Centralab 部门卖力小型化研究。
1954 年，Bell 实验室发明了硅晶体管，TI公司得到了授权，而Centralab 没有得到该授权，Kilby希望从事前沿性的创新事情，于1954 年 5 月转入 TI 公司事情，仍旧卖力电子装备小型化事情。
小型化事情当时有三条路子：（1）沿着传统的微型化模块的事情办法连续缩小；（2）当时 NASA 支持的薄膜技能；（3）空军支持的“分子电子学”事情。
Kilby 剖析后认为，连续沿着传统的微型化模块事情，不可能降落本钱，没有出路。而“薄膜技能”和“分子电子学”都离实践太迢遥，根本出路在于将主动元件和被动元件都“集成”在一块半导体上，采取全新的工艺才有出路，这便是集成电路发明的思路。
1958 年9 月12 日，Kilby 进行了集成电路相移振荡器演示（图 2a）， 1959年5 月6 日，申请了《Miniaturized self-contained circuit modules and method of fabrication》专利，在 1964 年 6 月 23 日得到批准， 专利号（No.3138744）。
图2 Kilby和Noyce发明的集成电路
1959年7月30日，仙童公司的Noyce发明了平面工艺集成电路（图2b），并申请了《Semiconductor Device-and-Lead Structure》，1961年4月25日得到批准，专利号（No.2981877）。平面工艺更适宜于大生产。
TI 和仙童两家公司为集成电路发明权辩论不休，末了二者均得到认可。可惜的是，在 2000 年，Kilby 因发明集成电路得到 2000 年诺贝尔物理学奖时， Noyce已经去世，从而与诺贝尔奖失落之交臂。
Kilby 申请的集成电路专利仅仅由1 个晶体管和4 个元件组成，而到2015年， 由于在1 平方厘米大小的芯片上可以集成数十亿个晶体管，加之信息产品市场的急剧扩大，环球每人已均匀拥有1500 亿只晶体管（图 3） 。
图 3 环球晶体管总用量（图片来源：《Industry Strategy Symposium 20
集成电路发展 60 年的历史是一部技能创新的文明史
集成电路发展的历史是一部技能创新的文明史。图 4 所示为集成电路发展过程中的紧张发明及其发明者， 个中的华人有 CMOS 构造的首批制造参与者萨支唐、 NVSM Flash 观点的提出者施敏和 FinFET 的发明人胡正明。
图 4 集成电路技能与家当的主要发明和预测
集成电路的每项主要发明都在改变人类的生产办法和生活办法，如图 5 所示。图像传感器的发明产生了电视和数码相机；非易失落性存储器的发明颠覆了传统的胶片家当；微处理器和动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM） 的发明首创了打算机的新时期；微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）的发明使可穿着设备成为生活的时尚；高等驾驶赞助系统（Advanced Driver Assistance System ， ADAS）使得无人驾驶汽车离我们不再迢遥；全自动港口彻底解放了沉重的体力劳动；一部手机可以不雅观看视频，可以瞬间传送书信，可以替代有线电话，可以玩游戏，可以时时知悉全天下的实时新闻，成为了人手一部的移动信息终端。
图 5 集成电路改变人类的生产办法和生活办法
集成电路全体技能进步是来源于不断增长的市场须要，包括图像信息、声音信息、传输信息、处理信息的能力各方面的需求。图 6 所示的每张图代表着时期的进步。而对电子设备更加轻便、功能更多、功耗更低、容量更大、处理速率更快、图像显示更加清晰这些需求， 对集成电路提出了更新、更强的寻衅。
图 6 集成电路的技能进步源于不断增长的市场需求
图 7 显示了集成电路的繁芜度的提高源于技能创新和家当构造的不断进步。最早的硅片直径为 1 英寸， 其后，集成电路生产的主流硅片直径逐渐增加， 1992 年达到200mm（俗称 8 英寸）， 2002 年起，开始利用 300mm（俗称 12 英寸）的硅片。从家当构造看，最早生产集成电路的是系统厂商，后来集成器件制造商（IDM）从系统厂商等分离， 成为独立的集成电路生产商；其后， 设计部分的分离形成了独立的无生产线企业（Fabless）、制造部分的分离形成了独立的代工企业（Foundry）。而等离子刻蚀、铜互连、浸没式光刻等技能创新则使 CPU 上晶体管数量每两年翻一番，印证了被称为“摩尔定律”的预测。
图 7 集成电路技能和家当发展里程碑
研究事物发展规律是科学研究的义务。创造规律并按规律办事，就会减少盲目决策，节省资源，少走弯路；反之，违背规律、急于求成，就会重蹈失落败覆辙，摧残浪费蹂躏资源，事倍功半。 在集成电路 60 年的发展过程中，除了众所周知的“摩尔定律”外，我们还认为还存在如下规律性的发展特色：
（1）集成电路家当的发展必须担保资金的密集投入和持续投入。从 1970 年到2015 年，集成电路工厂的培植投资均匀每 5 年增长 1.5 倍；从 180nm 工艺到 14nm工艺，集成电路工艺研发的本钱均匀每个技能节点是上一节点的 1.5 倍。 自 2000 年起至今，天下集成电路前三强企业（英特尔，三星，台积电）均匀每年的成本支出为 100 亿美元（含研发及设备折旧用度） ，其投资强度相称于一个航母战斗群（包括航空母舰及配套数量的巡洋舰、护卫舰、驱逐舰、补给舰、核潜艇、舰载机）的造价。图 8 表明，由于集成电路市场的颠簸性，正好应在市场低谷期更要加强研发的投入。为此，集成电路家当的投入须集中资源，且不能急求回报。
图 8 集成电路 10 年量产规律
（2）集成电路从研发到批量生产约需 10 年的韶光。从图 8 可以看出， 集成电路家当形成、 CPU、 DRAM、 Flash、 FinFET 乃至我国第二代身份证的从研发到量产莫不如此。 为此，要产生必要的技能积累，必须提前 10 年进行根本研究的支配事情。
（3）集成电路技能约每 10 年取得一代技能进步（图 9） 。
图 9 集成电路 10 年一代技能进步
（4）集成电路产品驱动电子系统约每 10 年进行一次更新换代。 从最早的大中型打算机时期， 到 PC 时期、移动通信时期、泛网时期，到目前的新一代信息技能时期，电子系统在集成电路产品的推动下约每 10 年进行一次更新迭代（图 10）。而以大数据、云打算、量子打算、人工智能、生物识别、物联网以及无人驾驶汽车等为代表的新一代信息技能会持续发展到 21 世纪三四十年代，乃至更长一段韶光。 这同时表明电子系统的创新是拉动集成电路技能创新的强劲动力。
图10 集成电路产品驱动电子系统约每 10 年进行一次更新换代
当今，集成电路科学与技能的发展已经进入后摩尔时期。其紧张发展方向是：
（1）沿着连续缩小加工尺寸（Scaling Down） 的方向迈进（More Moore,延续摩尔）。目前量产产品的最小加工尺寸已达到 7nm， 产品表现为系统芯片（System on Chip， SoC） ,非量产产品加工尺寸的研究成果已达到 3nm。
（2）将仿照电路、射频电路、传感器、高压器件、功率器件等与逻辑电路通过封装形式完成集成， 使集成电路具备更多、更广的功能（More than Moore， 拓展摩尔）。产品形式为系统封装（System in Package， SiP）。
（3）以全新材料、全新工艺制作的量子器件、自旋器件、单电子器件、磁通量器件、石墨烯器件、碳纳米管、纳米线来构造和演绎全新的集成电路（Beyond Moore，超越摩尔）。
（4）未来， 随着物理、数学、化学、生物学等新的创造和技能打破，有可能建立全新形态的信息科学技能及其家当（Much Moore，丰富摩尔）。 （图 11）。
图11 集成电路发展进入后摩尔时期
我认为， 未来集成电路家当和科学技能发展的驱动力是降落功耗，而不仅以提高集成度（减小特色尺寸）为节点，即以提高性能/功耗/本钱比为标尺。 然而遗憾的是， 迄今， 我们还未能将此理论认识数据化成为一条曲线，如果能将其数据化，哪怕在某个领域数据化为一个规律的话，将被更多的人所接管。
捉住历史交汇期，发展我国集成电路科学技能和家当
图 12 示出了中国集成电路家当的发展概况。 从 20 世纪 60 年代中期至 20世纪末， 由于没有节制好集成电路家当发展的基本规律和对其计策性、市场性的双重特性认识不敷，中国集成电路家当一贯发展迟缓。 1981 年， 中国集成电路全行业发卖额只有1 亿元公民币。 1983 年起， 虽然履行了无锡微电子工程、 908工程和 909 工程， 但由于操持经济系统编制的制约，审批繁复，投资单一，待工程落成、产品投产时，其产品市场窗口已然关闭。为此，到 1999 年，虽然全行业发卖额增加到 79.5 亿元，但仅占当时天下市场的 1%。 进入 21 世纪初，以中芯国际培植为主要标志，我国集成电路家当进入规范发展阶段。“十八大”、“十九大”往后，在党中心的英明决策和领导下，我国集成电路家当开始进入高速发展期间，部分企业进入了天下排名前十，部分产品和设备打入了国际市场。
图12 中国集成电路家当的发展
在中国集成电路家当进入了高速发展阶段的本日，我们要充分利用天时、地利、人和的有利条件和比较上风。
天时
中国正处于“两个 100 年”奋斗目标的历史性交汇期，也是工业社会和信息社会领悟的历史性交汇期。2018 年 5 月 28 日，习近平总布告在两院院士大会上强调：“我们必须复苏认识到，有的历史交汇期可能产生同频共振，有的历史交汇期也可能擦肩而过。 ”我们希望以集成电路和软件为支撑点的信息家当， 能够与这一历史性交汇期产生同频共振，以信息家当的创新，作为基石， 铺设中华民族的伟大复兴之路。
图 13 绘出了中国经济近 200 年的马鞍型变革。 1820 年，中国占天下 GDP总量的 1/3，我们预测未来在没有发生全面战役及天下经济危急的情形下，到 2035年旁边， 中国的经济总量将会超过美国，成为天下第一大经济体，但人均 GDP仍只有美国的 1/5~1/4；到第二个百年目标实现时，中国的经济总量将重返占天下 GDP 的 30%。
图13 中国经济 200 年的马鞍型变革（数据来源：根据《天下经济千年史》，国家统计局，联合国统计司，天下银行， IMF 数据及预测整理）
地利
中国倡议的一带一起，成果惠及天下。 2018 年 8 月我国已经与 103 个国家和国际组织共同签署了“一带一起”方面的互助协议； 2018 年 9 月拉丁美洲 9 个国家与中国签署了“一带一起”互助协议。
中国集成电路市场规模天下第一。据 2017 年统计数据， 中国半导体市场占天下半导体市场总额的 56%，个中存储器、微处理器等主要器件在集成电路市场分布中占了比较大的份额（图 14）。 巨大的市场需求为中国集成电路家当供应了大有可为的舞台。
图14 2017 年天下半导体市场分布（数据来源： WSTS，赛迪顾问）
人和
2014 年 9 月 9 日，习近平总布告同北京师范大学师生代表漫谈时指出：“当现代界的综合国力竞争，说到底是人才竞争，人才越来越成为推动经济社会发展的计策性资源，教诲的根本性、先导性、全局性地位和浸染更加突显， ‘两个一百年’奋斗目标的实现、中华民族伟大复兴中国梦的实现，归根到底靠人才、靠教诲。 ”2020 年，我国集成电路家当须要技能职员 72 万人，目前我国集成电路技能人才存量 40 万人，缺口32 万人；估量 2030 年~2035 年我国集成电路家当人才差额为 30 万~50 万人，而“十三五”期间培养的人才只有 7.5 万人，缺口甚大。
为此， 培养集成电路人才的任务应立即提到集成电路家当发展的议事日程上来。我建议将“集成电路科学技能与工程”设立为一级学科，扩大其招生名额，同时在加强与家当结合的根本上，对教诲体系、教材、课程设置、传授教化方法进行一系列深化改革，出台有利于引进人才、留住人才和造就人才的干系举措。
针对国外的技能封锁、专利垄断和市场围剿，我认为当前必须办理以下“卡脖子”问题，包括：
硬件（中心处理器、图形处理器、存储器、仿照电路） ；
软件（桌面操作系统、移动操作系统， EDA 工具） ；制造技能，关键专用设备及专用材料。
办理的路子建议如下：
（1）集中人才、资金、政策相对上风， 加强产学研结合，建立产前同盟。
（2） 防散治乱，切忌一拥而上，聚拢资源，决斗市场。
（3）技能积累，重在创新，加强根本研究，加速科研成果向市场转化。
（4）构树立异的人才系统编制机制，聚天下英才而用之。
（5）集成电路家当是国际性家当，要加强国际互助，充分利用国际资源。
展 望
（1）我希望到 2021 年，中国集成电路家当能够达成如下目标：
▲ 创建一批明星企业，造就一批明星企业家；
▲ 提高专用设备、 300nm 晶片和专用材料的市场霸占率；
▲ 加强 CPU、 存储器和 FPGA 等高端产品的创新能力；
▲ 涉及国家安全的关键集成电路产品，自给率达 70%；
▲ 在具有中国特色的集成电路研发体系和造就人才系统编制机制上有所创新；
▲ 大生产技能水平与天下前辈水平相差一个技能节点；
▲ 新器件构造、材料、工艺的领域涌现更多的创新成果， 最主要的是在运用中完善与发展。
（2）在此根本上，经由 15 年旁边的努力，我国集成电路家当规模应达到天下三分天下有其一，家当链中各环节均有位列天下前三的明星企业， 原始创新能够从点滴汇聚成泉涌之势，人才子弟力量充足，家当的市场、资金、技能、人才能够形成相互支撑的良性循环。
（3）在此根本上，再经由 15 年， 在达到第二个百年目标前后，我设想硅基集成电路会连续沿着提高性能/功耗/本钱方向发展， 新材料、新构造器件、新电路形态的创新会不断呈现，集成电路向多领域的渗透和交叉浸染越来越强，越来越深。集成电路家当将为中国自主于天下民族之林做出卓越的贡献。（任务编辑 刘志远）
致 谢 感谢王永文研究员，本文成文过程中的诸多帮助。
作者简介：王阳元，中国科学院院士，北京大学教授， 现从事微电子学领域中新器件、新工艺和新构造电路等研究。
注：本文在近期《科技导报》揭橥，敬请关注。
