什么是大家所關心的核心芯片?反思為什么持續(xù)投入仍然掌握不了核心技術

2018年4月16日，美國商務部激活了對中興通訊的拒絕令，禁止美國公司向中興通訊銷售任何零部件、商品、軟件和技術，直到2025年3月13日。這一禁令立刻使中興通訊業(yè)務陷入休克狀態(tài)，甚至影響到“中國制造2025”的實現(xiàn)。眾多網(wǎng)民及政府部門把這一紙禁令總結為禁售核心芯片。確實，如果沒有核心芯片，其他的都沒有太大的意義。

事件發(fā)生以來，許多網(wǎng)民，專家，以及政府部門都發(fā)表了意見，觀點，和對策。本人作為一個在微電子，光電子，光通信領域摸爬滾打了近50年，目前仍然奮斗在研發(fā)工作第一線的芯片技術專家，見證了世界上許多國家，包括中國，在芯片領域的努力和成敗。針對中國目前所面臨的困局，通過幾天的思考和總結，也提出如下幾個觀點和建議與大家分享。

1、什么是大家所關心的核心芯片

核心芯片是將高性能、低能耗的功能器件和系統(tǒng)通過大規(guī)模半導體集成的方式制作在單一襯底上而形成的系統(tǒng)級芯片。其特點是高性能、低能耗、大規(guī)模集成。因此，低性能和小規(guī)模集成的芯片都算不上核心芯片。我國目前能夠制作的大部分都是這些非核心芯片。

核心芯片又分為微電子和光電子兩種芯片。微電子核心芯片包括中央處理器，圖形處理器，數(shù)字信號處理器，現(xiàn)場可編程門陣列，數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器，放大器，驅(qū)動器，等等。光電子核心芯片則包括光電子收發(fā)器，開關路由器，光學相控陣，激光器陣列，探測器陣列，復用/解復用器，等等。

這里需要特別注意的是，經(jīng)過50多年的研究與開發(fā)，微電子芯片的發(fā)展基本上接近尾聲。而光電子芯片，特別是硅基光電子芯片，則是以“后摩爾時代的重要技術“、“顛覆性技術”的姿態(tài)，在近10年得到發(fā)達國家和地區(qū)的高度重視。

2、反思為什么持續(xù)投入仍然掌握不了核心技術

中國實際上在微電子芯片剛面世時就有介入，北京大學王陽元教授，中科院半導體所王守武研究員等都是當時的領軍人物。在我的印象中，國家在微電子領域，至少有過4次大規(guī)模的投入：上世紀70年代的“大辦電子工業(yè)”，90年代“908，909工程”，2008年啟動的“核高基”國家科技重大專項，和2014年成立的“國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金”。然而，中國不僅至今沒能掌握核心芯片技術，就連普通一般性的芯片外購比例也越來越高。這是一個早就應該好好反思一下的奇特現(xiàn)象。

學術界和企業(yè)界有許多觀點，比如投資不大，補貼不夠，認識不足，外界封鎖，等等。從我這個工作在一線的資深研發(fā)人員來看，關鍵的問題在于：1.芯片研制人才/項目沒有受到重視， 2. 政策及方案制定者缺乏實踐經(jīng)驗和國際視野，3. 沒有一個尊重創(chuàng)新、可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)學研用體系。本人近50年的從業(yè)經(jīng)歷可以支持這些觀點：

在70年“大辦電子工業(yè)”的號召下，花了7年多的時間，沒有花政府一分錢投資，創(chuàng)辦了一個特殊半導體器件工廠，創(chuàng)造了地區(qū)經(jīng)濟的一個奇跡。工廠由6名創(chuàng)業(yè)者于70年白手起家，在一年的時間里制造出特種半導體器件BT31-BT35系列，7年內(nèi)發(fā)展到60多人并開發(fā)出外延工藝，其利潤和影響遠超當?shù)氐闹攸c企業(yè)軸承廠和氮肥廠?？上в捎跊]有得到重視和支持，加上核心成員離開，該廠最后還是關了門。

1996年，有機會回國調(diào)研了國內(nèi)的微電子，光電子發(fā)展狀況，并從1997至今，多次向政府有關部門建議加強微電子基礎建設、建設光電子芯片研究中心、通過發(fā)展MEMS和硅基光電子來實現(xiàn)換道超車等。結果都是與相關領導見了一面，稍微推動一下，就被邊緣化了。

有意思的是，2004年到2014年間，作為全職留學回國人才，連續(xù)11年參與或牽頭立項/申請以“硅基光電子/微納光電子集成”為主題的973項目，希望能鑄就“中國光電芯”，卻僅僅獲得80萬元人民幣的預研支持。這種成功率也著實成為科研界的一個“美談”。如果2004年就能有一個“硅基光電子”方面的973項目，中國對這一核心芯片技術的掌握程度就可想而知了。

2014年研制出國內(nèi)的第一款” 100Gb/s硅基光調(diào)制發(fā)射和光相干接收芯片”以后，一直找不到合適的投資來進行商業(yè)化。而這款芯片的美國供應商，其30%的芯片供給中興通訊。由于對中興的出口禁令，不僅中興“缺芯”，該美國公司股價也直接暴跌35.97%。如果中興在2014年直接投資我們的研發(fā)成果，只需要2017年中興被罰款的1/20，就可以讓中興掌握一項至關重要的核心芯片技術，就可能使今年的禁令威力大減。

回國工作的14年中，參加了許多重要項目的研討、立項、申請、和評審，明顯感覺到那種為個人及團隊爭取經(jīng)費而忽略前沿方向的傾向。正如徐匡迪院士表達的：顛覆性技術都被“專家”投沒了。雖也抗爭，卻無能為力：許多制度就是為這種結果而設計的。

更為基礎的，整個社會和教育體系，在培養(yǎng)務實型、創(chuàng)新型硬件人才方面基本上是一敗涂地。只要聽聽這樣的說法就夠了：“目前整個中國的大學里只有兩個專業(yè)，一個是軟件，一個是金融”。

上面這些雖然是個人經(jīng)歷及感受，但確實反應了核心芯片的研制過程并沒有得到足夠重視這一事實。建議有關方面對政府過去的投入進行務實統(tǒng)計，把投入/產(chǎn)出比作為關鍵指標之一?？纯茨切┇@得經(jīng)費較多的個人和單位，在核心技術的開發(fā)應用方面都做了些什么樣的實際貢獻，也了解下好鋼是不是真的用在刀刃上。更建議政府反思一下社會引導和人才培養(yǎng)的目標，希望“硬件技術是信息社會的不可缺少的重要基礎”這一觀點能夠得到最高層的重視和強大的資源支持。

3、解決核心芯片問題，大量投入硅基光電子芯片這一換道超車的核心技術

半導體行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，中興約30%-40%的核心芯片和器件依賴美國。這包括了微電子核心芯片和光電子核心芯片。如何解決微電子核心芯片的問題，上面的內(nèi)容已經(jīng)給出。其他專家，學者，網(wǎng)民，也都支了很多招，這里就不再贅述。重點是呼吁大量投入硅基光電子芯片、大量投入硅基光電子芯片、大量投入硅基光電子芯片，重要的事再說三遍。

所謂硅基光電子技術，就是結合光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢，應用硅工藝平臺，在同一硅襯底上同時制作若干微納量級，以光子和電子為載體的信息功能器件，形成一個完整的具有綜合功能的新型大規(guī)模光電集成芯片。

眾所周知，指導微電子發(fā)展的“摩爾定律”基本失效，集成電路芯片的發(fā)展趨于飽和。在另一方面，由于大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息高速公路體系中各層分支線路上的數(shù)據(jù)流量也大大增加。光進銅退已經(jīng)延伸到了芯片內(nèi)部。因此，使用與硅基集成電路技術兼容的技術和方法，將微納米級光子、電子、及光電子器件集成在同一硅襯底上，形成硅基光電子芯片，也就得到了發(fā)達國家和地區(qū)的高度重視。

實際上，中興華為目前生產(chǎn)的通信設備中，超過60%的零部件是光電子器件及芯片。在美國宣布制裁中興后，中興通訊的主要美國供應商股價均出現(xiàn)大幅下跌。其中中興采購量占自身出貨量30%的Acacia通信公司表現(xiàn)最為慘烈，股價直接暴跌35.97%。而這家Acacia通信公司就是世界上第一家憑借硅基光電子技術成功上市的芯片公司。目前，這種硅基光電子芯片不僅用于中興華為以及其他世界頂級通信公司，也用于思科，微軟，臉書，谷歌，亞馬遜，阿里巴巴等高科技公司的產(chǎn)品及其巨型數(shù)據(jù)中心。

可想而知，如果在幾年以后，硅基光電子芯片在支撐信息社會的關鍵設備和數(shù)據(jù)中心得到大量應用，而中國在這項顛覆性技術中還像個小學生，那么美國的一紙禁令揚起的波濤可能要比現(xiàn)在的強得多。

幸好幾年前，比國外只晚了幾年，國內(nèi)相關政府部門和企業(yè)界已經(jīng)認識到硅基光電子芯片的重要性，并且已經(jīng)做了一些基礎布局工作。而學術界則起步更早：本人1997年在美國就開始硅基光電子芯片的研究工作；從2002年起，不遺余力地將這一技術向國內(nèi)科研院校，相關企業(yè)進行推廣和介紹，包括舉辦會議，講座，暑期學校，和撰寫專著等；并帶領北大團隊在2014年研制出國內(nèi)的第一款” 100Gb/s硅基光調(diào)制發(fā)射和光相干接收芯片”，而這款芯片的美國供應商，其30%的芯片供給了中興通訊。

綜上所述，如果政府能夠像重視微電子芯片那樣去重視硅基光電子芯片，只要1/3那樣的投資強度，在高效配置利用資金的條件下，中國就有可能在幾年之內(nèi)，在硅基光電子芯片這一換道超車的核心技術上，趕上并超越世界先進水平。