一文看懂我国集成电路的发展

大约在70多年前，当物理学家沃尔特·布拉顿像往常一样写下他的实验日记时，他不曾预料，一个时代即将开启。

在沃尔特记录下的这场实验中，主角是一个比火柴棍短且粗的半导体放大器。后来，它被命名为点接触式晶体管。点接触式晶体管成了人类打开晶体管大门的第一把钥匙。而这扇大门推开后，迎来的是一场信息技术的大变革。今天的节目，我们就从晶体管开始说起。

随着微电子技术的不断发展，晶体管已经变得几乎无处不在。它是一种固体半导体器件，科学家们把它当做砖瓦，搭建出一个个虚拟世界。以晶体管为基础的集成电路，被人们长期依赖。

晶体管诞生之前，已经有了电子管，或者叫真空管。电子管具有信号放大作用，但是存在一些短板，例如，寿命短、体积大、可靠性也比较差。所以，科学家们希望找到一种器件替代电子管。这个探寻过程，我们需要先来了解一下美国的贝尔实验室。

贝尔实验室在1925年创建。成立初期，它是世界上规模最大的工业实验室。3600名工作人员中，有2000名是技术人员。

20世纪四五十年代，为了适应时代的发展环境，贝尔实验室进行了各个研究部门的改组。这次改组中，物理部门成立了3个研究小组，其中之一就是固体物理研究组。这个组又分为半导体和冶金两个小组，麻省理工大学博士肖克莱兼任半导体小组组长。他把小组的研究计划，定为研制“半导体放大器”。半导体指的是常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，比如硅和锗，就是常见的半导体材料。

贝尔实验室对晶体管的构思由来已久。晶体管的诞生，是长期积累的结果。在清华大学微电子所所长魏少军看来，要理解晶体管的工作原理，可以想象一个大坝的水闸。当大坝闸门合上，没有水流出，水力发电机就没有办法发电；当闸门打开，水流涌出，水力发电机就可以输出电流。闸门的开合直接影响到了水力发电机的运转，这就是用一个弱信号，去控制了一个强信号。而晶体管的基本原理，就是“放大”，用小电流去控制大电流。

在提到晶体管的重要性时，魏少军这样说道：“从移动计算到智能计算，当今时代的种种变化，都离不开电子信息系统。而晶体管，是其中最为基础的器件。晶体管之于信息革命，如同铁器之于农业革命，如同蒸汽机之于工业革命，它的重要性怎么强调都不为过。”

在物理学家眼中，晶体管应该被拿来做更多的事情。不过前提是，它要足够小。所以，如何找到一种高效的晶体管、导线和其他器件的连接方法，是研究人员面临的直接问题。

大约在1958年左右，美国的两名年轻人提供了自己的方案，也就是我们今天已经熟知的集成电路。如果说，晶体管的诞生，是蝴蝶扇动了翅膀。那么，我国也敏锐地嗅到了技术风暴来袭的信号。

事实上，我国集成电路的研发，起步也并不算晚。

20世纪50年代中期，也正是我国开始实施第一个五年计划期间。半导体这门新兴科学技术受到了高度重视。1956年，在没有技术资料和完整设备的条件下，我国成功研制出了首批半导体器件——锗合金晶体管。到1965年的时候，我国又拥有了集成电路。

对于阶段性的技术发展，中科院微电子研究所所长叶甜春感慨道：“说起我国第一代半导体人，那真是非常了不起。他们带着知识归国，自己研制设备，自己制备材料，自己培养了第一批学生，完全白手起家。前20年，我国集成电路和国际上的差距并不大；但在第二个20年，道路开始曲折。差的不在技术，而是产业。这个时候，发展高新技术产业，可谓难上加难。产业发展不起来，技术研发也步履维艰，陷入恶性循环。我记得，1986年自己刚入集成电路这一行时，整个行业都处在痛苦的转型期。大家还在学习高质量低成本地批量制造产品，在混沌中摸索。”

在20世纪八九十年代，国际集成电路产业开始快速发展。而我国在这一领域真正的转折点，发生在2008年。这一年，国家科技重大专项启动。例如，“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”、“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”等专项，都指向了集成电路。5年后，我国在这一领域的技术储备到了一定程度，加大产业投入，也就被提上议事日程。

到了2014年，我国发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，这时，还专门设立了国家产业投资基金。中科院微电子研究所所长叶甜春总结发展成果的时候，说出了自己的一些看法：“效果一下子就显现出来了。为什么能这么快？因为技术体系已经建立起来了，能支撑产业体系的快速发展了。这是一套组合拳，堪称完美。”

虽说我国集成电路的设计和制造，还处在起步发展阶段。但是，毕竟集成电路的发展，需要全球化的产业环境，需要巨额投入，也需要大量技术人才。这些，都是没有办法一蹴而就的。

从我国半导体行业协会的统计来看，2016年我国集成电路产业销售额达4335.5亿元，比上年增长20.1%，这一增长速度算得上“高歌猛进”。不过，清华大学微电子所所长魏少军的看法是，这4000多亿元的销售额，还包括了在华外商的贡献。我们自身的能力还有限。根据他的判断，我国自己生产的集成电路，大约可以满足国内需求的1/4。

如果从技术水平上来看，我国最新的集成电路技术，跟国际上最新技术水平，还差了一代到两代。但叶甜春所长认为，纠结在这个最新技术的代际差异上，其实是一种误区，并没有太大意义。比如，如今依然在大量生产的55纳米、40纳米和28纳米芯片，进入市场已近10年，但它们并没有因为更小尺寸芯片的出现，就退出历史舞台。

根据叶甜春所长介绍，集成电路尺寸缩小速度确实很快，但并不是下一代对上一代的完全替代。每一代技术都有大约10年的生命周期。我国55、40、28纳米三代成套工艺已研发成功并实现量产，而更先进的22、14纳米先导技术在研发上也取得了突破，形成了自主知识产权。所谓赶超，也无需要求在各个领域全面超越，只要我国的集成电路能够支撑我国信息化和智能化的发展就可以。

站在新时代，我们回望微电子技术的发展，可以肯定的是，这场由晶体管开启的信息技术变革，将会更深、更广地重塑人类社会。未来，芯片的重要性也将会呈现不断增长的趋势。在集成电路技术领域，我们有了“战”的能力，虽然能力有限，但和以前相比，大不一样了。用叶甜春的一句话说，天时地利人和，没有理由超不过别人，这只是时间早晚的问题。她常说到一个词，叫做“传承”。的确，正是因为一代又一代半导体科研人员的砥砺前行，才有了我国在微电子技术上的新局面。