三螺旋模式带来的创新启示在于,传统创新模式中从基础研
究向应用开发转化的链条过于简单,忽视了不断变化的市场需
求。随着产品迭代周期的不断加快,“线性”模式的局限或将日益
明显,取而代之的则是充分考虑复杂的市场情况、强调跨学科研
究和并行开发的创新,这在集成电路及其应用开发中表现得尤其
明显。荷兰的成功在于,产业界、政府和研发机构高效协作,从
而使各类创意有效开发。例如,恩荷芬理工大学附近的高科技园
区内,各类人员充分地交流创意,探讨合作空间。
荷兰的开放式创新,还可以从阿斯麦的团队成员、大学的国
际化中看出。在阿斯麦的一个30余人的部门内,很可能就有来自
10个以上国家的人员参与其中,每个人的不同思维和态度在这里
碰撞,使得思维的火花得以转化成为创新的技术。虽然荷兰的大
学不多,却是欧洲大学中国际化做得最好的,采取了聘请外籍教
师、参与国际项目、设立跨文化课程等措施来培养国际竞争力和
跨文化能力,而这或许可以诠释阿斯麦能够在“开放式创新”中领
先的文化背景。
60年集成电路的发展,是被富有远见的科学家、工程师和管
理者所共同推动的。坚持和梦想、勇气与魄力、远见和卓识,赋
予了集成电路行业发展的文化内涵,而文化内涵又孕育着对集成
电路产业链条和未来发展的战略认知。这些认知,支撑着技术发
展转折点和商业发展新周期中的决断和执行力,推动着协同创
新、垂直分工、商业应用的前行。
垂直分工的定位
对于垂直一体化企业来说,由于设计工程师和制造工程师在
同一家公司工作,电路设计和工艺流程对接比较顺畅,从设计到
制造完成所需的时间较短,其新产品从开发到面市的时间较短。
由于具备资源内部整合、高利润率以及技术领先等优势,垂直一
体化在集成电路的制造竞争中仍处于市场的主导地位,然而巨额
的投资等因素使得成为垂直一体化企业十分不易,而很多垂直一
体化也在往“轻资产”的方向转型。
在垂直分工模式深化的过程中,设计公司、晶圆代工厂、知
识产权模块供应商、封装测试各有其成功之道。其中,设计公司
是唯一直接面对客户的一方,准确地把握市场需求、迅速开发适
宜产品是其生存的必然要求。这也意味着,除设计本身所需的技
术融合、布图设计能力外,此类公司必须有完整的验证平台(在
后来的发展中,主要表现为SoC验证平台),同时对知识产权模
对于晶圆代工厂来说,先进制造工艺是竞争的关键要素:越
领先的工艺,毛利率越高,也越符合市场需求。除技术先进性
外,产能投放和产能利用率也是竞争的重要因素:扩产或产能不
足,都会影响企业的毛利率和净利率,而产品良率和生产周期是
晶圆代工厂的核心竞争力。预估客户的产能需求、制定合适的产
能计划,是门深奥的学问。
对于封装测试企业而言,成本则是关键的要素。随着“超越
摩尔”时代的到来,技术的作用或将日益突出。由此,对于集成
电路产业链的各环节而言,技术的重要性都将日益增强。在封装
尺寸接近极限的情况下,功能性发展逐渐成为制约芯片性能提升
的主要因素,异质融合将成为先进封装技术的方向,与设计、材
料设备相结合的一体化解决方案将成为制胜的关键。在膜厚测
试、台阶测试、方块电阻测试、形貌观察及线宽测试等现有测
试、测量外,或将需要有更多工艺效果的测试、测量。
对于处于最上游的知识产权模块供应商而言,从某种程度上
看,设计公司构建了“基因组”,知识产权模块企业提供了基因。
知识产权模块供应商主要通过授权费和版税两种模式获得收益。
这些企业将设计用仿真模型组成的设计套件部分(Design Kit)授
权给设计公司,将硬核(GDSII)部分授权给晶圆代工厂商,其
业务代表着尖端技术,往往由少数企业形成技术垄断。除IDM、
设计公司和晶圆代工厂自有的知识产权模块外,全球三大知识产
权模块供应商ARM、MIPS和新思科技曾一度占据一半以上的第
三方知识产权市场,其中ARM的物理库知识产权模块优势明显,
创新者的窘境
面对集成电路行业日益提升的技术需求,以及技术攻关的协
同要求,欧洲、日本、韩国、美国与中国台湾地区于20世纪90年
代末共同发起了绘制“国际半导体技术发展路线图”(International
Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS),以协同产业界
的能力对未来15年内的研发需求作出预测,为企业、研发机构和
政府决策提供指导。参与制定的组织包括欧洲半导体工业协会、
日本电子与信息技术工业协会、韩国半导体工业协会、中国台湾
半导体工业协会和美国半导体工业联盟。路线图的第一版于1999
年问世,此后每隔两年做全面修订,期间的一年只做更新。为兼
顾各半导体生产企业(英特尔、三星、台积电等)的核心技术秘
密保护与研发需求分析,路线图的讨论侧重于整体的发展规划。
国际半导体技术发展路线图组织主席保罗·加尔吉尼(Paolo
Gargini)解释说:“这样就可以使每家企业都能对自己需要在何
时做何事有一个大致的规划,如果谁遇到了技术难题,就可以提
前发出警报。”随着对摩尔定律的抛弃,该路线图2018年更名
为“国际器件与系统路线图”(the
International
Roadmap
for
Devices and Systems)。
这些发展路径,必然伴随着巨头陨落、后来者居上的过程。
在集成电路的发展历程上,20世纪领先的集成电路企业(如每一
时期的全球前十大集成电路企业)中仍然活跃于当前市场的已然
( The Innovator's Dilemma )中的一段论述可以很大程度上解释
其衰败原因:“真正决定企业未来发展方向的是市场价值网,而
非管理者;真正主导企业发展进程的是机构以外的力量,而非机
构内部的管理者。管理者实际上只是扮演一个象征性的角色。”
对于集成电路行业来说,其下游对应的电子信息行业风云变
幻:拥有集成电路发展的铺路者——贝尔实验室的美国电话电报
公司(AT&T)对互联网的崛起、无线(移动)通信的普及反应
迟钝,终究不再辉煌;世界无线通信的先驱和领导者——摩托罗
拉也曾是半导体行业最具竞争力的企业之一,但是实施“铱星计
划”时的战略错误,使其最终在计算机处理器业务上败给了英特
尔,在数字信号处理器业务上输给了老对手德州仪器;再如,美
国数字设备公司(Digital Equipment Corporation,简称DEC)开
发的Alpha架构优势为后来AMD K 7和申威处理器所证明,但是
DEC公司却因为市场经营不善、商业模式局限而走上被并购的命
运。这些企业都曾在半导体的发展历史上留下了浓墨重彩的一
笔,例如,贝尔实验室的肖克利团队发明了晶体管,开创了集成
电路发展的新时代;贝尔实验室的香农提出的信息论为集成电路
的下游应用铺平了道路。然而,这些企业最终以衰落而告终。
对于集成电路企业的竞争来说,在正确的赛道上是企业存活
的前提,否则即便是再辉煌的巨头也难逃陨落的命运。只有战略
方向上的正确,才能确保战术上的最终成效;否则,战术执行得
越精确,只会导致偏离正确的战略“赛道”越来越远。《创新者的
窘境》中,有一句让人十分伤感的描述:“就算我们把每件事都
对新的价值网,导致失败的恰好是完美的管理。”
反摩尔定律也能在相当程度上解释这种困难。谷歌的原CEO
埃里克·施密特(Eric Schmidt)在某次采访中指出,“如果你反过
来看摩尔定律,一个信息技术企业如果和18个月前卖掉同样多
的、同样的产品,它的营业额就要降一半”。反摩尔定律意味
着,量变创新已经无法跟上集成电路的发展速度,只有质变才能
突破瓶颈。也就是说,大企业的高研发投入,如果无法转化
为“颠覆性”的技术转移,也有可能被淘汰。在这种压力面前,大
企业的最好做法就是成立风险投资,通过外部创新弥补原有体系
的内生动力不足。
格鲁夫曾在《只有偏执狂才能生存》一书中总结,所有的企
业都根据一套不成文的规则来经营,但是这些规则有时却会变
化,而且往往是翻天覆地的变化。然而,事前没有明显迹象为这
种变化敲响警钟。因此,能够识别风向的转变,并及时采取正确
的行动以避免沉船,对于一个企业的未来是至关重要的。在格鲁
夫看来,偏执狂的行动准则与节奏,与以往有所不同:上一个小
时成就你的因素,下一个小时就颠覆你。无论企业或个人,都必
须掌握这个节奏,否则就必须接受没落的结局。“穿越战略转折
点为我们设下的死亡之谷,是一个企业组织必须历经的最大磨
难。”
在这个行业中,居安思危已是赢得未来发展、获得行业尊重
的基本要求。
虽然在早期,技术与科学研究是以未加计划的、个
体的方式进行的,可是到了今天,在任何主要国家,这
种研究都是受到认真调控的。
——钱学森
在芯片行业的开发中,产业链的经营,与自主创新的思维一
样都是不可缺少的重要成分,是决定芯片开发成功与否的重要条
件之一。这不仅已为国际经验所证实,也已为中国芯片行业60年
的发展历程所证实。芯片产品的开发,除了设计师赋予芯片
的“天赋”外,“后天”的产业链协同经营也举足轻重。在这个过程
中,企业家需要调整资源、整合战略、凝练目标,针对芯片开发
中的人才、技术、资金等资源进行有机的调配,对供应链、应用
场景、竞争对手和合伙伙伴等方面运筹帷幄,充分展开战略谋划
的能力,才能在国家战略支持下稳步前行。
芯片巨大的成就源自持续奋斗,芯片创新的推进需要继往开
来。
雁门萨氏
20世纪50年代,在中国大陆开始研发集成电路的时候,仙童
半导体等企业已经逐步进入了大规模集成电路时代。祖籍福建的
美国斯坦福大学博士萨支唐时任美国仙童半导体公司物理部主任
经理(1959—1964年),带领64人的研究组从事第一代硅基二极
管、MOS晶体管和集成电路的制造工艺研究,提出了半导体P-N
结中电子-空穴对复合理论,和弗兰克·万拉斯(Frank Wanlass)
等共同开发出互补式金属氧化物半导体场效应晶体管,还提出了
金属氧化物晶体管模型。在20世纪60年代仙童半导体的“离职
潮”中,萨支唐博士回到本科时的母校伊利诺伊大学香槟分校担
任教授。从伊利诺伊大学香槟分校退休后,任佛罗里达大学电机
和电子工程系教授、工学院首席科学家,1986年当选美国国家工
程院院士,2000年当选为中国科学院外籍院士,曾获半导体工业
协会(SIA)最高奖(1998年)等多项奖励。
萨支唐的祖上是著名的雁门萨氏,这是中国的一个以萨为姓
氏的家族。第三世的萨都剌生于山西雁门,受元朝赐萨姓。1333
年,萨都剌之侄萨仲礼迁基福建福州,其后人才辈出,出现了大
量历史名人。600年来产生了9位进士、40多位举人、10位诗人,
在近现代则出现了6位将军、12位博士、数十位学者、1位中央研
究院院士和1位中国科学院外籍院士,包括海军名将萨镇冰、中
山舰长萨师俊、计算机科学家萨师煊、物理学家萨本栋、化学家
萨本铁、微电子学家萨支唐、数学家萨支汉等。1910年,萨镇冰
任清朝海军大臣时从日本购回了永丰舰(1925年孙中山去世后改
名为中山舰,意为“竟中山未竟之志,事中山未事之事”),1935
年萨镇冰的侄孙萨师俊被任命为中山舰舰长。1938年10月24日,
在武汉保卫战中,萨师俊与其他25名海军官兵面对日军飞机的轰
炸,英勇无惧、顽强反击,与中山舰一同沉入长江而殉国。
图16 中山舰舰长萨师俊在武汉保卫战中牺牲
萨支唐的父亲萨本栋于1937至1945年任厦门大学第一任校
长,曾开创性地将并矢方法和数学中复矢量用来解决三相电路问
题,得到当时国际电工界的高度评价。1956年,萨支唐跟随肖克
利在工业界从事固态电子学方面的研究,1959年进入仙童半导体
公司。在伊利诺伊大学和佛罗里达大学执教期间,萨支唐桃李满
天下,培育了一大批半导体科学家和工程师。他培养了100多位
世界级半导体技术科学家和工程师,其中包括晶体管短沟道理论
发明者、英特尔四大技术大师之一Leo Yau博士和现任英特尔资
深技术大师马克·博尔(Mark Bohr)。
半导体激光器的先驱
萨支唐到伊利诺伊大学任教时,后来的“分子束外延技术之
父”卓以和正在该校攻读博士学位。卓以和出生于1937年,1949
年到香港,1955年赴美在伊利诺伊大学求学,1961年、1968年先
后获该校的硕士、博士学位。卓以和对Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、金
属和绝缘体的异质外延和人工结构的量子阱、超晶格及调制掺杂
微结构材料系统地开展了研究,是国际公认的分子束外延、人工
微结构材料生长和新型器件研究领域的奠基人与开拓者,当选美
国国家科学院院士、美国国家工程院院士、美国科学与艺术学院
院士、中国科学院外籍院士。
毕业后,卓以和初到贝尔实验室,实验室里有许多当时顶尖
的科学家,有什么不懂都可以找到人请教,聊天时也能得到灵
感。此后,卓以和在贝尔实验室做了37年的研究工作,他开创性
地成功研发量子阱级联式新型激光器,这被认为是半导体激光器
发展中的里程碑之一。卓以和后来曾回忆起这一发明:“当时工
射机产生分子束做这项技术,果然成功了!这个技术能生产仅有
头发千分之一厚度的薄膜,原理是将一层层原子射上去。发明时
是1970年,我只有32岁,这个年龄是科学家发明思想最旺盛的阶
段。”对于研究和开发探索,卓以和有其自身的理解:“很多成功
的革新者就像冰球运动员一样,运动员要把握球的趋向:球往哪
儿跑,运动员要往哪儿去;还有从统计学上来讲,如果你不射门
的话,球永远不会进。但要预测科技发展趋势并不是一件容易的
事。比如,1943年IBM总裁托马斯·沃森(Thomas
Watson)预
测‘这个世界大概需要5台计算机’,而现在全球有多少计算机?
1949年,还有人预测‘计算机到最后可能会减少到1吨半重’,现在
最轻的计算机重量是多少?1981年,比尔·盖茨预测‘个人计算机
存储空间640KB就足够了’,现在家用计算机存储空间有多大?能
否预测精确并不重要,关键是他们的预测方向是对的,并能按照
这个方向去探索。”
20世纪80年代,受限于北大西洋公约组织禁运原料到中国的
政策,卓以和回国只能为国内研究者修改技术蓝图,此后他把20
世纪90年代发明的量子阱级联式新型激光器的材料构造与生长技
术和方法带回国内。卓以和说,“我爱国并非是想要出名或者怎
样,就是希望国家变得更强!”
从二维到三维
20世纪90年代末,业界对于摩尔定律能否延续就已经有所怀
州大学伯克利分校的华人科学家胡正明领导的团队,在25纳米以
下的CMOS技术研发中,分别于1999年发明了立体型结构的鳍型
晶体管,于2000年发明了SOI的超薄绝缘层上硅体技术即完全空
乏型晶体管,解决了电流控制能力急剧下降、漏电率相应提高的
难题,使摩尔定律得以延续。新型的晶体管可以使单个电脑芯片
的容量比从前提高400倍,对此胡正明曾解释:“过去我们一直用
平面结构来思考晶圆的发展,因此尺寸的缩小就有了极限,最后
在发现晶体管不必是平面之后,既有的定律就会被打破。”
胡正明1947年出生于北京,成长于台湾。1973年获美国加州
大学伯克利分校博士学位,1997年当选为美国工程科学院院士,
2007年当选中国科学院外籍院士。在发明鳍型晶体管后,胡正明
曾任台积电的首席技术官,带动了台积电的技术发展。这位新竹
科学园区有史以来第一位获数理组院士的半导体业人士,当时被
称为“中国台湾第一技术长”。2004年,胡正明回到加州大学任
教,此后在学术领域屡创高峰,在晶体管尺寸及性能研发上屡次
刷新世界纪录。
胡正明曾在多次访谈中谈及自己儿时的学习成长经验。胡正
明曾说,自己的数学并不是很好,但喜欢琢磨事物:胡正明很小
的时候,就在思考一张纸剪一半、再剪一半,可以剪到多小,终
究会不会有无法再剪下去的一刻,这个问题始终困扰着他。或
许,这些潜意识里的思考,正是其发明思想的源头。还有一次,
胡正明的父亲告诉他闹钟会响,是因为有小人住在里面,他不相
信便拆了闹钟来弄清楚。“很多人数学不好,因此便觉得自己不
适合当科学家或发明家,其实如果有兴趣,也可以接受训练,可
以投入研究,为世界解决问题。”
图17 胡正明院士在集成电路科技馆开馆仪式上接受采访
谈及国内的集成电路行业发展时,胡正明曾指出,“我们能
够成功并购国外的企业,不光希望有技术的输入,对管理人才和
公司文化的重视也是需要注意的”。如今,三维芯片的设计,颠
覆了二维平面的存储,在垂直空间实现了材料、设备、工艺、结
构、设计等方面的技术集成和有机融合,集成电路新发展可期。
华人科技工作者在芯片领域的辉煌成就,说明只要中国人坚
定信心、选准目标、苦干实干、久久为功,便有能力走向引领芯
片发展的世界舞台。
2.“芯” 的摇篮
了伟大飞跃。中国芯片行业的发展,也在光阴的见证中见证了中
国“心”的接力奋斗,而“中国芯”的摇篮则要从建国初期说起。
中国“芯” 的奠基者
1951年,30岁的谢希德从麻省理工学院理论物理专业毕业。
在李约瑟的担保下,归国心切的谢希德来到英国,与英国剑桥大
学生物化学系博士曹天钦完婚。次年,谢希德和曹天钦从英国辗
转印度等地,回到了祖国的怀抱。回国后,谢希德在复旦大学物
理系任教,从无到有开设了固体物理学、量子力学等课程。
谢希德在复旦大学开设课程的同时,黄昆在北京大学开设了
普通物理、固体物理和半导体物理课程。黄昆1945年赴英国留
学,其博士生导师内维尔·弗朗西斯·莫特(Nevill Francis Mott)
因非晶半导体的电子结构方面的贡献在后来获诺贝尔奖。黄昆于
1951年10月回到中国,其后在北京大学任教,其课程颇受学生的
欢迎。在1956年“向科学进军”号召之下,黄昆参与了为期12年
的“1956—1967科技发展远景规划”制定,提出要尽快培养半导体
专业人才,以适应行业发展需要。当时,“1956—1967科技发展
远景规划”将半导体、无线电、自动化、计算技术列入了四项紧
急措施(原子能和导弹技术因属国防项目当时未公开)。规划制
定的过程中,高等教育部决定自1956年暑假起将北京大学、复旦
大学、南京大学、厦门大学和东北人民大学(后改名为吉林大
学)的物理系部分教师和四年级本科生、研究生集中到北京大学
创建了我国第一个半导体物理专业,由黄昆任半导体教研室主
任,谢希德任教研室副主任。
在教学的过程中,黄昆和谢希德历时一年,潜心编著了《半
导体物理》一书,该书成为我国半导体领域第一部系统性著作,
至今仍是半导体领域的经典教材。在黄昆、谢希德、高鼎三、林
兰英、王守武、黄敞、朱贻玮、王阳元、许居衍、俞忠钰等人的
努力下,新中国的集成电路人才培养和工业建设由此起步,为中
国半导体和集成电路事业的发展夯实了根基。在1956—1958年两
年的培养中,300多名青年科技工作者得以成长起来,不少人才
后来成为我国半导体领域发展的中坚力量,例如中国科学院院士
王阳元、中国工程院院士许居衍、微电子专家俞忠钰等人。
1958年,为培养固体物理专门人才,谢希德调回复旦大学,
任复旦大学与中国科学院上海分院联合主办的技术物理研究所副
所长,坚持应用技术和基础研究并重的策略,和同事一起为上海
半导体工业发展和基础研究奠定了基础。面对实验技术人员非常
缺乏的现实,谢希德建立了上海技术物理中专,培养的实验员后
来又补齐了大学课程,成为半导体行业发展的重要力量。
源自黄昆、谢希德等人的努力,中国大陆早期集成电路发展
走的是自主研发的道路。在国际的技术封锁下,中国大陆的研究
人员、技术人才和产业工人自力更生、从无到有奠定了集成电路
的发展根基,这与日本、韩国和中国台湾地区的以技术引进起步
的模式有所不同。凝视改革开放前的中国大陆集成电路自主研发
历史,在今天仍然有很强的启示意义。在这一发展历程中,集成
关、多点突破、全面开花。
抗美援朝开始后,以国防电子通信为主要管理领域的电信工
业管理局成立,此后北京电子管厂、北京电机总厂、华北无线电
器材联合厂(下辖706、707、718、751、797、798厂)、北京有
线电厂(738厂)、上海元件五厂、上海电子管厂、上海无线电
十四厂,以及华北光电技术研究所、华东计算技术研究所、由时
任中国科学院数学研究所所长华罗庚负责的电子计算机科研小
组、中国科学院半导体研究所、河北半导体研究所(后为中国电
子科技集团第13所)等成立。第四机械工业部成立后,国营东光
电工厂(878厂)、上海无线电十九厂又于1968年组建,1970年
建成投产。20世纪70年代,“电路热”的背景下全国又兴建了甘肃
天水永红器材厂(749厂)、甘肃天水天光集成电路厂(871
厂)、北京东光电工厂(878厂)、贵州都匀风光电工厂(4433
厂)、湖南长沙韶光电工厂(4435厂)等40余家集成电路工厂。
从这个角度上看,中国早期的半导体行业发展,走的是与美
国类似的“源头创新”道路。从应用上看,中美两国的早期半导体
发展也走的是类似的路径——以国防应用为主。在中国大陆,早
期的半导体产品主要用于航空、航天、导弹、雷达、国防通信、
国防的电子计算机等领域,而民用产品则以收音机为代表。
图18 441-B-I计算机
尽管中国大陆早期的集成电路发展与美国有差距,但是这些
努力都是从无到有的起步,因而殊为不易。1957年,中国通过还
原氧化锗拉出了锗单晶,并相继研制出锗点接触二极管和三极
管,这距离美国贝尔实验室发明半导体点接触式晶体管约10年时
间。仙童半导体发展平面工艺技术5年后,中国同样发展了平面
工艺技术,制成了硅平面型晶体管。仙童半导体发明集成电路6
年和7年后,中国分别成功研制二极管-晶体管逻辑电路、晶体管-
晶体管逻辑电路。美国开发首台全晶体管计算机RCA 501 6年
后,中国的首台全晶体管计算机441-B-I问世。德州仪器为美国空
军研发出首台基于集成电路的计算机7年后,中国研制了首台采
用二极管-晶体管逻辑型数字电路的计算机。美国无线电分别制成
金属氧化物半导体晶体管、金属氧化物集成电路器件6~8年后,
中国先后制成了P型金属氧化物半导体电路、N型金属氧化物半导
体电路和互补金属氧化物半导体电路。英特尔推出1KB动态随机
存储器一年后,中国自主研制的大规模集成电路开始起步,并于
1975年设计出第一批三种类型的(硅栅NMOS、硅栅PMOS、铝
栅NMOS)1KB动态随机存储器。
此外,这一时期的集成电路生产用设备也大多依赖于自主开
发。在“消化吸收、融会贯通、推陈出新、举一反三”的路线下,
20世纪50年代末引进的苏联技术、20世纪70年代尼克松访华后通
过特殊渠道购买的少量欧美单机设备,也成为了自主发展的借
鉴,其技术由此融入了自主体系。例如,这一时期中国科学院上
海冶金所开发了离子注入机,在改革开放初还曾出口到日本。
白手起家的中国集成电路
这些中国“芯”的成就,凝结了无数自力更生的中国“心”。自
力更生的意识,使得引进苏联技术的过程中,中国团队自主研发
的意识始终没有松懈,创新突破的脚步没有停滞。这才使得1957
—1960年苏联逐步撤走专家的过程中,中国的半导体和集成电路
发展事业不仅没有停滞,还突破了一个又一个技术难关。让我们
重温一下1957年8月23日的国务院通知:“各部门聘请苏联专家必
须严格贯彻少而精的原则,只有工作上确属需要的新技术、新专
业和薄弱环节才可聘请专家,同时,要注意凡能聘请短期专家解
决的,就不要聘请长期的专家,凡能够几个单位合聘的就要合
聘。”
在这样的时代背景下,黄昆、谢希德等科学家培养的人才茁
壮成长,例如康鹏发明“隔离—阻塞振荡器”(后被称为“康鹏电
路”)的历程就是最为生动的说明。1958年,我国开始研制109乙
故障,此时国外同行断言中国5年内研发不出晶体管通用计算
机。1961年,国防科委决定安排哈尔滨军事工程学院参与晶体管
计算机研制,时任哈尔滨军事工程学院电子工程系主任慈云桂找
康鹏谈话:“你有胆量,也有才能,研发半导体计算机的任务交
给你。”慈云桂之所以看重康鹏,除了康鹏在清华大学的自动控
制专业进修经历外,还因为他未毕业就成功开设了新课程《脉冲
技术与数字电路》,并且编写了40万字的讲稿。1962年,哈尔滨
军事工程学院的晶体管计算机设计组成立,慈云桂负责设计组的
管理工作,康鹏担任副组长。摆在新成立的设计组面前的首要难
题就是:合格的晶体管短缺,已有的晶体管不稳定、寿命短。在
慈云桂的支持下,时年25岁的康鹏采用“用国产的参数不一致的
晶体管,构建出一致的、波形宽度标准的电路”,发明了“隔离—
阻塞振荡器”,解决了晶体管产品不稳定的难题。1964年,四机
部发文称康鹏电路“是一种具有良好整体特性,并且除了能完成
通常变压器二极管组成的‘与’、‘或’逻辑外,还有阻塞功能的单元
电路。尚未见过具有类似功能和特点的电路,同意列为发明”。
在康鹏电路的基础上,哈尔滨军事工程学院成功开发了我国第一
台晶体管计算机“441-B”,在“两弹一星”、海军和空军、大庆油田
等诸多领域中应用,发挥了巨大作用。
在“文化大革命”中,中国的集成电路研发并未止步。1972
年,我国自主研制的P型金属氧化物半导体大规模集成电路在永
川半导体研究所诞生。1975年,王阳元在北京大学设计出第一批
1KB动态存储器。1978年,王守武带领徐秋霞等人在中国科学院
半导体所成功研制4KB动态随机存储器,次年在109厂量产成
在自主研发的同时,中国也曾试图引进国外技术。美国总统
尼克松访华后,1972年中国从欧美引进技术,建设了40多家集成
电路厂,包括第四机械工业部下属的甘肃天水永红器材厂(749
厂)、甘肃天水天光集成电路厂(871厂)、贵州都匀风光电工
厂(4433厂)、湖南长沙韶光电工厂(4435厂)和航天691厂
等。这一年,中日邦交正常化。1973年,我国的集成电路考察团
参观访问了日本的日立、东芝、日本电气、松下、三菱、富士
通、夏普的半导体设计、生产、制造和设备等。此时,日本已采
用3英寸硅圆片开展生产,而考察团的成员对于如何赶超开展了
争论,主要有引进技术和只引进设备两种观点。但是,在当时的
时代背景下,引进措施并没有得到执行。
尽管白手起家、道路坎坷,但是老一辈的科学家仍以其坚韧
不拔的精神努力为中国集成电路发展打下基础,仍然闪耀着智慧
的光芒,彰显着探索的勇气,这是后来中国大陆集成电路发展的
起点。
3.转型的困难与出路
市场倒逼的压力如何成为转型升级的动力,需要行业认识的
深化、技术能力的提升和经营模式的转变。站在历史的峰峦之
上,才能够看清来时的道路、前行的方向。
固体电路
作为苏联援助我国建设的156项工程之一,1956年10月15
日,位于酒仙桥工业区的北京电子管厂开始建设。1957年,北京
电子管厂开始筹建半导体实验室。此外,当时酒仙桥还建起了北
京电机总厂、华北无线电器材联合厂、北京有线电厂(738
厂)、华北光电技术研究所等单位。1957年,北京电子管厂拉出
锗单晶,并研制出锗晶体管。次年,中国科学院的王守武、王守
觉兄弟研制出我国第一批锗合金高频晶体管,并成功应用至当时
的109厂(现中国科学院微电子所)的109乙计算机上。1959年,
林兰英带领团队拉出了硅单晶,李志坚则带领团队拉出了高纯度
多晶硅。1960年,中国科学院半导体所和河北半导体研究所正式
成立。这一年,黄昆、王守武、王守觉、林兰英开始了平面光刻
技术的研发,并于3年后开发出5种硅平面器件,成功应用于109
丙计算机上。1965年,王守觉在约1平方厘米大小的硅片上刻蚀
了7个晶体管、1个二极管、7个电阻和6个电容的电路,标志着新
中国第一块集成电路由此诞生。
其间,德州仪器和仙童半导体已经开始了集成电路的发展历
程,从美国回来的黄敞将“集成电路”的概念带回到国内。黄敞的
父亲黄修青毕业于上海交通大学,母亲袁韵琴毕业于上海知名高
校。出身于书香门第的黄敞勤奋好学,考取了西南联合大学电机
系,抗战胜利后跟随清华大学回到北京,1948年留学美国。黄敞
获得哈佛大学博士学位后,就职于雪尔凡尼亚半导体厂,先后担
任了高级工程师和工程经理,获得了10项专利,已小有成就。然
而,此时生活条件已经颇为优越的黄敞,毅然决然地放弃在美国
的永久居留权,与杨樱华申请环球旅行,辗转约10个国家和地区
回到祖国的怀抱,把当时国际上最前沿的研究带回国内。此时,
副教授,后来又到中国科学院计算技术研究所任11室主任、副研
究员。1965年,黄敞在中国科学院156工程处(后来改为第七机
械工业部的771所)开始了航天微电子的探索,在做出了巨大贡
献后于1986年任航天部科技委常委。在航天微电子事业的探索期
间,黄敞扎根当时地处“三线建设”的骊山,率先在国内探索了硅
集成电路的工艺研究和生产线的建设,研制成功了国内首台图形
发生器、晶体管-晶体管逻辑小规模集成电路和CMOS集成电路系
列产品。他发明的“载流子总量分析方法”可用于各种集成电路与
器件分析,开创了我国器件模拟和仿真、工艺优化的新路径。在
开创存储器等研发先河的同时,黄敞等人在771所的成就,还将
集成电路发展的新“火花”传播至北京、上海等地的半导体工厂,
促进了我国半导体事业的崛起。改革开放后,黄敞一边继续半导
体行业的探索,一边培养人才,其中包括张兴、武平等一大批专
业人才,可谓桃李满天下。
在黄敞将“集成电路”的概念带回到国内时,国内当时将“集成
电路”称为“固体电路”,新中国的第一块固体电路就此从文献研究
中起步。一开始设计的固体电路是二极管晶体管逻辑型与非门电
路,这是电子计算机布尔代数里最基本的电路。在生产过程中,
正如“两弹一星”的研发还运用了算盘这些最为基础的工具,20世
纪60年代中国仍买不到国际上的半导体专用设备,用于半导体生
产的扩散炉、光刻机、蒸发台、外延炉等设备还靠大学生完成工
艺画图后,再到机械加工车间加工,这便是最早的硅平面管开发
所用设备。
所),双方在研发过程中密切合作,华北计算技术研究所协助完
成试制样品的测试和分析。除了北京电子管厂外,中国科学院半
导体研究所、中国科学院计算技术研究所156工程处和北京市无
线电器件研究所(沙河研究所)、河北半导体研究所(13所)、
上海元件五厂等也开展了研发。1965年年底,河北半导体研究所
召开新产品设计定型会,在国内第一家鉴定了固体电路产品:采
用介质隔离的二极管-晶体管逻辑型数字逻辑电路。由于河北半导
体研究所和北京电子管厂采用相同的工艺,因此华北计算技术研
究所研制的第三代电子计算机样机就由前两者共同作为供应商,
分别负责技术难度大和规模大的电路供应。1967年,华北计算技
术研究所采用这些固体电路的成果展出,成为我国自主研发的第
一批第三代电子计算机之一。上海元件五厂则与华东计算所开展
合作,在1966年底召开晶体管逻辑型电路产品鉴定会。
图19 北京电子管厂
1963年,中央政府组建主管全国电子工业的第四机械工业部
(1982年改组为电子工业部),由通信专家王诤中将任部长。
1967年,第四机械工业部开始规划在大后方三线地区新建三座固
体电路工厂(877厂、878厂和879厂),但是又觉得在山沟里新
建工厂太慢,于是1968年第四机械工业部决定在北京筹建国营东
光电工厂(878厂),而877厂和879厂则分别在陕西和四川建
设。在抽调北京电子管厂的技术人员后,东光电工厂开发出第一
块固体电路样品:二氧化硅介质隔离的二极管-晶体管逻辑型与非
门电路。此时,国内的半导体专用设备已较之前有所起步,而在
学习上海元件五厂的开发经验后,东光电工厂也生产出晶体管逻
辑型与非门电路。就在这样的艰苦摸索中,北京大学电子仪器厂
在1972年研制成功我国第一台100万次大型电子计算机。就这
和工业提供了早期的集成电路产品。同时,该厂还开展了电视机
电路、录音机电路的早期研发,建成了我国第一个用于半导体集
成电路生产的洁净厂房。
1980年,东光电工厂从国外引进3英寸芯片生产线,并在此
后加快了金属氧化物半导体的研发,我国第一条3英寸工艺线上
生产了双极型线性电路工艺和金属氧化物半导体型数字电路工
艺。后来,CMOS电路也得到了开发。20世纪80年代中期后,由
于多种原因,东光电工厂逐渐退出了集成电路行业。同时,北京
电子管厂在“三七”工程总体整机计划进展不顺利的情况下,也逐
渐退出了集成电路行业。此后,原北京电子管厂的年轻厂长王东
升带领员工自筹650万元资金进行股份制改造,创办了北京东方
电子集团股份有限公司,后更名为京东方科技集团股份有限公
司。
与北京电子管厂相对应,上海元件五厂则是南方地区的集成
电路发展摇篮,在计划经济时代专注于双极型数字电路的生产。
1968年,上海组建无线电十九厂,并于1970年建成投产,以生产
二极管-晶体管逻辑、晶体管-晶体管数字集成电路为重点,与东
光电工厂形成了当时中国集成电路产业中的南北两强。此时,
1968年国防科委在四川永川成立了模拟集成电路研究所——固体
电路研究所(即永川半导体研究所,现中国电子科技集团第24
所)。
海外引进之路
工业考察团赴日本企业考察集成电路产业,但是由于政治和资金
方面的原因,考察过程中全线引进日本电气生产线的计划未能实
现。改革开放后,位于江苏无锡的江南无线电器材厂(742厂)
从日本东芝公司全线引进了黑白电视机和彩色电视机的集成电路
生产线投产,这是中国第一次全面地投产海外引进的集成电路生
产线。江南无线电器材厂引进的生产线,包括3英寸的硅片生产
线和封装线,当时计划年产2648万块双极型消费类线性电路(用
于电视机和音响)。1984年,江南无线电器材厂年产3000万块集
成电路,成为当时中国大陆技术最先进、规模最大的集成电路企
业。
回顾江南无线电器材厂的发展历程,就不得不提起原厂长王
洪金。1960年,江南无线电器材厂成立,当时有200多人,以生
产军品半导体仿苏二极管为主要产品。1963年,江南无线电器材
厂归属国家第三机械工业部第十管理总局(代号“国营第742
厂”),并要求江南无线电器材厂停止小商品生产、重点攻关半
导体。这一年,王洪金来到742厂工作。王洪金参加过解放战
争、抗美援朝战争,在部队里学习了无线电通信技术。在担任
742厂厂长期间,王洪金带领全厂贯彻“军品第一”“质量第一”的思
路,提升了工厂的技术水平和生产能力,同时规范了生产管理,
742厂先后9次荣获国家金牌产品、8次荣获国家银牌奖品、国家
级企业技术进步奖、国家一级企业等称号。
20世纪70年代,江南无线电器材厂及时调整方向,将其产品
从军品拓展至半导体收音机、录音机等民用晶体管。当时,在国
蹊径地主攻分立器件。于是,分立器件成了江南无线电器材厂的
特色产品,最高时其国内市场占有率高达60%~70%。
1977年,我国决定从日本引进彩色显像管生产线,同时也计
划引进配套的线性集成电路生产线,其中集成电路生产线定点在
江南无线电器材厂。1980年5月,3英寸的硅片生产线开始建设,
并于1982年10月投产。1982年10月14日中日双方举行验收交接仪
式,后道工序投入试生产,1985年6月25日全面通过国家验收正
式投产。总投资2.7亿元,设计年生产能力集成电路2648万块。
在引进线的产品生产上,江南无线电器材厂曾经产生了分
歧:有的人认为需要完全按照日方的产品标准进行产品,有的人
则认为要以当时国内用户要求为导向来加以生产。最后,江南无
线电器材厂作出了在探索以用户标准为导向的生产决策,这在当
时来说已是很有“市场意识”的抉择。透视历史可以发现,也正是
因为有了这样的意识,才使得江南无线电器材厂得以在全国的工
厂中脱颖而出,建成国内第一座现代化的集成电路工厂,使微电
子工业开始实现规模经济。江南无线电器材厂的这一决策,也能
看出江苏集成电路行业为什么能够在20世纪80年代从以军工、电
子计算机和仪器仪表配套为主的数字集成电路,向以彩色电视
机、收录机(音响)、通信机(无线电通信和程控电话)、机电
仪器等产品配套为主的专用集成电路转型。
1987年,江南无线电器材厂的产量已近全国同类产品的
40%。此时,江南无线电器材厂响应电子工业部“一家引进,多
家受益”的号召,向国内其他企业推广集成电路生产技术,带动
研中心开工建设,其背后则是我国“七五”期间微电子产业的布
局。在“七五”布局中,我国认识到与国际先进水平的巨大差距,
因而立项开始建设无锡微电子工程,并落户于江南无线电器材
厂。1983年,电子工业部决定由永川半导体研究所(即后来的中
国电子科技集团公司第24研究所)抽调500人在无锡建立分所,
组建无锡微电子科研生产联合体,攻关2~3微米工艺大生产技术
等。科研生产联合体成立后,先后研制和生产了64KB和256KB动
态随机存储器。
在联合攻关的模式下,无锡微电子联合公司于1985年注册成
立,1989年以该公司为基础的中国华晶电子集团公司成立,而科
研中心则更名为华晶公司中央研究所。1989年2月,机电部在无
锡召开“八五”集成电路发展战略研讨会,提出了“加快基地建设,
形成规模生产,注重发展专用电路,加强科研和支持条件,振兴
集成电路产业”的发展战略。
在20世纪80年代和90年代初,先是日本在存储芯片领域赶超
了美国,后是韩国又赶超了日本。在邻国的产业发展经验启示
下,1990年8月国家计委和机电部在北京联合召开了座谈会,
1992年国务院决定实施“908工程”。“908工程”集中投资20多亿
元,其目标是在无锡华晶建成一条月产1.2万片、6英寸、0.8~1.2
微米的芯片生产线。但在“908工程”正式批复前的1990年,华晶
MOS生产线开工建设已经启动。在多种因素的综合作用下,“908
工程”投产较慢,此时国外的竞争对手已沿着摩尔定律的路径实
现了四五代的技术领先,华晶投产当年出现了亏损。1998年1
月,“908主体工程”华晶项目通过对外合同验收。1998年2月,华
晶将部分设备租给我国香港上华半导体公司,后者引进美国和中
国台湾地区的团队。在改造华晶的过程中,曾经创办茂矽电子的
陈正宇求助于刚从德州仪器退休的张汝京。不过,由于身份限
制,不到三个月张汝京便被台湾当局硬拉回去。尽管如此,在张
汝京等人的协助下,华晶在1998年2月至8月完成了改造任务,并
于1999年5月实现了盈亏平衡。1999年,上华持股51%、华晶持
股49%的无锡华晶上华半导体公司成立,2002年华润集团完成对
华晶的收购。
从江南无线电器材厂到无锡微电子联合公司,再到华晶电子
集团,是改革开放以来中国微电子企业转型发展的缩影之一。20
世纪80年代初,在电子厂自己找出路的大背景下,大量工厂出国
购买技术和生产线,自主研发的思路逐渐被引进所替代。1980
年,在航天691厂(后来并入航天771所)工作的侯为贵被派往美
国考察生产线,他于1985年到深圳创办了中兴半导体。然而,在
巴黎统筹委员会(简称“巴统”)的技术限制下,中国引进的只能
是发达国家淘汰的二手设备,并未形成核心技术的优势。
南北基地
在那个时候,美国和日本的微处理器和存储芯片快速发展,
个人计算机正在快速兴起。面对这一形势,1982年,国务院成立
了以万里副总理为组长的“电子计算机和大规模集成电路领导小
组”,制定了中国集成电路发展规划,提出“六五”期间要对半导体
工业进行技术改造。1983年,国务院大规模集成电路领导小组提
出“治散治乱”“建立南北两个基地和一个点”的措施,其中北方基
地主要指北京、天津和沈阳,南方基地主要指上海、江苏和浙
江,一个点是指为航天配套的西安。
在国务院成立大规模集成电路领导小组的那年,国家还决定
成立电子工业部。1986年,电子工业部在厦门举办集成电路战略
研讨会,提出“七五”期间我国集成电路技术“531”发展战略
——“普及5微米技术、研发3微米技术,攻关1微米技术”,并出
台了集成电路“七五”行业规划(1986—1990年),在上海和北京
建设南北两个微电子基地。
1987年北京燕东微电子联合公司成立,1988年由上海市仪表
局、上海贝尔公司合资设立上海贝岭公司。北京燕东微电子由北
京器件二厂的技术改造而成,上海贝岭则引进了全新工艺设备,
新建了洁净厂房。此后,在首都钢铁公司拓展企业经营范围的背
景下,燕东公司划归首钢。1998年,上海贝岭改制上市后更名为
上海贝岭股份有限公司,成为国内集成电路行业的第一家上市公
司。1999年,上海仪电控股将持有的上海贝岭国家股划拨到上海
华虹(集团)有限公司,华虹集团成为公司第一大股东。燕东公
司则自1997年开始,将产品重心由集成电路转向分立器件,在分
立器件领域立足后回头积极开发双极型模拟电路产品,并于2012
年实现了集成化整合。
1988年,上海的半导体企业开始了合资模式的探索。这一
年,上海无线电十四厂引进技术项目、建设新厂房,成立了中外
合资的上海贝岭微电子制造有限公司。同年,上海无线电七厂和
荷兰飞利浦公司合资成立上海飞利浦半导体公司(1995年更名为
上海先进半导体制造有限公司,2004年改制为上海先进半导体制
造股份有限公司),生产大规模集成电路。
上海无线电十四厂成立于1960年7月21日,由一亚电工厂和
交直电工厂合并而成,建厂初期的硅器件产品主要包括整流管、
稳压管、高压硅柱、可控硅。随着平面技术的应用,上海无线电
十四厂又确立了金属氧化物半导体的主导方向,生产的场效应管
有金属氧化物半导体型、结型、光敏、氢敏场效应管等,一时成
为国内主要的场效应管生产厂。1988年,上海贝岭微电子制造有
限公司成立,当时的主要业务是为上海贝尔电话设备制造有限公
司配套提供通信用大规模集成电路。在合资的过程中,占股40%
的上海贝尔电话设备制造有限公司是中国邮电工业总公司和阿尔
卡特贝尔及比利时王国政府合作基金会合资经营的企业(中方占
股60%),成立于1984年,以数字程控机系统为主要产品。
1995年,上海贝岭微电子为满足S1240局用数字交换电路升
级的需要,建设了1.2微米生产线。同年,面对交换机市场的激烈
竞争,上海贝岭微电子成立新产品研发设计中心,积极开发各种
新产品,包括卡拉OK电路、遥控器电路、微控制器等,自此其
产品结构已从程控交换机电路扩展至其他多种电路。1997年,上
海贝岭微电子已经拥有4英寸生产线,年产能16万片。当年,公
司的程控交换机电路占国内市场的30%,主要客户为上海贝尔;
卡拉OK混响电路占国内市场的55%,客户包括长虹电视机厂以
及广东、江苏、上海等地的80余个客户;彩电、音响遥控器电路
占国内市场的20%,客户包括康佳、青岛海信等30余个;电子电
海恒通等40余个;金卡芯片占国内市场的8%,客户包括上海长
丰、北京华旭等40余个;电话机拨号电路占国内市场的3%,客
户包括深圳创维以及广东、福建等地共20个。
上市后,上海贝岭一直坚持垂直一体化发展模式。2007年,
以上海贝岭的先进电源事业部为基础,成立了上海岭芯微电子有
限公司,由此贝岭开始了新模式的探索。此前的2003年,先进电
源事业部通过结合华虹集团的工艺工程师团队成立了贝岭的设计
和生产线。2006年,贝岭与海外回国的电源管理团队签署孵化协
议,孵化条件比原计划提前两年实现,因而上海贝岭开始探索孵
化模式。在上海岭芯微电子有限公司成立后,上海贝岭还向上海
韬井微电子有限公司、苏州同冠微电子有限公司、上海阿法迪智
能标签系统技术有限公司等企业进行了投资。
2009年,华虹集团通过分立方式重组后,中国电子信息产业
集团有限公司成为公司第一大股东。2010起,上海贝岭的主要产
品为电力计量芯片、液晶显示器驱动芯片、射频识别芯片、微控
制单元芯片、电源管理芯片。此时的上海贝岭,仍然以垂直一体
化模式为主,建有4英寸的模拟集成电路制造产线。
2012年9月,上海贝岭子公司上海贝岭微电子制造有限公司
生产车间发生火灾,直接导致公司当年停产。意外的火灾发生
后,上海贝岭的业务重心转向集成电路设计业务。2015年7月,
中国电子信息产业集团有限公司将持有的上海贝岭股份有限公司
26.45%股份无偿转给华大半导体有限公司(中国电子信息产业集
团有限公司的全资子公司),由此华大半导体有限公司成为上海
式,在2016年将8英寸生产线转至上海华虹NEC后,转型至垂直
分工领域中的无晶圆生产线的集成电路设计模式,其晶圆制造环
节主要外包给上海华虹宏力半导体制造有限公司、上海先进半导
体制造股份有限公司、中芯国际集成电路制造有限公司,封装环
节则外包给通富微电子股份有限公司和天水华天科技股份有限公
司等企业。作为集成电路设计企业,上海贝岭的产品领域主要有
计量及系统级芯片、电源管理、通用模拟、非挥发存储器、高速
高精度模拟数字转换器,主要目标市场为电表、手机、液晶电视
及平板显示、机顶盒等各类工业及消费电子产品。2017年,上海
贝岭共实现营业收入5.62亿元,较上年增长10.37%;归属于上市
公司股东净利润1.74亿元,同比增长358.75%。
4.芯的征程
从量的积累向质的飞跃,集成电路企业的破茧成蝶,往往需
要经历痛苦的抉择。时间见证了中芯国际等国内芯片企业的接力
奋斗历程,见证了超常规、跨越式发展的强劲步伐背后深层次的
挫折教育和成功启示:系统性的战略眼光、专业性的实践经验和
整体性的协调能力。
中芯国际的开创
在中国大陆的芯片制造企业中,中芯国际作为国内规模最
大、技术最先进的制造企业之一,在中国北京、上海、深圳、天
进行14纳米工艺技术的研发。
2000年4月,张汝京博士与王阳元院士等人一道,带领着300
多位台湾同胞和100多位来自欧美日韩等地的同事和朋友组成的
团队,在上海创办中芯国际集成电路制造(上海)有限公司。包
括谢志峰(本书作者之一)在内的许多中国大陆海归博士加入了
中芯国际的艰苦创业中。张汝京的父亲张锡纶毕业于中国第一所
矿业高等学府焦作工学院,毕业后进入上海的一家炼钢厂工作。
抗战爆发后,张锡纶随着上海工业的西迁到了重庆,其所工作的
炼钢厂被编入了兵工厂。战火中,张锡纶先生指挥炼钢,刘佩金
女士(张汝京的母亲)钻研火药,为前方源源不断地输送抗战物
资。抗战胜利时,张锡纶已成为著名的炼钢专家,与刘佩金女士
在南京安家、成婚、生子。张锡纶的大儿子张汝翼后来曾参与了
无锡华晶上华的建设,张汝京是张锡纶的第二个儿子,于1948年
出生。淮海战役结束后,张锡纶带着张汝京等家人启程前往台湾
高雄。在台湾,张汝京以优异的成绩毕业,后来前往美国攻读工
程学硕士、电子学博士学位,并于1977年加入德州仪器。在邵子
凡的领导下,张汝京成长为芯片制造工厂建设专家:经历了前8
年的研发职业生涯后,张汝京开始负责运营,成功主持了德国仪
器在美国、日本、新加坡、意大利和中国台湾地区10座半导体工
厂的建设与运营,成为了全球半导体业“建厂高手”。
在邵子凡、张锡纶的感召下,张汝京萌生了到祖国大陆建设
芯片制造工厂的想法。1989年,德州仪器在多重评估后决定在中
国台湾建厂,当时张汝京便设想招聘祖国大陆的工程师到宝岛上
许,张汝京只得作罢。1992年至1994年,张汝京在新加坡建设芯
片制造厂。在得到新加坡政府允许后,张汝京在内地招聘了约
300人,后来中芯国际成立时有数十人追随张汝京到上海投身建
设。
1995年,张汝京受邵子凡之托,时隔46年后回到祖国大陆作
演讲。此次大陆之行中,张汝京了解到贵州地区的贫困学生状况
后,便于1996年在贵州正安县的碧峰乡捐赠了平生的第一所希望
小学,此后陆续在贵州、云南、四川、甘肃等地捐赠兴建了约20
所希望小学。
1997年,张汝京从德州仪器提前退休后,回到中国台湾创办
世大半导体。2000年,台积电并购世大半导体,张汝京把在中国
台湾的股票市场上获得的盈利捐于慈善事业后,带着“中”国技术
第一“芯”片代工厂的梦想来到了上海,将企业取名为“中芯”。张
汝京在上海获得了各级政府部门的大力支持,时任市长徐匡迪亲
自带张汝京考察了浦东后,中芯国际选址张江。
在中芯国际的早期发展中,作为奠基人之一的王阳元院士同
样功不可没参与创建了中芯国际集成电路制造有限公司。王阳元
于1958年毕业于北京大学物理系,是我国自主培养的第一批半导
体人才之一。1975年,王阳元主持研制成功具有自主知识产权的
硅栅P沟道、铝栅N沟道、硅栅N沟道三种技术和我国第一块1024
位MOS动态随机存取存储器,开拓了我国硅栅N沟道MOS技术,
其成果荣获1978年全国科学大会奖。1978年,王阳元在北京大学
建立微电子学研究室并任室主任,成为北京大学微电子学科的创
建者。1986年,北京大学微电子学研究所成立,王阳元任所长。
王阳元主持创建了SOI新器件研究室、我国第一个国家级微米/纳
米加工技术重点实验室、北京大学多功能芯片制造服务中心,并
与杨芙清院士共同创建了软件与硬件协同设计北京市高技术重点
实验室等机构。在北京大学的研究历程中,王阳元还提出了多晶
硅薄膜“应力增强”氧化模型、工程应用方程、掺杂浓度与迁移率
之间的关系;研究了多种硅化物薄膜及亚微米和深亚微米CMOS
电路的硅化物/多晶硅复合栅结构;发现了磷掺杂对固相外延速率
增强效应以及CoSi2 栅对器件抗辐照特性的改进作用;提出了SOI
器件浮体效应模型和通过改变器件参量抑制浮体效应的工艺设计
技术;领导研制成功了我国第一个大型集成化的ICCAD系统。20
世纪90年代后期开始,王阳元研究微机电系统,后来又致力于研
究亚纳米集成电路新器件结构、新工艺及其集成技术。此外,王
阳元院士还十分关注集成电路的发展战略研究,《我国集成电路
产业发展之路》《绿色微纳电子学》《战略——生存与发展之
本》《后摩尔时代微纳电子学科发展战略研究》等著作就是其代
表性的成果。
信心是实力的前提,实力是信心的体现。2000年8月1日,中
芯国际打下了第一根桩,在2001年9月25日正式建成投产,前后
仅历时13个月,创造了当时最快的建厂速度。
张汝京的专业、朴实和眼光很快吸引了一批国际化的专业人
才集聚到中芯国际。建厂时,张汝京事事亲力亲为,初期每天在
厂里巡视数次,每次要花约两小时。开工第一天,张汝京带领高
层主管到无尘室,亲自用酒精沾布,蹲在地上擦地板。张汝京的
于人才的第一要求是“操守”和“诚信”。这或许就是除了专业之
外,“建厂高手”能够创造震惊业界纪录的又一法宝。在中芯国际
任董事长的十年期间,王阳元院士则集长远发展的战略思维、切
合实际的经营策略于一道,为中芯国际设计行之有效的运行和融
资体制,使中芯国际广纳天下英才的同时,又能适应中国国情顺
利发展。在他们的共同努力下,中芯国际引入了上海实业、摩托
罗拉、张江高科、北大青鸟、高盛、华登国际以及新加坡淡马锡
控股等一批投资者,开启了中国大陆晶圆代工发展的新征程。
逆水行舟,不进则退。肩负起民族集成电路行业的发展使
命,不仅要创新,还要加快创新、多创新。张汝京建厂中芯国
际,正值行业发展的低谷期,这一时机与三星的“逆周期投资”做
法不谋而合。在低谷期,中芯国际以相对较低的价格购入了二手
设备以及位于天津的摩托罗拉工厂。同时,改革开放后一批海归
人才相继创业,或者回到中国大陆工作。在中芯国际的发展中,
上海市政府积极响应中央政府的政策,全力支持中芯国际的发
展。有此基础,加上上海实业、高盛、华登国际、汉鼎亚太和祥
峰等的投资,中芯国际在“天时地利人和”中起步。仅仅3年时
间,中芯国际已经拥有4条8英寸生产线和1条12英寸生产线,在
当时绝无仅有,震惊了业界。
图20 中芯第一芯
看似一切顺利的背后,实则凝聚着张汝京的建厂智慧。尽管
获得了10亿美元的投资,再加上银行4.8亿美元的融资,但是当时
10美元仅够一条8英寸生产线的费用,留给中芯国际的施展空间
十分有限。经过慎重考虑,鉴于资金有限、人才不足,中芯国际
认定必须要做大规模,而生产工艺则依靠合作联盟来实现。再加
上当时适逢行业的低谷期,中芯国际得以迅速做大。
在中芯国际建设过程中,张汝京带着妻子和儿子迁往上海定
居,张汝京的母亲刘佩金也前往上海(此时张锡纶已经仙逝)。
1949年张锡纶来到台湾地区后,担任一家冶金工厂的厂长,而刘
佩金女士以教书为业,直到近70岁。刘佩金一直给孩子们以《史
记》等中国文化的教育,而张汝京也在父母的熏陶下种下了刻骨
铭心的中国心。不过,在中芯国际初创之时,台湾当局要求张汝
京在大陆撤资,张汝京则以宣布放弃台湾地区的户籍作为回应。
张汝京的以身作则,是当时中芯国际独特的企业文化魅力。在张
地的建设。
迎难而上
在中芯国际聘请世大半导体的老员工、台积电的工程师后,
台积电于2003年在美国加州起诉中芯国际不当地使用了台积电的
商业秘密,要求中芯国际赔偿10亿美元。2005年,中芯国际与台
积电达成和解协议,赔偿1.75亿美元。这一年,中芯国际销售收
入超越新加坡特许半导体公司,在全球的晶圆代工行业排名第
三。然而,2006年台积电再次于美国加州起诉中芯国际,指责其
在最新的0.13微米工艺使用了台积电的技术。对此,中芯国际在
北京高院反诉台积电。
2009年,北京高院驳回了中芯国际的诉讼请求,而台积电则
在后来开庭的美国加州法院审理中获胜,之后中芯国际和台积电
达成和解,和解协议包括支付台积电2亿美元和10%中芯国际股
份。3天后,张汝京辞职,离开了凝聚其无数心血和智慧的中芯
国际。然而,张汝京和中芯国际的“中国芯”梦想并未就此停止。
离开中芯国际后,张汝京继续追求芯片梦想,先是进入发光
二级管的研发、制造和应用领域,后来又于2014年在上海新昇半
导体科技有限公司开始了300毫米晶圆片(即12英寸硅片)研发
及量产的新征程。上海新昇半导体科技有限公司成立于2014年6
月,总投资68亿元,一期投资23亿元,公司的目标是致力于在我
国研究、开发适用于40/28纳米节点的300毫米硅单晶生长、硅片
建设300毫米半导体晶圆的生产基地,实现300毫米半导体晶圆的
国产化。2017年,张汝京决定不再担任新昇总经理职务,但继续
担任新昇董事。张汝京的艰苦奋斗,给新昇半导体科技有限公司
和中国晶圆产业带来了希望。新昇在致全体员工的信中写
道:“张汝京博士为新昇做出了伟大的贡献,他领导新昇团队在
创纪录的时间内建成了一个现代化的工厂,在极短的周期内拉出
了第一根晶棒(硅晶锭),目前已经把论证样品送至我们的潜在
客户,并取得了阶段性认证成果。我们坚信,这些成就标志着张
汝京博士在国际半导体行业中辉煌职业生涯达到的顶峰。”此
后,70多岁的张汝京又开始了协同式垂直一体化模式的探索,
2018年5月18日,首个协同式集成电路制造企业——芯恩(青
岛)集成电路制造有限公司在青岛西海岸新区启动。
张汝京从中芯国际辞职后,2009年6月江上舟临危受命出任
中芯国际董事长。2010年,中芯国际首次实现全年盈利。然而,
壮志未酬之际,江上舟在中芯国际董事长任上,因肺癌复发于
2011年6月27日辞世。2002年,江上舟曾罹患肺癌,尽管当时已
经治愈,但是操劳过度的江上舟还是在2010年再次肺癌复发。
江上舟是上海芯片产业的奠基人、国家大飞机项目的启动者
之一,他与电子信息领域的接触从1965年就已经开始。这一年,
江上舟考入清华大学无线电系,但是不到一年便到工厂学工,到
农村学农。1978年,中国恢复研究生招生,已结为夫妻的江上舟
和吴启迪双双考回母校。后来,江上舟夫妇又前往瑞士留学,并
在20世纪80年代回到祖国。1987年,留学8年的江上舟获得博士
省,江上舟参加了海南的考察、调研与规划。国家经委撤并后,
江上舟留在海南,参与了从县级市升格的三亚市筹建工作。1991
年,江上舟高票当选海南省三亚市副市长,建立了全国第一个土
地交易中心,实行土地公开拍卖,激活了土地市场,为三亚争取
了基础设施建设需要的资金。此后,江上舟于1993年出任海南省
洋浦开发区党工委书记、洋浦开发区管理局首任局长,1997年调
往上海工作并先后担任上海市经济委员会副主任、市工业党委副
书记等职,2001年任上海市人民政府副秘书长兼上海化学工业区
领导小组办公室主任,2003年成为国家中长期科学和技术发展规
划领导小组办公室成员兼重大专项组组长。
1997年转任上海市经济委员会副主任后,江上舟便开始了集
成电路等高科技产业项目发展的调研,并且认定21世纪上海必须
发展知识密集型的信息产业。江上舟判断,国内集成电路需求旺
盛、供给薄弱、设备的进口依赖明显,要增强集成电路供给能
力、突破半导体生产和试验关键设备瓶颈、占领技术和市场高
地。通过对中国台湾地区的发展历程,以及国际资料的精读后,
江上舟认定华人有能力在全球的半导体产业竞争中占据一席之
地,集成电路是中国必须发展的工业。1998年底,江上舟向上海
市领导建议,在浦东规划面积22平方公里、3倍于新竹工业园区
的张江微电子开发区,“十五”期间引资100亿美元建设10条技术
水平等于或高于华虹NEC“909工程”8~12英寸集成电路生产线。
2000年,张汝京和王文洋分别在上海创办中芯国际和宏力半导体
有限公司,江上舟力推的集成电路发展进入了新阶段。这一年,
中芯国际一厂主厂房上梁时,张汝京花了20元人民币放了1000响
来,上海浦东张江、松江和漕河泾“两江一河”产业带得到发展。
由此,江上舟对上海有能力发展集成电路的判断得到了验证。
2006年3月,江上舟出任中国残疾人福利基金会理事长,与
同事一起运筹了“爱心永恒”行动与“启明”行动。同年,他被委任
为中芯国际的独立非执行董事。2009年,江上舟接替王阳元出任
中芯国际董事长。担任董事长职位不足4个月时,中芯国际在与
台积电的诉讼中失败,张汝京离职。临危受命后,江上舟相继邀
请王宁国、杨士宁等业内人士加盟,剥离了非核心业务,于2010
年带领中芯国际扭亏为盈。在江上舟的任上,中芯国际的托管公
司曾经面临被对手接连并购的困局,其中包括台积电试图并购武
汉新芯的12英寸工厂。江上舟带领团队协同努力,化解了困局,
向武汉市政府承诺注资新芯,将其变为子公司。
大约两年后,江上舟带领全体高管,对外宣布了新的五年战
略规划,开始寻求新的战略投资。张汝京也曾表示,江上舟为中
芯国际开创了新局面。然而,战略型科学家江上舟的生命在64岁
戛然而止。
几经调整后,中芯国际树立了继续坚持江上舟提出的独立
化、国际化的方针,稳定了公司内部,也稳定了客户。同时,中
芯国际快速提升了产能利用率,为客户做得更细心、更精准、更
快速,中芯国际开始扭亏为盈。2015年,工业和信息化部总经济
师周子学接替张文义出任董事长,此时中芯国际已经实现了11个
季度的持续盈利,向全球客户提供0.35微米到28纳米的晶圆代工
与技术服务。现在的中芯国际总部位于上海,在上海建有一座
300毫米晶圆厂和一座200毫米超大规模晶圆厂,在北京建有两座
300毫米超大规模晶圆厂,在天津和深圳各建有一座200毫米晶圆
厂。2016年,中芯国际销售总额达到29亿美元,收入同比上升
30.3%,几乎3倍于代工行业平均成长率;经营利润达到新高,为
3.392亿美元,经营利润率约为12%;净利润率和中芯国际应占利
润均创新高,分别为11%和3.766亿美元。税息折旧及摊销前利润
首次超过10亿美元,年度净资产收益率从前一年的7.6%上升至
9.6%。这一年,中芯国际成功收购了LFoundry,向汽车芯片市场
迈出了坚实的一步,同时北京合资厂和深圳厂营运,维持了整体
上的高产能利用率。
2018年初,中芯国际发布公告,与国家集成电路产业投资基
金、上海市集成电路产业投资基金合资成立的中芯南方集成电路
制造有限公司,计划总投资102.4亿美元,在中芯国际上海厂区保
留地块上,建设两条月产能均为3.5万片芯片的集成电路生产线,
生产技术水平以12英寸和14纳米为主,产品主要面向下一代移动
通信和智能终端。
由此可见,找准集成电路的发展目标,落实集成电路的发展
战略,部署集成电路的发展措施,必然要求将诸多方面整体思
考,把互联互通的各行业引擎全速、全面、全力发动起来。
5.自主创“芯”
无论是发达国家的集成电路发展历程,还是中国从无到有的
集成电路发展历史都表明,统一目标、奋发有为,是集成电路行
如果忽略自我创新能力的建设,就会越来越依赖竞争对手的“施
舍”。在21世纪,中国在超级计算机芯片、存储芯片和制造设备
的开发上,再次证明了中国人有能力自主创“芯”、一定要自主
创“芯”。
太湖之光
斗转星移,气象更新。百亿亿次超级计算机,被公认为“超
级计算机界的下一顶皇冠”,是人类解决能源、健康、环境和气
候变化等问题必不可少的工具。在向百亿亿次超级计算机进军的
过程中,中国不仅向世界证明了可以领先全球制造出最快的超级
计算机,也可以“以我为主”制造出其配套所需的芯片。
2016年,采用“中国‘芯’申威26010”的“神威太湖之光”计算机
系统在国际超算大会发布的超级计算机榜单中一举夺冠。“神威
太湖之光”峰值性能达每秒12.54亿亿次,成为世界首台运行速度
超10亿亿次的超级计算机。“神威太湖之光”设计稳定运行的最大
浮点运算速度为每秒9.3亿亿次,功耗从17808kW降至15371kW。
与“天河二号”采用英特尔处理器芯片不同的是,“神威太湖之
光”使用申威26010众核处理器芯片。申威26010采用64位自主申
威指令系统,采用28纳米节点工艺,主频1.45G,拥有260个核
心,双精浮点峰值高达3.06TFlops。申威26010的研制,为使用众
核处理器构建超算系统开辟了途径。此前的2012年,神威蓝光超
级计算机使用8704片申威1600处理器芯片和神威睿思操作系统,
回过头看,1951年成立的无锡江南计算技术研究所于2003年
开始自主设计高性能芯片,其技术源头可以追溯至美国数字设备
公司的Alpha
21164。美国数字设备公司于1992年推出Alpha架
构,1995年开始研发21164芯片,1998年推出新型号21264。尽管
美国数字设备公司由于经营不善被康柏收购,但是Alpha架构却
仍值得开发。当年,AMD试图开发重整数、轻浮点、高频率、高
功耗、高价格的K6-3架构,但在市场中一败涂地。研发部门不知
所措之际,AMD的行政部门作出了正确的决定:并购美国数字设
备公司的芯片研发部门,以Alpha 21164为基础开发K7-Athlon。
K7-Athlon一经推出,便以其出色的浮点计算能力,在与英特尔处
理器的竞争中占据游戏处理器的性能优势。一时间,“办公Intel、
游戏AMD”成为公众的认知。此后,AMD的K7至K10核心架构未
变,而英特尔直到推出酷睿I处理器才得以改变局面。
不过,原美国数字设备芯片研发部门的员工,由于研发方向
和条件不认同等原因,先后离开了AMD。美国数字设备被康柏收
购后,惠普和康柏于2001年合并,此后Alpha架构被束之高阁,
指令集和微结构都不再更新。20年过去后,只有申威仍在继续自
主扩展Alpha架构的指令——申威1、申威2、申威1600、申威
1610、申威5等均是其产品,而申威在多年的开发中已形成了发
展路线的自主权,同时开发了神威睿智编译器,研发了基于
Linux的神威睿思操作系统,从此走上了自主开发的新路。
2018年5月的第二届世界智能大会上,国家超算天津中心对
外展示了我国新一代百亿亿次超级计算机“天河三号”原型机。“天
信、麒麟操作系统,综合运算能力与采用英特尔处理器的“天河
一号”相当。
长江存储
在处理器芯片取得突破的同时,存储芯片进展也证明了中国
人可以自主创“芯”。武汉新芯项目始建于2006年,于2008年开始
正式量产,是华中地区唯一的12英寸芯片生产线,总投资超过百
亿元,是湖北省历史上最大的单体投资项目。武汉新芯是中国大
陆存储器芯片的拓荒者,其产品覆盖主消费类、工业物联网、汽
车电子等各类终端市场。武汉新芯生产的图像传感器芯片兼具高
性能和低功耗的优势,已成功打入国内主流智能手机品牌供应
链。
武汉新芯刚成立时,由于湖北省和武汉市政府没有集成电路
制造管理经验,便将其交由中芯国际管理。初期,武汉新芯计划
以动态存储器为主要产品切入全球市场,然而不久后全球动态存
储器市场的价格暴跌,使武汉新芯不得不将其产品线转向闪存。
2008年9月,武汉新芯联手飞索半导体,这家当时全球最大的专
门从事闪存开发、生产和营销的高科技跨国企业成为了武汉新芯
的主要客户。2003年,飞索半导体由AMD和富士通整合各自的闪
存业务合并成立,并且继承了双方长期以来的技术创新和市场领
先地位,其NOR型闪存的市场占有率处于世界领先地位,于2005
年完成分拆并在纳斯达克成功上市。
际转移65纳米、43纳米相关生产工艺及技术,武汉新芯则作为重
要生产基地为其提供存储器产品代工,2008年其12英寸生产线正
式完工并开始投片。然而,在2008年金融危机中,飞索半导体遭
遇经济危机濒临破产,武汉新芯几无订单,台积电、镁光等企业
都曾试图入股或收购武汉新芯。武汉市政府坚持自主发展,放弃
了合资计划。2011年,中芯国际与武汉市政府达成协议,双方合
资成立中芯国际集成电路制造(武汉)有限公司。
2012年,武汉新芯实现销售收入1.62亿美元,但仍处于亏损
状态,其产能离盈亏平衡点还有不小的差距。2013年,武汉新芯
从中芯国际完全独立,而原中芯国际首席运营官杨士宁博士接受
武汉东湖开发区的邀请,加入武汉新芯任首席执行官。掌舵武汉
新芯后,为了实现跻身国家队目标,杨士宁立即着手组建了具有
国际视野、实践经验的管理团队,进而建立了完整的国际化企业
管理体系、相对完善的企业运营体系,实现了以运营结果为导向
的企业运营机制。
2012年,兆易创新成为了武汉新芯的重要客户,次年由武汉
新芯为兆易创新代工的闪存芯片出货量已超过10万片。在杨士宁
博士的带领下,武汉新芯的团队在与飞索半导体的合作中,成功
地将NAND存储器工艺由55纳米推向32纳米,并于2014年底与飞
索半导体组建联合研发团队开始三维NAND的研发。武汉新芯与
飞索半导体均从NOR型闪存起步,飞索半导体直到2012年才携
SK海力士进军NAND闪存市场,因而这次合作也可以看出两者的
协同攻关之举。
科技有限责任公司正式成立。长江存储由紫光集团控股子公司紫
光国器、国家集成电路产业投资基金股份有限公司、湖北国芯产
业投资基金合伙企业和湖北省科技投资集团有限公司共同出资,
其中紫光国器占51%的股份。长江存储注册资本为189亿元,法
定代表人是赵伟国,从事半导体集成电路科技领域内的技术开
发,集成电路及相关产品的设计、研发、测试、封装、制造与销
售等。长江存储的注册资本分两期出资:一期由国家集成电路产
业投资基金股份有限公司、湖北国芯产业投资基金合伙企业(有
限合伙)和武汉新芯股东湖北省科技投资集团有限公司共同出
资,在武汉新芯集成电路制造有限公司的基础上建立长江存储。
二期由紫光集团和国家集成电路产业投资基金股份有限公司共同
出资。
在长江存储控股武汉新芯后,长江存储将继续拓展武汉新芯
的物联网业务布局,并着力发展大规模存储器,武汉新芯的首席
执行官杨士宁出任长江存储首席执行官。杨士宁曾分析,从半导
体存储器技术分类来看,目前动态存储和NAND闪存储存的总产
值占全球存储器产业的绝对主体,其中动态存储市场的增长需求
变得相对缓慢,而NAND闪存储存的需求量还将随着云端运算、
智能终端机的发展而持续增长10倍,大陆市场的内在需求庞大,
占全球市场的一半以上。中国大陆在人才汇聚、国际合作机遇和
产业生态支持方面均面临最好的时机,此时长江存储的投入面临
着市场、资金(国家“大基金”的资金和政策支持)和人才三方面
的大好机遇。
上都具备成本优势,向三维NAND领域的进军也将成为厂商的共
同选择。根据长江存储的目标,长江存储将会通过跳跃式的发
展,在2019年实现与世界前端差半代技术,2020年与世界领先技
术“并跑”。杨士宁认为,“我们必须从决策到实施等各方面实现真
正的创新,打破旧的发展模式,才能顺应新的形势,抓住难得的
历史机遇。武汉新芯目前作为国内领先的集成电路制造公司,也
根据自身的特色制定了一条创新发展之路。”
对一个企业、一个团队而言,执行力不仅是不断向前的强大
引擎,更是不容有失的生存基础。杨士宁在美国伦斯勒理工学院
获材料工程学专业博士,后来曾在英特尔从事研发工作14年,是
英特尔第一技术研发中心的领军人物。作为英特尔技术研发中心
的核心人才,杨士宁深知执行力的重要性。有实干精神、有胸怀
有勇气、有创业成功的经验是其成功的根本动力。在英特尔工作
期间,杨士宁曾经因为解决了奔腾芯片的关键技术问题,获得了
英特尔最高成就奖。在担任新加坡特许半导体公司的首席技术官
和副总裁期间,他带领团队将高端技术代工的市场占有率从不足
1%提升至超过10%。2010年2月,在中芯国际的邀请下,杨士宁
任中芯国际的首席运营官。在担任中芯国际的首席运营官期间,
杨士宁精简了各部门的组织与管理层,明确制定了工厂营运的五
大指标,同时为中芯国际制定了“三级跳”战略,将技术、产能、
市场、营运的发展规划融为一体,组建了中国大陆第一个国际化
的先进逻辑技术开发队伍,完成了具有独立知识产权的0.13微米
铜互连技术开发,使中国大陆的芯片技术首次与国际尖端水平的
差距缩小至一代之内。2012年8月,杨士宁赴任武汉新芯后,制
定了人才、知识产权、企业管理等方面的一整套实施方案,组建
了具有强大执行能力的管理团队,使企业实现了从依附到独立的
稳定过渡,开启了跨越式发展的新历程。在企业的运营体系中,
服务于国内外客户的销售部门、自律系统管理部门、采购与质量
控制部门和研发部门等有机衔接,并在信息管理系统的支撑下高
效运行。在企业的对外合作中,武汉新芯与中国科学院微电子研
究所、清华大学、复旦大学、中国科学院上海微系统所签署了知
识产权联合授权协议,引入其专利技术。
图21 杨士宁(左)、白鹏(英特尔副总裁,中)和谢志峰(右)的
合影
“用一贤人而群贤毕至,相一良马而万马奔腾。”杨士宁赴任
后,武汉新芯和长江存储先后集聚了一批英才,这为后来的新基
地建设提供了保障。2016年12月,长江存储的三维NAND闪存厂
房动土,项目总投资金额约240亿美元,建成后月总产能将达30
万片。2017年2月,总投资300亿美元的紫光南京半导体产业基地
正式开发。该基地一期投资100亿美元,建成后的月产能达10万
片,主要产品为三维NAND闪存、动态随机存储芯片等,占地面
积约1500亩。此外,福建晋华与联电签订技术合作协定,合肥长
鑫也在合肥探索建设新工厂以生产存储器。由此,中国存储企业
与三星、SK海力士角逐的大幕已经拉开。
国产设备
申威、飞腾、兆芯、龙芯、魂芯以及云端人工智能芯片的开
发,标志着中国的国产化芯片之路已经启航。而中微半导体等企
业的发展,则证明了中国也完全有能力自主开发集成电路生产所
需的设备。2004年,曾任应用材料公司副总裁的尹志尧博士回国
创办中微半导体设备公司。年已60岁的尹志尧,看到了中国芯片
制造设备与国际的差距,带领30多人的团队从零开始,很快开发
了65纳米等离子体刻蚀设备。其后,中微半导体逐步将设备做到
了45纳米、32纳米、28纳米、16纳米及至5纳米,并在业界首次
开发了双反应台介质刻蚀除胶一体机——将双反应台介质等离子
体刻蚀和光刻胶除胶反应腔整合在同一个平台。在技术突飞猛进
的同时,中微半导体还在面对跨国竞争对手的知识产权诉讼中接
连获胜,为其获得订单扫除了知识产权障碍。在这些成功的开发
背后,意味着物理、化学、机械、工程、管理等诸多专业能力的
融合,创新突破也由此开始。
尹志尧曾举例说:“我们不能从头到尾开发全套技术以抵抗
40年的全球技术成果,而是要建一个类似于美国硅谷的人才磁
场,吸引国际精英投身于中国。”在“2016年集成电路产业发展高
峰论坛”上,他在题为《中微和产业的发展至关重要的是人才、
团队、公司管理和文化》的演讲中指出:公司在不同的发展阶段
应该有不同的侧重点,比如,在公司启动初期,技术和产品最重
要;当公司发展成一家成长型公司,运营管理则变得尤其重要;
而当公司发展成一家龙头公司,企业文化、管理营运、产品技
术、人才等则是公司发展的几大因素。
“千磨万击还坚劲,任尔东西南北风”,自主创新是战略定力
的根基。超级计算机芯片、存储芯片和制造设备的开发表明,以
自力更生、自主创“芯”的发展引擎带动产业升级,就一定能积蓄
强劲而持久的动能,展开波澜壮阔的画卷。
6.奋斗者的接力
在集成电路的不断发展中求创新、求突破,需要统筹谋划、
加强组织、全盘布局,这也是发达国家集成电路发展的基本经
验。
向科学进军
中国“芯”从无到有,既离不开“一代人吃两代人的苦”的努
力,也离不开政策层面的统筹协作。在20世纪50年代末至20世纪
70年代的中国大陆集成电路发展历程中,全球各地的研发和生产
力量互帮互助、交流合作、协同攻坚的理念十分一致。从某种程
体制造技术科研联合体、欧洲微电子研究中心等模式有异曲同工
之妙。
1956年,周恩来总理代表中共中央提出了“向科学进军”的口
号,随后主持制定了《1956—1967科技发展远景规划》,将计算
机、无线电电子学、半导体、自动化纳入半导体、无线电、自动
化、计算技术,并列入了四项紧急措施。此后,一批研究机构和
工厂建立。1961年5月,中央军委批准组建军事无线电电子研究
院——国防部第十研究院。1963年9月,从第一机械工业部中分
离出第四机械工业部,主要负责电子工业。中国人民解放军无线
电通讯事业创建者王诤中将任第四机械工业部首任部长。
王诤原名吴人鉴,1909年出生于江苏省武进县,1928年考入
南京军事交通技术学校学习无线电通信技术,1929年被分配到国
民党军第九师任无线电台报务员,1930年12月龙岗战斗后参加中
国工农红军,其后负责组建红一方面军总部无线电队并任队长。
曾任红军总司令部无线电台大队长、红一方面军无线电总队总队
长兼通信主任、军委通信联络局局长、军委三局局长兼作战部副
部长和电信总局局长、邮电部副部长和党组书记、军委通信部部
长兼电讯工业局局长、中国人民解放军通信兵部主任兼军事电子
学研究院院长等职。
在王诤上任第四机械工业部部长之时,当时国内对于发展方
向上的认知还存在争议。这与当时国际上对于电子行业的认知有
关:欧美已经认为集成电路是未来的发展方向,但是苏联仍有不
少人认为电子管的小型化才是发展方向。对此,1963年王诤担任
上的一边倒,对资本主义的成就熟视无睹”,反复强调半导体的
重要性。例如,他在一次党组会上指出:“要下最大的决心,集
中人力、物力、财力形成优势……加强科研,开发新技术、新产
品,研制军事电子尖端技术,保证军事电子装备适时更新换代,
要跳出单纯仿制的模式,不受制于人……要艰苦奋斗,自力更
生。要发展新产品,就必须厂所结合,研制改进产品。同时,必
须抓好基础产品——元器件、仪器仪表、专用工艺设备,以及基
础的基础——专用原材料等对国民经济建设、邮电、通信、广
播、医疗、地质、矿藏勘探、遥控与遥测,以及人民文化生活所
需要的电子产品,根据市场需要组织好生产。以‘寓军于民’,储
蓄力量,培养技术队伍。要积极发展地方电子工业,把电子技术
及产品推广应用到各条战线各个方面。现在,半导体技术是国际
上一种新兴技术,西欧各工业强国只注重发展电子管技术,而美
国、日本以发展半导体器件为代表的微电子技术为主,进而形成
了两大发展趋势。目前,我国与日本在半导体技术方面的水平已
有差距。我认为:应成立一个专门机构‘全国半导体器件专业委员
会’,同若干研究所、工厂认真研究协调,并强调注重半导体技术
的发展与应用。”
针对半导体元器件初期性能不稳定等情况,王诤强调半导体
技术的发展需要以时不我待的思路推进:“现在已经到了非定下
来的时候了,不能总是议而不定,丧失先机就要落后,落后就要
挨打。有人说半导体不可靠,电子管技术稳定。我们对于得失大
小要权衡清楚,任何一件新事物,在开始的时候,总不会十全十
美,有一个完善的过程,半导体化的机器,一开始,你也不能把
在王诤的主持下,第四机械工业部历时数月,对海、陆、空
三军以及国民经济各部门的电子工业发展需求进行了调查研究,
形成《关于现代无线电电子工业的作用和我国无线电电子工业发
展建设问题的报告》,报送中共中央、国务院、中央军委,首次
明确提出电子工业为四个现代化服务的方针。在国防应用中,王
诤反复向通信兵部、科技部解释为什么必须要发展半导体,并亲
自到20多个研究所和工厂组织具体生产,抓住部队换装加速的时
机,带来整个集成电路产业链的良性互动。1963年3月至9月,国
民党空军的美制U-2型飞机屡屡深入西北地区侦察,王诤判断敌
机之所以能避开地面导弹,是因为飞机上的机载雷达接收机发挥
了作用。击落飞机后,王诤亲自组织研究飞机上的通信电台,指
示南京无线电厂“消化吸收国外先进技术不要死搬硬套,要结合
我国的实际,充分利用我国的技术成果和元器件条件;整机厂要
与元器件厂、研究所相结合,实行基础先行,以整机带基础,推
动全行业的技术进步;在时间上要分秒必争;要号召全厂职工学
大庆、学铁人,为改变国家落后面貌而苦干、实干、巧干”。在
王诤的亲自带领下,几十家研究机构和工厂联合攻关,10个月内
便试制出了国产的第一台全半导体400瓦短波单边带航空电台。
其间,王诤从陆军通信装备改进出发提出“系列化、小型
化、半导体化”,并提出研制与设计需要同步进行,已有产品开
发与半导体器件等新型基础产品的配套要同步进行。后来,他曾
总结:“必须建立独立的工业体系,只能一盘棋,不能几盘棋,
军民必须结合,中央地方必须结合。大中小必须结合,土洋并
合。”
“文化大革命”开始后,王诤一度受到了冲击和迫害。后来,
毛泽东在政治局会议上指出:“王诤是我国通信事业的开山鼻
祖,是功臣,要尽快安排他的工作。”1972年,王诤重新出任第
四机械工业部部长的职务,组织实施了国家重点科技攻关项
目“计算机汉字信息处理系统工程”(即748工程)等工作。1978
年,操劳过度、罹患癌症的王诤,亲赴武汉指挥中国人民解放军
总参谋部组织的电子对抗演习。病重后,王诤仍然用其最后的心
力写就了《关于电子工业28年重要经验教训》。“不把电子工业
搞上去我死不瞑目!”这是王诤生前最后一次主持第四机械工业
部党组会时的重托。
蝴蝶效应
20世纪80年代和90年代初,先是日本在存储芯片领域赶超了
美国,后是韩国赶超了日本。在邻国的产业发展经验启示下,
1990年8月国家计委和机电部在北京联合召开了座谈会,其后中
央决定实施“908工程”。“908工程”集中投资20多亿元,其目标是
在无锡华晶建成一条月产1.2万片、6英寸、0.8~1.2微米的芯片生
产线。
1995年,原电子工业部向国务院提交了《关于“九五”期间加
快我国集成电路产业发展的报告》,党和国家领导人对集成电路
发展给予了支持。此后,“909工程”确定实施,由国务院和上海
市财政按6∶4出资共拨款40亿人民币开始建设。1996年,国务院
决定由中央财政再增加拨款1亿美元。这一年,上海华虹微电子
正式成立。
1997年7月,上海华虹集团与日本电气合资组建的上海华虹
NEC电子有限公司成立,总投资为12亿美元,注册资金7亿美
元,承担“909工程”超大规模集成电路芯片生产线项目建设。同
时,服务于“909工程”的上海虹日国际、上海华虹国际、北京华
虹集成电路设计公司等企业成立。时任电子工业部部长胡启立以
66岁的年龄兼任华虹集团董事长,带领上海华虹NEC克服了重重
困难后,于1997年7月31日开始工程建设。1999年2月23日,上海
华虹NEC电子有限公司建成试投片,主要产品为64MB同步动态
存储器。上海华虹NEC投产的当年,全球的半导体行业正值繁荣
时期,当年即实现了盈利。
2001年,美国互联网泡沫破灭,曾经的半导体巨头日本东芝
全面收缩半导体业务,当年上海华虹NEC巨额亏损。此后,上海
华虹NEC在摸索中不断前行。随着上海华虹NEC的发展,国内集
成电路受制于人的局面已经打开了缺口:上海华虹NEC成立前,
中国的客户识别模块全部依赖进口,平均价为82元。上海华虹
NEC打破海外依赖后,国内的SIM卡平均价已降至8.1元。“909工
程”实施的过程中,1996年7月发达国家出台了《瓦森纳协定》的
限制(尽管此时巴黎统筹委员会已经解散),使得工程所需的高
端设备和技术、元器件无法引进,产业配套的重要性得到了充分
体现。胡启立在后来所著的《“芯”路历程》自序中写道:“立了
项,但迟迟找不到合作伙伴,外国人嘲讽说‘中国人以为有了钱就
能搞半导体’,搞‘错位’了;工程开始建设了,恰逢半导体市场低
迷;和日本NEC谈成了,却又招来批评;有人说‘中国人买个炮仗
让日本人放’……”
就在这样艰难的局面中,“909工程”得以实施。“909工程”实
施的意义,其带来的“蝴蝶效应”撬动了上下游产业的发展,已经
超越了工程本身。“909工程”所提出的发展集成电路设计行业的
思路,成为中国自主创新道路再一次探索的新起点,带动了产业
发展所需的理念、人才、设备积淀,这也为后来海外集成电路制
造商在中国大陆的投资作了铺垫。其中,“909工程”带来的认
知,是最为宝贵的财富。正如胡启立在《“芯”路历程》所总
结,“真正的核心技术很难通过市场交换得来,引进不是目的,
目的是发展自己,为我所用,最终实现自主创新,走自己的路,
企业必须从引进之日就要制定消化吸收的具体措施和今后创新的
长期战略规划,并积极努力加以实施。”“引进某高科技项目,往
往首先导向为填补国内该领域的空白,容易导致从技术出发,忽
视市场导向。”“如果与市场不合拍,即使技术水平再高,也得不
到市场的回报,就会被淘汰出局。”
在“909工程”建设的基础上,2010年“十二五”期间国家电子信
息产业的重点项目“909工程”升级改造建设启动,其目标是在张
江建设一条12英寸、90-65-45纳米工艺等级、月产能3.5万片晶圆
的集成电路生产线。项目竣工验收时,实际建成的生产线为55-
40-28纳米工艺等级。2016年,“十三五”期间国家集成电路生产力
布局的重点项目“909工程”二次升级改造启动,其目标是建设28-
20-14纳米工艺等级、月产能4万片晶圆的12英寸生产线。这些努
作为“909工程”建设的承担主体,上海华虹NEC于1999年成
功试产动态存储器生产线,2003年开始其代工服务,2005年开始
用嵌入式带电可擦可编程只读存储器工艺技术生产中国居民身份
证芯片,2007年开始用0.35微米双极型——CMOS-DMOS工艺生
产芯片,2008年开始用0.13微米氧化硅氮氧化硅技术生产嵌入式
闪存芯片,2010年开始用0.18微米BCD工艺技术生产芯片,2011
年开始用600V超结MOSFET及1200V非穿通型绝缘栅双极型晶体
管工艺技术生产芯片。
2011年底,华虹半导体和宏力半导体完成合并交易。合并后
的华虹半导体有限公司股东及股份构成为:上海华虹国际有限公
司持有43.52%股份;日本电气株式会社持有12.30%股份;香港
海华有限公司持有7.95%股份;联和国际有限公司及其他股东共
持有36.23%股份(原宏力的股东)。合并后的华虹半导体有限公
司持有上海华虹NEC电子有限公司和宏力半导体制造公司100%
的股份。合并时,华虹拥有两座8英寸芯片代工厂,晶圆总产能
为每月8.6万片;宏力拥有一座8英寸芯片代工厂,晶圆产能为每
月4.4万片。此前,宏力生产过的产品包括计算器芯片、独立逻辑
或非门(NOR)非易失闪存芯片、嵌入式闪存芯片、逻辑与微控
制器等。合并后的2012年,上海宏力与华虹NEC用0.13微米工艺
技术生产用户身份识别卡(SIM卡)芯片年出货量达到约18亿
张。2013年,宏力与华虹的集团内公司间重组基本完成,重组后
的企业当年交付了移动应用磁力传感器样品。2014年,华虹半导
体在香港联合交易所主板上市,华虹宏力SIM卡芯片出货量达
26.6亿张,占全球50%市场份额。2015年,华虹宏力开始用0.11
微米超低漏电嵌入式闪存工艺生产芯片,用0.2微米射频绝缘体上
硅工艺生产芯片。2016年,华虹宏力的90纳米嵌入式闪存工艺平
台成功量产,采用嵌入式非挥发性存储器技术制造的金融卡芯片
产品分获信息技术安全评价通用准则普通民用安全等级的最高标
准认证、国际芯片卡及支付技术标准组织安全证书。2017年,华
虹宏力的深沟槽超级结工艺平台累计出货量超过25万片晶圆,功
率器件平台累计出货量超过500万片晶圆,基于95纳米一次性编
程工艺平台的首颗微控制器开发成功。
如今,占全球一半以上市场规模的中国大陆,必须有集成电
路上自我供给的能力,而自我供给需要技术能力与各种能力的统
筹协调。从这个角度上看,“908工程”、“909工程”等带给我们
的“蝴蝶效应”启示,已经超越了工程本身,指向了“唯创新者
强”的道路。
回过头看,1996年邮电部电信科学技术研究院创办集成电路
设计中心,第二年中心主任魏少军决定开发集成电路卡(IC电话
卡)用的芯片都是那个时代的缩影。1998年,研究院的集成电路
设计中心转制成为大唐电信微电子公司,并且成功推出国产集成
电路卡芯片,使当时的中国摆脱了IC电话卡芯片的进口依赖,这
便是进口替代之路的较早期探索。
7.宝岛的园区
就在中国大陆的集成电路行业在改革开放的大潮中转型之
宝岛的半导体产业起点
台湾地区的集成电路从20世纪70年代的封装环节起步,发展
于20世纪80年代末的晶圆代工厂,逐渐成为全球集成电路产业的
重要力量。台湾地区的集成电路发展,与其20世纪70年代开始的
非营利性质的工业研究院铺垫密切相关。在此之前的1966年,台
湾地区在高雄市前镇区设立了高雄出口加工区,这是当时台湾地
区的第一个出口加工区,美国通用仪器在此设厂装配晶体管,成
为发展的起点。此后,鉴于当时台湾地区低廉的人工成本(不及
当时发达国家的10%),美国的德州仪器和艾德蒙、荷兰的飞利
浦、日本的日立和三菱均在台湾地区设立了工厂,由此拉开了技
术转移带动电子行业代工的序幕。
在1969年参观韩国科学技术研究院后,台湾当局从韩国聘请
美国韩裔研究人员回国创业的经验中获得启发,于1973年将当时
几家石化类研究所整合成为“台湾工业技术研究院”(简称“工研
院”)。20世纪70年代,工研院看到当时台湾并无电子产业的研
究基础,便于1974年成立了电子工业研究中心,并在1975年推出
了“积体电路示范工厂设置计划”(“积体电路”即为通常所称的集
成电路)。在计划实施过程中,在曾任美国无线电公司微波研究
室主任潘文渊的推动下,工研院从RCA公司购买了专利技术后,
同时向美国IMR公司购买掩膜制版,建设生产线,并改造升级再
转让技术,以推动行业进步。期间,工研院还组织40多名留学人
介、前世界先进董事长章青驹、创惟科技董事长王国肇、华邦电
子创办人杨丁元,都在其中。1977年10月29日,工研院的3英寸
晶圆中试生产线落成,采用7微米CMOS制造工艺。
在台湾地区的集成电路发展中,被誉为经济奇迹的重要推手
李国鼎,是业界公认的标志性人物。李国鼎1910年出生于南京,
1926年进入东南大学学习物理学,后赴英国剑桥大学留学,1937
年抗日战争全面爆发后辍学回国。20世纪60年代至70年代,李国
鼎在台湾当局经济部门担任主要负责人,草拟过投资奖励条例,
推动过出口加工区,并力推建立新竹开发区。
经过20世纪50年代至70年代的进口替代、出口替代后,台湾
地区的小商品、小家电等劳动密集型产业有了很大的发展,钢
铁、造船、石油化工等重化工业也已经有了很大的起色。然而,
随着土地和劳动力价格的快速上涨,不少人意识到低工资、低成
本的模式无法延续,需要产业转型。“应集中力量发展微型计算
机及其外围设备和中文计算机软件”,这是李国鼎当时的判断。
1976年开始,李国鼎支持多所大学研制半导体各阶段的技术。
1978年,李国鼎赴美招揽外籍专家学者作顾问,同时开始制定政
策吸引人才回到台湾地区。1979年,李国鼎推动成立财团法人资
讯工业策进会,随后实施了信息技术人才推广教育计划,以普及
先进的信息技术知识和软件研发。
李国鼎等人考察美国后,认为信息将成为未来社会发展的重
要资源,台湾地区适合电子信息产业的发展。“从工业产品的特
点来看,将来发展的趋势可以大体上描述如下:原料工业趋向于
工业趋向于脑力密集型。由于台湾缺乏原料和能源,所以必须利
用它的脑力资源来发展非能源密集型工业。微电子技术及其相关
工业的发展就属于这一类。”这是李国鼎的看法。由此,台湾地
区的集成电路行业起步。
与李国鼎一起推动的,还有时任台湾当局行政部门的负责人
孙运璇。孙运璇曾于1973年推动台湾地区仿效韩国的“科技研究
院”,成立以当局资金为主的工业技术研究院,突破已有的限制
高薪聘请留学人员,从事产业技术的研究和开发。后来,孙运璇
又推动了美国无线电公司向台湾地区的集成电路技术转移,与李
国鼎共同促进了新竹科学工业园区的成立。新竹科学工业园于
1976年便开始筹建,1980年底正式成立,主要位于新竹市东区与
新竹县宝山乡,与中部科学工业园区、南部科学工业园区构成台
湾地区的“西部科技走廊”。在筹建期内,全球范围的金融危机、
粮食危机与石油危机使台湾地区的出口导向型经济体经济大受冲
击,转型升级迫在眉睫。在调整过程中,台湾地区遵循“二高二
低二大”(技术密集度高、附加价值高,能源密集度低、污染
低,关联度大、市场潜力大)的原则,选择机械工业和信息产业
作为重点工业,并将科技园区作为落实重点工业的发展措施之
一,而新竹科学工业园区则成为从“出口导向”向“科技导向”转型
的节点加以布局。初期,台湾当局投入大量资源开展园区的基础
设施建设,并设立了《科技园区设置条例》《科学工业园区外汇
管理办法》《科学工业园区贸易管理办法》等配套的政策,建立
了专业的园区管理机构,引进海归人才创业。
筹建商业公司的步伐。不过,在筹建联华电子公司的过程中,其
所邀请的声宝、大同、东元、裕隆等民营企业并不积极。1980
年,联华电子成立后,进驻新成立的新竹科学园区,从美国引进
4英寸晶圆生产线,此后几年内联华电子的项目进展顺利,而工
研院也将新开发的3.5微米CMOS制造工艺转让给联华电子。在联
华电子的带动下,一批民营企业进军电子行业,同时也有一批海
外留学人员回归创业——例如曾在仙童半导体工作过的陈正宇,
在将16KB/64KB SRAM技术转让给韩国现代电子后,回到台湾创
办了茂矽电子。同时,在日本超大规模集成电路计划的成功经验
启示下,台湾当局经济部门于1983年启动了“电子工业研究发展
第三期计划”,计划目标是1988年前将工艺提升至1.25微米。在计
划实施过程中,工研院借鉴三星在硅谷设立合资企业的做法,于
1984年并购了硅谷的亚瑞科技。
新竹园区起步后,李国鼎多次前往硅谷招揽人才,仅1983年
5月就在硅谷约见了约2000多名华裔科学家与工程师,邀请他们
到台湾地区发展。同时,他还推动了《创业投资事业管理规则》
和《创业投资事业推动方案》,以促进创业投资的发展。1985
年,时任工业研究院院长徐贤修找到张忠谋后,张忠谋答应了邀
请,出任工研院院长。
新竹科学工业园区
张忠谋出任工研院院长后,针对当时台湾地区缺少晶圆工厂
的困境,推动了晶圆代工厂的发展。从1987年全球首家专业晶圆
代工厂台积电发展开始,一批中小企业走上了专业代工的道路。
1995年,垂直一体化制造商(IDM)联电公司也进行转型,进军
专业的晶圆代工,以晶圆代工为支柱的垂直分工产业链不断发
展。在台湾地区集成电路企业展露锋芒的进程中,新竹科学工业
园(简称新竹园区)逐步形成了覆盖芯片设计、掩膜制板、芯片
制作、封装、测试等环节在内的产业集群,例如在设计环节衍生
了茂矽、矽统、威盛等企业。
在张忠谋出任工研院院长的同时,新竹科学工业园的基建工
程基本完成,但是新竹科学工业园仍然是以大学科技园为主,品
牌影响力有限,企业入驻数量增长缓慢。在接下来的5年,园区
实施“科技生根、市场拓展”战略,在全面规划的同时与硅谷形成
了良好的互动,并从美国大规模地引进人才、技术和项目,企业
数量快速增长。此后,集成电路的垂直分工在台湾地区发端,园
区创新创业的环境得到了极大改善,民间投资大批渗入,园区影
响力日渐增加,各种跨国联盟已从“引进来”到逐步“走出去”。
可以说,新竹科学工业园是台湾地区以关键组件或模块、外
围设备等为切入点,向垂直分工转型,再向自主创新和自有品牌
建设的转型缩影。新竹科学工业园的晶圆代工厂模式发展后,台
湾地区于1990年启动了“次微米制程技术发展五年计划”,以发展
8英寸晶圆、0.5微米工艺技术,计划发展过程中一批留学人员归
来,为技术发展贡献了力量。1994年,为落实次微米计划的研发
成果,由台积电占30%股份,华新丽华、矽统、远东纺织等13家
公司参股的世界先进积体电路股份有限公司在新竹园区组建,并
主要产品为动态存储芯片,但是在激烈的竞争面前多年亏损,被
迫退出行业竞争,最后在台积电主导下转型成为晶圆代工厂。同
样在1994年,精英(力捷)电脑的董事长黃崇仁在获得日本三菱
电机的技术授权后,在新竹园区成立了力晶半导体。不过,力晶
技术储备有限,再加上资金链未能跟上,出现了严重亏损。后
来,世界先进向力晶注资,成为力晶的最大股东,而力晶也自此
向晶圆代工转型。
21世纪以来,园区的土地、水电、劳动力成本、环保、效能
等各方面已经承受了巨大的压力,因而新竹园区开始了从制造为
主向研发创新主导的转型,但是并未达到理想的效果。在2008年
全球金融危机中,内存价格暴跌,新竹园区的力晶、茂德等出现
了巨额亏损。回顾新竹园区乃至整个台湾地区的动态随机存储器
业务发展历程,可以发现没有核心技术研发能力、依赖欧美日的
技术授权,使其失去了发展的根本驱动力。这种技术局限,不仅
表现在产品设计上,也表现在其生产线所需的设计研发上,因而
一旦遭遇订单萎缩或是价格下跌,这些通过技术授权和设备引进
扩充产能的“快进快出”企业便立刻陷入了困境。
8.筚路蓝缕
从总体上看,我国集成电路行业的发展,正处在跨越发展的
关键时期。放眼全球,战略协同已成为提高区域集成电路行业国
际竞争力的关键。然而,集成电路的行业升级是个循序渐进的过
程,不可能一步到位、一蹴而就,必须有持续创新的战略定力和
得市场。
设计与制造的配套
20世纪80年代以来,全球集成电路经历了从欧美地区向以日
本、韩国和中国台湾地区为代表的东亚地区转移过程。当前的集
成电路发展中,中国大陆则又成为了发展的重心,东亚地区的集
成电路转移正在发生。在中国大陆的集成电路发展历程中,长三
角成为集聚度最高、产业链最为完整的地区。
“909工程”的建设,成为上海集成电路发展的又一个新起
点。在上海的集成电路发展中,张江成为集聚度最高的区域。
1992年7月,上海市张江高科技园区成立,规划面积25平方公
里。1999年8月,上海市委、市政府决定实施“聚焦张江”战略,
集成电路成为重点集聚的产业之一。不久后,一期投资14.76亿美
元的中芯国际集成电路制造(上海)有限公司和一期投资16.3亿
美元的宏力半导体制造有限公司先后开工,迅速提高了我国集成
电路产业的工艺水平,大幅缩小了与世界先进水平的差距。
这一时期,上海贝岭浦东集成电路生产线投资5亿美元、泰
隆半导体(上海)有限公司投资4亿美元、宏一半导体封装测试
(上海)有限公司投资3亿美元、英特尔科技芯片封装测试基地
扩建投资3亿美元、上海IBM微电子产品有限公司投资4亿美元、
艾克尔科技(Amkor Technology)封装测试(上海)有限公司投
资3亿美元、上海阿法泰克电子有限公司投资4亿美元等,很多项
企业应用材料公司、专业气体企业普莱克斯、引线框架企业三井
高科技公司等集成电路产业发展所需的配套企业。
以中芯国际和宏力半导体等大企业为依托,上海向集成电路
的上下游环节延伸,培育引进了展讯等设计企业、日月光公司等
封装企业,构建了集设计、制造、封装测试和设备制造的完整产
业链,产学研合作、风险投资等模式则为产业生态系统的建设提
供了支持。2004年,张江园区已集聚约70家集成电路设计企业。
在这些设计企业中,展讯的坚持与努力,是上海芯片设计企
业发展的一个缩影。“以持续的创新与服务,成就行业领先”,这
是展讯愿景中的使命之一,也是芯片设计行业发展的生存法则。
2000年,《鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策》发布
后,2001年,武平、陈大同、范仁勇等人满怀着梦想和期望,从
硅谷回国创办了展讯。当时,中国大陆对集成电路行业的投资还
很少,初创的展讯面临着严重的募资困难,甚至后来的主要竞争
对手之一联发科还曾经投资过展讯。就在这样艰难的起步中,展
讯通过近两年的努力,在2003年开发出世界首颗全球移动通信系
统(GSM)(2G)/通用分组无线服务(GPRS)(2.5G)基带单
芯片SC 6600B,一举打开了市场,与当时的市场领先者联发科相
抗衡。2004年,展讯又开发出全球首款时分同步码分多址(TD-
SCDMA)(3G标准之一)/GSM双模手机基带单芯片,但是当时
国际应用最广泛的却是宽带码分多址(WCDMA)标准,展讯的
巨额研发投入并未取得预期效果,而联发科则主导了国产手机的
芯片市场。
资金亏损后,2006年展讯终于实现了盈利,并在次年成为中国大
陆首家在纳斯达克上市的芯片设计企业。2008年初,展讯以7000
万美元并购了美国射频芯片企业QUORUM。但是,好景不长,
2008年金融危机悄然来临,全球的芯片行业风雨飘摇,而展讯的
营收和股价也是快速下滑:2008年第三季度展讯的亏损额度达到
3130万美元,股价跌至1美元以下。在昔日的创业团队中,陈大
同、范仁勇等纷纷离开,而坚守阵地的武平也于2009年初辞去首
席执行官。
苦苦的坚持中,持续的创新仍然是展讯的生存之道和翻身的
法宝。2008年5月,李力游加入展讯担任第一副总裁。2009年2
月,李力游接替武平出任展讯首席执行官,随后兼任董事长。风
雨飘摇之际,临危不惧的李力游带领团队力挽狂澜,上任之初将
展讯的重心转向2G市场,在加强展讯内部沟通协调的同时强调客
户关系管理和质量控制:在内部管理上,李力游从研发团队中挑
选技术人员组成产品质量攻关小组,限定时间、责任到人地解决
产品质量问题,同时广纳贤才提升执行力。在客户关系维护上,
李力游身先士卒地拜访客户了解产品定位和质量不好的原因,不
厌其烦地向客户解释展讯改进芯片质量的方法、展示测量数据、
保证质量问题百分百包换,为赢得客户信任打下基础。这一年,
展讯量产了高性价比的2G芯片6600L,该芯片被当时的业内认为
性能优于联发科的主打产品6225,且成本比后者低。由此,展讯
单芯片双卡双待方案获得了三星手机的订单,在与联发科的竞争
中重拾了用户信心。此后,展讯还成功研发了TD-
SCDMA/HSDPA/EDGE/GPRS/GSM射频多模单芯片,在全球范围
占有率。由此,展讯打入三星等国际手机厂商的供应链,产品销
往全球数十个国家和地区。2011年1月,展讯发布了全球首款40
纳米低功耗TD-HSPA/TD-SCDMA多模通信芯片,直接从150纳米
跳到40纳米。不到两年时间,展讯的股份从低谷时的0.67美元涨
了20多倍,在技术、产品以及市场上全面突破,实现了凤凰涅
槃。2013年,展讯的营收增至10.7亿美元,相比2009年的约7000
万美元大幅增长。这一年,紫光集团对展讯进行私有化退市,展
讯由此成为紫光集团的子公司。
2013年,紫光集团收购展讯后,展讯仍然坚持其自主研发
的“法宝”。不到3年时间,展讯迅速改变了单一产品(2G/3G功能
机)、单一市场(集中在中国的TD-SCDMA市场)的局面,成为
拥有全面产品线的手机芯片设计企业。2016年,展讯的3G
WCDMA产品出货量约2亿套。4G产品在2015年实现量产,2016
年的出货量约1亿套,约占全球4G手机市场总量的11%。同年,
还实现了约2.6亿套的智能手机芯片出货,约占全球智能手机市场
总量18%。除基带及射频芯片外,展讯还向无线连接芯片进军,
将北斗芯片作为其产品开发对象。
紫光集团在收购展讯通信后,还收购了锐迪科,并对展讯和
锐迪科进行了有效整合及重新定位。两家公司利用各自在技术和
产品上的优势与差异,战略布局差异化的目标市场。展讯的业务
更加聚焦于移动终端,锐迪科则更侧重物联网产品。由此,紫光
展锐的产品涵盖了移动通信和物联网领域,包括2G/3G/4G移动通
信基带芯片、射频芯片、无线连接芯片、安全芯片、电视芯片、
大的泛芯片供应商、中国领先的5G通信芯片企业进军。
2016年,上海集成电路设计业销售收入首次超过封装测试
业,其在产业链中的比重提升至34.7%,而设计的芯片已涉及移
动智能终端、无线通信及互联网、智能卡、电源管理、显示驱
动、电能计量及电力线载波通信、音视频多媒体、数字电视及机
顶盒、微控制器、存储器配套芯片、信息安全及安全防护、I/O接
口及保护电路等15大类。自此,上海集成电路产业链已初步实现
了从封装测试业为主,向以集成电路设计业和芯片制造业为主的
转变。至2018年初,仅张江就已聚集了国内外知名集成电路企业
200余家。在上海,展讯通信、锐迪科微电子、芯原微电子、澜
起科技等设计企业,与中芯国际、华虹宏力、台积电(上海)、
上海先进等制造企业,以及日月光封装测试(上海)等其他企业
形成了集设计、制造、测试、封装、材料、技术服务等于一体的
完整产业链。随着华力微电子12英寸先进生产线、中芯国际新产
线等项目在张江科学城的建设,张江集成电路产业能级进一步提
升,引领着中国集成电路的升级。
封装测试的突破
作为长三角城市集成电路发展龙头的上海在不断突破的同
时,长三角其他地区的集成电路也在向纵深挺进。历史上,江苏
集成电路的发展较早,1968年江苏省便根据中央和主管部门的指
示部署集成电路的研制,当时曾拨款150万元组织南京大学、南
光学仪器厂等研制关键设备,其中华东电子管厂还曾建了一条集
成电路生产线并试制出样品,南京电子管厂则试制出全国第一台
自行设计的离子注入机样机,而江南光学仪器厂则试制出电子束
制板与光刻机样机。不过,后来研制工程被搁置,而江苏省的集
成电路和电子计算机协同攻关在1977年才得以启动。为此,江苏
省于1978年2月发布了江苏全省发展大规模、超大规模集成电路
和大型电子计算机的规划(草案),并为此专项拨款1000万元作
基建费、省科委拨科研费200万元,在南京、扬州、南通、苏州
建立四座大净化厂房,在南京工学院建立集成电路制版中心并安
排多个科研项目,但是由于各种原因,于1979年暂缓执行。
1980年,江南无线电器材厂的电视机集成电路引进工程建线
破土动工,是江苏乃至全国当时集成电路发展的新探索。后来的
无锡微电子联合公司、中国华晶电子集团公司的成立和建设,是
无锡的集成电路得以集群发展的源头。当时,以无锡为代表的江
苏集成电路发展,基于前道芯片集中生产、后道封装适当分散的
原则调整了厂点,逐步形成了中国华晶电子集团公司、常州半导
体厂、南京半导体器件总厂、苏州半导体总厂、江阴晶体管厂、
南通晶体管厂、扬州晶体管厂、常熟半导体器件厂、南京电子器
件研究所、南京集成电路研究所的苏南地区集群。
江苏集成电路此后的发展中,封装测试企业的集聚已是一大
特色。2005年,江阴长电科技股份有限公司、南通富士通微电子
股份有限公司等封装测试企业的销售额超过10亿元。江苏省半导
体行业协会统计的数据显示,2015年江苏集成电路产业营收
1192.2亿元,其中封装测试业为512.7亿元,配套产业为316.1亿
元,而设计业和晶圆制造业则分别为153.7亿元和209.7亿元。
2015年江苏省集成电路企业约450家,其中集成电路设计企业260
家,晶圆制造企业20余家,封测企业65家,半导体分立器件企业
40余家,配套企业近60家。
在发展的过程中,无锡逐渐发展成为全国集成电路产业的重
镇,不为风险所惧、不为困难所阻正是其发展的文化动力。2000
年,无锡成为继上海、西安后第三个获科技部批准的国家级集成
电路设计产业化基地。如今,长电科技、华润微电子、SK海力士
等企业已在该地集聚。
在无锡的集成电路发展中,长电科技的发展颇具启示。长电
科技的历史可追溯至1972年江阴政府创办的长江内衣厂。长江内
衣厂成立后,在全国建设晶体管厂的小高潮中,也往晶体管的生
产进军。1984年,江阴晶体管厂因在同步卫星发射中所作的贡献
受到了中共中央、国务院和中央军委的表彰。尽管如此,江阴晶
体管厂的市场之路并不容易。20世纪80年代,在海外集成电路产
品的冲击下,大多数晶体管厂的业务举步维艰,而江阴晶体管厂
的客户也只剩下了江南无线电器材厂一家。
1988年,江阴晶体厂陷入了经营困境,时年32岁的王新潮担
任厂党支部书记兼副厂长。在赴江阴晶体厂上任前,初中毕业的
王新潮还在江阴第一织布厂当机修工。尽管他通过努力完成了自
学考试,但是在当时江阴晶体厂的唯一客户江南无线电器材厂看
来,从纺织厂的机修工到管理好晶体管厂,实在是差异太大。经
过再三沟通,王新潮在客户的质疑中以党支部书记兼副厂长的身
的责任制,一年内便将成品率从50%提升至70%~80%,由此也
打消了客户的质疑,于1990年升任厂长。
面对巨额亏损的江阴晶体厂,王新潮任厂长后抓文化、抓质
量、抓产品。其中,王新潮在产品研发上把目光投向了发光二极
管指示灯,这个新产品的研发对于当时来说还有很大的风险。在
无法获得银行贷款的情况下,王新潮借钱筹集了5万元的研发经
费,产品开发后又亲自带人骑自行车推销。很快,新产品开发取
得了成功,江阴晶体管厂也在拓展市场中扭亏为盈。1992年,江
阴晶体管厂更名为长江电子实业公司。
此后,长江电子实业公司的业务顺利发展,但是1997年的东
南亚金融危机影响了整个半导体行业。在行业的冲击中,王新潮
认为电子元器件的发展未来可期,长江电子实业公司可以先做好
分立器件的封装。为了拉开与同行的差距,王新潮力排众议,将
封装规模大幅扩展。2000年,长江电子实业公司依法变更为长电
科技。此后,国产分立器件的市场不断扩张,而长电科技又由此
迎来了新一轮的发展高潮。2002年12月3日,原中国华晶电子集
团公司正式变更为无锡华润微电子有限公司。此后,中国华晶电
子集团进出口公司董事长、无锡华润微电子联合公司副总经理于
燮康接受长电科技的邀请,出任长电科技总经理。2003年6月,
长电科技在上海证券交易所成功上市。
长电科技上市后,曾经试图以规模优势打价格战,但是以失
败告终。于是,长电科技开始了新技术的探索,希望能在行业里
取得先机。2004年,长电科技投资6亿元改造直插式元器件生产
长电科技的贴片式生产线可以大幅减少分立元器件数量,并用机
器取代了大量人工操作。由此,长电科技再次得到了快速发展,
技术创新和结构调整之路相得益彰。
在整个封装技术的转型中,20年代70年代的主流技术是双列
直插式封装(简称双入线封装)技术。20世纪80年代的主流技术
是小外形封装技术和方型扁平式封装技术。20世纪90年代的主流
技术为球状引脚栅格阵列封装(Ball Grid Array,BGA)技术。
2002年前,长电科技掌握以双入线封装和小外形封装技术为主,
2003年长电科技的QFP技术趋于成熟,但是长电科技发展新技术
的脚步并未就此停下。2003年9月8日,江苏长电科技第一次临时
股东大会召开,通过了关于对外投资组建中外合资公司的议案:
同意投资700万美元(占合资公司注册资本的53.85%),与新加
坡先进封装技术私人有限公司共同组建江阴长电先进封装有限公
司。当时,江阴长电先进封装有限公司发展了用于裸晶(Bare
Chip)封装的前道工序凸块加工业务,该类封装主要用于液晶显
示器等当时的高端电子产品,而长电科技由此建立了中国大陆首
条国际水平的晶圆片级封装生产线。在此基础上,长电科技开发
了方形扁平无引脚封装技术、晶圆片级芯片规模封装技术,跻身
先进封装厂商的行列。对此,王新潮曾总结:“我们以前是靠规
模求生存,现在是规模加技术求发展。”
2014年长电科技与中芯国际联合成立了中芯长电半导体有限
公司。同年,长电科技与淡马锡开始谈判并购星科金朋的事宜。
得益于刚刚成立的国家集成电路产业基金,长电科技得以与新加
坡方面达成协议。2015年长电科技正式并购新加坡的星科金朋,
其后对星科金朋原有架构进行了有效整合,走上了进军全球领先
封装测试厂商的道路。
历史的细节,常常内有乾坤。说到无锡,值得一提的还有至
今仍能为解决人才瓶颈提供启示的“星期日工程师”。20世纪70年
代末期至80年代中期,无锡在创造“苏南模式”的同时,也创造
了“星期日工程师”。“星期日工程师”在苏南地区的乡镇企业起
步、发展中曾经发挥了重要作用。改革开放后乡镇企业发展工业
的积极性高涨,但是懂技术、会使用生产设备的人才稀缺。于
是,苏南地区的乡镇企业通过种种关系从上海、南京、无锡、苏
州等城市工厂和科研机构借脑借智,聘请工程师、技术顾问和师
傅利用“八小时”以外的周末业余兼职,在完成本职工作、不侵害
国家和单位技术、经济权益的前提下,提供技术指导,并依照协
议收取劳动报酬。由此,“星期日工程师”成为了科企合作的“桥
梁”和“纽带”。2013年,无锡出台《关于柔性引进外国专家、海外
智力为企业服务的行动计划》,鼓励海外留学人才和外籍工程师
短期来无锡开展科技研发、技术创新、项目合作,以此打破国
籍、地域等人才流动的刚性制约,形成“不求所有、但求所用”的
升级版、海外版“星期日工程师”引才机制。
垂直一体化的探索
继无锡之后,杭州成为长三角第三个、全国第六个获科技部
批准的国家级集成电路设计产业化基地。2017年出台的《杭州市
95%以上的设计业务收入集中在杭州。杭州士兰微电子股份有限
公司是国内为数不多的垂直一体化企业之一,于1997年由陈向东
等7位原绍兴华越微电子的高管成立,而绍兴华越微电子的前身
则可追溯至1983年甘肃天水的国营第871厂在绍兴筹建的871厂绍
兴分厂。陈向东毕业于复旦大学物理电子半导体专业,1982年毕
业之后被分配到了国营第871厂从事芯片设计,1984年绍兴分厂
建立时任车间副主任,1988年绍兴分厂改制时被任命为常务副厂
长主持日常工作,1992年绍兴华越微电子公司再次改制为有限责
任公司时出任代理总经理。1993年,陈向东、范伟宏、郑少波、
江忠永、罗华兵、宋卫权、陈国华辞职。此时,台湾友顺科技的
董事长高耿辉正准备投资50万美元,在大陆成立主营集成电路的
企业杭州友旺电子有限公司,由陈向东等7人负责研发、生产和
销售。高耿辉承诺给陈向东等7人以40%的股份,但是由于当时
个人不能占有台资企业股份的政策,承诺无法落实。在7人的努
力下,杭州友旺电子发展顺利,自1995年友旺电子的委托订单甚
至使得濒临困境的丹东、福州两条国有生产线得以盘活产能,这
种“设计+制造”的模式为后来的垂直一体化模式埋下了伏笔。
不久,陈向东等人萌发了自己注册企业的想法,7人商量后
筹措了350万元于1997年9月25日注册成立杭州士兰电子有限公
司。次月,士兰电子接受赠送的友旺电子40%的股权(经1996年
底审计为324万元)。同时,高耿辉要求陈向东在经营士兰电子
的同时,继续经营友旺电子。
尽管成立杭州士兰电子有限公司的初衷是接受友旺电子的股
旺电子都获得了长足发展。1999年年底,士兰电子召开年度股东
会通过决议,以未分配利润转增注册资本。此时,陈向东在竞争
中把目光投向了集成电路生产线的建设,鉴于周期长、风险大,
寻求上市融资、收购现有生产线成为了合理的选择。在考察中,
陈向东把目光投向了当时大陆的集成电路骨干企业之一——绍兴
华越,但是收购计划以失败告终。收购计划未果,陈向东只能选
择自己建设生产线。此时恰逢全球芯片业低谷时机,2001年在银
行融资的资助下开工建设集成电路生产线,2002年底6英寸、5英
寸兼容0.8微米的生产线建成投产,由此初步建立了芯片设计与制
造的协同优势,同时也为上市之路奠定了基础。在此谋划期间,
杭州士兰电子于2000年整体改制为杭州士兰微电子股份有限公司
(简称士兰微),准备上市之路。
2003年,士兰微成功在上海证券交易所上市,成为第一家在
国内主板上市的集成电路芯片设计企业。2004年,士兰微在杭州
建设测试工厂并投产,由此完成了芯片设计、制造和测试三个基
地的建设,垂直一体化的雏形已经具备。此后,士兰微又开始了
新生产线的建设,并于2005年建立了6英寸芯片生产线。其后,
士兰微又在8英寸生产线、封装测试领域不断拓展,其与标准
COMS工艺的外包、芯片的自主设计,形成了特色的垂直一体化
模式,既保障了合理利润,又使得其在功率半导体模块和传感器
等方面得以更快拓展。从5英寸、6英寸到8英寸、12英寸,士兰
微具备了设计、制造、封装等的完整能力,与国际领先厂商的差
距也正在缩小。
在长三角的集成电路发展之时,全国其他地区的集成电路也
在不断发展,其中总部位于深圳的海思半导体是中国大陆芯片设
计行业的领先企业。海思半导体有限公司成立于2004年10月,前
身是创建于1991年的华为集成电路设计中心,于1993年开发成功
第一块数字专用集成电路,2001年开发成功WCDMA基站套片,
2006年推出H264标准的视频编解码芯片,2008年推出全球首款内
置正交振幅调制的数字有线电视机顶盒单芯片,2012年发布四核
手机处理器芯片K3V2,2014年发布四核麒麟910T(即kirin
910T)芯片和八核海思麒麟芯片,2015年发布64位八核的海思麒
麟930芯片。此后,海思在高性能的麒麟系统级芯片解决方案上
不断进军,提供了从高速通信、智能设备、物联网到视频应用的
芯片组解决方案,在全球100多个国家和地区得到实地验证,在
移动通信行业建立了技术领先地位。如今,海思已在北京、上
海、成都、武汉与新加坡、韩国、日本、欧洲等其他地区设立了
办事处和研究中心,建立了强大的集成电路设计和验证技术,成
功开发了200多种芯片,并申请了5000多项专利,成为领先的集
成电路设计企业。