
很多人为他鸣不平,常有人忍不住当面问他,对这两者都表示惋惜。
人们有这种想法并不奇怪。当年与他并肩作战的战友们,很多都担任了重要的领导职务。原“九院”(即现在的中国工程物理研究院)理论部赫赫有名的“八大主任”中的四位物理学家,除他之外的三人,邓稼先担任了九院院长,周光召担任了中科院院长,于敏担任了九院副院长兼九所所长,且都列名“两d一星”元勋。
黄祖洽摄于1997年11月5日。图/受访者提供
对此,黄祖洽大多笑笑不语。他在《述怀》中写道:“山花今烂漫,何须绘麟阁。杏坛二三子,起舞亦婆娑。”(麟阁即麒麟阁,是汉朝供奉十一功臣之地。)
1964年,刘寄星从北大毕业,考取了中科院原子能研究所,成为黄祖洽的研究生。有一次他作一篇英文文献的读书报告,讲到半截黄祖洽就打断了他,说他“通通错了”,而他则坚持自己是对的,黄祖洽说自己先读了原文再跟他讨论。他早听人告诫过,自己这位导师脾气很大,不要随便提不同意见,因此心里忐忑不安。不想过了一个星期,收发室转交给他一封信,上面只有一句话:“刘寄星,你对了,我错了。黄祖洽。”
他觉得,这12个字,就是黄祖洽一生科学精神的最好写照。
“可能你是对的”
何祚庥与黄祖洽认识近70年,还是黄祖洽的入党介绍人。
1947年9月,何祚庥通过考试,插班进入清华大学物理系读二年级。进校后不久,周培源教授在清华大礼堂作关于爱因斯坦的狭义相对论的学术报告。何祚庥完全听不懂为什么会“钟变慢、尺变短”,而旁边一个同学却不时发出会心的赞叹,大赞“今天周老师讲得好极了”,让他大受刺激。报告结束后,他上前拦住这位同学询问姓名,原来他就是黄祖洽。
黄祖洽1944年以总分第一的成绩考入西南联大物理系,1946年回到清华物理系继续升学。有人回忆,他当时名贯清华,被称为“20年难得一遇的清华才子”。
何祚庥当时是中共地下党清华大学理学院支部书记,其中一项工作任务是在清华师生中发展党员。他说,当时的一个重要经验是要争取功课最好的人才,黄祖洽自然成为他发展的重点。通常这种尖子生参加社会活动的意愿较高,比较容易争取,但黄祖洽的心思都在学术上。当时国民党政府贪污腐化,不得人心,他们下了很大工夫做工作,最终从这些方面打动了为人正派的黄祖洽。
1950年1月,经何祚庥等介绍,黄祖洽入了党。8月,他作为新中国第一批研究生从清华大学毕业,被分配到中国科学院近代物理研究所工作。
中国科学院近代物理研究所是当年5月刚成立的,后更名为中科院原子能研究所。吴有训任所长,后钱三强接任所长,王淦昌、彭桓武任副所长。当时学界有一种说法:原子能科学乃物理学的中心。原子能所人才济济,兴旺发达。
1955年,苏联同意援建中国一“堆”(原子反应堆)一“器”(回旋加速),这是发展原子能科学的关键设施。钱三强率领近40人的“热工实习团”赴苏联学习,彭桓武和黄祖洽都在反应堆组。
学习期间,黄祖洽在对方设计方案中发现了一个问题。苏联专家的计算是该反应堆需要63根铀棒才能达到临界大小,而他计算的是56根。反应堆如果超临界,将会引发事故。经过反复测算,最后苏联专家无奈地表示:“可能你是对的。”
1958年实际建堆时,果然只用了56根铀棒。临界启动实验结果也证明,黄祖洽是正确的。
“半导体”
1960年12月的一天,二机部部长刘杰和副部长兼中科院原子能所所长钱三强坐到一起,商量如何为氢d研制先行起步。刘杰准备让二机部“九所”(即核武器研究所)先集中精力抓原子d研制,而把氢d先行一步的任务放到中科院原子能所。他问钱三强原子能所在理论方面还有没有力量做这件事,钱三强说有。
钱三强以知人善任的科学规划和组织才能著称。他领导的原子能所有“满门忠孝”之誉,他先后推荐了朱光亚、邓稼先、彭桓武、王淦昌等到“九所”的关键岗位上,这些人后来都成为了“两d一星”元勋。
现在,钱三强又要点将了。他的首选,就是黄祖洽。
钱三强本是黄祖洽在清华的研究生导师,当时他忙于筹建中科院近代物理研究所(即后来的原子能所),又正逢彭桓武刚从英国回来,受聘于清华,他就把黄祖洽推荐给彭桓武做研究生。
在原子能所十年,黄祖洽一直在从事核反应堆理论研究,成为中国核反应堆理论的奠基者和开拓者之一。他与彭桓武一起为国家培养了第一代核反应堆理论研究队伍,有人把这支队伍称为“黄祖洽兵团”。
1960年12月,在原子能所四室下成立了一个“轻核反应装置理论探索组”,简称“轻核理论组”,由黄祖洽任组长。此时,何祚庥从苏联杜布纳联合核子研究所回国,也调入轻核组成为骨干成员。1961年1月,又调来于敏任副组长。
那时,黄祖洽一半时间在轻核理论组做氢d预研,一半时间到九所兼职参与原子d研制。当时的规定是,原子能所这边的工作对九所开放,但九所的工作对原子能所严格保密,因此黄祖洽被戏称为“半导体”。
当时黄祖洽、于敏、何祚庥和萨本豪等人在一个办公室。何祚庥回忆,他和于敏坐前后桌,他总是一有灵感就掉头与于敏讨论。黄祖洽不太爱与人讨论,总是一个人安静地想问题。
1962年,刘恭梁从清华大学工程物理系毕业,加入轻核理论组。
原子能所有一个传统,新来的大学生要重新将毕业论文答辩一次。刘恭梁答辩时,黄祖洽、于敏等坐在底下。刘恭梁的论文涉及流体力学,黄祖洽就让他跟着自己做课题。黄祖洽告诉他,搞原子d除了核物理,也需要懂流体力学。
原子d的设计有苏联专家提供的或多或少的帮助,但氢d的设计完全是从头摸索。为了寻找有用线索,他们翻遍了1945年以来的《纽约时报》,又查美国当年审判原子d之父奥本海默案的证词,都一无所获。
何祚庥说,氢d是中国人从“第一性原理”出发,也就是从物理学的基本理论出发,独立而完整地开发出来的整个理论和技术。他说,中国人的特点是,能够凭借集体的力量,弥补彼此的不足。
“三人签字”与“三个抽屉”
中国第一颗原子d成功爆炸的前一天 ,1964年10月15日,早晨一上班二机部部长刘杰就来到九院(1964年2月在九所和局机关基础上合并组建了九院)理论部,找到留守在京的理论部第一副主任周光召,要他对铀238和铀235自发裂变产生中子、提早引发核爆炸(这会使爆炸当量减少,达不到预期目的)的几率有多大,提出论证看法。
周光召召集长于中子理论的黄祖洽和数学家秦元勋,一起进行了测算。当天傍晚,周光召来到刘杰办公室,递交了由他们三人共同署名的研究报告:“经估算,我国第一颗原子d试验成功的可能性超过99%。”
1992年6月,原九院理论部三位主任周艈麟(左)、黄祖洽(中)和于敏在钓鱼台国宾馆参加活动时聚首。图/受访者提供
黄祖洽2012年曾对大女儿黄萌和学生刘寄星回忆,这个问题对自己来说比较容易解决。原子d的“点火”问题是他负责的,这里关键的数据,一个是中子早发概率,一个是压缩到超临界以后的时间有多少。他一查自发裂变的概率,一计算,就可以得出结论了。
原子d成功爆炸后,1965年5 月,兼职的黄祖洽正式调入二机部“九院”, 于敏等轻核理论组的31名科研人员也调了过来,两支队伍在主战场汇合了。黄祖洽、于敏被任命为理论部副主任,理论部“八大主任”齐聚。轻核理论组另外的十余人,包括去了河南参加“四清”的何祚庥则留在了原子能研究所。
每天晚上,理论部科研大楼内灯火辉煌。那时的学术讨论空气非常活跃,几乎每周都要召开学术讨论会和鸣放会,不论资格,人人都有发言权。
当时氢d研制的目标是,突破并掌握重量轻、威力大的热核武器的基本原理,第一步争取完成d重一吨左右、威力为100 万吨级TNT当量的热核d头的理论设计,当时把这一目标简称为“1100”。
由彭桓武主持,安排了三个方案,由周光召、黄祖洽、于敏三位理论部副主任各率领一路人马攻关,相当于准备了三个“抽屉”。在都柏林工作时,彭桓武曾向诺贝尔物理学奖得主薛定谔请教科研方法,薛定谔的回答是:分而治之。如今,他实施的正是这一策略。
黄祖洽负责从加强型原子d方向入手,实际上是把原来的原子d做成特大的。彭桓武对于这个方向比较有把握,曾说如果那两个都不行,黄祖洽这个也可以顶上去。
但探索的结果是,要想威力上去,重量就得上去;且“聚变比”(聚变反应的能量在整个核反应中所占的比率)不能随着威力的增加而增加。结论是:这条途径与“1100”这一目标相差甚远。
最终,是于敏“临门一脚”,氢d突破柳暗花明。这个故事,大家都很熟悉了。
1982年,“原子d氢d设计原理中的物理力学数学理论问题”获得国家自然科学一等奖,完成人是彭桓武、邓稼先、周光召、于敏、黄祖洽、秦元勋、江泽培、何桂莲。
九院后来还曾发生过一场关于氢d“发明权”的风波。在原子能所轻核理论小组时,一位姓沈的年轻人是兼职保密员,也参加研究工作。刘恭梁回忆,那时于敏与何祚庥总是不停地讨论,总有点子,这位年轻人在一旁听着,也琢磨一些想法。后来,这位沈姓年轻人随着轻核理论组去了九院,氢d突破后,他坚持认为氢d的成功应有他的一份功劳。
80年代,时任九院院长邓稼先曾到何祚庥家,了解轻核理论组期间这位年轻人在氢d预研中的参与情况,何祚庥认为他并未参与实质性工作。
黄萌告诉《中国新闻周刊》,2000年左右,九院再次调查此事,找到黄祖洽。黄祖洽回应说,他承认这个年轻人是提出了一些想法,但这只是一些朴素的想法,而验证这些想法需要很深的物理和数学功底,非他的水平所能企及。黄祖洽还说:“不管你提的有没有道理,你争就没有道理了,搞我们这个东西你想争什么呢?”
“老黄”
氢d突破时,“文革”已经到来。1969年末,黄祖洽全家下放河南五七干校。
那年暑假后,黄祖洽的大女儿黄萌升入初三,班里的同学一个个跟着家里人走了,人越来越少。入冬后没多久,母亲郑重告诉她:“我们要去河南五七干校了,今后是否能回来就不一定了。”她觉得,这好像是她预料之中的事。
黄祖洽一家住在河南驻马店上蔡县下地韩村一个农户的厨房,狗和猪随时都会进来。黄祖洽被分配去养猪,平时喂猪和打扫猪圈,也做种庄稼的农活。他的专业有些荒疏了,但身体反而好了起来。
世事多变。1972年春节后,黄祖洽几经折腾返回了九院。新分来九院不久的大学生曾先才第一次见到了他。
老九所人除称呼彭桓武为“彭公”外,称其余领导均为“老邓”(邓稼先)、两个“老周”(周光召和周毓麟)、老黄(黄祖洽)、老于(于敏)、老何(何桂莲)……这堪称老九所文化。“老黄”其名,曾先才早已如雷贯耳。他听老同志们说,老黄学问了得,融会贯通,非等闲之辈,不过说话尖刻,不留情面,让有些人“敬而生畏”,因此被戴上“反动学术权威”的帽子,发配去干校了。
曾先才所在的“102组”承担着东风系列核武器次级理论设计任务,接连几年,几乎年年做热核试验,年年要提交理论方案。每隔一段时间,所业务领导就要来组里听取汇报,拍板定案。
黄祖洽从干校回来后首次来听取汇报,曾先才几乎一眼就认出了他。老黄中等个子,大脑门,略微秃顶,鼻梁上架着一副高度近视眼镜,皮肤黝黑,略带红润,脸带笑容,与老同志一一握手。曾先才觉得,此时的他与其说像个大学者,倒不如说已有几分像农夫。
后来接触多了,曾先才逐渐发现,老黄并非像有些人传说的那样尖酸刻薄,令人生畏。许多老九所人也都觉得与他共事或向他请教时,他都能平等待人,认真指教,而且还很有幽默感,有时话语一出,令人捧腹。
有一阵曾先才在读黄祖洽翻译的《中子输运理论》一书,边读边做习题,有一道题他百思不得其解,向几位高手请教后还是不甚了了,于是去请教老黄。没想到,老黄只寥寥几句就让他茅塞顿开,尽释疑义。曾先才听周毓麟说起,老黄从干校回来后,说自己的脑子生锈了,把高等数学的习题又重做了一遍,“他就是有这股劲儿”。
但老黄的棱角,曾先才也很快见识了。
改革开放后,黄祖洽第一次申请到国外参加国际核参数会议。申请报告递交后,直到会议结束,依然杳无音信。某天一位高官找他谈话,开口就说:“不要着急,关于你出国开会的事情,我们正在研究。”老黄气不打一处来,不客气地说:“你给我打什么官腔?这个会上月的今天就已经开了!如果连1和2哪个在前哪个在后都搞不清楚的话,那是不能容忍的!”
对有的业务不通又不用功的下属或学生,老黄同样说话不留情面。有时在学术讨论中,他会微笑着反问:连这个你也不懂?是否要我给你讲讲初等数学的问题?
1979年,中国科学院学部恢复活动,并进行学部委员增补。这是自有学部以来第一次通过民主选举产生学部委员。1980年11月各学部对推荐名单进行无记名投票,产生出得票过半数的学部委员283人,其中数理部51人。九院理论部“八大主任”中的四位物理学家邓稼先、周光召、黄祖洽、于敏以及当时在中科院理论物理研究所的何祚庥等均当选为数理部学部委员。
1980年5月,九所领导班子大换班,黄祖洽调离九所。
曾先才回忆,自己深为老黄的调离感到惋惜。他说,老黄研制两d功勋卓著,却与“两d一星”元勋失之交臂,许多老九所人都感到遗憾,老周(周光召)和老于在谈及此事时都曾亲口对他说过:有些亏待老黄。
谈及对黄祖洽的评价,何祚庥告诉《中国新闻周刊》:“他这个人最大的特点还是一个‘书呆子’,书生气十足。虽然他对很多事情的认识都很清楚,但整个的兴趣还是搞科学,而不是玩政治的人。”
“上善若水”
1980年5月1日,黄祖洽从九所调任到北师大,在刚成立的低能核物理研究所任教授兼所长。由于他的到来,北师大理论物理学科于1981年被批准为全国首批理论物理学博士点。
冯世平1984年3月成为黄祖洽的第二位博士研究生,毕业后留在北师大物理系工作,如今是北师大物理系教授。他感到自己特别幸运,近30年都是在黄祖洽的指导下工作。
他说,即便上世纪八九十年代有一段时期基础研究的大环境不是很好,黄祖洽仍尽最大努力创造出一个相对好的学术环境。对于学术,他一丁点错误都不能容忍,眼睛里不能揉任何沙子。
读博时,冯世平和另一位研究生吕燕南一起,每周至少两次去黄祖洽位于塔院5号楼的家。黄家三间屋子,有一间大一点的既是黄祖洽的书房,也是他的卧室,墙上挂着一块黑板。他们下午两点左右到达,黄祖洽分别一对一地指导。早些时候彭桓武也会来参与讨论。到六点多,就留在黄祖洽家吃晚饭,吃饭时还在讨论。
彭桓武、黄祖洽时常与学生一起出游,二老或一起背诗,或彼此联诗。冯世平觉得,两位大师都有着典型的中国传统知识分子那种以身许国和忧国忧民。2007年,彭桓武去世,黄祖洽为他赋诗一首,其中写道:上善若水,首功不居。
黄祖洽刚来时,只指导硕士研究生和博士研究生。1999年,北师大批准低能核物理研究所可以招本科生,从此黄祖洽就给大一新生上基础课,开《现代物理学前沿选讲》。
一学期15讲,140人的教室总是满满当当。他在第一讲中说,对于希望了解物理学的青年来说,重要的不是知道许多描写现代物理学前沿问题细节的高等数学公式,而是了解有关这些问题我们今天已经从物理学上解答了多少,还有些什么问题需要继续努力?也就是说,当你们面临物理学这一大片原野时,尽早鸟瞰一下这片原野开垦的大致情况和前沿在哪里,还是很有必要的。
冯世平说,黄祖洽总在琢磨如何把这个课讲好。有时候他在全国各地听完学术报告,会发电子邮件要来报告人的讲稿,把其中一些有意思的内容融入到课件的PPT中。有什么计算机 *** 作上的问题,他就请研究生过来协助。
2001年桑海波在北师大低能核物理研究所获得硕士学位后留所任教,一边攻读在职博士,一边作为黄祖洽的助手,担任《现代物理学前沿选讲》的助教。她说,一百多位学生的作业和论文,黄祖洽都非常认真仔细地批改,一个符号错误或者错别字也不放过。
马宇翰2011年秋季进入北师大物理系,作为大一新生上了黄祖洽的《现代物理学前沿选讲》。他觉得,“黄爷爷”的讲课让书本上的知识变得立体起来。近代物理的两大基石相对论和量子力学也就是近100年才兴起的新学科,它们从发展到成熟的时期刚好是黄祖洽成长的时代。有时黄祖洽会讲起和杨振宁、李政道等一起在西南联大求学的经历,大家觉得他就像一本活的历史。
2000年、2002年,黄祖洽获北师大“最受学生欢迎的本科教学十佳教师”,这是一个由学生投票评选出来的奖项。黄祖洽对这个奖看得很重,当选后十分开心,曾与冯世平说过多次。
2003年朱邦芬担任了清华大学物理系主任,组织了“与大师面对面”系列讲座,请黄祖洽来做讲座。
黄祖洽在讲座中谈到,西南联大和清华的老师在课堂上讲的内容不算多也不算深,但鼓励一些优秀学生课余自学,他在这样的环境中受益匪浅。王竹溪教授鼓励他自学法语,教了他一些发音规则,借给他一本语法书,一个暑假后,他就能读法语的学术原著了。
每到清华校庆,朱邦芬经常碰到胸前挂着校友红布条的黄祖洽在校园里溜达,或与师友二三,或独自一人。黄祖洽很推崇曾任清华理学院院长的叶企孙,认为他对清华物理、清华理科以至中国科学技术都有重大贡献,常语重心长地对朱邦芬说,要多学习叶企孙先生办老清华物理系的方法和精神。朱邦芬说,自己感觉黄祖洽和另一位“黄先生”、同出于西南联大的物理学家黄昆有许多共同之处:为人低调,做事认真,一丝不苟,年轻时对人要求极严而“文革”后宽容了许多。
朱邦芬曾问黄祖洽,为什么1980年时选择北师大而不是回到自己的母校清华,黄祖洽恳切地说,清华条件比较好,而他去北师大可以发挥更大的作用。
朱邦芬在回忆文章中写道,由于各种原因,黄祖洽没有获得“两d一星”元勋奖章,许多人为他鸣不平。对于“两d一星”这样的汇集体之大成的巨大科技攻关项目,评出23位元勋是极其困难的,而且不可能绝对公平,只能把23人理解为这个英雄群体的代表人物。
2014年6月26日,黄祖洽住进北京301医院,度过了生命中最后的时光。一天夜里他发烧神志恍惚,不停地喊着:“爆炸啦,大家快跑!”病床前的护工忍不住问他:“你怎么不跑啊?”他说:“我没关系,我就待在这里,大家快跑!”
2014年9月7日,90岁的黄祖洽去世。2019年6月,他的塑像在北师大物理楼前落成。
1999年北师大科技楼落成后,黄祖洽的办公室从北师大南院的低能核物理研究所搬到了这里。冯世平的办公室就在隔壁,他记得,那时黄祖洽每天早八点来办公室,晚六点下班,除了外出开会等活动,一周七天,每天如此。如今,613办公室门口依然挂着“黄祖洽”的名牌。
2019年5月,美国商务部将华为列入实体清单,禁止美国企业向华为出口技术和零部件;2020年5月,美国进一步升级对华为贸易禁令,要求凡使用了美国技术或设计的半导体芯片出口华为时,必须得到美国政府的许可证,进一步切断华为通过第三方获取芯片或代工生产的渠道。
此前,高通、英特尔和博通等美国公司都向华为提供芯片,用于华为智能手机和其他电信设备,华为手机使用谷歌的安卓 *** 作系统。华为自研的麒麟高端手机芯片,也依赖台积电代工。随着美国芯片禁令实施,华为手机业务遭遇重创,消费者业务收入大幅下滑,海外市场拓展也受到影响。
美国凭借芯片技术优势对中国企业“卡脖子”,使半导体产业陡然成为中美 科技 竞争的风暴眼。“缺芯”之痛,突显了中国半导体产业的技术短板。它如一记振聋发聩的警钟,惊醒国人看清国际 科技 竞争的残酷现实。
半导体产业是 科技 创新的龙头和先导,在信息 科技 和高端制造中占据核心地位。攻克半导体核心技术难题,解决高端芯片受制于人的现状,成为中国高 科技 发展和产业升级的当务之急。
全球半导体版图
半导体产业很典型地体现了供应链的全球化,各国在半导体产业链上分工协作,相互依赖。美国、韩国、日本、中国、欧洲等国家或地区发挥各自优势,共同组成了紧密协作的全球半导体产业链。
根据美国半导体行业协会发布的最新数据,美国的半导体企业销售额占据全球的47%,排名第二的是韩国,占比为19%,日本和欧盟半导体企业销售额占比均为10%,并列第三。中国台湾和中国大陆半导体企业销售额占比分别为6%和5%。
具体来看,美国牢牢控制半导体产业链的头部,包括最前端EDA/IP、芯片设计和关键设备等。具体而言,在全球产业链总增加值中,美国在EDA/IP上,占据74%份额;在逻辑芯片设计上,占据67%;在存储芯片设计上,占据29%;在半导体制造设备上,占据41%。
日本在芯片设计、半导体制造设备、半导体材料等重要环节掌握核心技术;韩国在存储芯片设计、半导体材料上发挥关键作用;欧洲在芯片设计、半导体制造设备和半导体材料上贡献突出;中国则在晶圆制造上发挥重要作用。
中国大陆在全球晶圆制造(后道封装、测试)增加值占比高达38%;中国台湾在全球半导体材料、晶圆制造(前道制造、后道封装、测试)增加值占比分别达到22%和47%。
以上国家和地区构成了全球半导体产业供应链的主体。
芯片是人类智慧的结晶,芯片制造是全球顶尖的高端制造产业之一,是典型的资本密集和技术密集行业。制造的过程之复杂、技术之尖端、对制造设备的苛刻要求,决定了芯片产业链的复杂性。半导体制造中的大部分设备,包含了数百家不同供应商提供的模块、激光、机电组件、控制芯片、光学、电源等,均需依托高度专业化的复杂供应链。每一个单一制造链条都可能汇集了成千上万的产品,凝聚着数十万人多年研发的积累。
芯片技术也涉及广泛的学科,需要长时期的基础研究和应用技术创新的成果累积。举例来说,一项半导体新技术方法从发布论文,到规模化量产,至少需要10-15年的时间。作为全球最先进的半导体光刻技术基础的极紫外线EUV应用,从早期的概念演示到如今的商业化花费了将近40年的时间,而EUV生产所需要的光刻机设备的10万个零部件来自全球5000多家供应商。
芯片制造的复杂性,创造了一个由无数细分专业方向组成的全球化产业链。在半导体市场中,专业的世界级公司通过几十年有针对性的研发,在自己擅长的领域建立了牢固的市场地位。比如,荷兰ASML垄断着世界光刻机的生产;美国高通、英特尔、韩国三星、中国台湾的台积电等也都形成了各自的技术优势。目前全世界最先进制程的高端芯片几乎都由台积电和三星生产。
中美芯片供应链各有软肋
“缺芯”,不仅困扰着中国企业。
自去年下半年以来,受新冠疫情及美国贸易禁令干扰,芯片产能及供应不足,全球信息产业和智能制造都遭遇了严重的“芯片荒”。
随着新一轮新冠疫情在东南亚蔓延, 汽车 行业芯片短缺进一步加剧,全球三家最大的 汽车 制造商装配线均出现中断。丰田称 9 月全球减产 40%。美国车企也不能幸免,福特 汽车 旗下一家工厂暂停组装 F-150 皮卡,通用 汽车 北美地区生产线停工时间也被迫延长。
蔓延全球的芯片荒,迫使各国对全球半导体供应链的安全性、可靠性进行重新审视和评估。中美两个大国在半导体供应链上各有优势,也各有软肋。
中国芯片产业起步较晚,但近年来加速追赶。根据中国半导体行业协会统计,2020年中国集成电路产业销售额为8848亿元,同比增长17%,5年增长了超过一倍。其中,设计业销售额为3778.4亿元,同比增长23.3%;制造业销售额为2560.1亿元,同比增长19.1%;封装测试业销售额2509.5亿元,同比增长6.8%。中国2020年出口集成电路2598亿块,出口金额1166亿美元,同比增长14.8%。
中国芯片核心技术与美国有较大差距,主要突破在芯片设计领域,芯片设计水平位列全球第二。在制造的封测环节也不是我们的短板。中国芯片制造的短板主要在三方面:核心原材料不能自己自足、芯片制造工艺与国际领先水平有较大差距、关键制造设备依赖进口。
由于不能独立完成先进制程芯片的生产制造,大量高端芯片依赖进口。2020年中国进口芯片5435亿块,进口金额3500.4亿美元。
美国是世界芯片头号强国,拥有世界领先的半导体公司,但其核心能力是主导芯片产业链的前端,包括设计、制造设备的关键技术等,但上游资源和制造能力也依赖国外。美国在全球半导体制造市场的市占率急速下降,从 1990 年 37% 滑落至目前 12%左右。
波士顿咨询公司和美国半导体行业协会在今年4月联合发布的《在不确定的时代加强全球半导体产业链》的报告显示,若按设备制造/组装所在地统计,2019年中国大陆半导体企业销售额占比高达35%;美国则排名第二,销售额占比为19%。
世界芯片的主要制造产能集中在亚洲, 2020 年中国台湾半导体产能全球占比为 22%,其次是韩国 21%,日本和中国大陆皆为 15%。这意味着美国在芯片的制造和生产环节,也存在很大的脆弱性。这也是伴随东南亚疫情爆发导致芯片产业链产能受限,美国同样遭遇“芯片荒”的原因。
对半导体产业链脆弱性的担忧,推动美国加大对半导体产业的投资和政策扶持。今年5月美国参议院通过一项两党一致同意的芯片投资法案,批准了520亿美元的紧急拨款,用以支持美国半导体芯片的生产和研发,以提升美国国内半导体产业链的韧性和竞争力。今年2月24日,美国总统拜登签署一项行政命令,推动美国加强与日本、韩国及中国台湾等盟国/地区合作,加速建立不依赖中国大陆的半导体供应链。
除了产能问题,美国在全球半导体竞争中的另一个软肋就是对中国市场的依赖。中国是全球最大的半导体需求市场,每年中国半导体的进口额都超过3000亿美元,大多数美国半导体龙头企业至少有25%的销售额来自中国市场。可以说,中国是美国及全球主要半导体供应商的最大金主。如果失去中国这个最富活力、最具成长性的市场,那么依赖高资本投入的美国各主要芯片供应商的研发成本将难以支撑,影响其研发投入及未来竞争力。
这从另一方面说,恰是中国的优势,中国庞大的市场需求和发展空间,足以支撑芯片产业链的高强度资本投入与技术研发,并推动技术和产品迭代。
“中国芯”提速
随着中国推进《中国制造2025》,芯片制造一直是中国 科技 发展的优先事项。如今,美国在芯片供应和制造上进行霸凌式断供,使中国构建自主可控、安全高效的半导体产业链的目标更加紧迫。
客观上,半导体产业链需要各国协作,这从成本和技术进步角度,对各国都是互利共赢。但美国的断供行为改变了传统的商业与贸易逻辑。在大国竞争的背景下,对具有战略意义的半导体和芯片产业链,安全、可靠成为主导的逻辑。
中国要成为制造强国,实现在全球产业链、价值链的跃升,摆脱关键技术受制于人的困境,芯片制造这道坎儿就必须跨过。
随着越来越多的中国高 科技 企业被列入美国实体清单,迫使半导体产业链中的许多中国企业不得不“抱团取暖”,携手合作,努力寻求供应链的“本土化”。“中国芯”突围,成为中国 科技 界、产业界不得不面对的一场“新的长征”。中国半导体产业进入攻坚期,也由此迎来发展的重大战略机遇期。
在国家“十四五”规划和2035远景目标纲要中,把 科技 自立自强作为创新驱动的战略优先目标,致力打造“自主可控、安全高效”的产业链、供应链;国家将集中资金和优势 科技 力量,打好关键核心技术攻坚战,在卡脖子领域实现更多“由零到一”的突破。国家明确提出到2025年实现芯片自给率70%的目标。
2020年8月,国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,瞄准国产芯片受制于人的短板,在投融资、人才和市场落地等方面进一步加大政策支持,助力打通和拓展企业融资渠道,加快促进集成电路全产业链联动,做大做强人才培养体系等。
全国多地制定半导体产业发展规划和扶持政策,积极打造半导体产业链。长三角地区是我国半导体产业重点聚集区,深圳市则是珠三角地区集成电路产业的龙头,京津冀及中西部地区的半导体产业也正在加快布局。
作为中国创新基地,上海市政府6月21日发布《战略性新兴产业和先导产业发展“十四五”规划》,其中集成电路产业列为第一位的发展项目,提出产业规模年均增速达到20%左右,力争在制造领域有两家企业营收进入世界前列,并在芯片设计、制造设备和材料领域培育一批上市企业。
上海市的规划中,对芯片制造也制定出具体目标和实施路径:加快研制具有国际一流水平的刻蚀机、清洗机、离子注入机、量测设备等高端产品;开展核心装备关键零部件研发;提升12英寸硅片、先进光刻胶研发和产业化能力。到2025年,基本建成具有全球影响力的集成电路产业创新高地,先进制造工艺进一步提升,芯片设计能力国际领先,核心装备和关键材料国产化水平进一步提高,基本形成自主可控的产业体系。
上海联合中科院和产业龙头企业,投资5000亿元,打造世界级芯片产业基地:东方芯港。目前东方芯港项目已引进40余家行业标杆企业,初步形成了覆盖芯片设计、特色工艺制造、新型存储、第三代半导体、封装测试以及装备、材料等环节的集成电路全产业链生态体系。
在国家政策指引和强劲市场的驱动下,国家、企业、科研机构、大学、 社会 资金等集体发力,中国芯片行业正展现出空前的发展动能和势头。
在外部倒逼和内部技术提升的共同作用下,中国芯片产业第一次迎来资金、技术、人才、设备、材料、工艺、设计、软件等各发展要素和环节的整体爆发。国产芯片也在加速试错、改造、提升,正在经历从“不可用”到“基本可用”、再到“好用”的转变。
中国终将重构全球半导体格局
中国芯片制造重大技术突破接踵而至:
中微半导体公司成功研制了5纳米等离子蚀刻机。经过三年的发展,中微公司5纳米蚀刻机的制造技术更加成熟。该设备已交付台积电投入使用。
上海微电子已经成功研发出我国首款28纳米光刻机设备,预计将在2021年交付使用,实现了光刻机技术从无到有的突破。
中芯国际成功推出N+1芯片工艺技术,依托该工艺,中芯国际芯片制程不断向新的高度突破,同时成熟的28纳米制程扩大产能。
7月29日,南大光电承担的国家 科技 重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”之光刻胶项目通过了专家组验收。
8月2日青岛芯恩公司宣布8寸晶圆投片成功,良率达90%以上,12寸晶圆厂也将于8月15日开始投片。
2017年,合肥晶合集成电路12寸晶圆制造基地建成投产,至2021年合肥集成电路企业数量已发展到近280家。
中国半导体行业集中蓄势发力,在关键技术和设备等瓶颈领域,从无到有,由易入难,积小成而大成,关键技术和工艺水平正在取得整体跃迁。
小成靠朋友,大成靠对手。某种意义上,我们应该感谢美国的遏制与封锁,逼迫我们在芯片和半导体行业加速摆脱对外部的依赖。
回望新中国 科技 发展史,凡是西方封锁和控制的领域,也是中国技术发展最快的领域:远的如两d一星、核潜艇,近的如北斗导航系统以及登月、空间站、火星探测等航天工程。在外部压力的逼迫下,中国 科技 与研发潜能将前所未有地爆发。
实际上,中国的整体 科技 实力与美国的差距正在迅速缩小。在一些尖端领域,比如高温超导、纳米材料、超级计算机、航天技术、量子通讯、5G技术、人工智能、古生物考古、生命科学等领域已经居于世界前沿水平。
英国世界大学新闻网站8月29日刊发分析文章,梳理了中国 科技 水平的颠覆性变化:
在创新领域,中国在全球研发支出排名第二,全球创新指数在中等收入国家中排名第一,正在从创新落伍者转变为创新领导者。
人才方面,拥有庞大的高端理工人才库,中国已是知识资本的重要创造者,美中 科技 关系从高度不对称转变为在能力和实力上更加对等。
技术转让方面,中国从单纯的学习者和技术接收者,转变为技术转让的来源和跨境技术标准的塑造者。
人才回流,中国正在扭转人才流失问题,积极从世界各地招募科学和工程人才。
这些变化表明,中国 科技 整体实力已经从追赶转变为能够与国际前沿竞争,由全球 科技 中的边缘角色转变为具有重要影响力的国家之一。
中国的基础研究水平也在突飞猛进。据《日经新闻》8月10日报道,在统计2017年至2019年间全球被引用次数排名前10%的论文时,中国首次超过美国,位居榜首位置。报道还着重指出中国在人工智能领域相关论文总数占据20.7%,美国为19.8%,显示中国在人工智能领域的研究成果正在超越美国。
另有日本学者在研究2021QS世界大学排名后,发现世界排名前20的理工类大学中,中国有7所上榜,清华大学居于第一位,而美国有5所。如果进一步细分到“机械工程”、“电气与电子工程”,中国大学在排名前20中的数量更是全面碾压美国。
芯片技术反映了一个国家整体 科技 水平和综合研发实力,中国的基础研究、应用研究、人才实力具备了突破芯片核心技术的基础和能力。
正如世界光刻机龙头企业——荷兰ASML总裁温尼克今年4月接受采访时所说:美国不能无限打压中国,对中国实施出口管制,将逼迫中国寻求 科技 自主,现在不把光刻机卖给中国,估计3年后中国就会自己掌握这个技术。“一旦中国被逼急了,不出15年他们就会什么都能自己做。”
温尼克的忧虑,正在一步步变成现实。全球半导体产业正进入重大变革期,中国在芯片制造领域的发愤图强,正在改写世界半导体产业的竞争格局。
中国的市场优势加上国家政策优势、资金优势以及基础研究的深入,打破美国在芯片制造领域的技术垄断和封锁,这一天不会太遥远。
中国大陆的10家半导体优质企业
1、华为海思半导体有限公司:
目前是国内规模最大,技术最强的IC设计公司,2015年进入全球前十IC设计榜单。全球半导体市调机构IC Insights报告称,华为海思今年一季度销售额接近27亿美元,在全球半导体厂商(包括集成电路和O-S-D)中排名从去年同期第十五名一跃升至第十名,首次跻身前十。目前海思已成为中国第一、全球前五IC设计公司,是第一个将5G无线芯片组商业化以促进5G行业发展的公司。海思旗下芯片共有五大系列,分别是用于智能设备的麒麟系列、用于数据中心的鲲鹏系列服务CPU、用于人工智能的场景AI芯片组升腾系列SOC、用于连接芯片(基站芯片天罡、终端芯片巴龙)以及其他专用芯片(视频监控、机顶盒芯片、智能电视、运动相机、物联网等芯片)。
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2、紫光展锐:
由紫光旗下展迅和锐迪科合并而成,英特尔持有其20%股份。紫光展锐是紫光集团旗下芯片设计公司。
3、中兴微电子技术有限公司:
中兴通讯全资控股,其前身是中兴通讯于1996年成立的IC设计部,规模已跻身全国IC设计行业前三。
4、华大半导体有限公司:
CEC旗下子公司,国内前十大IC设计公司之一。2015年,华大半导体接受母公司中国电子无偿转让的上海贝岭26.45%股份,成了上海贝岭控股股东。
5、北京智芯微电子科技有限公司:国网信息产业集团旗下全资子公司,涉及芯片传感、通信控制、用电节能三大业务方向。
6、深圳市汇顶科技股份有限公司:国内最大的触控芯片供应商,汇顶科技在2016年10月17日上市后股价连续20个涨停后到达178元,市值一路飙至800亿,超过全球第二大手机芯片厂商联发科。目前,指纹芯片是其主要收入来源。
7、杭州士兰微电子股份有限公司:
旗下拥有士兰明芯、美卡乐光电、士兰集成公司、成都士兰半导体等子公司。2016年,士兰微集成电路营收同比增长20.92%,LED照明驱动电路为主要增长来源。
8、大唐半导体设计有限公司:
大唐电信旗下集成电路设计公司,前身为原邮电部电信科学技术研究院集成电路设计中心。
9、敦泰科技(深圳)有限公司:
台湾上市公司敦泰科技下属公司,敦泰科技是全球最早从事电容屏多指触控技术研发的公司之一,也是全球出货量最大的电容屏触控芯片提供商。
10、北京中星微电子有限公司:
2005年11月,中星微成为中国第一家在纳斯达克上市的芯片设计企业。还涉足监控安防业务。
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