国际器件与系统路线图对我国科技规划的启示*

张晓沛 余和军 李少帅

（1．天津工业大学马克思主义学院，天津300387；2．中国科学院学部工作局，北京100864；3．中国地质大学土地科学技术学院，北京100083；4．国土资源部土地整治中心，北京100035）

1 引言

技术路线图，作为一种“使决策者在未来科技发展远景上达成一致的工具，其过程就是确认、评估和选择各种战略上的可能性，使这种可能性可以实现已有的科技目标。”［1］基于技术路线图制定的发展规划，目标更加明确、路径更加清晰、可操作性更强，因此，近年来很多国家和组织都采用了这种方法来规划科技发展、制定政策战略。

国际器件与系统路线图（International Roadmap for Devices and Systems，IRDS）［2］的前身，国际半导体技术发展路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）［3，4］由美国半导体工业协会联合日本、欧洲、韩国、台湾的半导体工业协会制作，旨在评估和把握全球半导体工业未来15年的技术走向，为企业和学术团体的研发策略提供指导。多年来，该路线图总结提炼的半导体产业技术发展规律得到了全球半导体从业者的广泛认可，成为业内人士的必读之物和引证最多的权威文献。同时也是多个国家相关产业规划或者重大项目计划的重大参考。它通过前瞻产业技术发展态势，引导各国将创新资源配置到最需要解决的产业重大问题和行业瓶颈问题中，实际发挥了规划引领的重要作用。

本文在分析和研究此路线图诞生背景、内容选择、组织结构、运行模式及特点的基础上，对我国借鉴路线图方法做好规划战略研究、提升科技规划水平提出思考和建议。

2 IRDS／ITRS的内容选择和规律趋势

自1945年计算机诞生、1958年集成电路发明以来，半导体工业沿着摩尔定律指出的方向飞速发展［5］。1992年SIA率先编写了美国国家半导体技术发展路线图（National Technology Roadmap for Semiconductor，NTRS），以总结行业发展规律、辨析行业发展方向、避免点错“科技树”。1998年，由SIA提议，邀请ESIA（欧洲半导体工业协会）、JEITA（日本电子和信息技术工业协会）、KSIA（韩国半导体工业协会）和TSIA（台湾半导体工业协会）参加，对NTRS进行了更新完善，形成了1999年发表的第一版ITRS，之后每2年更新一次，截至2015年，累计发布了9个版本。之后，由于摩尔定律趋于极限，大量新材料出现、新型SOC（System on Chip）芯片商用以及传统半导体计算转向移动设备、大数据、云计算等泛半导体领域，ITRS升级为 IRDS，于2017年首次发布［2］。

IRDS与ITRS都分为摘要版、详细版以及总体路线图技术特征总表ORTC（Overall Roadmap Technology Characteristics，ORTC）。摘要版主要供高层决策者阅读，从器件、系统集成、制造等宏观板块总结行业发展态势；详细版供企业和科研人员参考，从系统驱动、前道工艺技术、后道工艺技术、使能技术等产业链具体环节展开分析；ORTC为关键核心技术点。由此从战略到技术，从面、链、点给出面向未来15年的发展规划，为从业人员提供从发展蓝图、技术路线到战略选择的指引。

同时，路线图还不断引入新章节以更好反映技术发展新态势和行业发展新动向［3，4］。例如上面提到的“系统驱动”章节于2001年增加，“新兴器件”章节于2005年增加，“新兴材料”章节和“扩展摩尔定律”于2007年增加，微电子机械系统（MEMS）也于2011年独立成章。之后，IRDS重新划分章节，2017年版本包括综合摘要、应用标杆、系统与构架、外部系统连接、超越摩尔、制造集成、光刻、新兴材料、场增强、计量学、环境安全健康和可持续、虚拟计量白皮书等章节。

纵观20多年来的ITRS和IRDS报告可以看出，半导体行业的发展有基本明确的逻辑和主线，在ITRS时期以摩尔定律为主，引领业界往更小的特征尺寸、更高的集成度、更低的价格方向发展，其本质是CMOS技术集成度的提高。在IRDS时期，器件特征尺寸缩小至10纳米以下以致将达到电子衍射极限并将出现量子效应的挑战，进一步降低尺寸、提高芯片上晶体管数量的周期已经延长到30个月及更多，摩尔定律难以为继，半导体领域发展的重点转向降低芯片功耗、扩展芯片功能等方面，对市场而言，由于技术的垄断化，无论ITRS时期还是IRDS时期半导体市场都呈现越来越集中的态势，后发国家追赶并分享市场“蛋糕”的难度已经越来越大。

图1 ITRS和IRDS揭示的半导体行业主要发展趋势Fig．1 Main trends of semiconductor industry revealed by ITRS and IRDS

3 IRDS／ITRS的组织结构和运行模式

1）组织结构

IRDS／ITRS的组织机构主要包括执行委员会即国际路线图委员会（IRC）、区域和国际技术工作组（TWGS／ITWGS）以及管理办公室，其组织机构如图2所示。

图2 IRDS／ITRS的组织机构图Fig．2 IRDS／ITRS's organization chart

IRC的职责是对IRDS／ITRS进行决策和指导，并研究决定内容提纲及分工、重大技术选择，并制定ORTC，其职责类似于实体组织的理事会。IRC成员由来自五个国家和地区的十余位专家组成。

区域和国际技术工作组（TWGS／ITWGS）负责具体的技术研究和路线图撰写，由1000多位来自不同地区的科学家、工程师、行业研究者组成；以IRDS／ITRS的分工任务为牵引，形成纵横交叉、有机结合的矩阵式结构；工作中经常通过专题研讨会、视频会等分享交流、争辩探讨、达成共识，因此最终形成的研究成果是在全球芯片制造商、设备供应商、研究团体的共同努力下，众多行业专家群体智慧的结晶。

IRDS／ITRS管理办公室是该项目的全球枢纽，负责管理路线图的进展、信息更新与发布等“穿针引线”与推动落实工作。办公室设在由多家芯片制造商和设备商组成的国际技术组织Sematech（Semiconductor Manufacturing Technology Research Consortium，其成立的目的是通过多家公司参与，共同资助新技术研究，分担创新风险，减少研发成本，共享研究成果）。

2）运行模式及特点

IRDS／ITRS是世界行业协会组织主导，任务导向下的跨区域、跨领域分工协作项目。项目运行者包括常设的工作人员与兼职专家。常设工作人员负责信息收集、进度管理、宣传等支撑和服务保障，兼职专家来自各会员单位，包括管理者、企业家和学者，主要发挥研究分析和前瞻指引的作用，是研究编制IRDS／ITRS的主体。项目经费来自各成员单位的出资，而获得ITRS成果和相关信息数据则成为出资者的“权利”之一。

ITRS的突出特点还体现在：

（1）“核心—卫星”模式。ITRS及IRDS均由美国提出和主导，无论是技术的先进性还是市场规模，美国都是半导体领域绝对的“领头羊”，数十年来美国企业半导体销售始终占全球一半左右，占绝对优势地位，因此当1990年代SIA提出ITRS的想法时，很容易就吸引到了欧洲、日本、韩国、台湾等国家和地区的参与，因而形成了一家主导、多家参与的“核心—卫星”的运作模式。

（2）广泛的协同性。IRDS／ITRS成员单位近1300家，从区域数量分布看，美国大致占55%，欧洲占10%，日本占17%，韩国占5%，中国台湾占13%。从产业链分布看，芯片制造商677家，占53%；设备、材料供应商263家，占20%；研究所、大学等274家，占21%；其他性质的成员占6%。充分体现了国家和区域间制造商、供应商、学术界、投资界以及政府等产学研之间以及产业链上中下游间广泛的协同。由于攀错“科技树”代价昂贵，半导体企业很难游离于主流技术路线之外生存，因此虽然处于同一产业链位置的企业在市场上存在竞争，但在技术方面融入主流、抱团前进便是他们基于利益和发展的选择。

（3）规划周期的技术合理性。由于半导体技术飞速更新换代，IRC因此决定ITRS每偶数年修订，每奇数年发布新版，相当于每两年推出全新的规划版本，以跟上技术发展节奏，准确把握和指导本领域的发展。同时，它不是出于管理部门的工作安排比如逢五逢十作出规划，而是依据技术确定路线图的跨度。比如ITRS的研究表明，过去十年中革新了CMOS晶体管制造工艺的绝大多数创新，如应变硅、高κ值／金属栅极工艺、多栅晶体管等，早在其应用于CMOS工艺之前10～15年就出现了，因此它把路线图的目标跨度定为15年，只评估未来15年的技术走向，这种科学性决定了其在行业的权威价值。

（4）突出的科学性和引领性。ITRS是技术路线图，也是体现行业技术发展走势的技术战略规划，必须以技术为“皮”、以科学为“筋”，其中包含大量的技术生产上升曲线、量产提升曲线、技术转移趋势等图表，这是基于大量数据拟合分析的结果，指引着半导体技术沿着摩尔定律、按比例缩小定律、扩展摩尔定律（MtM）等技术内在逻辑发展，从而为绝大多数公司决定未来1～2年的研发投资和生产安排提供决策参考。

4 对我国器件与系统规划的启示和对策建议

1）积极参与国际合作，学习科技规划先进经验

通过近30年的实践，IRDS／ITRS项目组织已经积累了丰富的组织管理经验和行业技术数据库，欧洲、日本、韩国、中国台湾等参与其中，无论在本国本地区规划制定还是产业发展方面都获益良多。

我国作为半导体行业的重要市场，多年来一直没有参与到IRDS／ITRS的相关工作中，已然错失了先机。半导体领域目前也已成为我国最重要的短板之一，在2018年受到美国挑起的贸易战的严重威胁［6］。因此，我国应设法参与到IRDS等国际组织牵头的工作中，深入学习积累世界发达国家的行业技术规划经验，先学习后赶超，进而指导我国规划制定和科技发展。

2）适时发起国际合作软科学项目

随着我国综合国力和科技实力的增加，我国科学家已经日益广泛地参与到热核聚变实验堆（ITER）、平方公里阵列望远镜（SKA）等国外发起的国际大科学计划与工程中。2018年3月，国务院印发了《关于印发积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》的通知（国发〔2018〕5号）［7］，鼓励我国科学家按照“国际尖端、科学前沿，战略导向、提升能力，中方主导、合作共赢，创新机制、分步推进”的原则提出和牵头组织大科学计划。时机成熟时，建议我国在半导体芯片及相关领域牵头组织类似IRDS／ITRS的国际合作项目，以推动建立由我国主导、符合我国战略利益又多方共赢的创新链和产业链，提升和巩固我国在相关领域的国际地位。

3）借鉴IRDS／ITRS的思路和方法进行科技规划

路线图的制定体现了众多专家对科技发展前沿的宏观分析与判断，通过路线图能够明确未来学科以及产业技术发展的目标、方向、重点、关键问题、时间节点，以及实施路线图的建议配套政策和途径。比如，ITRS自发布之初即聚焦的基本问题就是，为保证半导体工业沿着摩尔定律或其他有迹可循的规律继续发展，需要匹配什么样的技术能力以及时间表？路线图要包含哪些内容，才能正确引导半导体工业未来10～15年的发展？

因此，在新一轮（2020—2035）国家中长期科技规划中［8］，可以借鉴 IRDS／ITRS的模式，重点针对我国仍然落后的半导体芯片等战略必争领域开展工作，根据行业技术特点和发展态势，合理确定规划周期，组织专家深入研究从而在规划中提出前瞻的科学思想、优化的路径选择、“卡脖子”的技术瓶颈等路线图基本内容和要素。

4）科技规划应长期重视并动态调整

以往，我国制定和出台的很多规划包括科技规划往往是“一次性的”，即把规划制定当成一个短期行为，对规划的实施效果缺乏持续跟踪和动态调整。在科技发展日新月异的今天，这种做法的弊端显而易见。

因此，有必要以新一轮中长期科技规划为契机，选取半导体等若干领域为试点，持续进行规划研究；更加重视技术预见过程而不是形成规划文本的结果；在技术预见过程中锻炼形成一支科技战略研究队伍；通过长期关注和积累，建立完善行业产业数据库、提升凝练重大关键科技问题的水平；规划发布后还要根据规划实施效果和科技发展态势，及时动态调整和完善规划内容，确保科技始终沿着正确的方向前进。

5）科技规划制定应突出科学引领和协同创新

制定科技规划的目的在于引领科技发展，科学性始终是科技规划之魂，正如IRDS／ITRS的科学性来自数千专家的集体智慧和众多数据。我国制定科技规划特别要注意两点，一是要发挥专家群体而非政府科技管理部门的主体作用，二要注意科技规划制定不是编写材料的文字性工作，而是对科学技术发展进行综合分析和研究判断的过程，因此必须突出研究定位和创新导向，最终发挥出权威的前瞻指引作用。

同时，科技规划必须技术与战略并重，因此需要有管理、经济、技术、金融等多方面专家参与，通过不断沟通研讨、磋商交流形成智慧共识。在新一轮中长期科技规划制定中，还可以借鉴IRDS／ITRS模式，发挥中国半导体行业协会、集成电路产业技术创新战略联盟等组织的作用，构建“决策指导—专家智库—工作机构”三位一体的组织体系，广泛组织科技管理专家、技术专家和企业家参与，并组建专兼职结合的管理—研究—支撑队伍，在规划制定中实现协同创新。