专刊序言：我国信息技术领域“卡脖子”问题与对策

洪学海

1.中国科学院计算技术研究所，北京 100190

2.中国科学院计算机网络信息中心，北京 100080

在信息技术领域，“卡脖子”问题一般分为两类，一类是长期没有实现的技术突破，技术与产品做不出来，被“卡脖子”了，这对世界各国都一样；另一类是本国需要的信息技术与产品被别国封锁、禁止输入，并且这些技术与产品是靠一国之力，短时间内攻克难度大、需求方难以在短时间内突破或找到替代方案的关键技术和产品，具有技术壁垒高、市场垄断性强、处于价值链核心地位的特点[1]，从而造成本国的信息技术与产业发展受制于人。我国信息技术领域的关键技术与产品被以美国为首的国家“卡脖子”属于第二类情况。

在《科技日报》2018年6月25日报道的中国35 项被“卡脖子”的技术与产品中，涉及到信息技术领域被“卡脖子”的达11 项之多，其中集成电路方面的高端光刻胶[2]、极紫外光刻机[3]、EDA[4]、FPGA 芯片[4-5]、DRAM 芯片[4]和射频前端芯片[6]都在其中。文献调研发现，我国在大尺寸硅片领域仍被国外垄断[7]，存在“卡脖子”风险。因此，我国面临被“卡脖子”问题最多的领域是信息技术领域，而最为突出的被“卡脖子”的领域是集成电路。这也是本期我国信息技术领域“卡脖子”问题与对策专刊集中组织几篇文章讨论的主题原因所在。

集成电路技术与产业是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量，在众多高新技术产业中具有重要战略地位。集成电路产业链主要由设计、制造和封测上下游三大环节，以及装备、材料产业等核心配套环节组成。每个环节中都有若干由生产技术决定的工艺环节，工艺环节又由一些关键的要素组成，如核心装备、关键材料等。这些环节、要素的技术与产业创新能力共同构成了一个国家的集成电路产业自主创新能力的重要基础。

近20年来，我国集成电路产业技术创新能力在设计工具、精密加工、特种结构和功能材料制造等方面与国外仍存在显著差距，造成我国集成电路产业发展对国外技术依存度较高。集成电路产品设计工具、部分高端集成电路产品、大部分集成电路生产检测设备及零部件、集成电路材料及材料生产相关配套设备等仍高度依赖进口。特别是近期，中美关系发生嬗变，美国把集成电路产业作为“卡脖子”手段，将华为等企业列入实体清单，导致台积电、中芯国际等芯片代工厂无法为华为制造芯片，直接造成华为高端手机业务萎缩。美国这种做法直接将我国企业排除在以美国为核心的全球生态体系之外。若完全脱离全球集成电路生态体系，我国集成电路产业发展将直接面临倒退风险。因此，急需快速提升我国集成电路产业自主创新能力，以保障我国集成电路产业健康快速发展，在全球竞争中“站稳脚跟”。

本期我国信息技术领域“卡脖子”问题与对策专刊，重点聚焦在集成电路及相关领域。从传统集成电路技术与产业发展方面，对我国面临的“卡脖子”问题以及可能的突破途径进行分析，同时对国际上“变道超车”的集成电路新技术带来的机遇以及计算机系统结构的新发展进行分析。从这两个维度组织了6 篇文章，旨在针对当前我国集成电路产业发展中面临的“卡脖子”技术的解决之道进行梳理。

摩尔定律在未来必将走入尽头，能够支撑摩尔定律继续发展的新型集成电路技术必将从新材料、新设计、新工艺乃至新系统及新应用开始，促进Beyond COMS 技术发展，人类终将迎接后摩尔时代。近些年，面对石墨烯等新功能材料的发现，碳基集成电路技术的发展给人类带来了新希望，给我国信息技术和产业发展摆脱“卡脖子”窘境、实现“换道超车”带来了重大机遇。由许海涛博士和彭练矛院士撰写的“碳基集成电路技术研究进展与展望”一文，针对碳纳米管集成电路发展中需要突破的关键性技术，分别从芯片用碳纳米管材料、碳纳米管晶体管技术和系统集成三个方面，阐述其研究进展，分析其面临的挑战和需要解决的问题，并提出碳纳米管是构建场效应晶体管的理想沟道材料，可以实现高速低功耗的弹道输运，结合三维单片集成的架构优化，碳纳米管集成电路技术在性能、功耗、面积、功能集成、成本等方面将展现出巨大的优势，满足未来信息处理对芯片的需求。

近年来随着摩尔定律逼近物理极限，传统的器件尺寸微缩变得越来越困难。尽管近年来人们开始尝试探索以碳基材料为代表的新材料、以量子计算为代表的新原理集成电路技术，以传统硅基场效应晶体管为基础的CMOS 电路仍将是集成电路发展的优选方案和主流趋势。为了持续提升集成电路性能和集成度，场效应晶体管器件技术出现了重大变革，并伴随着集成电路制造技术的不断革新。由张睿副教授和吴汉明院士等专家撰写的“集成电路先进制造技术进展与趋势”一文，从基于场效应晶体管器件性能提升的原理出发，阐述了通过引入新材料、新结构、新工艺方法，实现器件性能提升和集成度增大的先进制造技术，其中主要包括以高介电常数介质/金属栅和FinFET/SOI/Nanosheet MOSFET 结构为代表的器件电学性能提升技术、以空气侧墙和Co 局部接触金属材料为代表的寄生效应抑制技术以及以先进光刻和Forksheet/CFET 为代表的器件布局紧凑化技术。

集成电路的核心专利代表着一个国家的研发创新能力，针对我国集成电路研发创新能力的关键环节问题，由余丽博士和隋秀峰研究员等撰写的“专利分析视角下我国集成电路产业‘卡脖子’问题研究”一文，基于大量的学术论文、行业研究报告和新闻报道等文献资料，筛选出7 项“卡脖子”技术，基于IncoPat专利数据库分析各项技术的全球专利布局。针对7 项关键技术逐一阐述当今世界最新发展态势，基于市场份额、专利总数、高价值专利占比、企业专利占比、专利主题等分析指标，从知识产权的视角对比我国与先进水平的差距，探究引发我国IC 领域“卡脖子”效应的短板与痛点。

由陈磊和赵聪鹏博士等撰写的“全球集成电路技术与产业发展实践与创新发展趋势”一文，总结了美国、日本及韩国等发达国家政府对集成电路产业的创新措施，台积电、英特尔为代表的半导体企业发展经验，以及IMEC、中国台湾工业技术研究院和美国电子联合体为代表的技术创新机构发展经验，分析集成电路创新发展趋势，为我国产业发展提供借鉴与参考。指出美国、欧洲、日本、韩国、中国台湾等国家和地区的集成电路产业的雄起均得益于对集成电路产业关键共性技术的组织或工程模式的建立。

由范志华博士和范东睿研究员等专家撰写的“数据流计算研究进展与概述”一文，是针对传统冯·诺依曼结构正受到“存储墙”等的限制，分别从数据流软件栈和数据流计算系统、数据流计算芯片研究进展三个方面介绍了数据流计算的重要工作和关键技术，对数据流计算的发展趋势和挑战进行了分析与总结。文章指出，数据流计算模型是冯·诺依曼模型的一种替代方案。数据流计算突出了数据的主导作用，这是其对传统计算机架构的重大突破。其中众核数据流处理器芯片的研究是近些年最为突出的研究突破。

由电子科技大学曹浩一和张雅鑫教授等专家撰写的“太赫兹通信芯片关键技术与系统发展浅析”一文，针对现有无线通信频段资源日趋紧张、通信容量与业务需求矛盾不断的加剧，迫切需要发展以太赫兹为代表的基于全新频谱的高速通信技术的现状，提出太赫兹通信技术的关键在于太赫兹芯片。文章从太赫兹关键芯片和器件出发，从分立式器件到InP、GaN、硅基芯片的现有成果和未来发展趋势等进行综述，同时基于太赫兹芯片技术，分析未来太赫兹通信系统的技术发展趋势和应用场景，并畅想太赫兹芯片的发展趋势和基于太赫兹芯片技术的通信系统发展方向。

上述系列文章各自从不同的角度阐释了破解我国集成电路“卡脖子”问题的技术和方法解决之道。总体来看，在集成电路与芯片产业链中，我国在集成电路与芯片设计、封装测试、部分材料领域环节与国际先进水平的差距在缩小，但在体系架构、设计软件以及制造工艺、设备方面还有不小的差距。集成电路是技术高度密集和资本高度密集型产业，需要长期积累。历史经验表明，想要在集成电路产业道路上保住优势或加速追赶，需要长期持续不断进行巨大的资源和人力投入，还需要从我国集成电路产业发展的路径、组织模式、机制体制等建设方面进行创新，进一步提升我国集成电路技术与产业发展和创新的能力。