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高梁
《挺起中国的脊梁——全球化的冲击和中国的战略产业》|五、半导体篇
半导体的市场竞争性既源于芯片在信息产业中的核心与基础地位，又跟微电子的技术创新特点和高竞争性有关。微电子技术的不断创新，导致电子系统升级所带来的巨大经济效益，引发了同行在人才与资金上的剧烈竞争，并因此推动了产业的国际化。
一日千里的微电子技术
目前广泛应用的数字集成电路，是将大量逻辑电路蚀刻在半导体芯片上，电流通过“门电路”时以高、低电位实现逻辑运算。
微电子有两个著名定律，即“器件按比例缩小定律”和“摩尔定律”。
“器件按比例缩小原理”。MOS器件的横向纵向尺寸（沟道长、宽度等横向尺寸和栅层厚度、结深等纵向尺寸）按一定比例K（K-1.4）缩小，单位面积上的功耗可保持不变；这时器件所占的面积（因而成本）可随之缩小K2倍，器件性能可提高K3倍。所以器件越小，同样面积芯片可集成更多、更好的器件，还降低了器件相对成本。这是摩尔定律的物理基础，也正是这种物理特性，刺激了加速的技术创新。
摩尔定律指出，芯片集成度每18-24个月增长一倍，价格不变，或者说器件尺寸每三年缩小K倍，技术整体更新一代。现在这个规律已经成为全球半导体技术发展指南（roadmap），“这种把技术指标极其到达是限准确地摆在竞争者面前的规律，就为企业发展提出了一个‘永难喘息’，否则就‘永远停息’的竞争法则”。[1]
最近30年来，集成电路制造技术经历了10代。1970年，存储器容量只有1K，线宽10微米。现容量为1G、线宽0.18微米存储器将投入批量生产（2001年）。
1991年，日立公司宣布64M DRAM，在10×20平方毫米的芯片面积上，集成1.4亿只晶体管，集成密度达到70万管/平方毫米，1.5伏电压，功耗44毫瓦，寻址时间50纳秒。
目前主流加工技术是8英寸硅片，0.25微米线宽。12英寸硅片0.18微米已经批量生产。据国际权威机构预测，到2014年，半导体芯片加工技术将达到18英寸硅片、0.035微米特征尺寸（线宽）。当集成电路线宽达到0.1微米及以下，标志着半导体制造技术及器件、工艺理论随之全面进入纳米领域。硅基芯片的微细加工技术将可能到达极限。届时，微电子的基础理论、材料技术和加工技术都可能发生革命性的变化。
我国专家预测，21世纪微电子技术的具体发展趋势主要以下三个方面：
· 集成电路的特征尺寸将继续缩小，与硅CMOS相关的器件物理、电路结构和材料体系将不断创新，但由于长期的科研投入，其产业能力和知识积累决定了硅基工艺在21世纪内仍起骨干作用。21世纪的微电子技术仍将以硅为主流；
· 随着加工工艺向深亚微米、设计工具从逻辑级向系统行为级描述发展，集成电路（IC）将发展为系统芯片（System on a Chip, 即SoC），在一块集成电路上可以集成108-109甚至更多的晶体管，实现功能强、速度快、功耗低的系统；
· 微电子技术与其他学科相结合，将产生一系列崭新的学科和重大经济增长点。微机电系统（MEMS）和DNA生物芯片便是微电子与其他技术成功结合的典型范例。[2]
产业的技术构成
半导体是典型的技术主导型产业。制造技术（工艺）的更新、更高性能的设备研制开发，则扮演着技术先导的角色，是微电子技术中的制高点。
半导体产业包括设计、前道加工、测试、封装、销售等环节。包括超净（厂房），超纯（水），超微细，超精度等内容。其中前道加工工艺技术（微细加工）是核心技术。微细加工的技术水平成为半导体产业进步的特有表征。
随着微细程度的不断提高（特别是当前到了亚微米、深亚微米阶段），以及电路结构越来越复杂，导致加工工艺越来越复杂（多层布线、三维结构等）：制造工序由以前的几十道发展到400余道，同一硅片上光刻次数已增加到15-20次之多。
加工尺寸已缩小到光波长范围，开发应用电子束制版，深紫外光投影光刻，等离子刻蚀，激光刻蚀，精密离子注入搀杂，超微结构技术等。
加工工艺的复杂化对支撑产业不断提出新的要求：要求高精度、高效率、高可靠性、高自动化程度的专用设备和新原料，形成“一代产品，一代设备，一代工艺，一代材料”节奏分明的发展关系。[3]
表5-1 半导体产品和设备的发展
因此，半导体制造需要极其严格的管理。数百道工序，每道工序的成品率哪怕降低0.1%，总成品率就会大幅度下降。
产业经济的特点
半导体产业的基本经济特点是高强度投入和高强度技术创新、高风险、高收益和和高度国际化。
· 半导体芯片越做越小，投资越来越贵。市场容量平均每4-5年翻一番，投资额也是平均每4年翻一番。1970年代的3英寸线，投资额仅0.25亿美元，现8英寸线投资额10亿美元，12英寸线投资额20-30亿美元。全球平均，历年设备投资占历年销售额的20%以上。
· 20年来，芯片产量和性能成千万倍提高，而芯片平均售价只有轻微上涨，所以巨额设备投资必须靠大规模量产才能收回。设备折旧期至多5年，故芯片制造成本中，设备折旧费和在制品占用资金占了主要部分。这既促进了市场竞争的国际化，同时也造成全球市场在扩张中的周期性波动（所谓“硅周期”）和贸易摩擦。
· 由于研发与生产线投资费用越来越高，为分担风险，分享利益，世界上各大公司共同组成国际行业协会，颁发发展路线图，合作进行设备和工艺技术开发。如美国的SEMATECH（半导体工业协会），SIA（半导体制造协会），欧洲的IMEC等。
· 半导体产业和软件产业一样，人才和知识是最重要的资产。产业各环节都需要高素质的专业人员，而产品的不断升级所带来的巨大收益，又推动高科技人才薪酬的上涨，推动了国际性的人才竞争。
这就是多年来摩尔定律赖以实现的高强度的“创新竞争”机制。跟上这一竞争节奏得以生存发展；停滞就意味着淘汰出局。
注释：
[1]许居衍，2000年。
[2]《关于加快我国微电子产业发展的建议》，2000年。
[3]支撑产业的主要构成大体如下：
材料：单晶硅片（或其他半导体基础材料），超纯气体，超纯用水，各类化学药品
设备：光刻、刻蚀、分子外延、离子注入、溅射、化学气象成长、封装等
仪器：显微、测试…、
厂房：超净厂房。
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