全球集成电路技术与产业发展实践与创新发展趋势

陈磊，赵聪鹏，葛婕，左璇

1．中国工程院，战略咨询中心，北京 100088

2．中国电子信息产业发展研究院，集成电路研究所，北京 100036

3.国家工业信息安全发展研究中心，交流合作处，北京 100040

引 言

当前，美国、欧洲、日本、韩国及中国台湾地区拥有发达的集成电路产业，分别在全球供应链中不同位置掌握着重要话语权。政府、企业、科研机构分别在其中发挥至关重要作用。政府主要充当产业发展的培育者、引导者和保护者，企业是技术应用的引领者和产业壮大的推动者，科研机构是技术创新的先行者和产业资源的整合者。通过整理并归纳发达国家和地区政府、集成电路跨国企业和知名集成电路创新机构的主要措施和发展经验，有助于深入认识集成电路发展规律，对创新发展趋势下我国集成电路产业的发展具有借鉴意义。

1 发达国家政府推动集成电路发展的具体实践

1.1 美国

纵观美国集成电路产业创新发展，可以看到政府在美国自主创新产业发展中起到巨大作用。在产业初创期，主要以政策扶持为主。在产业成长期和成熟期，采取的是开放促竞争的政策，政府主要进行宏观调控。通过制定一系列的法律法规保障产业的正常发展，通过证券交易市场为产业提供发展资本等。主要产业创新措施有：

一是军工、航天项目稳定支撑半导体研发[1]。美国半导体的最初目标主要在于支持国防业和航空航天业，以为其国防部和宇航局提供先进的解决方案。据统计，在集成电路开始发展的六十年代，美国政府购买的集成电路产品数量占企业总产量的37%-44%。

二是出台法案促进技术创新成果实现产业化转化[2]。1980年美国出台拜杜法案（Bayh Dole Act），主要从专利权的归属、专利权的管理和成果收益的分享三方面来激励科研发展和参与国际竞争，对美国的高技术的转化起到了极大推动作用。早在1993年，美国政府发布了《促进美国经济增长的技 术-增强经济实力的新方向》和《促进经济增长的技 术-总统的发展报告》等报告，提出国家技术战略和产业政策总纲领，即把信息基础结构建设放在首要地位。

三是财政资金和税收优惠支持半导体技术研 发[3]。在技术研发支持政策方面，对半导体基础研发资金支持力度大。在美国半导体发展初期，美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）、美国国防部先进研究项目局（DARPA）等机构先后资助了很多美国半导体研发项目。根据统计，在1958年-1976年之间，政府财政投入贡献了美国半导体产业的43%。美国2007年开始实行竞争法（America Competes Act）以增加联邦政府对财政的投入，实施科研创新计划。此外，建议通过永久性的研发抵税政策来激励美国企业的创新活动。

尽管美国仍然是集成电路技术创新的领头羊，但美国半导体行业协会认为[4]，美国在全球芯片制造中的份额急剧下降，从1990年的37%下降到2020年的12%[5]，此外联邦政府对半导体研发的投资不足，削弱了美国半导体长期竞争力。为此，美国2021年颁布了名为《美国芯片法案》（CHIPS for America Act）的两党立法。它授权对国内芯片制造激励措施和研究计划进行投资。同时，美国国会还正在考虑通过《晶圆厂法案》（FABS Act），该法案将推动半导体投资税收抵免，预期范围会扩大到包括制造和设计的资本支出，以帮助加强整个半导体生态系统。

1.2 日本

日本半导体产业发展初期依赖于欧美技术，但是后期不断通过立法、政策和资金的协同作用加强集成电路自主创新与研发，走出了一条引进、消化吸收、再创新的企业发展之路。日本促进产业创新发展的主要措施有[6]：

一是通过立法和贸易保护支持本国半导体企业创新发展。从20 世纪50年代开始，日本政府先后制定了一系列振兴科技产业发展的法律法规，包括《外国投资法》、《电子工业振兴临时措施法》、《特定电子工业及特定机械工业振兴临时措施法》、《特定机械情报产业振兴临时措施法》、《科学技术基本法》等，从政府层面有效促进了以半导体为核心的信息产业的发展。日本通过设立高关税、限制半导体产品进口、限制外国资本合资和收购日本企业、控制生产许可证等多种方式来保护本国企业，扶持本国企业的创新发展。

二是财税金融优惠政策支持企业开展技术创新。日本为支持本国半导体企业进行技术研发与创新发展，出台了包括企业研究实验费的税收额扣除制度、实验研究用机械设备特别折旧制度、应用新技术的机械设备特别折旧制度和海外技术服务收入的税收扣除制度等税收和金融等优惠政策。亦通过包括资助重点发展领域的关键项目、向企业进行技术研发提供低息贷款等金融手段来支持企业发展。

三是国家资金加注促进企业研发创新，持续引导实现产业跨越发展。从1976年起，日本通过政府出资引导，陆续开展了“超尖端电子技术开发计划”、“飞鸟计划”和“未来计划”等研究项目，不断加强自主研发，构筑了日本在半导体设备和工艺领域的领先优势。此外，1975年，为促进日本银行向风险企业贷款，规定银行贷款的80%由日本通产省成立的“风险投资公司”来担保，同年日本成立“研究开发型企业育成中心”，对于具备高技术能力但是资金不足的企业，给予财务保证。以上为日本半导体企业的创新发展提供了良好的资金保障。

尽管日本在半导体制造设备、材料等上游占据较大市场份额，但在数字芯片设计、制造等方面已落后于韩国和中国台湾地区。2021年6月，日本经济产业省公布《半导体战略》[7]，该战略阐述了日本半导体产业现状、痛点和机遇，提出当前日本芯片市场份额仅占10%，如果不进行有效应对，预估2030年日本的市场份额将接近于0%，该战略认为日本应在先进工艺制造和研发、先进封装领域加大投入，并提出未来5 到10年发展目标和项目投资计划，计划由经产省牵头，由政府投入24000 亿日元（约240 亿美金），撬动日本产业界、教育界以及其他国家和地区优质资源（含IBM、ASML、台积电、IMEC 等），大力发展日本半导体产业，避免产业空心化。

1.3 韩国

韩国政府通过多渠道鼓励和促进企业不断进入半导体领域，国家集中力量不断加大在半导体领域的创新。韩国半导体产业发展是以存储器为切入点布局半导体产业，国家通过政府立法、政策引导、财政投入、税收优惠、资本环境等各方面不断加码半导体企业创新发展和营造半导体企业成长环境。韩国促进本国产业发展的主要措施有[8]：

一是政府立法和政策引导财团企业进入存储器产业，加速企业创新发展。二十世纪80年代初，韩国确立将半导体作为重点发展产业，并将存储器作为优先发展方向。韩国政府制定了《外商投资引导法》和《电子振兴法》，积极刺激国内市场需求并改善出口环境。随后制定了《1969-1976年“电子工业振兴八年计划”》，提出对企业基础设施建设以及水电等提供支持，大幅缩短半导体工厂建设周期；以国家名义给企业提供担保或低息贷款，支持金融机构为半导体企业提供融资贷款。政府立法和优惠政策为电子产品的生产确立了强有力的政府支撑体系，政府把95%的资金提供给大企业，引导韩国大企业不断加大对存储器领域的投资。

二是财政资金投入和税收优惠支持技术研发。在跟随基础上，韩国政府牵头核心技术研发攻关，推动各企业结盟研发，开展联合创新，从国家层面给予资金支持。从1986年起，韩国政府陆续将4M、64M 和256M DRAM 技术攻关列为国家项目，采取“政府出资、企业配套”模式，取得了显著成效。另外，韩国政府以国家名义给企业提供担保或低息贷款，一般贷款周期为8年，利率在2%～8%之间，低于10% 左右的商业贷款，鼓励金融机构给集成电路企业提供融资贷款，保障资金以促进持续创新发展。

三是资本市场为企业研发创新提供长期融资保障。1996年7月，韩国正式建立 KOSDAQ 市场，为大量创新企业扩宽上市融资渠道、创造直接融资渠道。在 KOSDAQ 市场激励作用下，韩国半导体企业融资环境持续改善，企业创新得到资金保障，韩国信息技术得到快速发展。半导体龙头企业三星电子于1979年在韩国证券交易所上市，早期依靠银行低息贷款获得大量融资，随后在资本市场获得大量资金投入到技术研发和产品创新中。

近年来，在三星、海力士等龙头企业支撑下，韩国在存储器、处理器、显示驱动芯片等数字芯片半导体终端产品领域获得较大份额并站稳脚跟，代工能力处于世界领先水平。然而在美日等国发布半导体战略后，韩国意识到全球半导体供应链重构带来的挑战与机遇，为巩固自身在全球供应链中的地位，韩国政府于5月13日在三星平泽工厂举行“K—半导体战略报告大会”，宣布未来10年投资510兆韩元（约4500 亿美元，2.9 万亿元人民币），外媒称为“K 半导体战略”[9]。韩国总统文在寅在会上表示，目标是将韩国建设成全球最大的半导体制造基地，引领全球的半导体供应链。

2 集成电路跨国企业成功经验

2.1 台积电

台积电1987年在中国台湾新竹科学园区成立，主要厂房分布于新竹市、台中市、台南市，是全球第一家、也是最大的集成电路代工企业。2020年，台积电集成电路代工市场份额占全球5 成以上。发展经验具体如下[10]：

（1）在模式上实现创新颠覆。台积电成立之初，全球大部分市场由英特尔、德州仪器、东芝等IDM企业垄断。台积电提出要为行业进行代工服务，台积电的模式解决了当时行业准入壁垒的问题。在起初，台积电只靠边缘订单生存，但后期随着台积电加快技术迭代速度，迫使IDM 企业难以追赶，最终实现赶超。

（2）不断扩大的资本开支筑起竞争壁垒。与其它代工企业相比，台积电的资本大幅领先，并很好地实现了资本支出与现金流的正向循环。例如，2019年台积电资本支出154 亿美元，其资本支出分别是中芯国际收入的5 倍、华虹半导体收入的16 倍。虽然物业、厂房和设备等开支多，但是台积电由于承包了全球大部分的先进制程的代工，其经营的现金流充沛，以至于不断继续投入而扩大了其发展优势。

（3）开放的投融资环境推动台积电地位上升。1983年，中国台湾地区制定了逐渐对外开放有关证券市场的政策，2004年中国台湾地区资本市场基本实现完全对外开放。台积电的代工引领使得飞利浦、德州仪器等外商来投资，带动了中国台湾地区半导体企业的快速发展，亦催生出了大量的半导体创投基金。据不完全统计，中国台湾地区的风险投资公司对台积电等半导体企业的累计投入已超过50 亿美元。2000年，英特尔市值是台积电的6 倍，2020年英特尔市值仅为台积电的一半。

2.2 英特尔

英特尔成立于1968年，1971年推出第一款商用处理器Intel 4004；半个多世纪以来，英特尔始终引领着CPU 先进技术及高性能产品的发展。公司一直坚持以IDM 模式发展，突出并不断引领着摩尔定律不断演进。发展经验具体如下：

（1）创新激励机制，最大限度挖掘人才潜力。英特尔认为对待技术创新方面的人才应区别于对待生产和销售等人才的考核方式[11]。在英特尔，技术人员有一套与管理平行且重要的晋升或发展体系，高级技术人员主导企业内部技术创新与管理，当员工需要晋升时，技术研究上升路径通畅，从而给技术人员带来充分研究与发展的平台。

（2）重视软硬件协同发展，成功推广X86 生态。微软和英特尔的紧密合作被称为“Wintel 联盟”。根据软件需求优化其硬件产品性能，改善用户对软件的使用体验，达成软硬件的捆绑，再通过软件推广绑定用户习惯，最终实现用户对其硬件产品的刚性需求。自从上世纪80年代以来，英特尔长期占据桌面和服务器CPU 市场90%以上的份额，近年来由于AMD的崛起，市场份额有所下降，但仍然超过80%。一方面各自在软硬件的优势可加速集成创新产品的推出，另一方面软硬件的结合有助于构建生态体系，进一步增强后进者进入X86 生态体系的困难程度。

（3）提出Tick-Tock 钟摆战略，以先进的工艺制程发展为基础引领CPU 升级。英特尔的Tick-Tock（工艺-架构）是其芯片技术发展战略，也被称为钟摆战略或滴答模式。Tick-Tock 主要是提升工艺、缩小晶体管、革新微架构。即通过工艺制程微缩和处理器架构革新两条路径来促进公司CPU 产品的发展，且总是交替进行[12]。一方面避免了同时革新可能带来的失败风险，另一方面持续的发展也可以降低研发的周期，并可以对市场造成持续的刺激，并最终提升产品的竞争力。

3 国际知名创新机构发展经验

纵观集成电路产业较发达的美国、欧洲、日本和中国台湾地区，都是通过开放、技术和资金合作发展的范例获得成功。政府和地区管理机构在其发展中扮演了重要推手作用。细数每一个在集成电路产业有所作为的国家和地区，无一例外地成就于宏观的规划布局、微观精准的资金扶持。

3.1 IMEC（微电子研究中心）

1984年，比利时佛兰芒地方政府为响应鲁汶大学Van Overstraeten 教授关于推动欧洲跨院校微电子研究合作的倡议，在鲁汶大学微电子系的基础上成立了非营利性组织——比利时微电子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre，IMEC）。 其人员由政府、大学和企业组成。为保持中立性且能更好地起到组织协调作用，其最高决策层-理事会的成员按政府：大学：企业=1：1：1 组成。通过产业联合项目与全球合作伙伴开展联合研究，合作伙伴需向IMEC 支付一次性项目加入费和每年度的委托项目费用；并保持合作伙伴之间共享研究费用、科研人员、知识产权、共同承担风险[13]。IMEC 保持着对产业高度的战略判断力，其定位的研究内容一般领先市场需求3~8年，主要用于攻克某项技术在产业应用之前的技术瓶颈。IMEC 研究成果大多属于战略性先导技术，通常以此为基础组建产业联合项目，这就为提升产业健康良性可持续发展奠定了良好的基础。在有成果可以商业化时，IMEC 也能够起到很好的调节作用，通过技术转让或孵化子公司的方式将其剥离，以避免与合作伙伴或客户产生商业竞争。30年来，IMEC 逐渐发展成为一个世界领先的国际化微电子研究机构，在半导体公益领域创造了无数个世界第一，为全球半导体产业技术开发、成果转化、人才培养做出了重要贡献。

3.2 工业技术研究院

中国台湾地区的工业技术研究院是一个非营利性的应用技术公共研究机构。20 世纪60-70年代，因中国台湾地区面临工业结构改造的任务，工业技术研究院应运而生。创立之初，中国台湾地区管理机构提供了充足且稳定的经费补贴。随着工研院向产业界推广科研成果、提供技术服务，补贴逐渐缩减，到1984年停止补贴。与IMEC 类似，工业技术研究院同样保持着对产业的高度战略判断力[14]，其始终以产业为导向，关注前瞻性和共性应用技术研发。同时保持着良好的组织协调性：其强调学术界和产业界错位研究，即基础研究主要由学术界承担，生产技术及配合销售由产业界承担的模式，但又保持学术界和产业界的紧密合作。为了实现产业技术升级和资源的优化配置，工业技术研究院通过技术转移、衍生公司、孵化创新企业的方式有意加大技术扩散力度。通过有效整合集聚地区管理机构、产业、科研部门、高校的力量，提升产业研发能力，带动产业上下游发展。成立30年来，工业技术研究院见证了中国台湾地区经济从以农业、手工业为主向以科技创新为主的转变。

3.3 美国电子联合体

20 世纪80年代美国集成电路的产业规模一度被日本超越，在此背景下，美国迅速组建了半导体技术产业联盟(SEMATECH)[15]。为保证联盟对产业的有效组织协调管理，通过联邦政府和成员公司五五出资的方式，集结11 家美国公司（现在有13家美国公司）致力于半导体制造工艺的研究。这种方式能够为工艺制造商和设备供应商搭建桥梁，有效地实现资源的优化配置。因为各成员公司约定，必须对合作研究的成果做进一步开发后才能真正将研究成果应用到自己的公司，因而SEMATECH 的成员公司不会担心技术秘密泄露，同时还能减少在应用研究成果时可能产生的知识产权保护问题。该联盟自1987年启动以来，经过5年的时间协助美国半导体产业重新回到产业霸主地位。

4 全球集成电路产业、技术创新趋势

4.1 产业创新趋势

5G、AI 等技术为集成电路产业发展带来新一轮发展机遇[16]。随着传统PC 市场进一步萎缩和移动智能终端需求下降，5G、AI 等新兴应用成为半导体市场重要的增长点和创新领域。5G 方面，5G 网络设备和终端发展将为芯片带来巨大的市场需求。5G时代云边端将三体协同，导致芯片在架构、物理实现等方面的创新进入加速期。AI 方面，AI 计算任务可借助GPU、FPGA、ASIC 等芯片结合软件算法实现加速，为集成电路行业带来新的市场增长空间。同时，AI 芯片与深度学习算法和特定场景融合，更进一步助力集成电路创新发展。

企业通过并购来降低创新成本趋势回升。近几年，在全球贸易摩擦不断加剧、国家保护主义抬头和各国监管机构审查日益严苛等方面的综合影响下，全球集成电路产业跨国并购难度增大。然而，摩尔定律发展趋缓导致企业研发成本的不断攀升、各企业技术与产品迭代速度加快，企业通过并购来提高技术能力，扩大产品线来促进企业创新发展趋势明显。另外，5G、人工智能与自动驾驶等领域的新企业的出现，使得各大半导体企业通过并购来布局新兴领域，促进了半导体并购回暖。

企业创新向体系化、生态化演进[17]。随着产品竞争日益加剧，企业创新竞争模式正在向体系化、生态化方向演进变革。一方面，围绕新兴领域生态布局的兼并重组活跃。例如，苹果收购英特尔的5G调制解调器业务，AMD 350 亿美元收购赛灵思。另一方面，整机和互联网等应用企业涉足上游芯片领域，打造以整机和互联网企业自身为核心的生态体系，成为企业创新发展新特征。谷歌、微软、亚马逊、Facebook、特斯拉、阿里巴巴、百度等纷纷布局自家芯片，通过定制化芯片产品，实现整机产品的差异化与系统化优势，以维持产品竞争力。

4.2 技术创新趋势

摩尔定律趋缓促进晶体管在新工艺、新材料、新结构方面创新加强[18]。晶体管特征尺寸的不断缩小使得集成电路产品性能不断提升，然而随着集成电路制程工艺不断微缩以逼近晶体管物理极限，通过工艺创新驱动摩尔定律向前发展已愈发困难。通过新工艺、新材料、新结构的创新突破继续推动行业不断进步。根据国际半导体技术蓝图（ITRS）发布的白皮书显示，一方面，器件结构（GAA 将有望取代FinFET）、光刻（将从DUV 转至EUV）和材料（金属Co 有望成为未来IC 金属层核心）等方面一系列新技术推动工艺节点继续向更小尺寸发展。另一方面，面临集成电路先进工艺特征尺寸逐渐逼近物理极限的情况，集成电路的创新与发展在新材料、新工艺和新结构等方面的创新不断突破，化合物半导体[19]、石墨烯等二维材料[20]、先进封装和异质集成[21]等围绕超越摩尔定律的融合创新成为技术发展方向[22]。随着信息化在社会生活中的全面渗透以及5G 等新技术的不断应用，集成电路产业发展正进入跨界融合、加速创新的新时期。一是在集成电路产业链内部，芯片小型化、智能化、模块化的发展趋势让三维封装等创新技术加速发展，推动集成电路前道工艺（FEOL）和后道工艺（BEOL）相互融合。二是超越摩尔时代来临，微电子学、光电子学、物理、化学、生物学、材料学等多学科与信息技术的交叉渗透日益深入，促使新型MEMS 工艺、光电器件、宽禁带半导体材料器件、碳基电子芯片、自旋量子器件、生物芯片等创新技术集中涌现，拓宽了集成电路产业技术发展方向。

云计算、大数据、5G、人工智能等新兴应用驱动集成电路技术创新多元化[24]。随着工艺制程演进放缓和传统芯片产品市场竞争日益加剧，集成电路产品差异化与定制化趋势明显，推动芯片产品未来在计算架构、开源芯片设计、工艺材料方面加速创新。传统通用计算性能的发展已远跟不上云计算、5G、人工智能等新兴领域的应用需求，数据中心和高性能计算推动处理器向异构和定制化演进。集成FPGA、CPU、GPU 等不同芯片的异构计算模式，结合处理器和存储器的存算一体等硬件架构创新有望实现计算性能和效率的大幅提升，成为技术发展的重要趋势。

图1 后摩尔时代的集成电路发展趋势[23]Fig.1 Roadmap for integrated circuits：“More Moore” and “More-than-Moore”

5 经验总结与展望

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崛起均得益于对半导体产业关键共性技术的组织或工程模式的建立。以上几种模式之所以影响和改变集成电路产业，主要得益于这些关键共性技术组织：（1）对产业自主创新具有极强的组织协调能力，通过政府和企业相结合的形式对产业自主创新进行有效的协调；（2）对产业自主创新具有高度的战略判断力和决策力，其研究的内容多数定位超前当前技术n（n ≥2）代；（3）对产业要素配套具有极强的保障，在共性组织取得产业化进展后，其都能够快速地进行产业化转化，实现资源的优化配置。目前，集成电路技术与产业发展已进入新岔路口，新材料、新架构、新工艺“百花齐放”，我国应充分吸收世界先进做法和成功经验，寻求在集成电路领域的创新突破。

利益冲突声明

所有作者声明不存在利益冲突关系。