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美国芯片业的这套操作,中国能否借鉴?

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【文/观察者网专栏作者 金钟】

1981年,一直领先世界的美国芯片厂商第一次在内存芯片市场上输给了日本企业:日本在内存芯片(64K-DRAMs)上的全球市场份额首次超过美国。到了1987年,日本在该市场上所占的份额达到了80%。

来自日本的竞争威胁,让美国的芯片行业感到了严重的危机感。但是美国本土企业在竞争压力下被迫削减成本,连研发资金也经常被砍掉。同时大学里缺少半导体相关专业,后备人才匮乏。1982年初,全美大学里半导体相关专业的研究生总数还不到100人。

之后的历史大家都已经知道了,美国对日本的反击在我们以前的文章里曾经详细地讨论过:在《广场协议》之外,美国采取反倾销、征收关税、以及贸易协议等等方式对日本芯片行业进行了严厉打击。

要知道,美国打压日本的外交措施我们了解之后可以准备预防措施,但是中国很难模仿和复制这些外交手段。而对美国内部如何推动芯片产业研发的政策措施却是可以采取“拿来主义”的态度,从中选出适合中国国情的部分加以调整运用在国内的产业科研体制上。

1982年,美国多家芯片企业联合设立了Semiconductor Research Corporation(以下简称SRC)。经过近四十年的发展,SRC的会员目前有20多家芯片企业,包括AMD,英特尔,台积电,高通,三星等等。当前SRC的资金资助了1200多名研究生进行半导体相关方向的科研,历史累计资助的研究生数量则达到了12000人的规模。

SRC设立的初衷是通过企业投资和政府拨款,共同分担一部分美国半导体企业的科研投入。在70年代末80年代初,美国芯片企业面临日本的竞争,各企业为了控制成本,不得不开始控制研发投资,而许多企业互相提防,又导致大家针对类似的科研项目重复投资。于是,一部分企业决定联合起来共同出资聘请大学和科研机构的科学家来承接企业急需的科研项目,而这些科研项目的知识产权或者专利在参与成员企业之间免费共享,对成员以外的企业则会收取正常的专利使用费。

后来SRC又争取到美国政府投资,这样各个企业的投入又起到了杠杆作用,争取到了更多的研发资金。而由于美国大学和研究所的科研项目的实际动手人很多都是在读的研究生,通过大笔新增科研资金的吸引和实用性科研项目的考验,参与SRC的芯片企业也为自己招聘大量高素质的技术工程师和科研人员找到了一个理想的渠道。

SRC最初的成员都是美国企业,其目的是为了在和日本半导体竞争的“国战”中取胜。到了90年代后期,美国终于赢得了半导体产业竞争胜利的时候,SRC开始放开会员资格,接纳美国之外的芯片企业的加入。


当地时间9月9日,拜登出席俄亥俄州英特尔新芯片工厂的奠基仪式。图片来源:彭博社

SRC资助的科研项目跟一般大学科研院所的科研项目有什么差别呢?

SRC发现那些基础性科研和具有长期战略意义的研究往往更适合由大学研究所自主进行,或者是各个芯片大企业内部单独推进。SRC内部有一个技术指导委员会,组成人员都是各个芯片企业的中层技术骨干。他们定期开会,确定研究项目内容和研发资金的投入方向,然后他们对于研发项目进度及时跟进和反馈,当科研人员做出成果之后,这个技术指导委员会的成员会对项目成果进行评估,确保科研成果可以及时应用在企业生产之上。

同时,由于这些骨干从科研项目的立项到研发到成果评估都在一直跟进,他们所在的企业也会在第一时间掌握这个科研项目产生的任何进展,这使得科研成果可以迅速地在会员企业之间传播开来,对生产力形成最大的促进。

由于这些企业技术骨干在科研资金的使用上具有决定性的话语权,SRC科研有非常强的实用性导向。绝大部分研究课题如果不能在一两年内产生立竿见影的实际效果,比如改进生产线的效率或者提高工艺良率,那么SRC往往就会决定中止和这些研究学者的合作项目。而那些成功解决了企业当前技术难关的大学教授和研究所科学家们,则会持续不断地得到新的研发资金的支持,形成一个良性循环。

1997年时,全美81所高校中共有212名教授参与了当年的SRC研究项目。今天,美国半导体领域的学术界研究者,大多数都和SRC有过合作研发的经历。

在SRC成立5年后,14家美国芯片制造企业在1987年又联合成立了the Semiconductor Manufacturing Technology Consortium (以下简称SEMATECH)。这个SEMATECH组织和SRC类似,也是各个会员企业联合出资,带动政府投资就芯片制造工艺进行共同研发。

到了1990年前后,SEMATECH将研发投资重点转移到美国的芯片制造供应链的设备和原料的科研投资上,又联合几十家美国芯片产业链上的供应商组成了相应的联盟与SEMATECH深度合作。这样做的一个主要目的就是建立一个完全由美国制造的先进芯片设备供应链。

SEMATECH的研发投资模式与SRC类似,但是由于制造业生产线的重资产特性,SEMATECH的投资规模和人力投入都比SRC要大得多。他们的运行模式也是由会员企业的技术骨干组成了相应的技术指导委员会,将芯片制造业提升工艺和产品创新过程中对于设备和原料的新要求分解成众多技术环节,向供应链联盟企业以及大学和科研机构寻求技术解决方案,并与供应链企业一起分担新设备、新原料、新工艺的研发和制造资金。

SEMATECH有自己的示范性生产线来验证新开发的各种芯片制造设备、工艺和原料,甚至要求会员企业“出租”相关技术骨干在SEMATECH全职工作2-3年来跟进各个研发项目。

当然,SRC和SEMATECH在1990年代后期之后,由于当时全球化趋势的影响,逐渐淡化了自身的国界标签,进化成为一个国际性合作组织。在国内面临逆全球化威胁的今天,这两个组织在80年代和90年代前半段的经验教训更加值得我们参考。

同样的,日本和欧洲也曾经成立过类似的全行业联合研发体制,其中日本(Very Large Scale Integration consortium, VLSI)的成功经验和欧洲(Joint European Sub-micro Silicon Initiative,JESSI)的失败教训也值得我们仔细研究,限于篇幅,这里就不再赘述。

今天,中国芯片行业面临的许多挑战和1980年代的美国芯片企业有着相似之处。

受到企业营收规模有限的限制,中国芯片企业的研发资金依旧不足。同时,国内半导体方面的大学教育和科研也是刚刚过上好日子,就在五六年前,半导体相关专业毕业的学生还大量转行码农,也就是最近两三年它才成为热门专业。许多新开设半导体专业的学校存在着积累不够的问题,培养的研究生从数量到质量都与国外顶尖高校有着差距。

这两个问题几乎就是1980年代初美国芯片企业面临的困境的翻版。当然,1980年时的美国芯片企业在全球十大芯片企业中占了六席,他们那时的生存状态还是好过当前国内企业的。

国内芯片企业面临的问题其实也是许多国内产业在发展初期都遇到过的共同问题,如果给予足够的时间来调整,这些问题都会在发展中逐渐解决。但是关键就在于当中国芯片企业刚刚露出一些有所起色的苗头的时候,就已经面临着被人压制的风险。

因此,我们需要尽快建立一个立足整合国内科研资源,为芯片设计、制造产业以及整个国产供应链的所有企业研发提供支持的联合研发机制。

神威·太湖之光”超级计算机使用的国产芯片特写 新华社发

国内目前已经有芯片企业和个别高校之间组成的研发合作项目,但是这些都是个别高校和个别企业之间的小规模合作,与美国那样的全国全行业的大规模统合型合作相差甚远。

比如说由学校和研究所主导的研发合作更多的着眼于远期前瞻性研发和理论突破。而由于国内半导体产业的落后处境,我们目前还处于赶超国外先进水平的阶段,相关企业面临的挑战更多集中在中短期的工艺工程方面的问题和困难,美国SRC与SEMATECH的经验更适合解决企业生产中面临的科研困难。

与美国的经验不同,在国内建立类似联合研发的机制首先需要中央政府出面协调企业和科研机构,尤其是涉及整个产业链上的不同地区、不同产业、不同部门的众多单位,只有中央政府有能力协调组织起来。其次,联合研发的资金除了参与企业投入之外,主要的资金来源还是需要国家投资。最后,在资金使用的监督和监察防范舞弊方面的职责毫无疑问也需要中央政府部门领头承担。

联合研发如果想要做出成果,关键条件就是需要由芯片企业和供应链企业的具体技术主管们来主导课题选择和成果评审。以往由学术界和政府主导的科研投资,往往重视论文发表和引用,实验室条件下做出一个样品通过其他学术专家的评审就算是课题成功了。但是这些学术研究成果转化成工业界实际产能的比率较低。

而由企业技术骨干来确定投资项目和评审研发成果,就是尽可能保证这些研发成果可以尽快投入使用,解决芯片及设备行业在实际生产和技术升级时面临的工艺、工程难关。而大学和研究所参与这些项目研发的研究生们,有了更贴近实用的研究经验,他们会比之前更适合企业科研的需要,既有助于学生就业,也有助于提高企业研发能力。

这样一个联合研发的机制必须是覆盖整个芯片产业链的,不但包括芯片制造和设计行业,而且包括芯片制造设计设备、软件以及原材料生产行业。因此,承担研发项目的大学和科研机构也将包括电子、化工、机械、精密仪器、光学、软件开发等等众多专业和领域。而研究成功的技术解决方案也可以在参与企业之间免费推广,迅速促成研发成果的落地和传播。而从提高大学研究人员的参与积极性出发,除了研发资金的支持,他们解决企业技术难关的贡献也应当成为职称评定中的参考标准。

面对外国封锁和别人持续加大的投资力度,国内已经不能再继续依靠各个地区和部门小团体单独作战,现在急需要将国内有限的科研人力和资源统合起来,拧成一股绳,以解决企业面临的最急切的技术缺口。

过去中国有过类似的研发协调机制,比如在制造原子弹和火箭的时候,国内都协调全国资源组织了类似的专项研发体制。现在国内的经济条件和可以动员的资源总量同60年前相比,可谓是天差地别。而美国SRC 的先例也给我们提供了充分的经验教训。

他山之石可以攻玉,美国SRC体制从正式提议到第一笔科研资金发放总共经历了两年时间,希望国内能够发挥自身的独特优势,尽快建立起一个可以统合所有科研资源的有效动员体制,让国家投资可以取得最大的回报,让中国自己的芯片产业链获得更快的发展。

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