2023年5月26日，由中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合部署、學(xué)科領(lǐng)域知名院士專家共同研究編撰的《中國集成電路與光電芯片2035發(fā)展戰(zhàn)略》正式發(fā)布，該報(bào)告是“十四五”國家重大出版工程“中國學(xué)科及前沿領(lǐng)域2035發(fā)展戰(zhàn)略叢書”的分冊(cè)之一。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)正在加速崛起。未來的競(jìng)爭(zhēng)重心將逐漸從硬件制造向整體解決方案和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。中國如何適應(yīng)這種變革？該報(bào)告將為相關(guān)政府部門和企業(yè)單位制定發(fā)展戰(zhàn)略提供有力參考，也必將指引和幫助廣大科技工作者推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，服務(wù)于產(chǎn)業(yè)升級(jí)和產(chǎn)品優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)我國信息產(chǎn)業(yè)的自主可控發(fā)展和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提高做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

集成電路與光電芯片的科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值

自 1958 年第一個(gè)集成電路問世以來，以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的集成電路芯片技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。集成電路是微電子學(xué)的主要研究對(duì)象和代表性產(chǎn)品，以集成電路為基礎(chǔ)的信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為世界第一大產(chǎn)業(yè)。集成電路元器件組成的功能芯片可以將外界信息按照指令需求采集、獲取并進(jìn)行一系列的處理和執(zhí)行。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，人們可以選擇不同的元器件集成組裝成各種應(yīng)用設(shè)備，如用于快速讀存信息的固態(tài)硬盤主要由非易失性存儲(chǔ)元器件構(gòu)成，照相機(jī)的成像部分通過電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）來實(shí)現(xiàn)圖像傳感等。面向不同應(yīng)用的半導(dǎo)體元器件構(gòu)成的集成電路芯片在過去幾十年的發(fā)展歷程中完全改變了人類的生活方式。信息交互、貨幣流通、醫(yī)療娛樂等逐漸從?20?世紀(jì)的實(shí)體方式轉(zhuǎn)變成更加虛擬和數(shù)字化的方式。由于新冠疫情的暴發(fā)，公共衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)升高，視頻會(huì)議和線上溝通成為面對(duì)面社交的替代方案，直播和電商購物改變了單一的實(shí)體店購物模式，線上問診和虛擬游戲逐漸分流了一大部分的面診患者和肢體運(yùn)動(dòng)類游戲用戶?？梢哉f，集成電路技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了集成電路應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大?；诩呻娐返膽?yīng)用豐富了信息獲取的多樣性（聽覺、視覺、觸覺）、信息存儲(chǔ)的綜合性（文字、數(shù)據(jù)、圖像、音頻、視頻）、信息處理的復(fù)雜性（大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能）和信息傳輸?shù)臅r(shí)效性與廣域性，開創(chuàng)了全新全面革命的信息時(shí)代。

為了實(shí)現(xiàn)速度更快、能耗更低、應(yīng)用更廣的芯片功能，在過去的幾十年里，產(chǎn)業(yè)界一直通過晶體管微縮化來完成這一技術(shù)目標(biāo)。然而，隨著集成電路特征尺寸逼近工藝和物理極限，一方面，人們依然沿用以往的技術(shù)路線，通過引入極紫外光刻等尖端技術(shù)，晶體管尺寸得以進(jìn)一步按比例微縮化，同時(shí)借助三維（3D）集成等技術(shù)繼續(xù)提升集成電路芯片算力；另一方面，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代和人工智能時(shí)代的到來，人們也開始探索能夠滿足更高算力、更低能耗需求的新型架構(gòu)和工藝技術(shù)。為滿足大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)而產(chǎn)生的非馮·諾依曼架構(gòu)芯片、人工智能產(chǎn)業(yè)催生的類腦芯片以及完全顛覆比特概念的量子超算芯片等技術(shù)成為集成電路發(fā)展的新方向。同時(shí)，光電芯片經(jīng)過長期的技術(shù)積累也已經(jīng)開始在信息產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用，尤其是通信產(chǎn)業(yè)中的光通信芯片已經(jīng)成為極其重要且不可或缺的部分。光電芯片的核心技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)化能力，即半導(dǎo)體材料可以通過吸收光子而產(chǎn)生電子，也可以通過電子的湮滅而發(fā)射光子。相比純電子芯片，以硅基光電芯片、Ⅲ?-?Ⅴ族半導(dǎo)體光電芯片及柔性光電芯片為代表的光電芯片在信息處理、光學(xué)傳感和顯示方面具有傳輸處理速度更快、更為靈敏和功耗更低等顯著優(yōu)點(diǎn)。這些核心光電芯片，配合高速驅(qū)動(dòng)、讀出、放大和時(shí)鐘電路等，通過高精度、高可靠性的光電耦合封裝技術(shù)，形成功能模塊或子系統(tǒng)，應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算機(jī)、汽車自動(dòng)駕駛、家用機(jī)器人、電信設(shè)備等大量既提高國家硬實(shí)力，又顛覆性地改變?nèi)藗兩畹拿裼妙I(lǐng)域，并最終形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。為了滿足信息技術(shù)向大容量、低功耗、集成化與智能化方向發(fā)展的新需求，多功能材料體系異質(zhì)集成、光電融合集成和多維度?/?多參量?/?多功能?/?高效率調(diào)控及可重構(gòu)成為光電芯片發(fā)展的主流方向。

集成電路與光電芯片技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的基石，對(duì)提升國家綜合實(shí)力和保障國家安全具有極為重要的戰(zhàn)略意義。在信息技術(shù)強(qiáng)國普遍對(duì)我國實(shí)行嚴(yán)厲技術(shù)封鎖和打壓的國際環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)我國集成電路與光電芯片自立自強(qiáng)，在關(guān)鍵技術(shù)方面重點(diǎn)突破并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)集成電路產(chǎn)業(yè)的自主可控發(fā)展是我國當(dāng)前的重大戰(zhàn)略需求。根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2021?年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模超過?5560?億美元，同比增長超過?26.2%，達(dá)到近十年來最大增幅。我國擁有全球最大的半導(dǎo)體產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)，國內(nèi)芯片進(jìn)口額連續(xù)?6?年超過?2000?億美元，2021?年集成電路進(jìn)口額突破?4000?億美元，同比增長?23.6%（WSTS，2021）。2014?年，工信部發(fā)布了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，對(duì)我國高端集成電路技術(shù)發(fā)展目標(biāo)做了明確部署。近些年，我國集成電路產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展。賽迪智庫集成電路研究所統(tǒng)計(jì)，2021?年，不包括設(shè)備材料，我國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到?9666?億元。集成電路出口方面，由于全球產(chǎn)能緊缺，加上我國若干新建產(chǎn)線投產(chǎn)，2021?年我國集成電路出口額超過?1500?億美元。但是，從技術(shù)上來講，我國面臨的形勢(shì)是復(fù)雜和嚴(yán)峻的。我國高端半導(dǎo)體器件、集成電路與光電芯片的進(jìn)口量仍然很大，自主研發(fā)的微電子、光電子器件和芯片核心技術(shù)積累仍顯不足。在目前技術(shù)封鎖的國際形勢(shì)下，我國在集成電路芯片和光電芯片技術(shù)方面的滯后已經(jīng)影響到我國部分產(chǎn)業(yè)的安全。2015?年?3?月美國商務(wù)部開始對(duì)我國采取限制出口措施，2018年?8?月美國“2018?財(cái)年國防授權(quán)法案”禁止美國政府機(jī)構(gòu)和承包商使用我國的某些技術(shù)，2019?年?5?月美國商務(wù)部將我國部分公司列入“管制實(shí)體名單”，禁止美國企業(yè)向這些公司出售相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品；之后國外集成電路芯片設(shè)計(jì)制造商、供應(yīng)商、電信運(yùn)營商和金融機(jī)構(gòu)陸續(xù)暫停了與進(jìn)入“管制實(shí)體名單”公司的業(yè)務(wù)合作。集成電路與光電芯片確實(shí)是各國高科技產(chǎn)業(yè)博弈的重點(diǎn)和焦點(diǎn)，也是高新技術(shù)的核心和關(guān)鍵。未來集成電路與光電芯片的發(fā)展將直接決定我國的經(jīng)濟(jì)命脈，只有掌握集成電路與光電芯片領(lǐng)域的一系列核心技術(shù)，迅速提升半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)品的自主研發(fā)和生產(chǎn)能力，才能擺脫我國高端器件和芯片受制于人的局面。

集成電路與光電芯片的發(fā)展趨勢(shì)

集成電路工業(yè)水平和規(guī)模是一個(gè)國家綜合國力的標(biāo)志，也是大國戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。目前我國集成電路與光電芯片產(chǎn)業(yè)從材料、設(shè)備、工藝到設(shè)計(jì)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（electronic design automation，EDA）工具都面臨諸多問題，不能完全支撐國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、國家信息安全，以及國防裝備的快速發(fā)展。進(jìn)入后摩爾時(shí)代，雖然硅集成電路制造技術(shù)在器件特征尺寸上按比例縮小的進(jìn)度變緩或終將停止，但是通過新技術(shù)的引入，集成電路算力仍將持續(xù)提升，繼續(xù)推動(dòng)整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。集成電路相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)仍然是信息領(lǐng)域最核心的技術(shù)，并可能產(chǎn)生更多新的難題。光電芯片向著超高速、集成化與智能化方向發(fā)展，以支撐小尺寸、高速率、低功耗、集成化和智能化信息技術(shù)的發(fā)展。集成電路與光電芯片技術(shù)的發(fā)展將會(huì)帶來更多的挑戰(zhàn)，未來發(fā)展呈現(xiàn)如下趨勢(shì)。

（1）當(dāng)前集成電路技術(shù)已進(jìn)入后摩爾時(shí)代，如何通過集成電路設(shè)計(jì)、新型材料和器件的顛覆性創(chuàng)新使芯片的算力按照摩爾定律的速度提升，是后摩爾時(shí)代的一個(gè)主要技術(shù)趨勢(shì)；自旋、多鐵、磁等技術(shù)將引起存儲(chǔ)芯片的技術(shù)變革。

（2）芯片算力正從通用算力向?qū)Ｓ盟懔ρ莼?，體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新正逐漸從通用的優(yōu)化到專用的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，通過發(fā)展?jié)M足專用應(yīng)用場(chǎng)景下的芯片技術(shù)（如接近零功耗的電路設(shè)計(jì)、近似計(jì)算、可重構(gòu)計(jì)算、模擬計(jì)算、異構(gòu)計(jì)算等），實(shí)現(xiàn)算力的大幅提升。

（3）EDA?正面臨重要變革機(jī)遇，集成電路制程進(jìn)入納米尺寸（小于5nm）時(shí)會(huì)產(chǎn)生量子效應(yīng)，整個(gè)晶體管需要用量子力學(xué)（如密度泛函、離散傅里葉變換）方法來描述。EDA?的龍頭企業(yè)新思科技已經(jīng)提前布局了量子力學(xué)工具；同時(shí)，芯片設(shè)計(jì)方法學(xué)從傳統(tǒng)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)質(zhì)量但設(shè)計(jì)周期長，變革到重視敏捷性和易用性，通過半年甚至更短的時(shí)間完成一個(gè)成熟芯片的迭代，以及人工智能和?EDA?算法的結(jié)合，將可能大幅減少人工參與而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成。

（4）量子芯片、類腦智能芯片將引起巨大的技術(shù)變革，利用集成電路加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子信息的操控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具有量子信息處理功能的芯片；構(gòu)造類生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的半導(dǎo)體器件，制造類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信息表達(dá)處理機(jī)制的芯片和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)類腦感知與認(rèn)知，是通往通用人工智能的一條重要可行路線，是連通信息科學(xué)、腦科學(xué)、數(shù)理科學(xué)的樞紐。（5）跨維度異質(zhì)異構(gòu)集成和封裝技術(shù)將實(shí)現(xiàn)量子芯片、類腦芯片、3D?存儲(chǔ)芯片、多核分布式存算芯片、光電芯片、微波功率芯片等與通用計(jì)算芯片的巨集成，徹底解決通用和專用芯片技術(shù)向前發(fā)展的功耗瓶頸、算力瓶頸并實(shí)現(xiàn)其功能拓展。（6）面向低功耗、小尺寸、IoT/5G/6G?的需求，發(fā)展光電子與微電子融合及混合集成技術(shù)；突破集成光電子的物理與材料局限的異質(zhì)異構(gòu)光電子集成和?3D?集成技術(shù)，發(fā)揮光電子與微電子技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，提升光電芯片的性能，增強(qiáng)光電子?-?微電子集成器件的信息感知和信息處理能力。（7）發(fā)展智能光子信號(hào)處理技術(shù)，在光域?qū)崿F(xiàn)超寬帶、超高速與智能化信號(hào)處理技術(shù)，包括可編程光子集成芯片、傳輸與運(yùn)算相融合的處理芯片、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片等技術(shù)。（8）發(fā)展全頻譜陣列集成技術(shù)，滿足復(fù)雜業(yè)務(wù)和通信帶寬需求，頻譜涵蓋微波到紅外乃至太赫茲的范圍。（9）發(fā)展柔性光電子技術(shù)，將光電子器件制作在柔性?/?可延展基板上，滿足更多新型應(yīng)用的需求，如柔性光顯示、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)?/?虛擬現(xiàn)實(shí)（augmented?reality/virtual reality，AR/VR）與光感知等。

在“十五”到“十三五”期間，我國通過國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（簡(jiǎn)稱?863?計(jì)劃）、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（簡(jiǎn)稱?973?計(jì)劃）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家重大科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金等科技項(xiàng)目在集成電路與光電子技術(shù)研究方面逐步加大了投入：一是基礎(chǔ)研究水平突飛猛進(jìn)，一批有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新材料、新器件、新結(jié)構(gòu)成果和關(guān)鍵技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位；二是制造工藝取得長足進(jìn)步，以中芯國際、長江存儲(chǔ)、弘芯半導(dǎo)體等為代表的制造企業(yè)具備了較強(qiáng)的芯片加工能力和研發(fā)能力；三是以華為、紫光、寒武紀(jì)、海光、龍芯等為代表的芯片設(shè)計(jì)公司開始在世界市場(chǎng)上掌握一定的話語權(quán)；四是通過引進(jìn)和培養(yǎng)，建立了一支具有豐富經(jīng)驗(yàn)和開拓創(chuàng)新精神的微電子與光電子研究隊(duì)伍。我國集成電路與光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)過臥薪嘗膽，從基礎(chǔ)研究到大規(guī)模制造，從產(chǎn)業(yè)規(guī)模到人才規(guī)模已經(jīng)初步具備了國際競(jìng)爭(zhēng)能力。

面向?2035?年，為了解決我國集成電路芯片與光電芯片的發(fā)展痛點(diǎn)，需要體現(xiàn)國家意志和新型舉國體制，持續(xù)加大集成電路芯片與光電芯片領(lǐng)域的科技創(chuàng)新投入；加強(qiáng)中高端芯片的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)和產(chǎn)品化生產(chǎn)，持續(xù)快速提升芯片的國產(chǎn)化率；優(yōu)化芯片產(chǎn)業(yè)生態(tài)，構(gòu)建長效戰(zhàn)略合作機(jī)制；不斷加強(qiáng)國際合作，以利于我國集成電路芯片和光電芯片的不斷發(fā)展。

本文摘編自《中國集成電路與光電芯片2035發(fā)展戰(zhàn)略》，編寫組組長為中國科學(xué)院院士郝躍，標(biāo)題和內(nèi)容有調(diào)整。

內(nèi)容簡(jiǎn)介當(dāng)前和今后一段時(shí)期將是我國集成電路與光電芯片技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期和攻堅(jiān)期，加強(qiáng)自主集成電路與光電芯片技術(shù)的研發(fā)工作，布局和突破關(guān)鍵技術(shù)并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)集成電路產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展是我國當(dāng)前的重大戰(zhàn)略需求?！吨袊呻娐放c光電芯片?2035?發(fā)展戰(zhàn)略》面向?2035?年探討了國際集成電路與光電芯片前沿發(fā)展趨勢(shì)和中國從芯片大國走向芯片強(qiáng)國的可持續(xù)發(fā)展策略，圍繞上述相關(guān)方向開展研究和探討，并為我國在未來集成電路與光電芯片發(fā)展中實(shí)現(xiàn)科技與產(chǎn)業(yè)自立自強(qiáng)，在國際上發(fā)揮更加重要作用提供戰(zhàn)略性的參考和指導(dǎo)意見。本書為相關(guān)領(lǐng)域戰(zhàn)略與管理專家、科技工作者、企業(yè)研發(fā)人員及高校師生提供了研究指引，為科研管理部門提供了決策參考，也是社會(huì)公眾了解集成電路與光電芯片發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)的重要讀本。

編寫組組長簡(jiǎn)介

郝躍，1958年出生于重慶市，籍貫安徽阜陽，中國科學(xué)院院士，西安電子科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院教授，中華全國歸國華僑聯(lián)合會(huì)常委、陜西省歸國華僑聯(lián)合會(huì)第八屆委員會(huì)主席，長期從事寬禁帶半導(dǎo)體高功率微波電子學(xué)領(lǐng)域的研究和人才培養(yǎng)。