張曉沛 余和軍 李少帥

（1．天津工業(yè)大學(xué)馬克思主義學(xué)院，天津300387；2．中國(guó)科學(xué)院學(xué)部工作局，北京100864；3．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100083；4．國(guó)土資源部土地整治中心，北京100035）

1 引言

技術(shù)路線圖，作為一種“使決策者在未來(lái)科技發(fā)展遠(yuǎn)景上達(dá)成一致的工具，其過(guò)程就是確認(rèn)、評(píng)估和選擇各種戰(zhàn)略上的可能性，使這種可能性可以實(shí)現(xiàn)已有的科技目標(biāo)?！保?］基于技術(shù)路線圖制定的發(fā)展規(guī)劃，目標(biāo)更加明確、路徑更加清晰、可操作性更強(qiáng)，因此，近年來(lái)很多國(guó)家和組織都采用了這種方法來(lái)規(guī)劃科技發(fā)展、制定政策戰(zhàn)略。

國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖（International Roadmap for Devices and Systems，IRDS）［2］的前身，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）［3，4］由美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合日本、歐洲、韓國(guó)、臺(tái)灣的半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)制作，旨在評(píng)估和把握全球半導(dǎo)體工業(yè)未來(lái)15年的技術(shù)走向，為企業(yè)和學(xué)術(shù)團(tuán)體的研發(fā)策略提供指導(dǎo)。多年來(lái)，該路線圖總結(jié)提煉的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展規(guī)律得到了全球半導(dǎo)體從業(yè)者的廣泛認(rèn)可，成為業(yè)內(nèi)人士的必讀之物和引證最多的權(quán)威文獻(xiàn)。同時(shí)也是多個(gè)國(guó)家相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃或者重大項(xiàng)目計(jì)劃的重大參考。它通過(guò)前瞻產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)，引導(dǎo)各國(guó)將創(chuàng)新資源配置到最需要解決的產(chǎn)業(yè)重大問(wèn)題和行業(yè)瓶頸問(wèn)題中，實(shí)際發(fā)揮了規(guī)劃引領(lǐng)的重要作用。

本文在分析和研究此路線圖誕生背景、內(nèi)容選擇、組織結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)借鑒路線圖方法做好規(guī)劃戰(zhàn)略研究、提升科技規(guī)劃水平提出思考和建議。

2 IRDS／ITRS的內(nèi)容選擇和規(guī)律趨勢(shì)

自1945年計(jì)算機(jī)誕生、1958年集成電路發(fā)明以來(lái)，半導(dǎo)體工業(yè)沿著摩爾定律指出的方向飛速發(fā)展［5］。1992年SIA率先編寫(xiě)了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（National Technology Roadmap for Semiconductor，NTRS），以總結(jié)行業(yè)發(fā)展規(guī)律、辨析行業(yè)發(fā)展方向、避免點(diǎn)錯(cuò)“科技樹(shù)”。1998年，由SIA提議，邀請(qǐng)ESIA（歐洲半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)）、JEITA（日本電子和信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)）、KSIA（韓國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)）和TSIA（臺(tái)灣半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)）參加，對(duì)NTRS進(jìn)行了更新完善，形成了1999年發(fā)表的第一版ITRS，之后每2年更新一次，截至2015年，累計(jì)發(fā)布了9個(gè)版本。之后，由于摩爾定律趨于極限，大量新材料出現(xiàn)、新型SOC（System on Chip）芯片商用以及傳統(tǒng)半導(dǎo)體計(jì)算轉(zhuǎn)向移動(dòng)設(shè)備、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等泛半導(dǎo)體領(lǐng)域，ITRS升級(jí)為 IRDS，于2017年首次發(fā)布［2］。

IRDS與ITRS都分為摘要版、詳細(xì)版以及總體路線圖技術(shù)特征總表ORTC（Overall Roadmap Technology Characteristics，ORTC）。摘要版主要供高層決策者閱讀，從器件、系統(tǒng)集成、制造等宏觀板塊總結(jié)行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)；詳細(xì)版供企業(yè)和科研人員參考，從系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、前道工藝技術(shù)、后道工藝技術(shù)、使能技術(shù)等產(chǎn)業(yè)鏈具體環(huán)節(jié)展開(kāi)分析；ORTC為關(guān)鍵核心技術(shù)點(diǎn)。由此從戰(zhàn)略到技術(shù)，從面、鏈、點(diǎn)給出面向未來(lái)15年的發(fā)展規(guī)劃，為從業(yè)人員提供從發(fā)展藍(lán)圖、技術(shù)路線到戰(zhàn)略選擇的指引。

同時(shí)，路線圖還不斷引入新章節(jié)以更好反映技術(shù)發(fā)展新態(tài)勢(shì)和行業(yè)發(fā)展新動(dòng)向［3，4］。例如上面提到的“系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)”章節(jié)于2001年增加，“新興器件”章節(jié)于2005年增加，“新興材料”章節(jié)和“擴(kuò)展摩爾定律”于2007年增加，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）也于2011年獨(dú)立成章。之后，IRDS重新劃分章節(jié)，2017年版本包括綜合摘要、應(yīng)用標(biāo)桿、系統(tǒng)與構(gòu)架、外部系統(tǒng)連接、超越摩爾、制造集成、光刻、新興材料、場(chǎng)增強(qiáng)、計(jì)量學(xué)、環(huán)境安全健康和可持續(xù)、虛擬計(jì)量白皮書(shū)等章節(jié)。

縱觀20多年來(lái)的ITRS和IRDS報(bào)告可以看出，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展有基本明確的邏輯和主線，在ITRS時(shí)期以摩爾定律為主，引領(lǐng)業(yè)界往更小的特征尺寸、更高的集成度、更低的價(jià)格方向發(fā)展，其本質(zhì)是CMOS技術(shù)集成度的提高。在IRDS時(shí)期，器件特征尺寸縮小至10納米以下以致將達(dá)到電子衍射極限并將出現(xiàn)量子效應(yīng)的挑戰(zhàn)，進(jìn)一步降低尺寸、提高芯片上晶體管數(shù)量的周期已經(jīng)延長(zhǎng)到30個(gè)月及更多，摩爾定律難以為繼，半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向降低芯片功耗、擴(kuò)展芯片功能等方面，對(duì)市場(chǎng)而言，由于技術(shù)的壟斷化，無(wú)論ITRS時(shí)期還是IRDS時(shí)期半導(dǎo)體市場(chǎng)都呈現(xiàn)越來(lái)越集中的態(tài)勢(shì)，后發(fā)國(guó)家追趕并分享市場(chǎng)“蛋糕”的難度已經(jīng)越來(lái)越大。

圖1 ITRS和IRDS揭示的半導(dǎo)體行業(yè)主要發(fā)展趨勢(shì)Fig．1 Main trends of semiconductor industry revealed by ITRS and IRDS

3 IRDS／ITRS的組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式

1）組織結(jié)構(gòu)

IRDS／ITRS的組織機(jī)構(gòu)主要包括執(zhí)行委員會(huì)即國(guó)際路線圖委員會(huì)（IRC）、區(qū)域和國(guó)際技術(shù)工作組（TWGS／ITWGS）以及管理辦公室，其組織機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IRDS／ITRS的組織機(jī)構(gòu)圖Fig．2 IRDS／ITRS's organization chart

IRC的職責(zé)是對(duì)IRDS／ITRS進(jìn)行決策和指導(dǎo)，并研究決定內(nèi)容提綱及分工、重大技術(shù)選擇，并制定ORTC，其職責(zé)類(lèi)似于實(shí)體組織的理事會(huì)。IRC成員由來(lái)自五個(gè)國(guó)家和地區(qū)的十余位專(zhuān)家組成。

區(qū)域和國(guó)際技術(shù)工作組（TWGS／ITWGS）負(fù)責(zé)具體的技術(shù)研究和路線圖撰寫(xiě)，由1000多位來(lái)自不同地區(qū)的科學(xué)家、工程師、行業(yè)研究者組成；以IRDS／ITRS的分工任務(wù)為牽引，形成縱橫交叉、有機(jī)結(jié)合的矩陣式結(jié)構(gòu)；工作中經(jīng)常通過(guò)專(zhuān)題研討會(huì)、視頻會(huì)等分享交流、爭(zhēng)辯探討、達(dá)成共識(shí)，因此最終形成的研究成果是在全球芯片制造商、設(shè)備供應(yīng)商、研究團(tuán)體的共同努力下，眾多行業(yè)專(zhuān)家群體智慧的結(jié)晶。

IRDS／ITRS管理辦公室是該項(xiàng)目的全球樞紐，負(fù)責(zé)管理路線圖的進(jìn)展、信息更新與發(fā)布等“穿針引線”與推動(dòng)落實(shí)工作。辦公室設(shè)在由多家芯片制造商和設(shè)備商組成的國(guó)際技術(shù)組織Sematech（Semiconductor Manufacturing Technology Research Consortium，其成立的目的是通過(guò)多家公司參與，共同資助新技術(shù)研究，分擔(dān)創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)，減少研發(fā)成本，共享研究成果）。

2）運(yùn)行模式及特點(diǎn)

IRDS／ITRS是世界行業(yè)協(xié)會(huì)組織主導(dǎo)，任務(wù)導(dǎo)向下的跨區(qū)域、跨領(lǐng)域分工協(xié)作項(xiàng)目。項(xiàng)目運(yùn)行者包括常設(shè)的工作人員與兼職專(zhuān)家。常設(shè)工作人員負(fù)責(zé)信息收集、進(jìn)度管理、宣傳等支撐和服務(wù)保障，兼職專(zhuān)家來(lái)自各會(huì)員單位，包括管理者、企業(yè)家和學(xué)者，主要發(fā)揮研究分析和前瞻指引的作用，是研究編制IRDS／ITRS的主體。項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)來(lái)自各成員單位的出資，而獲得ITRS成果和相關(guān)信息數(shù)據(jù)則成為出資者的“權(quán)利”之一。

ITRS的突出特點(diǎn)還體現(xiàn)在：

（1）“核心—衛(wèi)星”模式。ITRS及IRDS均由美國(guó)提出和主導(dǎo)，無(wú)論是技術(shù)的先進(jìn)性還是市場(chǎng)規(guī)模，美國(guó)都是半導(dǎo)體領(lǐng)域絕對(duì)的“領(lǐng)頭羊”，數(shù)十年來(lái)美國(guó)企業(yè)半導(dǎo)體銷(xiāo)售始終占全球一半左右，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，因此當(dāng)1990年代SIA提出ITRS的想法時(shí)，很容易就吸引到了歐洲、日本、韓國(guó)、臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)的參與，因而形成了一家主導(dǎo)、多家參與的“核心—衛(wèi)星”的運(yùn)作模式。

（2）廣泛的協(xié)同性。IRDS／ITRS成員單位近1300家，從區(qū)域數(shù)量分布看，美國(guó)大致占55%，歐洲占10%，日本占17%，韓國(guó)占5%，中國(guó)臺(tái)灣占13%。從產(chǎn)業(yè)鏈分布看，芯片制造商677家，占53%；設(shè)備、材料供應(yīng)商263家，占20%；研究所、大學(xué)等274家，占21%；其他性質(zhì)的成員占6%。充分體現(xiàn)了國(guó)家和區(qū)域間制造商、供應(yīng)商、學(xué)術(shù)界、投資界以及政府等產(chǎn)學(xué)研之間以及產(chǎn)業(yè)鏈上中下游間廣泛的協(xié)同。由于攀錯(cuò)“科技樹(shù)”代價(jià)昂貴，半導(dǎo)體企業(yè)很難游離于主流技術(shù)路線之外生存，因此雖然處于同一產(chǎn)業(yè)鏈位置的企業(yè)在市場(chǎng)上存在競(jìng)爭(zhēng)，但在技術(shù)方面融入主流、抱團(tuán)前進(jìn)便是他們基于利益和發(fā)展的選擇。

（3）規(guī)劃周期的技術(shù)合理性。由于半導(dǎo)體技術(shù)飛速更新?lián)Q代，IRC因此決定ITRS每偶數(shù)年修訂，每奇數(shù)年發(fā)布新版，相當(dāng)于每?jī)赡晖瞥鋈碌囊?guī)劃版本，以跟上技術(shù)發(fā)展節(jié)奏，準(zhǔn)確把握和指導(dǎo)本領(lǐng)域的發(fā)展。同時(shí)，它不是出于管理部門(mén)的工作安排比如逢五逢十作出規(guī)劃，而是依據(jù)技術(shù)確定路線圖的跨度。比如ITRS的研究表明，過(guò)去十年中革新了CMOS晶體管制造工藝的絕大多數(shù)創(chuàng)新，如應(yīng)變硅、高κ值／金屬柵極工藝、多柵晶體管等，早在其應(yīng)用于CMOS工藝之前10～15年就出現(xiàn)了，因此它把路線圖的目標(biāo)跨度定為15年，只評(píng)估未來(lái)15年的技術(shù)走向，這種科學(xué)性決定了其在行業(yè)的權(quán)威價(jià)值。

（4）突出的科學(xué)性和引領(lǐng)性。ITRS是技術(shù)路線圖，也是體現(xiàn)行業(yè)技術(shù)發(fā)展走勢(shì)的技術(shù)戰(zhàn)略規(guī)劃，必須以技術(shù)為“皮”、以科學(xué)為“筋”，其中包含大量的技術(shù)生產(chǎn)上升曲線、量產(chǎn)提升曲線、技術(shù)轉(zhuǎn)移趨勢(shì)等圖表，這是基于大量數(shù)據(jù)擬合分析的結(jié)果，指引著半導(dǎo)體技術(shù)沿著摩爾定律、按比例縮小定律、擴(kuò)展摩爾定律（MtM）等技術(shù)內(nèi)在邏輯發(fā)展，從而為絕大多數(shù)公司決定未來(lái)1～2年的研發(fā)投資和生產(chǎn)安排提供決策參考。

4 對(duì)我國(guó)器件與系統(tǒng)規(guī)劃的啟示和對(duì)策建議

1）積極參與國(guó)際合作，學(xué)習(xí)科技規(guī)劃先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)

通過(guò)近30年的實(shí)踐，IRDS／ITRS項(xiàng)目組織已經(jīng)積累了豐富的組織管理經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，歐洲、日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣等參與其中，無(wú)論在本國(guó)本地區(qū)規(guī)劃制定還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面都獲益良多。

我國(guó)作為半導(dǎo)體行業(yè)的重要市場(chǎng)，多年來(lái)一直沒(méi)有參與到IRDS／ITRS的相關(guān)工作中，已然錯(cuò)失了先機(jī)。半導(dǎo)體領(lǐng)域目前也已成為我國(guó)最重要的短板之一，在2018年受到美國(guó)挑起的貿(mào)易戰(zhàn)的嚴(yán)重威脅［6］。因此，我國(guó)應(yīng)設(shè)法參與到IRDS等國(guó)際組織牽頭的工作中，深入學(xué)習(xí)積累世界發(fā)達(dá)國(guó)家的行業(yè)技術(shù)規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，先學(xué)習(xí)后趕超，進(jìn)而指導(dǎo)我國(guó)規(guī)劃制定和科技發(fā)展。

2）適時(shí)發(fā)起國(guó)際合作軟科學(xué)項(xiàng)目

隨著我國(guó)綜合國(guó)力和科技實(shí)力的增加，我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)日益廣泛地參與到熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）、平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡（SKA）等國(guó)外發(fā)起的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃與工程中。2018年3月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于印發(fā)積極牽頭組織國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程方案》的通知（國(guó)發(fā)〔2018〕5號(hào)）［7］，鼓勵(lì)我國(guó)科學(xué)家按照“國(guó)際尖端、科學(xué)前沿，戰(zhàn)略導(dǎo)向、提升能力，中方主導(dǎo)、合作共贏，創(chuàng)新機(jī)制、分步推進(jìn)”的原則提出和牽頭組織大科學(xué)計(jì)劃。時(shí)機(jī)成熟時(shí)，建議我國(guó)在半導(dǎo)體芯片及相關(guān)領(lǐng)域牽頭組織類(lèi)似IRDS／ITRS的國(guó)際合作項(xiàng)目，以推動(dòng)建立由我國(guó)主導(dǎo)、符合我國(guó)戰(zhàn)略利益又多方共贏的創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，提升和鞏固我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)際地位。

3）借鑒IRDS／ITRS的思路和方法進(jìn)行科技規(guī)劃

路線圖的制定體現(xiàn)了眾多專(zhuān)家對(duì)科技發(fā)展前沿的宏觀分析與判斷，通過(guò)路線圖能夠明確未來(lái)學(xué)科以及產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)、方向、重點(diǎn)、關(guān)鍵問(wèn)題、時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以及實(shí)施路線圖的建議配套政策和途徑。比如，ITRS自發(fā)布之初即聚焦的基本問(wèn)題就是，為保證半導(dǎo)體工業(yè)沿著摩爾定律或其他有跡可循的規(guī)律繼續(xù)發(fā)展，需要匹配什么樣的技術(shù)能力以及時(shí)間表？路線圖要包含哪些內(nèi)容，才能正確引導(dǎo)半導(dǎo)體工業(yè)未來(lái)10～15年的發(fā)展？

因此，在新一輪（2020—2035）國(guó)家中長(zhǎng)期科技規(guī)劃中［8］，可以借鑒 IRDS／ITRS的模式，重點(diǎn)針對(duì)我國(guó)仍然落后的半導(dǎo)體芯片等戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域開(kāi)展工作，根據(jù)行業(yè)技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展態(tài)勢(shì)，合理確定規(guī)劃周期，組織專(zhuān)家深入研究從而在規(guī)劃中提出前瞻的科學(xué)思想、優(yōu)化的路徑選擇、“卡脖子”的技術(shù)瓶頸等路線圖基本內(nèi)容和要素。

4）科技規(guī)劃應(yīng)長(zhǎng)期重視并動(dòng)態(tài)調(diào)整

以往，我國(guó)制定和出臺(tái)的很多規(guī)劃包括科技規(guī)劃往往是“一次性的”，即把規(guī)劃制定當(dāng)成一個(gè)短期行為，對(duì)規(guī)劃的實(shí)施效果缺乏持續(xù)跟蹤和動(dòng)態(tài)調(diào)整。在科技發(fā)展日新月異的今天，這種做法的弊端顯而易見(jiàn)。

因此，有必要以新一輪中長(zhǎng)期科技規(guī)劃為契機(jī)，選取半導(dǎo)體等若干領(lǐng)域?yàn)樵圏c(diǎn)，持續(xù)進(jìn)行規(guī)劃研究；更加重視技術(shù)預(yù)見(jiàn)過(guò)程而不是形成規(guī)劃文本的結(jié)果；在技術(shù)預(yù)見(jiàn)過(guò)程中鍛煉形成一支科技戰(zhàn)略研究隊(duì)伍；通過(guò)長(zhǎng)期關(guān)注和積累，建立完善行業(yè)產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)、提升凝練重大關(guān)鍵科技問(wèn)題的水平；規(guī)劃發(fā)布后還要根據(jù)規(guī)劃實(shí)施效果和科技發(fā)展態(tài)勢(shì)，及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整和完善規(guī)劃內(nèi)容，確?？萍际冀K沿著正確的方向前進(jìn)。

5）科技規(guī)劃制定應(yīng)突出科學(xué)引領(lǐng)和協(xié)同創(chuàng)新

制定科技規(guī)劃的目的在于引領(lǐng)科技發(fā)展，科學(xué)性始終是科技規(guī)劃之魂，正如IRDS／ITRS的科學(xué)性來(lái)自數(shù)千專(zhuān)家的集體智慧和眾多數(shù)據(jù)。我國(guó)制定科技規(guī)劃特別要注意兩點(diǎn)，一是要發(fā)揮專(zhuān)家群體而非政府科技管理部門(mén)的主體作用，二要注意科技規(guī)劃制定不是編寫(xiě)材料的文字性工作，而是對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行綜合分析和研究判斷的過(guò)程，因此必須突出研究定位和創(chuàng)新導(dǎo)向，最終發(fā)揮出權(quán)威的前瞻指引作用。

同時(shí)，科技規(guī)劃必須技術(shù)與戰(zhàn)略并重，因此需要有管理、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、金融等多方面專(zhuān)家參與，通過(guò)不斷溝通研討、磋商交流形成智慧共識(shí)。在新一輪中長(zhǎng)期科技規(guī)劃制定中，還可以借鑒IRDS／ITRS模式，發(fā)揮中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)、集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟等組織的作用，構(gòu)建“決策指導(dǎo)—專(zhuān)家智庫(kù)—工作機(jī)構(gòu)”三位一體的組織體系，廣泛組織科技管理專(zhuān)家、技術(shù)專(zhuān)家和企業(yè)家參與，并組建專(zhuān)兼職結(jié)合的管理—研究—支撐隊(duì)伍，在規(guī)劃制定中實(shí)現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新。