王守武：中国半导体科学事业的“拓荒者”
陈丽娟 吕科伟
王守武(1919.3.15—2014.7.30)，江苏苏州人，半导体器件物理学家，中国科学院学部委员(院士)。1945年赴美国普渡大学深造，1946年获硕士学位，1949年获博士学位。1950年归国。1960年加入中国共产党。曾任中国科学院半导体研究所副所长(兼任109厂厂长)、微电子研究所名誉所长。曾荣获国家科技进步奖二等奖，多次获得中国科学院科研成果一等奖和科技进步奖二等奖，以及何梁何利基金科学与技术进步奖。
王守武是我国半导体研究的“拓荒者”、半导体事业的奠基者之一。他在研究与开发中国半导体材料、半导体器件及大规模集成电路方面作出了重要贡献，是我国第一台单晶炉、第一根锗单晶、第一只锗晶体管、第一只激光器的研制者与组织领导者。他的这些成就，为我国半导体科技事业的发展奠定了坚实基础。
留学美国，后以“难民”身份回国
少年时期的王守武，正值国家风雨飘摇之际，战争的阴霾与民生的疾苦深深触动了他。1930年，年仅11岁的他在《民智》第11期上发表《我们现在和将来的责任》，字字铿锵，呼唤“诸位朋友，你们要救中国……还愿将来努力救国、努力富国、努力强国”，不仅映照出那个时代青年学子的共同心声，更展现了他个人的壮志凌云，那就是求得真学问，用所学救国、富国、强国。1945年，王守武赴美普渡大学攻读工程力学，硕士毕业后继续深造，于1949年2月获博士学位，并应普渡大学工程力学系主任之聘任土木系助教。在攻读博士期间，他于1948年5月与同窗葛修怀女士喜结连理。婚后，王守武家成为普渡大学中国留学生交流祖国近况的聚集地，邓稼先便是常客之一。同时，作为芝加哥中国留美科学工作者协会普渡分会的干事，邓稼先积极传播国内信息，动员留学生回国建设。受邓稼先影响，王守武也频繁参与留美科协活动，并计划回国参加建设，贡献自己的力量。
1950年，随着朝鲜战争的爆发，中美之间关系趋于严峻紧张。面对局势，王守武毅然放弃教职回国，决定用所学去建设自己的祖国。然而，当时中美尚未建立正式外交关系，护照办理遭遇难题。后来，他通过留美科学工作者协会得知，印度驻美使馆受新中国政府委托处理中美民间事务。
1950年7月，王守武以“回乡侍奉孤寡母亲”为由，以二哥王守融来信为证，通过印度驻美使馆协助，办理了以难民身份回国的相关手续。9月，王守武夫妇满怀报国热情与科学梦想，抱着未满周岁的女儿，搭乘“威尔逊总统号”客轮从旧金山启程回国。10月，抵达香港，经转深圳，回到苏州。在王守武一家的行李中，有几个沉甸甸的箱子，里面装满了工具和零部件，包括变压器、电钻、万用电表等。王守武回忆说，“1950年回国的时候，我没有什么打算，只是觉得新中国刚成立，想为国家建设做点贡献。……干什么都可以，什么都能干”。
披荆斩棘，受命拓荒半导体研究
王守武回国初期即敏锐洞察到国际半导体科学的新动态，预言“半导体放大器的进一步发展将全面地革新电子学设备的面貌，在国民经济上的意义极为重大”。20世纪50年代，全球半导体产业方兴未艾，中国尚属空白。1956年，王守武与其他上千名科学家，共同参加周恩来总理亲自主持的“全国十二年科学技术发展远景规划的讨论会”。在讨论阶段，王守武与施汝为、黄昆等科学家力陈发展半导体科学技术的重要性及其对我国工农业和国防的重大意义。后来，《1956—1967年科学技术发展远景规划》将半导体科学技术列为四项紧急措施之一。中国科学院迅速响应，成立我国首个半导体研究室，并任命王守武为主任，开启了我国半导体研究的先河。
接受任务后，王守武当即中断其他科研项目，全身心投入半导体研究的拓荒工作。他不仅通过科学报告会等形式积极普及半导体知识，强调其在国民经济中的关键作用，还亲自参与并指导实验，推动研究深入。从1956年至1960年，半导体研究室在王守武的带领下取得了显著成果：成功研制出我国首根锗单晶、合金结锗晶体管、金键二极管，并实现了锗单晶的实用化。同时，还拉制出我国第一根硅单晶，并推动其实用化进程。此外，还成功研制出我国首支锗合金扩散高频晶体管，为科技发展奠定了坚实基础。
原中国科学院党组书记、副院长张劲夫在回忆时谈到：“……第二代计算机出来了，晶体管的，科学院半导体所搞的。从美国回来搞半导体材料的林兰英和科学家王守武、工程师王守觉两兄弟，是他们做的工作。第二代计算机，每秒数十万次，为氢弹的研制作了贡献。”
1960年，受命筹建中国科学院半导体研究所，半导体研究所正式成立后被任命为副所长，负责全所科技业务管理和分支学科的组建工作。1962年，美国用砷化镓半导体材料制成了第一只激光器，在世界上产生了广泛而深远的影响。王守武敏锐地抓住时机，开始组织半导体所向这一方向进行探索。1963年，他组建了半导体激光器研究室，先后领导并参与了中国第一台半导体激光器的研制，实现半导体激光器的连续激射，并开展半导体负阻激光器以及激光应用的研究工作，为我国在这个领域的技术进步奠定了基础。
挂帅攻克集成电路成品率难关
集成电路，即通常所说的“芯片”，是将电路所需的晶体管、二极管、电阻、电容等元件集成在微小半导体硅片上的电子器件。1964年，中国半导体所成功研制出首批集成电路，但至20世纪70年代，我国在该领域的研制与生产已远落后于国际水平。彼时，国内仅少数单位能仿制出每片近千位的大规模集成电路样品，且成品率极低，难以投入实际生产。
面对这一严峻挑战，1977年邓小平在全国自然科学学科规划会议上明确提出：“一定要把大规模集成电路搞上去”。响应中央号召，中国科学院随即展开深入研究，然而进展缓慢，半导体所超净线团队虽全力以赴，4千位大规模集成电路的成品率问题仍未得到有效解决。鉴于此，1978年10月，中国科学院决定邀请王守武全面负责提升集成电路成品率的任务，以期在这一关键领域取得突破。
王守武上任后重新组织人员，调来了包括吴德馨在内的一批技术骨干，着手分析成品率低的原因。从稳定工艺入手，组织研究人员逐一改进、稳定设备。然后对使用的原材料和试剂进行分析提纯，以达到可使用的指标。最后，建立了一套操作规程和管理制度，并要求严格执行。到1979年9月，他们做出的三种版图的大规模集成电路样品的成品率都提高到了20%以上，达到了预定目标。该项研究为解决我国大规模集成电路管芯成品率问题提供了宝贵经验，于1980年获得中国科学院科技成果奖一等奖。
王守武后来兼任中国科学院109工厂厂长职务，开展4千位大规模集成电路的推广工作，从事提高成品率、降低成本的集成电路大生产试验。他大胆采用最新工艺和无显影光刻技术，以一个电视机用的集成电路品种进行流片试生产，一次就取得了芯片成品率达50%以上的可喜成果，比国内其他研制单位的成品率高出三四倍。这一成就赢得了1985年中国科学院科技进步奖二等奖，后被授予国家级科技进步奖。1987年，王守武凭借深厚的专业底蕴与前瞻视野，提出的“世界新技术革命和我国的对策”荣获国家科学技术进步奖二等奖。1990年，王守武在给政协第七届全国委员会第三次会议提案时指出，“要想发展我国的微电子工业，光靠引进是不行的”“想从西方国家引进先进的微电子技术和装备纯属幻想”“我们必须以自力更生为主来加速发展我国的微电子工业”。这些建议彰显了他的远见卓识，以及对国家科技自立自强的担当和情怀。
王守武不仅致力于科研创新，还兼任多所高校的重要职务，深切关爱后辈，为中国半导体与集成电路事业培养了大量杰出人才。
“半世纪半导体从无到有半生精力献祖国，一辈子一个劲日以继夜一往追求无止境，一生间勤奋耕耘满腹智慧众人称，八十年清风飞渡世上荣辱从不争。”这是弟弟王守觉院士在王守武八十岁生日时题写的贺词。它深刻描绘了王守武为我国半导体科学事业奋斗一生的历程，也是他对党、国家、人民和科学事业无限忠诚的生动写照。
比“两弹一星”更难？一文读懂中国半导体发展8大困境
作者 | 骆军委
整理 | 胡珉琦
经过半个多世纪的发展，半导体已经长成为一个巨人，1美元半导体产品可以撬动100美元GDP。
上个月，美国两党参议院先后提出《为半导体生产建立有效激励措施》《美国晶圆代工业法案》，呼吁投入370亿美元以维护本土半导体战略竞争优势。
资本和研发投入对保持半导体行业的竞争力至关重要。而中国要想爬上这个巨人的肩膀，眼前要迈过的坎不只是钱和研发这么简单。
中科院半导体研究所研究员、半导体超晶格国家重点实验室副主任骆军委和中科院院士李树深曾花了10个月的时间进行调研，摸清了中国半导体科技发展的真实现状，以详实的数据和资料阐述了当下国内半导体科技面临的八大困境。
困境1：历史积累厚、技术更新快
2015年，作为全球手机芯片霸主的高通宣布进军服务器芯片市场，并正式对外展示了其首款服务器芯片，不到3年就遭遇重重挫折而退出；从2010年到2019年，英特尔在移动芯片努力了十年，但始终未能撼动高通的地位，最终先后放弃了移动处理器和手机基带芯片两大业务，告别了移动市场。
这两个例子告诉我们，即使是财大气粗的高通和英特尔，想要在半导体领域拓展新的市场，都是九死一生。半导体并不是有钱就能干的。
半导体产品的特点是性能为王、市场占有率为王。它一方面需要长期的历史积累，另一方面还要应对技术的快速更迭。
常有人把半导体研究与两弹一星作比较，认为中国人能做出两弹一星这样的尖端科技，半导体也理应如此。但人们忽视了，两弹一星技术一旦掌握，自我更新速度较慢。半导体是按照摩尔定律高速发展的，单位芯片晶体管数量每18个月增长一倍。
在半导体领域，落后一年都不行。一步慢，步步慢！
困境2：研发成本大、进入门槛极高
国际半导体大公司的平均研发投入长期保持在营业额的20%。2016年，研发支出大于10亿美元的全球半导体公司有13家，前十名的投入总计353.95亿美元，其中英特尔高达127亿美元，2019年增长为314亿美元。
困境3： 产业链条长，拥有最尖端的制造水平
在过去半个世纪里，以8个诺贝尔物理学奖12项发明为代表的研究成果奠定了半导体科技。要支撑半导体技术顶层应用，从材料、结构、器件到电路、架构、算法、软件，缺一不可。
从沙子到芯片，总共有6000多道工序，前5000道工序是从沙子到硅晶片。目前，中国12英寸硅晶片基本依赖进口，无法自主生产。
有了硅晶片之后，集成电路产线中的芯片制造又有300多道工序，其中100道与光刻机相关。光刻工艺是半导体制程中的核心工艺，也是尖端制造水平的代表。一套最先进的阿斯麦nxe3350B EUV光刻机售价为1.2亿美元，并且是非卖品。
另外，半导体芯片制造涉及19种必须的材料，大多数材料具有极高的技术壁垒。日本在半导体材料领域长期保持着绝对的优势，硅晶圆、化合物半导体晶圆、光罩、光刻胶、靶材料等14种重要材料占了全球50%以上的份额。像光刻胶这样的材料，有效期仅为三个月，中国企业想囤货都不行。
中国的化学很强，化工却很弱。目前，国内芯片制造领域所有的化学材料、化工产品几乎全部依赖进口。
困境4：受到世界主要发达国家的技术限制
1美元半导体产品可以撬动100美元GDP，任何国家都想牢牢抓住这一产业。根据美国半导体工业协会的预测，增加1美元半导体科研经费，可以使GDP提高16.5美元，这样的投入很“划算”。
1986年，日本超越美国成为世界第一大半导体生产国，美国为了打压日本，一方面出台各种政策鼓励其国内企业研发制造，另一方面在1986年签订了《美日半导体协议》，限制日本半导体对美国的出口，同时要求日本必须进口20%的半导体产品，从而在1992年重新夺回世界第一大半导体生产国的地位。
如今，美国面对竞争者同样是步步紧逼。
2017年，白宫出台《确保美国在半导体行业长期领先地位》的报告，包括美国总统科技和政策办公室主任以及各大半导体企业、投资机构、咨询公司CEO和科研机构顶级专家组成的工作组，提出了一系列建议和措施。
其中就包括：建立新的机制，让企业的专家参与半导体政策和挑战；成倍增加政府投入半导体相关领域的研究经费；实施企业税收政策改革；实施包括通用量子计算机、全球天气预测网、实时生化恐怖袭击探测网等一些列“登月”挑战计划来促使半导体技术的创新。
尤其值得注意的是，报告还提到，要动用国家安全工具应对中国的企业政策；加强全球出口控制和内部投资安全（防止中国产生独有技术）。
困境5：人才短缺严重、 学科 发展不平衡
迄今为止，半导体领域的8个诺贝尔物理学奖12项发明绝大部分来自美国。美国半导体研发的特点是自下而上，从半导体物理、材料、结构、器件逐步上升到应用层面，专业设置和人才队伍非常完整。
中国则恰恰相反，是自上而下。优先关注应用层面，比如集成电路、人工智能，然后才开始局部往下延伸。它带来的根本问题是，投资和研发经费层层截留，越往底层的基础研究越拿不到经费，人才蓄水池很小，于是造成了严重的学科发展不平衡。
我们通过中美高校专业设置对比便可以清楚地看到这一深层问题。
1997年，教育部取消了半导体物理专业。在美国，材料与器件专业是整个半导体领域的核心专业，而我国甚至没有设置该专业。目前，国内只有少量研究组在从事半导体材料与器件相关研究。
再看高校人才培养数量的比较。
我国微电子专业的本科生、硕士生、博士生与美国电子工程专业的学生数量完全不在一个量级。值得注意的是，2015年，美国电子工程专业有52940名硕士生入学，拿到硕士学位的只有15763名，也就是说它淘汰了大量“低水平”学生。而在中国，入学人数本就少，淘汰也少。
总体来看，高校培养半导体学科人才的中美对比是1比6。美国经过半个多世纪的发展，已经积累起了上百万的半导体人才，而我们可以说是人才凋零，仅有的人才大部分集中在集成电路设计领域，真正能够从事半导体材料和器件研究的是稀缺品。
困境6：科研评价机制不利于半导体等核心技术的发展
半导体基础研究尤其独特的地方在于，半导体虽然离应用近，能支撑人类社会和国家安全，但是课题繁多、研究分散，设备依赖大、研究成本高、进入门槛极高，研发周期长，得坐上十年甚至二十年的冷板凳。以至于在中国很少有人愿意投身这个领域。
半导体研究还有一个隐蔽性。目前国内工业界普遍以为，不需要基础研究也能发展半导体产业，这是因为以铜替换铝、高K绝缘层、绝缘衬底SOI、应变硅技术、鳍式3D晶体管、环绕栅级晶体管等延续摩尔定律的重大发明为代表的大量基础研究成果，全部汇集在美国公司提供的EDA软件和工艺设计套件（PDK）里。然而，会设计根本不代表掌握了核心技术。一旦受到设备、软件、材料等封锁，就立刻陷入被动。
我们从来没有建立起独立的半导体专业体系，如今却有很多新兴学科声称与半导体相关，实际上无法支撑半导体基础研究。
在新型热门材料领域，研究论文可以在Science、Nature及其子刊、AM（IF>25）发表，但在传统半导体领域，一台800万的必备研发设备MBE，一年的运行费用就高达150万，相应的论文产出也许只是每年一篇APL（IF=3.5）。
如果没有国家的引导、激励，任由科研人员做选择，结果是显而易见的。
困境7：研发投入不足、创新链条断裂
美国长期以来在半导体研发中投入了巨额资金。1978年，美国政府投入半导体研发经费是10亿美元，企业投入4亿美元，现在每年联邦政府投入17亿美元，而企业投入则高达400亿美元。
美国半导体企业协会（SIA）目前仍在积极游说政府加大半导体研发投入。它建议：联邦政府对半导体研发的资助将在未来五年内增加2倍达到51亿美元，联邦政府对半导体相关研究的资助将在未来五年内增加一倍达到86亿美元。如此，便可以增加1610亿美元的GDP，创造近50万个新就业岗位，加强美国半导体行业全球领导地位。
通过中美半导体研发投入的比较，差距十分显著。2015年，仅美国企业在半导体领域的研发投入（554亿美元）就超过了我国中央财政全部的科技研发支出（2899.2亿元，其中基础研究经费670.6亿元）。
以中国自然基金委的资助为例，其信息科学部2019年面上项目、青年科学基金项目、重点基金项目、优青基金项目中，半导体科学、光学和光电子学资助占比在2~4.6%之间，半导体总计投入5亿元左右，占整个基金委经费投入的2~3%。
由于国内半导体企业普遍比较弱小，因此研发支出也是捉襟见肘。
令人担忧的是，一直以来我国大型企业投入研发的意愿是非常薄弱的。据欧盟统计，2014年世界2500强企业，研发投入总计5385亿欧元，美国占比是36%，欧盟是30.1%，日本是15.9%，而我国企业只占3.7%。在2014年，中国有100家企业入围世界500强，研发投入占比应该达到20%。
目前，我国半导体研发投入不及美国的5%，这一现状背后还要谨防一个陷进。
美国政府在非国防研发的投入从上世纪60年代占GDP1.8%，下降到2008年的0.8%，2012年的0.7%。
一方面，美国政府的大量半导体研发投入不在这一比例之内，另一方面，美国已经完成了从高校和科研机构到企业的研发转移，前者以前沿基础探索研究为主。
因此，在我国企业研发还非常薄弱的阶段，就不能对照美国政府的科技支出进行分配。
困境8：缺乏知识产权保护
除了产品山寨，半导体行业离职创业进行同质化竞争的现象普遍存在，以至于谁都得不到利润，更没有机会向高端技术领域拓展。
有些大企业看重研究所的研发技术，就通过招聘毕业生的方式“得到”技术。这种竭泽而渔的做法，无法反哺基础研究，实际上也阻碍了真正的成果转化。
上世纪，美国半导体物理研究占凝聚态研究50%以上的课题，美国物理学会期刊PHYSICAL REVIEW B四个大类中一半是半导体方向，到了2019年则取消了半导体方向，半导体论文大幅削减，因为半导体研究已经十分成熟，该领域论文很难再获得较高的引用。
如果中国照样模仿，以为半导体基础研究不再重要，那就大错特错了。
我们在2019年以前，数理学部几十个研究方向中没有“半导体”三个字，2020年开始才把半导体基础物理纳入了聚凝态物理学部的14个方向之一。
中国要发展半导体，没有捷径可走。必须把历史的欠账还上，逆世界科技潮流，发展半导体基础研究。这需要各行各业的理解和支持，特别是学科设置、人才培养、经费投入和评价机制的改善。
能够支撑未来人工智能、量子计算、先进无线网络这些顶层应用的，是一个完整的半导体技术层级体系。我们只有夯实基础，掌握了半导体现有的技术体系，并在有潜力的环节奋起攻关，形成自己的技术突破，获得一定的技术话语权，才可能在国际竞争中有立足之地。
于此同时，我们可以投入一定比例为将来的技术做储备，但如果我们避重就轻，对准将来的技术和应用蜂拥而上，放弃成熟的技术体系而不顾，这其实是一种赌博，因为将来的技术通常要经历很多失败。
过去，人们说买房是爱国！
现如今，
宣传半导体就是爱国！
支持半导体就是爱国！
研究半导体就是爱国！
投资半导体就是爱国！
投身半导体就是爱国！
（《中国科学报》记者胡珉琦根据骆军委在中科院半导体所“半语-益言”系列讲座中的报告《我国发展半导体科技所面临的困境》整理而成）
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