國際器件與系統路線圖對我國科技規劃的啟示
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張曉沛,余和軍,李少帥. 國際器件與系統路線圖對我國科技規劃的啟示[J].世界科技研究與發展, doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2018.06.003.
張曉沛（天津工業大學馬克思主義學院）
余和軍（中國科學院學部工作局）
李少帥（中國地質大學土地科學技術學院，國土資源部土地整治中心）
摘要：對國際器件與系統路線圖（IRDS）及其前身國際半導體技術發展路線圖（ITRS）的誕生背景、內容選擇、組織結構、運作模式及特點進行分析和研究，總結凝練其在組織和內容方面可供借鑒的經驗啟示。建議我國積极參与國際合作、學習科技規劃制定的先進經驗；適時提出和主導軟科技類重大國際合作項目；在制定新一輪中長期科技發展規劃時，對半導體晶元等戰略必爭領域採取研究編製技術路線圖的模式和方法，發揮多領域專家主體作用；持續進行科技規劃研究，合理安排規劃周期，及時調整規劃內容；突出科學引領和協同創新，使得規劃達到科學前瞻、指引發展的功能。
關鍵詞：IRDS; ITRS；技術路線圖；科技規劃
doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2018.06.003
1 引言
技術路線圖，作為一種「使決策者在未來科技發展遠景上達成一致的工具，其過程就是確認、評估和選擇各種戰略上的可能性，使這種可能性可以實現已有的科技目標。」基於技術路線圖制定的發展規劃，目標更加明確、路徑更加清晰、可操作性更強，因此，近年來很多國家和組織都採用了這種方法來規劃科技發展、制定政策戰略。
國際器件與系統路線圖（International Roadmap for Devices and Systems，IRDS）的前身，國際半導體技術發展路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）由美國半導體工業協會聯合日本、歐洲、韓國、台灣的半導體工業協會製作，旨在評估和把握全球半導體工業未來15年的技術走向，為企業和學術團體的研發策略提供指導。多年來，該路線圖總結提煉的半導體產業技術發展規律得到了全球半導體從業者的廣泛認可，成為業內人士的必讀之物和引證最多的權威文獻。同時也是多個國家相關產業規劃或者重大項目計劃的重大參考。它通過前瞻產業技術發展態勢，引導各國將創新資源配置到最需要解決的產業重大問題和行業瓶頸問題中，實際發揮了規劃引領的重要作用。
本文在分析和研究此路線圖誕生背景、內容選擇、組織結構、運行模式及特點的基礎上，對我國借鑒路線圖方法做好規劃戰略研究、提升科技規划水平提出思考和建議。
2 IRDS/ITRS的內容選擇和規律趨勢
自1945年計算機誕生、1958年集成電路發明以來，半導體工業沿著摩爾定律指出的方向飛速發展。1992年SIA率先編寫了美國國家半導體技術發展路線圖（National Technology Roadmap for Semiconductor，NTRS），以總結行業發展規律、辨析行業發展方向、避免點錯「科技樹」。1998年，由SIA提議，邀請ESIA（歐洲半導體工業協會）、JEITA（日本電子和信息技術工業協會）、KSIA（韓國半導體工業協會）和TSIA（台灣半導體工業協會）參加，對NTRS進行了更新完善，形成了1999 年發表的第一版ITRS，之後每2年更新一次，截至2015年，累計發布了9個版本。之後，由於摩爾定律趨於極限，大量新材料出現、新型SOC（System on Chip）晶元商用以及傳統半導體計算轉向移動設備、大數據、雲計算等泛半導體領域，ITRS升級為IRDS，於2017年首次發布。
IRDS與ITRS都分為摘要版、詳細版以及總體路線圖技術特徵總表ORTC（Overall Roadmap Technology Characteristics, ORTC）。摘要版主要供高層決策者閱讀，從器件、系統集成、製造等宏觀板塊總結行業發展態勢；詳細版供企業和科研人員參考，從系統驅動、前道工藝技術、後道工藝技術、使能技術等產業鏈具體環節展開分析；ORTC為關鍵核心技術點。由此從戰略到技術，從面、鏈、點給出面向未來15年的發展規劃，為從業人員提供從發展藍圖、技術路線到戰略選擇的指引。
同時，路線圖還不斷引入新章節以更好反映技術發展新態勢和行業發展新動向。例如上面提到的「系統驅動」章節於2001年增加，「新興器件」章節於2005年增加，「新興材料」章節和「擴展摩爾定律」於2007年增加，微電子機械系統（MEMS）也於2011年獨立成章。之後，IRDS重新劃分章節，2017年版本包括綜合摘要、應用標杆、系統與構架、外部系統連接、超越摩爾、製造集成、光刻、新興材料、場增強、計量學、環境安全健康和可持續、虛擬計量白皮書等章節。
縱觀20多年來的ITRS和IRDS報告可以看出，半導體行業的發展有基本明確的邏輯和主線，在ITRS時期以摩爾定律為主，引領業界往更小的特徵尺寸、更高的集成度、更低的價格方向發展，其本質是CMOS技術集成度的提高。在IRDS時期，器件特徵尺寸縮小至10納米以下以致將達到電子衍射極限並將出現量子效應的挑戰，進一步降低尺寸、提高晶元上晶體管數量的周期已經延長到30個月及更多，摩爾定律難以為繼，半導體領域發展的重點轉向降低晶元功耗、擴展晶元功能等方面，對市場而言，由於技術的壟斷化，無論ITRS時期還是IRDS時期半導體市場都呈現越來越集中的態勢，後發國家追趕並分享市場「蛋糕」的難度已經越來越大。
3 IRDS/ITRS的組織結構和運行模式
1）組織結構
IRDS/ITRS的組織機構主要包括執行委員會即國際路線圖委員會（IRC）、區域和國際技術工作組（TWGS/ITWGS）以及管理辦公室，其組織機構如圖2所示。
IRC的職責是對IRDS/ITRS進行決策和指導，並研究決定內容提綱及分工、重大技術選擇，並制定ORTC，其職責類似於實體組織的理事會。IRC成員由來自五個國家和地區的十餘位專家組成。
區域和國際技術工作組（TWGS/ITWGS）負責具體的技術研究和路線圖撰寫，由1000多位來自不同地區的科學家、工程師、行業研究者組成；以IRDS/ITRS的分工任務為牽引，形成縱橫交叉、有機結合的矩陣式結構；工作中經常通過專題研討會、視頻會等分享交流、爭辯探討、達成共識，因此最終形成的研究成果是在全球晶元製造商、設備供應商、研究團體的共同努力下，眾多行業專家群體智慧的結晶。
IRDS/ITRS管理辦公室是該項目的全球樞紐，負責管理路線圖的進展、信息更新與發布等「穿針引線」與推動落實工作。辦公室設在由多家晶元製造商和設備商組成的國際技術組織Sematech（Semiconductor Manufacturing Technology，其成立的目的是通過多家公司參與，共同資助新技術研究，分擔創新風險，減少研發成本，共享研究成果）。
2）運行模式及特點
IRDS/ITRS是世界行業協會組織主導，任務導向下的跨區域、跨領域分工協作項目。項目運行者包括常設的工作人員與兼職專家。常設工作人員負責信息收集、進度管理、宣傳等支撐和服務保障，兼職專家來自各會員單位，包括管理者、企業家和學者，主要發揮研究分析和前瞻指引的作用，是研究編製IRDS/ITRS的主體。項目經費來自各成員單位的出資，而獲得IRDS/ITRS成果和相關信息數據則成為出資者的「權利」之一。
IRDS/ITRS的突出特點還體現在：
（1）「核心—衛星」模式。ITRS及IRDS均由美國提出和主導，無論是技術的先進性還是市場規模，美國都是半導體領域絕對的「領頭羊」，數十年來美國企業半導體銷售始終佔全球一半左右，占絕對優勢地位，因此當1990年代SIA提出ITRS的想法時，很容易就吸引到了歐洲、日本、韓國、台灣等國家和地區的參與，因而形成了一家主導、多家參與的「核心—衛星」的運作模式。
（2）廣泛的協同性。IRDS/ITRS成員單位近1300家，從區域數量分布看，美國大致佔55%，歐洲佔10%，日本佔17%，韓國佔5%，台灣佔13%。從產業鏈分布看，晶元製造商677家，佔53%；設備、材料供應商263家，佔20%；研究所、大學等274家，佔21%；其他性質的成員佔6%。充分體現了國家和區域間製造商、供應商、學術界、投資界以及政府等產學研之間以及產業鏈上中下游間廣泛的協同。由於攀錯「科技樹」代價昂貴，半導體企業很難遊離於主流技術路線之外生存，因此雖然處於同一產業鏈位置的企業在市場上存在競爭，但在技術方面融入主流、抱團前進便是他們基於利益和發展的選擇。
（3）規劃周期的技術合理性。由於半導體技術飛速更新換代，IRC因此決定每偶數年修訂，每奇數年發布新版，相當於每兩年推出全新的規劃版本，以跟上技術發展節奏，準確把握和指導本領域的發展。同時，它不是出於管理部門的工作安排比如逢五逢十作出規劃，而是依據技術確定路線圖的跨度。比如ITRS的研究表明，過去十年中革新了CMOS晶體管製造工藝的絕大多數創新，如應變硅、高κ值/金屬柵極工藝、多柵晶體管等，早在其應用於CMOS工藝之前10～15年就出現了，因此它把路線圖的目標跨度定為15年，只評估未來15年的技術走向，這種科學性決定了其在行業的權威價值。
（4）突出的科學性和引領性。ITRS是技術路線圖，也是體現行業技術發展走勢的技術戰略規劃，必須以技術為「皮」、以科學為「筋」，其中包含大量的技術生產上升曲線、量產提升曲線、技術轉移趨勢等圖表，這是基於大量數據擬合分析的結果，指引著半導體技術沿著摩爾定律、按比例縮小定律、擴展摩爾定律（MtM）等技術內在邏輯發展，從而為絕大多數公司決定未來1~2年的研發投資和生產安排提供決策參考。
4 對我國器件與系統規劃的啟示和對策建議
1）積极參与國際合作，學習科技規劃先進經驗
通過近30年的實踐，IRDS/ITRS項目組織已經積累了豐富的組織管理經驗和行業技術資料庫，歐洲、日本、韓國、台灣等參與其中，無論在本國本地區規劃制定還是產業發展方面都獲益良多。
我國作為半導體行業的重要市場，多年來一直沒有參與到IRDS/ITRS的相關工作中，已然錯失了先機。半導體領域目前也已成為我國最重要的短板之一，在2018年受到美國挑起的貿易戰的嚴重威脅。因此，我國應設法參與到IRDS等國際組織牽頭的工作中，深入學習積累世界發達國家的行業技術規劃經驗，先學習後趕超，進而指導我國規劃制定和科技發展。
2）適時發起國際合作軟科學項目
隨著我國綜合國力和科技實力的增加，我國科學家已經日益廣泛地參與到熱核聚變實驗堆（ITER）、平方公里陣列望遠鏡（SKA）等國外發起的國際大科學計劃與工程中。2018年3月，國務院印發了《關於印發積極牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程方案》的通知（國發〔2018〕5號），鼓勵我國科學家按照「國際尖端、科學前沿，戰略導向、提升能力，中方主導、合作共贏，創新機制、分步推進」的原則提出和牽頭組織大科學計劃。時機成熟時，建議我國在半導體晶元及相關領域牽頭組織類似IRDS/ITRS的國際合作項目，以推動建立由我國主導、符合我國戰略利益又多方共贏的創新鏈和產業鏈，提升和鞏固我國在相關領域的國際地位。
3）借鑒IRDS/ITRS的思路和方法進行科技規劃
路線圖的制定體現了眾多專家對科技發展前沿的宏觀分析與判斷，通過路線圖能夠明確未來學科以及產業技術發展的目標、方向、重點、關鍵問題、時間節點，以及實施路線圖的建議配套政策和途徑。比如，ITRS自發布之初即聚焦的基本問題就是，為保證半導體工業沿著摩爾定律或其他有跡可循的規律繼續發展，需要匹配什麼樣的技術能力以及時間表？路線圖要包含哪些內容，才能正確引導半導體工業未來10~15年的發展？
因此，在新一輪（2020—2035）國家中長期科技規劃中，可以借鑒IRDS/ITRS的模式，重點針對我國仍然落後的半導體晶元等戰略必爭領域開展工作，根據行業技術特點和發展態勢，合理確定規劃周期，組織專家深入研究從而在規劃中提出前瞻的科學思想、優化的路徑選擇、「卡脖子」的技術瓶頸等路線圖基本內容和要素。
4）科技規劃應長期重視並動態調整
以往，我國制定和出台的很多規劃包括科技規劃往往是「一次性的」，即把規劃制定當成一個短期行為，對規劃的實施效果缺乏持續跟蹤和動態調整。在科技發展日新月異的今天，這種做法的弊端顯而易見。
因此，有必要以新一輪中長期科技規劃為契機，選取半導體等若干領域為試點，持續進行規劃研究；更加重視技術預見過程而不是形成規劃文本的結果；在技術預見過程中鍛鍊形成一支科技戰略研究隊伍；通過長期關注和積累，建立完善行業產業資料庫、提升凝練重大關鍵科技問題的水平；規劃發布後還要根據規劃實施效果和科技發展態勢，及時動態調整和完善規劃內容，確保科技始終沿著正確的方向前進。
5）科技規劃制定應突出科學引領和協同創新
制定科技規劃的目的在於引領科技發展，科學性始終是科技規劃之魂，正如IRDS/ITRS的科學性來自數千專家的集體智慧和眾多數據。我國制定科技規劃特別要注意兩點，一是要發揮專家群體而非政府科技管理部門的主體作用，二要注意科技規劃制定不是編寫材料的文字性工作，而是對科學技術發展進行綜合分析和研究判斷的過程，因此必須突出研究定位和創新導向，最終發揮出權威的前瞻指引作用。
同時，科技規劃必須技術與戰略並重，因此需要有管理、經濟、技術、金融等多方面專家參與，通過不斷溝通研討、磋商交流形成智慧共識。在新一輪中長期科技規劃制定中，還可以借鑒IRDS/ITRS模式，發揮中國半導體行業協會、集成電路產業技術創新戰略聯盟等組織的作用，構建「決策指導—專家智庫—工作機構」三位一體的組織體系，廣泛組織科技管理專家、技術專家和企業家參與，並組建專兼職結合的管理—研究—支撐隊伍，在規劃制定中實現協同創新。
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