中国芯片产业的“独立团”

1970-01-01 08:00:00 31

提起半导体人才,有两个学校特别突出:一个是清华大学,一个是加州大学伯克利分校。这一土一洋的两所学校,为中国芯片行业输送了大批顶尖的工程师、企业家和投资家,并通过传帮接代的校友关系,孵化出一批又一批的芯片企业。


这种校友关系在清华学子朱一明的创业过程中体现的淋漓尽致:


2004年,89级物理系的朱一明和85级半导体专业的舒清明创业搞芯片,找到了85级自动化系的李军,李军帮他们弄了一笔风投,并介绍给83级经济系的薛军,薛军联系到80级工物系的罗茁,罗茁掌管的基金投了200万人民币,又拉来81级电子系的邓峰,终于凑了92万美金开始启动。


12年后,这家叫做兆易创新的公司上市,如今市值已近千亿。而在兆易创新之前,77级半导体专业陈大同等人,也早已创办了芯片设计公司展讯,曾经是联发科的劲敌。


可以说,清华是中国半导体圈的主力军,而主力军中的王牌部队则当属“清华半导体专业”,也就是如今的清华微电子学研究所,它就像《亮剑》里的“独立团”一样,很能打。


微电子所成立成立于1980年,其前身可以追溯到清华大学1956年设立的半导体专业。今年十二月,正值微电子所四十周年之际,我们团队从上海到北京,在微电子所进行了深度交流学习,听老教授们讲授求学做人、一代代清华微电子人讲述在半导体领域的故事。



四十年岁月,微电子所萌芽、成长、到如今桃李满堂,谱写了中国半导体领域一段雄壮的乐章。


01

萌芽:人才基础


清华微电子最初的种子,是“八员大将”加上一位院士。


1956年暑期,五所名校在北京大学联合开设了我国第一个半导体专门化,清华派出了曹培栋、张建人等八名青年教师旁听学习。随后,清华又聘请到了美国普渡大学归来的王守武院士,兼任清华半导体教研组主任,于是,清华的芯片班子,就这么“中西”结合的在无线电系下面搭建了起来。


这个全系最小的教研组办公地点在立斋三楼,是由几间由学生宿舍临时腾出的空房。虽然设施简陋,但研究领域却可谓是“全面开花”:有搞锗器件,有搞半导体收音机,有搞整流器,有搞光电器件,也有搞硅材料。1959年苏联专家契尔金前来指导后,小组又增加了对碳化硅非线性电阻的研究。


领域扩张的同时,清华在扩充队伍方面也也热火朝天、甚至用了一些“巧办法”。比如曾担任微电子所长的李志坚,就是“稀里糊涂上了清华这条船”。


1958年,李志坚从列林格勒大学毕业回国,刚到北京火车站,就碰到了清华无线电系书记李传信亲自在车站迎候,并迅速委派到无线电系上任。在计划经济时代,李志坚以为这是组织的决定,便也欣然前往。


但工作了一段时间后,李志坚却出乎意料地接到教育部的通知,告诉他有三个地方可以选择:清华、浙大、西交大。事后李志坚曾回忆说,自己当时也很吃惊,而且对回浙江老家和浙大母校颇有些心动,但考虑到考虑到人已到清华,“情面难却”,也就留了下来。


而事实上,清华争取李志坚,是做足了功课。清华教授张礼就曾写信对其劝说;1957年的时候,清华南德恒、冯庆延和王天爵等三位学者,还以“无线电电子学系半导体专业筹备组”的名义,写信邀请李志坚。


清华对人才的重视可见一斑。而李志坚也成为了王守武院士之后教研组工作的实际主持人,为清华微电子所夯实了基础。


1958年,清华教研组攻克了批量生产多晶硅工艺,同年,第一块集成电路诞生,清华也随之提出要主攻硅集成电路。7年以后,摩尔·戈登提出摩尔定律,芯片发展进入了快车道。但正准备迎接黄金年代的半导体专业却等来了命运的第一次坎坷:文革开启,专业被一分为二,大部迁往绵阳,小部分留守北京进车间。


四川绵阳的艰苦岁月,可以说既是奇迹,也是遗憾。清华人重新搭建实验室,开展教学,还与成都本地的970厂进行了产学合作,北京的半导体车间也开发出不少产品,但同期,世界已经进入了超大规模集成电路的时代,英特尔陆续推出第一款商用存储芯片、第一款微处理器、外面的世界,已经天翻地覆。


“文革”结束后,绵阳分校在邓小平同志的亲自关怀下,全部撤回北京,而半导体专业,为了追赶国际水平,也迎来的新的阶段:从无线电系独立,正式成为一个所。


1980年9月成立的清华微电子所,人员仅有74名教师和61名学生,经费也依旧不足,连盖教学楼资金都需要边建设、边筹资。但在之后的四十年,微电子所陆续实现突破,成为中国芯片产业公认的黄埔军校。


02

成长:突破之旅


微电子所的成长,如同每一个少年一样,在遭遇困难和实现突破中演绎。


这些年轻学者面临的第一个十字路口,便是:硅,还是锗。


虽然硅的物理属性比锗更优,更适合半导体产业,但在50年代后期,锗的材料和器件都已量产化,相当成熟;而硅技术却方兴未艾,还处于发展初期。因此,做锗研究可参考、学习的东西多,比较“保险”;而做硅研究,则可参考的资料少,难度要大得多。


由于资源有限,所以大家关于这个问题,确实也争吵了一段时间。但最后形成了一致意见,整流器之类的也不要停,但也要敢于做前瞻,必须有人研究“硅”。教研组甚至带领1960届的学生们,全部投入实验室参加技术攻关。


师生同心、其利断金。60年代中前期,微电子所就已经掌握了硅平面技术以及硅集成电路的研制,与美国启动的时间相差不足十年。


随后微电子所历经分散再重聚,而刚汇合后,微电子所便面临了第二个选择:双极还是CMOS。


当时四川绵阳的同事负责双极电路,而北京则负责MOS集成电路。双方再次面临同等资源下的选择。双方没有考虑各自的已有投入,而是以技术趋势、国家利益为重,最终再次形成共识,要做COMS,并从工艺、器件物理、电路设计和CAD技术等几个子方向进行攻关。


很快,微电子所在原教研实验室基础上,建立了第一条半导体超净工艺线,并于1989年建成了我国第一条1微米级硅CMOS工艺引导线。全新的设备运来,微电子所成了全国半导体院校艳羡的对象。但光鲜背后,都是默默的付出。


当年,由于超净设备无法关停,所里骨干教师便轮流加班,像熬鹰一样维护产线24小时不间断运转。而环境监测和净化设备不足,老师和学生甚至只能把“一块毛巾折成8个面”,擦桌子、擦地,来保持产线洁净水平。而更惊奇的故事,则是“如何克服管制”。


在“巴统”等管制下,清华引进的设备,功能并不齐全。刻蚀设备没有终点检测模块,这就意味着机器不知道在什么位置暂停,导致刻蚀出错、晶圆报废。既然机器不好用,微电子所的研究人员打算,靠人。


大家通过“实时人工观察”的方式,通过颜色变化来判断是不是到终点了,再不断积累经验提升工艺控制能力。这些故事听起来有趣,但又辛酸,时刻提醒着我们,自主自立并不是一句话,而是一个困难但正确的决定。


清华微电子所克服的另一个挑战,便是光刻机的引进。这是清华国际视野的体现,也离不开杨之廉老师的努力。他在访问荷兰时,促成了荷兰代尔夫特大学微电子所和清华微电子所的“联姻”,两个研究所开始了学者交流、联合培养等合作,这些要素都促进ASML公司向清华捐赠了光刻机。


虽然有了设备,但EDA软件还是一道坎。很多微电子所当年的毕业生,经常会跑到一机部自动化所,在一台从日本进口制版系统的小型机上作电路仿真研究,使用的正是清华计算机系编写的SPICE程序。软件虽然简陋,但也在一定程度上奠定了后来我国芯片设计EDA软件发展的基础。


正是依靠着自主的精神、国际合作的视野,1990年,微电子在国内首先成功研制出集成了106万晶体管的汉字存储器芯片。这标志着我国进入了超大规模集成电路(VLSI)的水平,打破了“巴统”的封锁。时任清华党委书记李传信也由衷感慨:“那么少人、花那么少钱(1500万),干那么多事、出那么高水平成果!”


而体现中国自主能力的时机,则是1993年启动的“金卡工程”。当时中国打算将第二代证件采用非接触式IC卡技术,但这项技术专利基本都在海外公司手里,尤其荷兰飞利浦公司,掌握了90%以上的份额。


消息发布后,海外公司纷纷开展“公关”希望拿到项目。但由于法定证件涉及许多敏感信息、事关国家安全。所以,有关部门非常坚决地提出,一定要“国产自主”。而这个重担,自然也由清华微电子所等机构、公司担了起来。


微电子所的学者们,带领研究生从简到繁先后研制成功了单工、双工无线通信的RFID技术与样品。并连续攻克了高于海外技术的规范标准要素。最终,在2000年3月,微电子所基于EEPROM,成功研制出了二代证IC卡芯片样片,突破了专利封锁,也保护了国家数据安全。


从最初的技术封锁,到自主突破,清华微电子所一路“过关斩将”,而其从学术到商业的“芯”旅程也拉开了序幕,一批批微电子所的学者,开始转身登上商业的舞台。


03

绽放:商业传承


从成立至今,清华微电子和兄弟院系已经为中国的芯片产业贡献了三批企业家。


第一批是“海外发光派”,代表有早期赴美留学的77级陈大同和81级邓锋。


两人90年代活跃在硅谷的华人圈子,分别创立了豪威科技和网屏公司。颇为有趣的是,两人都是微电子的老辅导员。而清华内部历史悠久的“传帮带”模式,也被两位辅导员从北京带到了硅谷,众多直系师弟被他们直接招到了美国,由此构成了两家公司的技术中坚力量。


无论是豪威还是网屏,都是典型的挑战全球巨头的创业公司。陈大同所创建的豪威,用CMOS技术打败了日本传统的CCD传感器。邓锋所创建的网屏,开创了用芯片硬件去做网络安全的模式,向思科发起了冲击。


豪威和网屏在短短数年间的上市,也证明了清华微电子这个集体,有能力做出颠覆式创新的产品,并对全球芯片的制高点发起冲击。


第二批是“回国发力派”,是清华最早一批回国的创业者,代表有79级武平、85级冯晨晖、85级舒清明等人。


清华微电子的回国创业潮,始于2000年国家发布的集成电路新政。从90年代开始,清华校友在硅谷形成了一个紧密圈子,这个圈子经常讨论潜在的创业机会,并且信任感很强。随着时间的推移,众多微电子专业出身的清华校友意识到了中国芯片创业的机会。


这一代回国创业的清华微电子校友有两个特点。


第一个特点是老少配、跨行配。和不同专业、年龄的校友搭伙创业,实现优势、资源互补。


武平和陈大同搭伙创建了展讯,从做2G芯片起步;舒清明和89级物理系师弟朱一明搭伙创建了兆易创新,从存储器IP发家,转向NorFlash存储器制造;冯晨晖和90级计算机系师弟许志翰,搭伙创建了卓胜微,从地面电视芯片起步,随后转向手机射频芯片,并成为行业龙头。


第二个特点,则是他们都崛起于手机电子元器件的细分市场,这体现了清华微电子的创业风格:选大赛道,做务实事。


展讯成立之初,避开了最难的3G芯片,先做好2G,有了业务基础、市场经验之后,再向3G突破;兆易创新,一方面避开了闭门造车、白手起家,而是通过收购的方式,完成了存储器IP的积累;与此同时,也从Flash出发,继而再向NAND、DRAM等存储器进军。而卓胜微则避开了难度大的PA,先做好开关和低噪声放大器。


而随后的事实也证明,在半导体领域,在美国技术压制下,创业,也许就是需要农村包围城市,先在中低端有根据地,有收入、有业务基础,再对高端产品市场发起冲击。


第三批则是“本土崛起派”,代表人物有85级的赵伟国和虞仁荣等人。


清华的海归派把企业做大做强,为中国芯片事业留下了宝贵的火种。而本土的清华校友则展现出了灵敏的嗅觉,他们“纵横捭阖”,提前开启了中国芯片公司的并购时代。


赵伟国在紫光主持了展讯、锐迪科等大型的并购案,虞仁荣则把海外的豪威科技收归韦尔股份麾下。尽管当时还没有中美摩擦,但他们也已经在快马加鞭,在2018年前迅速完成了诸多复杂的收并购动作,为中国芯片产业的整合,赢得了宝贵的时间窗口。


三代企业家各有使命、砥砺前行:第一代赴美留学硅谷创业,以颠覆式创新完成对巨头的革命;第二代回国试炼本土创业,在地狱级别的中国市场,找到了最适合中国国情的芯片产业链爬升道路;第三代长于收购,在相当程度上给产业打了补丁,用资本加速芯片产业的初步整合。


而如果再往前追溯的话,半导体圈的老厂长也是微电子所人。57级的朱贻伟曾任中国70年代最大的半导体工厂东光电工厂的副厂长,在北京市集成电路产业改革中发挥了重要作用,其退休后仍然发挥余热,积极引荐我国台湾企业家参与华晶改革。


除了走出校园的企业家之外,其实微电子所的历任所长,也都是学术或商界的楷模。比如,原所长魏少军,在世纪之交率队研发出了SIM卡芯片,一举打破了外国芯片公司对我国的垄断,其本人也曾担任大唐电信科技股份有限公司总裁。


现任所长吴华强,是材料学与管理学双学位,曾在美国AMD和Spansion公司担任高级研究员。2020年,吴华强在《Nature》杂志上发表论文,在国际上首次实现基于忆阻器的多阵列存算一体系统。


40年来,微电子所累计培养本科生2000余人,硕士生1500余人,博士生300余人。微电子所在学术、管理、商业等领域,践行着“帮传带”的传统,不断夯实中国芯片产业的根基。


04

尾声


在交流结束之际,我们特别参观了一下教学楼里的“微纳加工平台”。这里有一整套芯片生产流程,光刻机、离子注入机等等设备一应俱全,总价值近3亿多。而这个实验室,完全面向本科生开放,可以在里面进行研究、实操。让产业进入校园、用实战补充理论。



而这对于中国半导体而言十分宝贵。当我们谈论中美半导体差距时,总会落在时间和人才两个方面。需要时间积累技术,更需要时间去耐心培养人才,正所谓,十年育树百年育人。


这也是微电子所每一位教授在思考的问题。微电子所在过去四十年,做了很多;但也仍需要做的更多。相信靠着一批批人才的成长、严谨求学精神的传承,我国半导体自主事业一定会走上更快的步伐。卡脖子,也不再会成为我们的痛处。


而我们需要感谢的不仅仅是微电子所,还有全国各地在为中国技术突破,所默默付出的每一位学者、研究员、工程师、企业家、甚至是在校学生。希望他们的付出,获得配得的回报。因为,我们的自主之路,依然还很长。

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