行业动态】 德国工业是世界一流的，德国在微电子行业的发展也是独具特色。德国联邦教育与研究部于2018年7月发布的《德国微电子：驱动数字经济的创新——德国联邦政府研究与创新框架计划2016-2020》，是一份关于德国微电子的五年规划报告，非常值得一读，对我们如何看待中国芯片产业的发展具有很高的参考价值。特别是“中兴事件”之后，国人对我国高科技产业的状况有了比较清醒的认识，意识到我们和美国、日本、韩国及欧洲国家之间的差距，特别是在芯片相关产业的差距，落后了起码两代。在政府大基金的支持下，从这几年开始，我国在微电子产业的投入已经有了很大的提高。但是，仅仅靠投资的拉动就够了吗?
众所周知，随着科技的快速发展，科技领先的国家和地区在科技人才的聚集、企业的领先地位、国家层面的战略部署等，都有着相当大的优势，造成了强者更强、弱者恒弱的局面。这里我们暂且不论美国、日本和韩国的微电子产业，仔细审阅德国的微电子产业规划，或许反倒可以得到更多的启发。
五大战略研究重点
这份报告《德国微电子：驱动数字经济的创新》是在今年七月正式发布的，规划中有很多亮点，主要侧重在研究和创新的具体方向和目标的顶层设计，以及实施过程中的措施和指导性建议。德国占整个欧洲三分之一的半导体产业，在很多领域有世界领先的技术和企业，在这个基础上，规划选出了五大战略研究重点：多功能的电子系统、电子节能技术、设计芯片的创新工具、安全芯片、未来电子产品生产技术。这五大创新的战略布局，是在扬长避短、因地制宜、专注德国现有的、具有细分优势的微电子工业架构上制定的。
1.具有多种功能的电子系统
未来的电子系统将以高度微型化为特点，同时必须满足功能、自主性、网络能力、可靠性、安全性和能效方面的要求。这些多功能系统集成了许多元器件，例如，用于数据处理和通信的组件，用于发电或管理电量的传感器和构件。数字、模拟和微电子机械元器件的集成(在某些特定情况下，都是集成在一块芯片上，被业内人士称之为“超越摩尔定律”的趋势)，与提高芯片结构的微型化(“延续摩尔定律”)不同。
研究主题包括：
☆在晶圆和基板层面采用创新的系统集成技术，并将其整合到高度集成、能量优化、高品质的电子系统中;
☆多功能电子系统的异构集成技术和组件概念，例如，适用于各种功能和芯片技术的集成，以及片材上和片材内异构系统的集成;
☆创新的传感器概念及其在半导体基础上的实现;
☆嵌入式技术与微纳米接触技术;
☆优化和改进电子电路、模块的封装技术与材料的策略;
☆创新的测试程序与系统行为的仿真模型;
☆用于理解和预测高度集成电子系统技术可靠性、功能可靠性、长期稳定性的模型;
☆高度集成电子系统面向生产的测量和测试程序;
☆高度集成电子系统的模块化和标准化，适于广泛应用。
2.电力电子产品，有效利用能源
电力电子技术是一门重要的跨学科技术。在所有使用电能的情况下，都要对电能进行配电、转换或控制。这项任务由电力电子执行。重要应用领域包括：工业过程的供电、驱动技术、信息与通信技术以及照明设备。电力电子涵盖了广泛的价值创造领域：从复杂的基础材料开始，首先是所有的元器件，然后是组装，最后是使用合适的组装和连接技术来构建整个系统。能源效率一直是高层次目标。
基于硅半导体的电力电子系统，是当今最先进的技术。一方面，这些系统的集成密度将继续提高;另一方面，已经研究开发出许多很有前途的前体材料，可用于大幅提高电能转换效率和微型化。
研究主题包括：
☆在功率半导体材料的基础上，为高效的整体系统提供创新的电路技术解决方案;
☆组装连接技术与热管理的新方法，旨在发挥新材料的潜力。例如，更高的开关频率和不同的操作温度;
☆在装配与系统层面建立误差机制和可靠性优化的模型;
☆加强网络联系和系统情报，以便在所有材料类别的基础上提供高度集成的解决方案。
3.芯片与系统设计的创新工具
今天的处理器和集成电路，在非常狭小的封闭空间中放置了多达数十亿个晶体管。在某些情况下，有些单体结构只有14纳米宽，还不到一根头发直径的千分之一!为了规划设计复杂芯片或电子系统，必须要用高度发达的计算机算法和复杂的模拟——不论是“延续摩尔定律”，还是“超越摩尔定律”。这些用于设计自动化和验证的工具是芯片与系统功能的基础;例如，它们考虑了制造过程产生的物理相互作用和框架条件。只有对技术的全面理解，通过改进和创造性地使用这些工具，才能掌握日益复杂的新型(微)电子系统。设计的有效性、自动化程度及设计质量等既决定了产业的发展周期，也决定了进入市场的时间因素。
研究主题包括：
☆适用于越来越小的结构宽度(物理效应对较大的结构宽度没有影响)的复杂设计规则，发挥着越来越重要的作用;
☆考虑非功能性因素(诸如功耗、稳健性和老化效应)的影响;
☆高度自动化的“混合信号电路”设计，把模拟组件(例如无线通信接口)和数字电路集成到一个单一的系统;
☆3D集成、高度紧凑系统的组装和连接技术的应用;
☆模拟-数字混合系统与3D集成系统的测试和验证方法;
☆扩大计算机辅助设计环境在整个增值链上的应用，以便在开始生产前的初期阶段保障整个系统。
4.数字社会的安全芯片
基于芯片的安全技术和功能，是在硬件层面上保障数字化安全的关键。为保障身份证件和护照等官方证件的安全识别，已经采用了具有防止伪造和篡改功能的芯片卡。由于工业4.0、能源供应、移动支付系统等应用的网络化动态发展强劲，以及移动终端设备数量不断增多，所以对安全芯片的需求将会继续增长。
伴随这一发展的是实时数据越来越多，这些数据来自日益增多的智能传感器系统。要安全高效地使用“物联网”和以此为基础的各种服务，就必须继续提高德国高度发达的基于芯片的安全技术专业水平，通过竞争方式打造这类技术。安全芯片是德国和欧洲微电子产业的一大优势，但是在这个领域中，新的攻击方法不断形成，可以绕过现有的保护机制。因此，必须不断改进基于芯片的安全技术，并在芯片制造过程中采用新型方法。
研究主题包括：
☆芯片身份唯一性的识别方法。例如，通过所谓的“物理不可克隆函数”实现物理指纹，以及指定安全级别的验证与确认方法;
☆保护芯片免受外部攻击的电路技术措施;
☆实现制造商实施真实性保护。例如，防止合同制造商(代工厂)在生产过程中作假。
为了成功应对当前和未来面临的挑战，必须加强和提高基于芯片的安全技术的现有能力。通过生产物美价廉的安全芯片，可以长期巩固和提高德国作为微电子供应商的领先地位。对基于芯片的安全技术的支持，主要依据德国联邦政府的“2015-2020年数字化世界中的自主与安全”研究框架计划。
5.未来电子产品生产技术与电子产品生产
要连通从半导体到终端产品的增值链，就必须继续提高生产电子产品的技术能力。开发新的生产技术，需要统筹考虑工艺、材料和系统设备。这不仅适用于标准组件，而且更适用于多功能组件。在材料和设备领域的德国供应商，深度参与了开发。例如，在光刻技术领域，利用极紫外辐射(极紫外光刻)制造特别小的芯片结构。许多微机电系统的制造工艺也是德国开发的。独立的电子创新能力，特别是在竞争条件下为用户提供安全保障，也是先进制造技术不断发展的重要原因。
研究主题包括：
☆进一步实现生产的自动化;
☆系统和工艺能高精度、低成本、可靠地加工体积小、种类繁多的组件，制造复杂的多功能电子组件和系统;
☆测量和测试技术支持快速创新周期，满足对质量的高要求。
欧洲的增值链对电子产品的生产技术尤为重要，所以要通过欧洲联合项目，优先提供支持。在德国联邦教育和研究部的“可持续发展研究——FONA”和“从材料到创新”(呼吁：“资源节约型工业和社会的材料”或“合成纳米材料的安全使用”)计划中，以及联邦环境、自然保护、建筑和核安全部开展的部级研究中，德国联邦政府支持研究生产过程的可持续性和资源效率，支持研究处理和回收原材料方面所面临的挑战。这方面的战略框架，由联邦政府的“德国资源效率计划”提供。
相对而言，美国、日本及其它亚洲国家的芯片产业的发展，已经在CPUGPU、存储元器件、芯片设计、晶圆代工等领域各自占据领先或主导地位。德国的规划基本上都避开了这些现有全球产业链的分工，是结合自身的实力，选择了最有价值的五个创新领域。德国的代表性企业西门子、英飞凌、博世等在许多细分领域都是世界领先的，德国的这份规划正是借力于这些公司的强项而制定的。
德国制造业的优势给德国微电子发展提供很多有利的因素，规划中的诸多细节明显的借助了德国强大的汽车工业(宝马、奔驰、大众)、电子制造(西门子、倍福)、芯片制造(英飞凌，全球半导体排名11)、MEMS传感器(博世)，希望在汽车工业、医疗电子、工业4.0和微电子集成系统等方面做到持续性的创新领先。
德国框架计划
在德国的规划中，除了技术上有明确的方向，在实施的具体措施方面也提出了几个设想。
1.增加国家的经费，经由德国科学基金会的参与，希望筹措到4亿欧元的规模。
德国联邦政府通过新的高科技战略，已经为自己设定好目标——与工业界和研究界合作，发挥和强化微电子技术的潜力。相关科研经费的重点目标领域，既包括德国和欧洲的社会需求和技术目标，也包括微电子技术及其应用的全球发展。
这方面的措施范围很广，从通过多种形式的研讨会开展讨论(如未来的微电子制造技术)，到与专家就个别议题进行讨论。特别是，在机械及工厂工程领域的利益相关者参与下，讨论了工业4.0中电子和传感器系统的研究需求。对正在开展的研究项目进行持续分析(如电力电子技术)是联邦教育和研究部制定战略的额外因素。例如，在德国科学基金会参与的专家讨论中，联邦教育和研究部已经讨论了一维电子技术(它为电子和传感器系统提供了创新潜力)未来的前景和研究计划。
报告中已经具体规定了研究经费的重点领域，这些领域有待进一步发展、确定优先考虑，纳入2020年计划期间的讨论中，这些经费将主要用于联合项目和个体项目。作为个人筹资措施抉择的一部分，需要综合考虑应用机会、把德国作为基地的倍增效应，以及研究方法的质量。
2.基于共赢基础上的欧盟国家的联合项目，明确地提出和法国的原子能委员会电子与信息技术实验室、荷兰的应用科学研究组织、比利时的微电子研究中心等强强联合，在领跑的领域保持可持续的创新，推动相关的微电子创新。
对于微电子领域特别重要的是“欧洲电子元件与系统领导地位”(ECSEL)研究计划，其经费以欧洲为基础联合资助。在2014年至2020年期间，欧盟从“地平线2020”基金中为其拨款约14亿欧元。至少有来自三个国家的合作伙伴，正在为整个增值链面向应用和技术的项目提供资金。这是该研究计划的一部分。
特别是，ECSEL提供了支持研究驱动的试制生产线的机会，为欧洲在研究与创造价值之间的接口上提供制造新产品的方法。欧盟和参与ECSEL计划的成员国，在财政上是平等的。联邦教育和研究部在研究经费方面，会通过本计划提出的重点，向ECSEL计划作出贡献。因此，德国的利益相关者，向ECSEL计划提供的资金会大幅增加。
在西班牙、匈牙利和土耳其的支持下，法国、荷兰、比利时和德国已经启动了“泛欧洲微电子与纳米电子技术和应用合作伙伴关系”(PENTA)的“尤里卡”集群。
其运作时间为2016年至2020年，目标是在ECSEL计划范围外选定的领域中，进一步加强欧洲的研究合作。在PENTA里，有更多机会推进ECSEL计划无法充分覆盖(因为参与的资助机构太多)的战略性重点研究课题。PENTA集群还越来越重视汽车电子、医疗技术、工业4.0方面的应用，助力推动来自两个尤里卡国家的、有两个或两个以上合作伙伴的项目。跨国的合作对于巩固专长很重要。
3.加强创新型中小企业建设。
自2008年以来，德国联邦经济事务和能源部通过“中小企业核心创新计划(ZIM)”，已经向包括微电子、电气、测量和传感器技术在内的所有技术领域，提供了研发经费。除了专题资助项目外，自2007年以来，联邦教育和研究部还通过“中小企业创新”(创新型中小企业基金)资助计划，提供支持中小企业的快捷资助通道。公开选择主题领域和全面建议，旨在使这项措施对企业更具吸引力。
联邦教育和研究部的另一个目标是，让中小企业更多地参与德国和欧洲支持的、以电子系统为重点的计划。在启动国家筹资措施时，要考虑中小企业的特殊优势。
4.发挥德国研究机构的优势。
德国的研究领域有一个特殊优势，即综合能力和基础设施非常全面，既面向基础研究，也面向应用研究。在弗劳恩霍夫协会、马克斯-普朗克学会、亥姆霍兹协会和莱布尼茨协会等主要研究机构，微电子和纳米电子技术都有牢固的基础。
大学及其他第三层次机构开展了各种各样的基础研究和应用研究活动。联邦教育和研究部对应用研究的支持是直接与商业行业开展联合项目;对高校基础研究的支持则是通过德国研究基金会提供资助。
联邦政府和联邦各州的卓越计划也在加强微电子尖端技术的研究。
企业与研究机构通过联合项目开展研究，是联邦教育和研究部对微电子技术提供支持的核心。
5.为创新和投资创造基础。
微电子工业已有50多年的成功历史，至今在全球范围内仍以每年约6%的速度增长，并且还将随着数字化的进步而更显重要性。微电子技术领域的技术专长和主权，对于实现工业4.0、物联网和无人驾驶汽车都至关重要。
复杂的电子系统是德国微电子工业的强项之一，它为欧洲和全球的成长市场提供服务。
紧密的创新合作伙伴关系、共生型增值链和富有成效的本地化研究环境，使微电子企业及其客户受益良多。
标准和平台也是保障德国微电子业创新优势的一个重要附加要素。
以上这些都是为了在科技发展中能够做到扬长避短、横向联合、充分利用德国和欧盟国家地区的产业链。
对中国的启示
目前中国的微电子产业，特别是芯片产业受到方方面面的重视。国家级的大基金对整个微电子产业的快速发展提供了强大的推动力，形势可喜。各地的相关投资力度也大大加强，从硅单晶制造、芯片设计、到芯片制造及后道封装，中国是除了美国之外唯一一个在全方位都想涉及的国家。而相对于德国的这份实实在在微电子产业规划，我们应该反思一下，如何发展出具有核心竞争力的技术创新，如何做到可持续性的创新，从而借助中国的市场发展出世界领先的企业?
从以往的光伏产业发展的经验、LED产业发展的过程来看，我们应该有更好的微电子产业的规划，在人才引进、产业定位、技术创新上可以借鉴德国规划中的思路，在各个细分技术领域中制定切实可行的技术路线和实施方案。
相对于德国政府、企业、研究机构的紧密合作，我国在产学研的合作上，相对来说资源分散，横向的联盟也远不如德国企业更为有效，这些都是我们可以借鉴改善的。
在一个已经全球化的工业体系之中，如何借力于国家和地区之间的合作，已经是一个国家对产业发展规划必须要考虑的问题。德国的规划中不仅仅限于德国本身的优势集合，还进一步地选取了法国、荷兰、比利时等国家的一流研发创新中心一起合作，自然是大大增强了在竞争中的胜算。
微电子相关产业与各个领域的数字化、集成化、智能化紧密结合，是现代工业中各种前瞻性技术的基础。无论是工业4.0、物联网，还是新的医疗科技、无人驾驶汽车、节能电力电子技术的很多关键技术，都得靠微电子技术的不断创新来实现。展望未来5-10年，随着芯片技术不断的突破，传感器的各种创新、微电子产业的格局也会不断的变化。如同手机淘汰了固定电话、数码摄像淘汰了胶片、数字图像淘汰VCR那样，变化总比人们想象的要来得更快。未来的机遇，就看谁能掌握创新，谁才有生命力。而要保持可持续的创新并非容易，德国立足于其强大的工业体系和一流的研发机构，建立可靠而有效的联盟“泛欧洲微电子与纳米电子技术和应用合作伙伴关系”(PENTA)的(EUREKA)集群，无疑都是非常明智的决策。
微电子产业是技术密集型、投资密集型、人才密集型的产业。德国的框架规划综合考虑了各方面的因素，为政府的职能界定和企业的主导作用提供了很好的、有效的平台，其中很多地方实在值得国内的相关人士借鉴。
