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Aiming at the current technology bottlenecks in China, this paper carries out field interviews, surveys and desk data analysis, and summarizes the core categories based on grounded theory; then, according to the strategic management research framework, it clarifies the internal correlation between the core categories through the case study of chip manufacturing technology and constructs the problem formation mechanism and solution path.
First, both investigation and desk data analysis are taken into account to diversify data acquisition channels and meet the dynamic and temporal requirements of subsequent research. Second, grounded theory is used to carry out multi-level coding of data and refine some core concepts that reflect the cause of the problem. Meanwhile, to systematically reveal the interrelationships and mechanisms of core concepts, this study takes the technologically backward parties as the research subjects, introduces a strategic management analysis framework, and constructs an analysis framework based on target positioning, environmental analysis, result evaluation strategy selection to reveal the formation mechanism and seek a solution path. On this basis, a case study is conducted on the technological containment process in the chip industry.
The research shows that five core categories can be extracted around the bottleneck problem, technical feature position reflects the marketing attributes of key core technologies, which is the premise of the formation of the problem. The situation of technology competition reflects the current situation and degree of disadvantage of such technologies; the technical blockade barrier reflects the way and threat degree of technological containment, which are the internal and external causes of the problem. Safety and controllability reflect the hidden dangers and impacts of the above factors. The selection of a technical cracking mode requires comprehensive consideration of the influence degree and path difference of each element and a targeted strategy.
Besides, the technological blockade process adopted by the United States can be divided into four stages. The first trade friction stage is marked by increasing tariffs, which have hindered domestic enterprise exports. The second partial control stage, represented by the ZTE incident, destroyed the existing global supply chain and industrial division of labor directly. Third, in the comprehensive lockdown stage, the "Chips and Science Act" was introduced to comprehensively block Chinese products, enterprises and universities. In the final control stage, specific advanced computing integrated circuits and semiconductors were precisely controlled through the modification of regulations.
The following conclusions are drawn. First, combined with the characteristics of the technology bottlenecks, the relevant technologies play a decisive role in industrial development. Thus, it is essential to strengthen the intensity of basic research through top-level design and boost the enthusiasm of different research and development entities to carry out breakthrough research by utilizing large central enterprises, research institutes, and other institutions. Through specialized, refined, and innovative enterprises, the deficiencies of the industry chain can be remedied to assist chip enterprises. Second, it is necessary to consider the internal and external factors of the talent shortage. The shortage of domestic chip talents directly affects the technological competitiveness of enterprises, while the external driving force of talent blockade exacerbates this performance. This study clearly reveals the path differences that arise from the technology bottleneck problems, providing a more scientific and credible theoretical basis and support for subsequent path comparison analysis and corresponding strategy formulation.
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近年来,随着逆全球化的日益加剧,以美国为代表的发达国家在集成电路、操作系统、发动机、精密仪器等多个领域不断对我国实施技术封锁和政治打压[1],2023年开始更是试图通过《芯片科学法案》削弱中国半导体在全球产业链中的价值,我国关键核心技术发展受制于人的“卡脖子”问题日益凸显[2]。2019年,《科技日报》公布了35项“卡脖子”技术,其特征主要表现为:①企业自主创新能力薄弱,产业整体发展滞后;②部分生产设备和关键部件高度依赖进口,并面临发达国家技术封锁和打压。坚持科技创新,掌握自主知识产权关键核心技术,是我国经济高质量发展和国防安全的重要保障。为此,“十四五”规划提出要“坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位,把科技自立自强作为国家发展的战略支撑”[3]。在这一国家战略引领下,如何有效提升我国关键核心技术国产替代水平,探寻自主创新路径破解“卡脖子”难题,已成为社会各界高度关注和亟待解决的重要课题。
目前,已有研究围绕“卡脖子”技术概念[4-6]、特征[4-8]、识别[4-9]、成因[10-11]和应对策略[4-13]取得一定理论成果,但存在以下不足:首先,虽然已有文献多围绕“卡脖子”技术产生的内生矛盾和外部制约展开研究(俞荣建等,2023),但对“卡脖子”技术形成过程和机理聚焦不足,对问题形成路径、前提条件、驱动因素、影响程度缺乏系统性分析,导致解释问题成因的理论支撑不足,进而影响解决方案的科学性和可行性。其次,现有文献主要从技术要素视角进行问题归因,对市场和国家层面影响要素的考虑较少。由于“卡脖子”技术不仅存在属性特征差异,更受到市场竞争态势、行业战略牵连和国际封锁状况等诸多外部因素的影响,因此“卡脖子”技术形成路径存在较大差异,只有具体问题具体分析,才能提出更具针对性的破解策略[4]。在研究设计和研究方法方面,已有文献多采用专家识别法[5]、德尔菲法[6]、问卷调查法[7],通过有限信息渠道进行资料搜集和归纳,并根据静态数据开展实证研究,对于尚未出现成熟理论支撑的“卡脖子”问题,缺乏从广泛资料中提取概念、构建理论和推导关联的研究过程。
为此,本文聚焦“卡脖子”技术形成过程,从技术、市场和国家等多个层面提炼问题成因,从而清晰揭示问题产生的路径差异,从而为后续路径分析和相应策略制定提供科学的理论依据。在研究设计方面,通过开展实地访谈和多渠道资料分析,归纳问题形成的核心范畴,提炼核心概念,分析内在关联,从技术特征属性、市场竞争态势、国家外部封锁和安全可控程度4个方面对典型技术形成路径差异进行综合考量,进而寻求针对性破解策略。在研究方法上,采用扎根理论与纵向案例分析相结合的方法,在核心概念关联性分析中引入战略管理框架(目标设定—环境分析—战略选择)阐释“卡脖子”问题形成过程,选取芯片产业作为纵向案例分析对象,借鉴事件系统理论评估不同要素间的互动效果及因果关系,拓展该类问题研究思路和方法。
首先,已有文献普遍认为“卡脖子”技术除具备一般技术的市场属性外,还涉及产业链安全稳定和社会民生,更强调社会属性和公共安全属性[5]。从时间尺度看,“卡脖子”技术可划分为短期亟待攻克和需要长期布局的关键核心技术。短期“卡脖子”技术是已被限制、亟待短期攻克的关键核心技术,长期“卡脖子”技术很难通过技术模仿等方式缩小技术差距,需要进行长远布局[6]。从研发投资价值视角看,“卡脖子”技术是保障经济安全、融入全球化的关键技术,具有复杂性、垄断性、战略性等基础性特征[7]。此外,需要从微观、宏观和外界供给3个层面界定“卡脖子”技术,明确其核心范畴。
其次,部分学者对“卡脖子”技术展开深入研究。陈劲等[5]从技术差距、关键核心技术、安全性、价值链位置4个层面构建“卡脖子”技术“金字塔”模型,在国家层面进一步明确了解决“卡脖子”技术的战略导向;张治河等[6]采用德尔菲法构建“卡脖子”技术甄选机制,该甄别机制不仅涉及国家层面,还服务于企业技术创新,从而满足多主体需求;汤志伟等[7]从电子信息产业入手,提出关键核心技术、技术垄断、攻克难度、价值链位置4个层面的识别方法,进一步完善了“卡脖子”技术识别和预测方法。也有学者从专利视角开展“卡脖子”技术甄选研究,如赵雪峰等[8]对专利申请文件数据进行挖掘,运用深度学习方法构建“卡脖子”专利识别模型;江瑶等[9]以区位熵为基础,从前沿技术性、战略性、创新性3个方面构建“卡脖子”技术两阶段漏斗式甄选模型,进一步挖掘“卡脖子”技术短板领域。
此外,也有学者对“卡脖子”技术成因和破解策略进行探讨。宋立丰等(2022)以3种“卡脖子”技术为主体,通过分析造成“卡脖子”技术困境的成因,发现重大科技工程在解决“卡脖子”技术问题方面具有情境包容性,可通过资源配置和运行机制解决“卡脖子”问题;李昱璇等[12]针对区域性“卡脖子”技术问题,从产业发展现状、技术清单、政策支持、研发基础4个层面提出综合性解决方案;俞荣建等[4]、高旭等[13]分别通过专利计量和自然语言处理方式区分不同“卡脖子”技术竞争态势,为破解“卡脖子”技术提供了情境化路径。
总体来看,已有文献为解决“卡脖子”问题提出各种应对策略,尝试通过建立特征模型提供理论依据,但忽视了对问题形成过程影响因素和作用机制的分析,未系统解决现状问题并对未来行动作出科学评判。同时,现有文献多采用案例研究方法,主要针对集成电路、工业软件[14]和半导体[15-16]领域“卡脖子”问题进行分析,并分别从市场导向与政策激励机制比较[14]、商业模式创新[15]等不同视角提出技术创新节点聚合、应用等破解路径。
扎根理论作为建构和完善未成熟理论的主要质性研究方法,擅长从广泛、丰富的素材中为理论构建提炼扎实构念,能够满足“卡脖子”问题形成机理研究较少、理论基础未完全建立的研究需求。然而,由于扎根理论编码过程需要不断进行抽象化处理,可能会导致研究结果去情境化,忽视对“故事线索”阶段性和关联性的深入探讨(王凤彬,2022),从而无法胜任完整的理论过程构建。而结合单个或少量案例,则能够对扎根理论结果进行深入挖掘,进而揭示一般性演进机理[17]。为此,本文采取扎根理论与案例分析相结合的方法,构建“卡脖子”问题研究框架,如图1所示。首先,在文档资料收集阶段兼顾实地调研和案头资料分析,力求数据获取渠道多样化以及内容满足后续研究动态性和时序性要求。其次,运用扎根理论对数据进行多级编码,提炼若干核心概念。同时,为系统揭示核心概念间的关联机制,以技术落后方为研究主体,兼顾产业发展和企业创新两个层面需求,引入战略管理分析框架,根据“目标定位—环境分析—结果评估—策略选择”设定分析框架,揭示形成机理,进而寻求破解路径。再次,选取“芯片”产业“卡脖子”过程进行案例分析。近年来,芯片产业已成为中美两国技术竞争的焦点,两国在政治、经济不同层面持续博弈,产业政策不断调整,已形成比较丰富的资料数据和清晰的时间线,适合对“卡脖子”形成过程开展纵向案例研究。为此,在案例分析中引入事件系统理论,对“卡脖子”技术驱动结果进行判断,通过情境化研究阐释“卡脖子”技术形成机理。
图1 “卡脖子”问题形成机理研究框架
Fig.1 Framework of the formation mechanism of technology bottlenecks
为避免主观性对研究结果产生的不良影响,形成能够相互印证的“三角验证”,采取多种途径收集“卡脖子”技术资料:①线下访谈;②新闻媒体采访数据;③文献资料及政府工作报告等文件。其中,一手资料是扎根研究最重要的数据资料来源,线下访谈是本研究获取数据的主要方式,该方式能够深入情境反映与主题相关的内容。通过对已经公布的30多项“卡脖子”技术所属行业进行分析,按照芯片制造、材料等多个“卡脖子”技术相关企业联系技术研发人员、科研管理人员及企业负责人。在访谈前通过询问受访者所在行业“卡脖子”技术现状,确保受访者对“卡脖子”技术有一定的认知基础,最终选定20项不同“卡脖子”技术领域的21人作为访谈对象。通过对记录资料进行整理,获得访谈文本78 572字、调研过程中的研究笔记约3万字。除访谈资料外,收集近年来与“卡脖子”技术相关的研究报告,经过筛选,共得到5篇研究报告、27篇案例和政策数据,并对以上文件资料进行筛选,将其作为理论分析与检验的原始资料,如表1所示。
表1 数据类型与来源
Tab.1 Data and their sources
数据类型来源主要内容资料数量访谈数据访谈芯片、材料、仪器等20个“卡脖子”产业21份,11万字二手数据IC设计、制造与相关设备11份,5万字文档数据研究机构主要针对芯片所涉产业5篇网页数据案例、政策数据《芯片法案》、集成电路、材料等27份企业官网芯片产业链内企业数据49家
开放式编码是扎根理论第一阶段的工作,该阶段的主要工作是对实地访谈、媒体采访记录和文献资料进行逐字、逐句或段落性编码[18-19]。按照这一过程,本文共获得开放性编码1 051个,其中有效编码542个。从原始资料展开归纳,再从参考点的开放性编码向概念转化,由542个有效编码获得115个概念,再将概念范畴化,得到包括A1垄断性、A2国家安全、A49价值链高附加值环节、A50产业链核心位置等50个范畴。这些范畴性质和提炼维度均通过扎根访谈获得的资料编码形成,所代表的中心内容均指向研究主题——“卡脖子”技术,所显示内容与研究主题存在一定关系。开放性编码过程如表2所示。
表2 开放性编码过程
Tab.2 Examples of open coding
原始资料节选概念化范畴化我最早在T厂工作,但所在动画部门基本都在研究力学方面的知识,跨学科研究需要你在各个领域都没有短板,只有计算机参与是不可能的,这就需要基础学科,而我国基础科学研究较为薄弱a16跨学科领域协作a17基础研究领域较为薄弱A3系统性问题高端轴承用钢材料研发、制造与销售基本上被某些国外公司垄断,虽然国内企业也有制造类似产品的能力,但多属于中低端产品,相较于国外来说竞争力较弱a36高端材料仍被垄断a37国内产品多属于低端产品A17产业链重要位置合计 542个参考点115个概念50个范畴
在对开放编码得到的初始概念进行反复思考后,共提炼出50个范畴,提炼出不可替代性、国家安全性、技术基础条件等15个主范畴,如表3所示。
表3 主轴编码结果
Tab.3 Axial coding results
主范畴范畴不可替代性A17产业链重要位置;A22关键决定性;A23一旦“卡脖子”影响重大;A27融入全球化的高水平技术;A46技术价值链核心位置;A47直接处于产业链上游“卡脖子”影响大;A50产业链核心位置难以模仿性A1垄断性;A15复杂性;A48产业链短板位置高附加值A49价值链高附加值环节;A50产业链核心位置渐进式创新A4需要持续改进性能;A10提高技术精度;A37技术特性丰富度较低突破式创新A9创新未知性;A38可能难以快速获得回报;A45严重受制不能通过贸易获取市场化交易A31加强共性技术交流合作;A39改善FDI市场化环境,吸引技术转移;A43产业化成本高国家安全性A2国家安全性产业安全性A11产业安全性自主可控度A16技术难以自主开发;A30关键零部件受制于人技术垄断程度A7技术差异度大;A14技术实现效率低;A24技术实现成本高技术基础条件A3系统性问题;A8基础技术研究有缺陷;A12应用技术研究有缺陷;A13基础研究和应用研究难以兼备;A20基础材料有缺陷;A21基础技术难以转化为应用研究;A26应用技术领先而基础技术落后;A33相关产业链不完整;A34没有生产设备;A35产业链整体落后;A36相关领域生产能力低;A41没有相关技术研发支持技术等级水平A19市场占有率差距;A25自主创新能力差距;A29产业链所属位置差距;A32技术精度差距;A40自主研发能力差距技术专利壁垒A5发达国家先入优势;A7技术被垄断;A24技术专利壁垒;A42知识产权带来的行业领先地位技术贸易壁垒A18技术联盟的技术壁垒;A44相关产品进出口禁令技术法规壁垒A6技术标准的技术壁垒;A28质量标准壁垒
通过反复比较,确定如下核心范畴:技术特征定位、技术竞争态势、技术封锁壁垒、安全可控程度和技术破解方式,如表4所示。
表4 选择性编码结果
Tab.4 Selective coding results
核心范畴主范畴C1技术特征定位不可替代性、难以模仿性、高附加值C2技术竞争态势技术基础条件、技术等级水平C3技术封锁壁垒技术垄断程度、技术贸易壁垒、技术专利壁垒、限制法规壁垒C4安全可控程度国家安全性、产业安全性、自主可控度C5技术破解方式突破式创新、渐进式创新、市场化交易
(1)技术特征定位。“卡脖子”技术是影响我国国家安全和经济稳定且自主可控性弱的若干关键核心技术的总称。一般来说,该类技术首先需符合不可替代性、难以模仿性、高附加值等关键核心技术的市场属性。其中,不可替代性主要是指该类技术的功能很难通过其它替代技术实现;难以模仿性强调该类技术具有持续动态创新能力,很难被竞争对手完全模仿和超越;高附加值强调该类技术在产业链环节中具有支配地位。在满足上述特征的前提下,如果技术竞争态势处于劣势、受到外界技术封锁或威胁,并在产业和国防安全方面产生无法自主可控的威胁,才能进一步转变为“卡脖子”技术。
(2)技术竞争态势。技术竞争态势是指我国“卡脖子”技术研发条件及市场竞争情况,包括技术基础条件、技术等级水平和技术垄断程度3个方面。技术基础条件是指基础研发条件和投入情况,研发投入不足会导致基础研究水平低下,带来自主创新能力薄弱、技术短板明显等一系列问题。技术等级水平反映技术垄断方与技术落后方的差距,这种差距主要是由于技术垄断方利用先入为主的良性循环效应不断强化自身技术优势地位,将后入者锁定在恶性循环的技术路径中造成的[20]。技术垄断程度反映技术垄断方的市场地位和垄断程度,决定后续采取何种技术封锁手段遏制技术落后方发展,通常垄断程度越高,技术封锁手段越全面、遏制程度越高。
(3)技术封锁壁垒。技术封锁壁垒是指技术垄断方为阻止技术落后方追赶而设置的各类障碍及遏制手段,包括技术专利、技术贸易和限制法规等技术壁垒。其中,技术专利壁垒是指技术垄断方通过知识产权保护形成的封锁壁垒;技术贸易壁垒是指技术垄断方通过技术市场交易形成的封锁壁垒,其遏制效果从个别产品转向整个行业。而限制法规壁垒主要是指技术垄断方通过出台相应法律法规形成的封锁壁垒,该壁垒往往会在市场交易、人才交流等多个层面形成全方位国家封锁状态,是封锁壁垒最高的一种方式。
(4)安全可控程度。安全可控程度是指技术落后方受到外部技术封锁的影响,在产业安全和国防安全两个方面的自主可控程度。其中,产业安全涉及价值链角色定位和产业自主发展能力,而国防安全涉及国家安全和民生稳定。自主可控性反映技术落后方对外部封锁产生安全威胁的自我控制能力,自主可控性弱会扩大技术安全威胁的影响,并提高技术垄断方的议价能力和壁垒门槛。
(5)技术破解方式。技术破解方式主要包括突破式创新、渐进式创新和市场化交易3种方式。突破式创新是指对处于空白、亟待突破的“卡脖子”技术进行跃迁以满足创新需求,该类创新能够打破原有技术性能改进轨道,快速获取技术竞争领先地位。渐进式创新是指对部分具有一定研发基础且精度相对落后的技术进行持续性改进创新,延续原有技术性能轨道,持续提升该类技术核心竞争力。市场化交易是指对一些尚未完全封锁的技术,通过与合作技术垄断方开展市场交易获取,为后续创新活动的开展提供短期支持。
面对“卡脖子”技术难以突破的现状,需要系统考虑技术自身定位、环境要素与“卡脖子”技术之间的相互影响关系。本研究通过反复比较范畴,根据战略管理研究框架梳理核心范畴间的内在关联,归纳出“卡脖子”技术形成过程,如图2所示。其中,技术特征定位反映关键核心技术市场属性,只有具备关键核心技术的基本特征,才具备“卡脖子”的可能。技术竞争态势和技术封锁壁垒分别反映问题形成的内外因素。由于技术轨道具有累积性和排他性,国外企业凭借领先的行业地位和突出的技术优势维持技术垄断地位,通过市场化途径将国内企业与国外先进技术之间的差距逐渐拉大。此外,“卡脖子”的显著特点是技术所在国因政治、“国家利益”等原因,通过事件持续以非市场化手段对技术落后国进行技术封锁。“卡脖子”技术之所以重要,不仅是因为关键核心技术的自身特性,还需要考虑技术封锁对产业和国家安全的战略性影响。因此,安全可控程度反映内外因素对产业和国防安全的影响程度,这是识别“卡脖子”技术成立的必要条件。在此基础上,技术破解方式需要综合考虑各要素影响程度和路径差异,进而制定有针对性的策略。
图2 基于战略管理框架的“卡脖子”技术形成过程
Fig.2 Formation process of technology bottlenecks within the strategic framework
芯片作为现代信息技术发展的核心,伴随着5G、物联网、人工智能、可穿戴设备等新兴应用领域的蓬勃发展,在促进经济发展、维护国防安全方面发挥关键作用。芯片制造过程涉及多个配套产业支持,产业链总体包括3个环节,如图3所示。其中,上游是设计环节,中游主要负责IC制造和封测,下游针对不同产品进行多终端应用。在此基础上,芯片行业需要EDA、IP技术和各种材料设备支持,并衍生出Fabless、Foundry、IDM和OSAT 4种厂商模式。
图3 芯片产业链及主要相关产业
Fig.3 Chip industrial chain and major related industries
由于芯片制造过程工艺复杂,精密度要求高,多数技术都需要经过长期积累才能形成较为完整的技术体系[21-22]。目前,我国虽然在芯片制造封测环节达到成熟水平,但仅能触及产业链低端环节,无法撬动整个产业链布局和发展。相比而言,我国产业链上游设备、原材料供应以及中游制造环节存在许多尚未攻克的关键核心技术,如光刻机、光刻胶、EDA水平、硅片、离子注入机、制造工艺等,这些技术直接影响芯片产业链各环节议价水平和资源配置能力,对整个产业链发展起至关重要的作用,是“卡脖子”技术后续形成的前提条件。
目前,我国企业在国际竞争中仍处于弱势地位,仅有的市场份额也大多处于价值链中低端环节,芯片产业存在国产化率低、技术差距明显等问题,这在芯片产业中上游环节尤为明显。如图4所示,美国建立的所谓“Chip 4”联盟(美、日、韩、中国台湾)在芯片行业各环节都占有较大比重。
图4 芯片相关技术竞争态势
Fig.4 Competitive situation of chip-related technologies
注:资料来源:Gartner、SEMI
由于我国芯片产业技术基础薄弱、创新能力不足,使得以美国为代表的一些发达国家谋求通过对芯片领域的技术封锁,达到遏制我国综合国力增强的目的。从2017年年底将我国明确定位为竞争者,到2018年对我国科技企业(中兴、华为)进行出口管制限制,再到利用《芯片和科学法案》(2022年)进行全面技术封锁,我国芯片领域核心技术被“卡脖子”的窘境日趋严重。图5列举了美国近几年采取的主要技术封锁措施。
图5 美国针对芯片产业的“卡脖子”过程回顾
Fig.5 Process review of the US containment on China′s chip industry
总体来看,美国对我国采取的技术封锁过程分为4个阶段:①贸易摩擦阶段,该阶段美国通过增加关税的方式不断限制中美两国间的自由贸易,阻碍我国企业产品出口,使得我国企业难以通过国际市场得到产品信息反馈,从而限制消费环节对产品的创新动力;②部分管制阶段,以中兴事件为代表,美国通过市场管控不断加大对我国芯片领域的限制,阻碍我国企业技术引进和技术模仿,破坏现有全球供应链和产业分工;③全面封锁阶段,美国通过出台《芯片法案》《出口管理条例》等法规,在芯片全球产业链对我国产品、企业、高校等进行全方位围堵,使得国内先进技术追赶受限[23-24];④重点管制阶段,由于部分管制行为限制美国本土行业发展,因此其通过修改条例对特定先进计算集成电路及半导体进行精准管制。
根据事件系统理论,表5从事件时间强度及事件属性对芯片行业多项“卡脖子”技术行为进行判断。其中,“+++”表示指标强度高,“++”表示中等强度,“+”表示强度低。首先,根据“卡脖子”行为非常规、非预期程度对新颖性进行判断;其次,按照对产业和国家安全影响对颠覆性和关键性技术进行判断,对国家安全造成威胁的事件颠覆性和关键性程度较高,而仅影响产业安全的事件颠覆性和关键性程度次之。此外,时间属性主要判断“卡脖子”行为持续的时间跨度,空间属性主要测度“卡脖子”行为的覆盖面。
表5 “卡脖子”行为对芯片行业技术工艺的影响
Tab.5 Impact of the US containment on the technology in chip industry
序号对象事件阶段贸易摩擦部分管制全面封锁事件描述时间强度新颖性颠覆性关键性事件属性时间属性空间属性1EUV光刻机√2019年11月限制ASML对中芯国际EUV光刻机出口++++++++++++++√2022年12月美国将上海微电子等光刻机生产企业列入实体清单+++++++2光刻胶√2021年5月,信越化学对多家芯片代工厂限制供货半导体KrF光刻胶++++++++312寸硅片√√2019年底,对所需用于切割、研磨、抛光的大尺度硅片进行限制+++++++++4FPGA芯片√2017年禁止中国并购Lattice半导体(FPGA)+++++√2019年5月, 禁止Xilinx向华为供应FPGA芯片+++++5掩膜版精加工√2022年11月,用于生产掩膜的技术需要获取BIS许可证++++++++++6EDA√2017年禁止中国并购Lattice半导体(EDA)+++++√2022年8月,美国宣布停止中国EDA使用权++++++++++++7芯片制造工艺√2020年12月,针对芯片10nm以下工艺及半导体物品出口申请推定为否决+++++++++++√2021年6月,切断对中国集成电路28nm制造的技术支持(薄膜沉积、半导体表面图案化等工艺)+++++++++√2022年11月,对多项芯片制造工艺设备进行管制(化学气相沉积、制造金属触点等工艺)+++++++
光刻机作为关键设备位于产业链上游,随着时间推移,越来越多的光刻机生产企业被列入“清单”,对我国光刻机出口的限制也更加严格,随着技术封锁的持续强化,所涉空间范围也更广。芯片制造位于产业链中游,是产品新老交替的技术保障,因此关键性程度较高,随着“卡脖子”行为的不断强化,芯片制造受限空间范围更广。
面对“卡脖子”问题日益严峻的窘境,如何根据自身条件和外部因素构建理论分析框架,制定行之有效的破解方案和应对策略,不仅是芯片产业发展的需要,更是保障国家安全的迫切要求。本文从芯片制造产业链上游和中游环节出发,选取时间强度高、空间属性显著的“光刻机”和“制造工艺”,围绕前述提炼的核心概念、测量指标进行证据归纳和评估,借鉴事件系统理论常用的事件属性进行表述,如表6所示。
表6 光刻机与制造工艺“卡脖子”形成过程分析
Tab.6 Analysis of technology bottleneck formation in lithography machine and manufacturing process
核心范畴 测度指标 光刻机案例证据制造工艺案例证据技术特征定位不可替代性+++光刻精度影响元器件刻画尺寸++制造工艺影响芯片产业先进程度难以模仿性+++EUV光刻机零件超过10万个,调试时间超一年++整个过程反复循环数百道甚至数千道工艺具高附加值+++光刻机占半导体设备销售额的23%,约130亿美元+++芯片制造利润占比大,毛利率处于行业较高水平技术竞争态势技术基础条件+国内光刻机起步晚,国内具有竞争力的厂商少++芯片制造主要厂商数量:中国台湾(4)美(2)、韩(2)、中国大陆(1)技术等级水平+++国外光刻机精度已达到3nm,国内仅达到14nm++台积电、三星已经具备3nm生产能力,中国大陆没有生产14nm以下制程的能力技术垄断程度+++高端EUV光刻机只有ASML具备生产能力,国产化率为0++台积电占据60%的全球份额,中国大陆不具备高精度生产能力技术封锁壁垒技术专利壁垒+++ASML拥有600余项高水平专利,国内137家企业相加仅有192项++12寸硅片全球专利数量中国仅有8项,远低于日本(33项)美国(27项)技术贸易壁垒+++ASML对中芯国际断供EUV光刻机+对国内芯片禁止大规模代工,断供高端芯片限制法规壁垒+++美国已出台《芯片法案》等法规限制国内光刻技术发展+2022年10月24日,美国再发布中国半导体制造许可证将面临“拒绝推定”安全可控程度国防安全性+++高精度制程芯片是国防科技化、智能化的基础++芯片产能输出由制造产业掌控产业安全性++光刻机性能影响芯片制程+芯片制造在芯片产业链具有“卡口”地位
由于技术复杂度高、引进渠道单一,在竞争态势差距愈发明显的当下难以实现技术替代,导致光刻机安全和自主可控问题愈发严峻。而芯片产能输出受制造环节影响,在产业链中具有“卡口”地位,需经历数百道工艺循环,制造工艺水平影响芯片制造企业技术竞争力[25]。因此,制造工艺持续创新是推进芯片制造进一步发展的关键元素。本研究按照技术特征定位、技术基础条件等核心概念对光刻机和制造工艺“卡脖子”形成路径进行分析。相较于制造工艺而言,光刻机技术定位、垄断程度和封锁壁垒较高,而技术基础条件、等级水平和安全可控程度较低,通过核心范畴作用强度分析“卡脖子”路径差异,形成如图6所示的两条不同“卡脖子”路径。
图6 光刻机与制造工艺“卡脖子”路径
Fig.6 Path analysis of technology bottlenecks of lithography machine and manufacturing process
以光刻机为代表的“卡脖子”技术一般位于产业链上游,显著特点是技术基础薄弱、技术竞争处于劣势地位、受限严重,更易受到“断供式”技术封锁。结合当前技术落后方的竞争地位与当下技术难以自主可控的情境,突破式创新可作为一个切入点,通过设立长远目标与持续投入进行技术变革。相较于渐进式创新,与外部拥有关键资源的组织建立联系能为企业突破式创新提供更多支持。在联合封锁的背景下,与可能具有合作关系的国家开展市场交易,有望提高技术性能,改变产业竞争格局。
与光刻机相对应的是位于产业环节中游的制造部分,相较于产业链上游技术,该类技术已具有一定基础,更多是受到“打压式”封锁,如各种产能限制,结合对上游“断供式”的控制,让中游制造难以达到国际领先水平。以制造为主的中游环节能够撬动整个产业链发展,而制程代表所处行业先进程度,是创新能力的集中体现。其中,制造工艺持续创新是一个技术积累过程,渐进式创新更重视现有资源、创新风险小,通过再生产提高技术工艺精度和效率,巩固制造环节市场地位,更有利于企业长远发展。
综上所述,本文围绕“卡脖子”技术问题,运用扎根理论对多渠道资料进行编码归纳,提炼核心概念,参考战略管理分析框架建立概念间关联作用路径。同时,选取芯片产业“卡脖子”技术案例进行分析,揭示“卡脖子”形成过程机理,并对“光刻机”和“制造工艺”两类典型“卡脖子”技术形成过程进行分析,得出以下结论:
(1)“卡脖子”技术形成路径。“卡脖子”技术问题与技术特征定位、技术竞争态势、技术封锁壁垒、安全可控程度和技术破解方式5个核心概念密切相关。“卡脖子”问题形成过程为:发生条件(关键核心技术形成)→内因(技术竞争驱动)→外因(技术封锁驱动)→事件影响(安全可控驱动)→结果(“卡脖子”技术形成),即首先应该具备关键核心技术特征,并在技术竞争与技术封锁内外双重因素驱动下,以事件形式对安全可控度产生影响,最终形成“卡脖子”技术。在不同“卡脖子”技术形成阶段影响因素和作用程度不同,破解策略需要根据技术形成路径进行针对性分析。
(2)“卡脖子”技术破解策略选择。对于处于产业链上游、技术基础薄弱、面临寡头垄断市场、竞争对手采取“断供式”封锁的“卡脖子”技术,应选取突破性技术创新破解策略。突破式创新需要多方资源支持,涉及的创新主体主要为大型央企、科研院所和高校,创新主体在科学预判技术特征和趋势的基础上开展长周期基础性研发活动,通过自主创新引领产业发展。对于处于产业链中游、具有一定技术基础、面临垄断市场竞争、竞争对手采取“打压式”封锁的“卡脖子”技术,应采取渐进式技术创新破解策略,以企业为创新主体开展短周期技术升级活动,通过提升市场竞争力获取产业链“话语权”,依靠扩大产能和市场规模补齐产业链短板,从而形成良性循环。同时,努力拓展市场空间,积极寻求战略合作,帮助技术落后方缓解短期“卡脖子”危机。
(1)从发生条件看,“卡脖子”技术首先需要满足关键核心技术特征,这些技术多位于产业链核心环节,对产业发展起决定性作用。一方面,芯片研发需要完善顶层设计,加强基础研究,从源头解决“卡脖子”问题;另一方面,需要发挥不同研发主体的积极性。其中,大型央企要成为产业链链长,与科研院所、高校进行全面合作。同时,培养一批专业化发展的专精特新企业,尤其是在核心技术和核心产业层面,鼓励专精特新企业深耕细分领域,从互补端为芯片企业助力。
(2)从内因看,技术竞争处于劣势地位的主要原因是人才匮乏、竞争优势不足;从外因看,国外着眼于技术封锁,同时通过人才圈定的方式进行“人才封锁”。人才是知识的载体,习近平总书记多次强调发挥“战略科学家”的前瞻性判断力和跨学科理解能力解决“卡脖子”难题。对于芯片产业来说,无论是在调试阶段还是量产阶段,拥有芯片产业链重要知识的人才至关重要,但我国高端芯片人才数量无法满足突破“卡脖子”领域的需要。因此,需要从人才引进和人才培养两个方面着手,一方面,编制紧缺人才清单,加大人才引进力度;另一方面,通过培养专业人才、组织专门团队进行“卡脖子”技术攻关。
由于“卡脖子”问题涉及技术创新、产业政策等多方面内容,现有研究尚处于初期探索阶段,采用扎根理论对文献进行模型建构和理论检验很难搜集大量研究资料。面对相同的原始资料,由于研究者个体认知差异,概括和提炼的范畴因人而异,所以未来需要对所建构的理论进行完善。未来应对多个行业“卡脖子”技术形成路径进行分析,并通过组态方法深入研究不同因素间的影响机理,提高理论的适用性和针对性。
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