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集成电路 新中国曾经有这样的辉煌

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来源:察网 时间:2018-05-17 11:23:24 访问:779 次
  新中国建国后的第一个三十年,我国计算机和集成电路事业在自主赶超路线的主导和公有制科研、生产体系的统筹下,从无到有,初步建立起了独立完整的产业体系,不断缩小与日本、美国的差距,比韩国起步早,发展快,对今天的芯片产业自主研发仍有重要的启示。

  对钢铁技术产业、电子信息技术产业都做过专门研究的老一代革命家马宾(原鞍钢总经理、总工程师,改革开放后历任冶金工业部副部长、国家进出口委员会副主任、国务院经济研究中心副总干事等)早在90年代初指出,“如果说集成电路是电子信息产业的核心,那么继承电路生产的支撑产业就是电子信息工业的基础。”“IC产品的竞争,实际上是制造设备的竞争”,从65-78年,“产业内各行业是同步发展的,并已建立了较完整的设备、仪器、材料、科研、生产的体系”。

  1、科研和生产布局:集中攻关,遍地开花

  科研和生产配置方面,早在建国初期,1950年抗美援朝战争爆发后,为解决军队电子通信问题,国家成立电信工业管理局,在北京酒仙桥筹建北京电子管厂(京东方前身),由民主德国(东德)提供技术援助。酒仙桥还建起了规模庞大的北京电机总厂、华北无线电器材联合厂(下辖706、707、718、751、797、798厂)、北京有线电厂(738厂)、华北光电技术研究所等单位。在1952年,中国便成立了电子计算机科研小组,由当时的数学研究所所长华罗庚负责。

  1956年,中国提出“向科学进军”,国家制订了发展各门尖端科学的“十二年科学技术发展远景规划”,把计算机列为发展科学技术的重点之一,并筹建了中国第一个计算技术研究所。根据国外发展电子器件的进程,提出了中国也要研究发展半导体科学,把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。从半导体材料开始,自力更生研究半导体器件。为了落实发展半导体规划,中国科学院应用物理所首先举行了半导体器件短期训练班。请回国的半导体专家内昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制技术和半导体线路。参加短训班的约100多人。

  当时国家决定由五所大学-北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学半导体物理专来,共同培养第一批半导体人才。五校中最出名的教授有北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德和吉林大学的高鼎三。1957年就有一批毕业生,其中有现在成为中国科学院院士的王阳元(北京大学)、工程院院士的许居衍(华晶集团公司)和电子工业部总工程师俞忠钰等人。之后,清华大学等一批工科大学也先后设置了半导体专业,培养了大批专业人才。

  1958年,上海组建华东计算技术研究所,及上海元件五厂、上海电子管厂、上海无线电十四厂等企业。使上海和北京,成为中国电子工业的南北两大基地。1960年,中国科学院在北京成立半导体研究所,集中了王守武博士、黄昆博士、林兰英博士等著名海外归国专家。同年组建河北半导体研究所(后为中电集团第13所),进行工业技术攻关。

  到六十年代初,中国半导体器件开始在工厂生产。此时,国内搞半导体器件的已有十几个厂点。当时北方以北京电子管厂为代表,生产了II-6低频合金管和II401高频合金扩散管;南方以上海元件五厂为代表。

  1961年我国第一个集成电路研制课题组成立。1962年由中科院半导体所,组建全国半导体测试中心。1963年中央政府组建第四机械工业部,主管全国电子工业(1982年改组为电子工业部),由通信专家王诤中将任部长。1968年,我国组建国营东光电工厂(878厂)、上海无线电十九厂,至1970年建成投产,形成中国IC产业中的“两霸”。

  中国早期电子工业,主要以军事项目为牵引,研制军用航空电子设备、弹道导弹控制设备、核武器配套电子设备、军用雷达、军用通讯器材、军用电子计算机等产品。1958年开始研制东方红卫星后,又将防辐射级太空电路列入研究项目。民用电子产品以收音机为主。70年代初,受国内外微电子业迅速发展的影响,加上集成电路的利润丰厚,国内出现一股电子热潮,全国建设了四十多家集成电路工厂,包括四机部下属的749厂(甘肃天水永红器材厂)、871厂(甘肃天水天光集成电路厂)、878厂(北京东光电工厂)、4433厂(贵州都匀风光电工厂)和4435厂(湖南长沙韶光电工厂)等,各省市另外投资建设了大批电子企业,为以后进行大规模集成电路的研究和生产提供了工业基础。

  2、科研和生产成果:自力更生,逐渐缩小同国外差距

  在科研和生产成果上,前三十年我国整体上紧跟世界相关领域的先进成就,不断缩小同发达国家的距离,下面是几个具有标志性的成果比较:

  1957年,北京电子管厂通过还原氧化锗,拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年,中国相继研制出锗点接触二极管和三极管(即晶体管)。国外最早是在1947年,美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管。中外差距:10年。

  1963年(一说1962年),河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。平面工艺技术是半导体元件制作中的一个关键环节,是制作集成电路的基础。国外最早是在1958年,由仙童半导体公司 (Fairchild Semiconductor,也译作“飞兆公司”)首先发展出平面工艺技术。中外差距:5年。

  1962年,为解决晶体管制造难题,中国人民解放军军事工程学院四系四○四教研室康鹏(25岁)临危受命,成功研发“隔离-阻塞振荡器”(后被命名为康鹏电路),解决了晶体管的稳定性问题,使中国比美国晚近8年进入晶体管时代。

  在解决晶体管制造难题后,哈军工(由慈云桂主持设计)成功研制出新中国第一台全晶体管计算机441B-I于1964年诞生,比美国第一台全晶体管计算机RCA501只晚了6年。441B计算机1966年参加北京的计算机展览,恰逢邢台大地震,在地震中稳定运行。

  1964年,吴几康成功研制119计算机,该计算机运算能力为每秒5万次,运算能力略强于美国于1958年制造的IBM 709计算机,IBM 709计算机的运算能力为每秒4.2万次。119计算机同1965年研制成功的109机,在我国研制氢弹的历程中立下很大功劳,被称为“功勋机”。

  1965年12月,河北半导体研究所召开鉴定会,鉴定了第一批半导体管,并在国内首先鉴定了DTL型(二极管―晶体管逻辑)数字逻辑电路。1966年底,在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL(晶体管-晶体管逻辑)电路产品。DTL和TTL都是双极型数字集成电路,它们的研制成功标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。国外最早:1958年-1959年,美国德州仪器公司和仙童公司各自研制发明了半导体集成电路,1960年仙童半导体研发了第一块商用集成电路。中外差距:5-7年。

  有了初级规模的集成电路,就有了制造第三代计算机(中、小规模集成电路)的基础。中国第一台第三代计算机是由位于北京的华北计算技术研究所研制成功的,采用DTL型数字电路,与非门是由北京电子管厂生产,与非驱动器是由河北半导体研究所生产,展出年代是1968年。国外最早是在1961年,德州仪器为美国空军研发出第一个基于集成电路的计算机,即所谓的“分子电子计算机”。中外差距:7年。

  与双极型电路相比,MOS(金属氧化物)电路具有电路简单、功耗低、集成度高的优势。 1968年,上海无线电十四厂首家制成PMOS(P型金属氧化物半导体)电路,拉开了我国发展MOS电路的序幕,并在七十年代初,永川半导体研究所(现电子第24所)、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路,之后又研制成CMOS电路(互补型MOS电路)。国外最早:1960年,美国无线电(RCA)制造出金属氧化物半导体晶体管。1962年,美国无线电(RCA)制造了一个实验性的MOS集成电路器件。1963年,仙童实验室研制成CMOS电路。中外差距:6-7年。

  1972年,我国自主研制的大规模集成电路在四川永川半导体研究所诞生,实现了从中小集成电路发展到大规模集成电路的跨越。国外:1971年,Intel(英特尔)推出1kb动态随机存储器(DRAM),包含2000多只晶体管,标志着大规模集成电路出现。中外差距:1年。

  1975年,北京大学物理系半导体研究小组,由王阳元等人,设计出我国第一批三种类型的(硅栅NMOS、硅栅PMOS、铝栅NMOS)1K DRAM动态随机存储器,它比美国英特尔公司研制的C1103要晚五年,但是比韩国、台湾要早四五年。此时,台湾才刚刚在向美国购买3英寸晶圆厂。

  1975年,上海无线电十四厂成功开发出当时属国内最高水平的1024位移位存储器,集成度达8820个元器件,达到国外同期水平。到上世纪70年代末,我国又陆续研制出256和1024位ECL高速随机存储器,后者达到国际同期的先进水平;可以生产NMOS256位和4096位、PMOS1024位随机存储器;掌握了对于大规模集成电路制造起着重要作用的无显影光刻技术,可用于制造分子束外延设备。

  总体来看,在这个时期,虽然美国计算机发展迅猛,但中国同行追得也很快,从无到有,差距逐渐缩小,甚至在某些局部领域追平西方,达到先进水平。中科院上海冶金所还独立发展了制造集成电路所需要的离子注入机,并出口到日本。

  截至70年代末,中国科研人员和产业工人发扬自力更生、自强不息的精神,建成了中国自己的半导体工业,基本掌握了从单晶制备、设备制造、集成电路制造的全过程技术。在当时,只有美国、苏联掌握从单晶制备、设备制造、集成电路制造的全过程技术,虽然日本技术很强,但个别领域被美国限制和阉割。而此时,韩国、台湾才刚刚起步。

  3、前三十年集成电路事业迅速赶超发展的经验

  总结新中国前三十年集成电路事业的赶超发展,有几点经验值得今天学习(专业研究产业问题的学者铁流对此有很好的总结,笔者也颇为认同,以下部分参考了其文中的一些观点或论述):

  一是坚持自主研发的赶超路线。

  贯穿前三十年技术进步的是自力更生,艰苦奋斗的精神。50年代,即使我国已经引进了苏联的技术资料,依旧保留自己的技术研发团队,例如夏培肃于1954年即着手基本逻辑电路的设计、试验和运算器、控制器的逻辑设计,这为我国同苏联交恶后自主研制计算机打下了坚实的基础。此后,中国的科研工作人员在没有外援的情况下,自力更生,完成了一个又一个技术攻关。从有国外留学经验的老科学家,到共和国自己培养的年轻科研人员,都发挥了极大创造力,例如前述25岁就研发出“隔离-阻塞振荡器”,解决重大技术难题的康鹏。

  这一时期,中国也抓住有利时机从国外引进先进技术设备。进行充分消化吸收。但无论是50年代末引进苏联技术资料,还是70年代通过特殊渠道少量购买欧美先进设备,走的是都“消化吸收、融会贯通、推陈出新、举一反三”的路线,技术引进不仅没对自主技术造成冲击,反而使其融入自己的工业体系中,使中国自主技术更上一层楼。

  70年代,通过购买国外单台设备,我国自己组建了三条生产线,以缓解国内制造计算机的迫切需要。1972年美国总统尼克松访华后,中国开始从欧美引进技术。对于当时属于高科技领域的半导体产业,中国虽然始终无法从官方途径大规模引进半导体设备和技术资料,但也通过特殊渠道少量购买单机设备,并将其消化吸收后,大量仿制,推陈出新,搭建了自己的生产线。

  在此期间,西方有意遏制中国尖端技术的发展势头,1973年我国7个单位分别从国外引进单台设备,以期建成七条3英寸工艺线,但由于欧美技术封锁等各种因素,最终拖了7年才引进,引进时已经落后于国际先进水平。这也说明不论什么时候,什么条件下,坚持自主创新为主始终是第一位的。

  二是重视科研投入和科研人才培养。

  新中国前三十年的社会主义建设时期,我国依靠“高积累、低消费”的方式集中大量资源用于国家工农业基础设施的建设和国防技术研发,一代人吃两代人的苦,将一个落后的农业国建设成为拥有核武器的世界第六大工业国,计算机、集成电路这样的高科技产业也从无到有,发展壮大。

  在此期间,虽然国家财政并不富余,但中国用于科技研发的经费占国民生产总值的平均比例为1.28%,达到当时几个初等发达国家的平均水平(如意大利、西班牙);到70年代末,随着经济实力的提升该比值提升到2.32%,做到了竭尽所能为科研工作保障资金。这一投入远远超越改革开放后的水平(80年代中期以后一度降到0.6%以下),达到同期几个最发达国家英、法、西德的水平,仅比当时的美国、日本低一些(美国长期为2.8-3.0%,日本70年代以前1.6%,进入70年代后与美国接近)。

  在人才方面,我国一方面积极吸引在海外留学、工作的技术人才回国效力;另一方面积极培育自己的人才,在开设短期速成班的同时,在院校开设计算机专业,培育专业技术人才,并送优秀尖子赴苏联深造。高水平的科研经费比例,保证了即便在困难时期和政治动荡的年份,也能尽可能的为科研人员提供基本的生活、工作条件。

  三是全国统筹协作的研发模式。

  从前述列举的重大成就来看,当时的科研单位虽然分散在全国各地,但在重大问题的攻坚上却是协同作战和成功共享的。在全国统筹协作的举国体制下,各个单位互帮互助,以集中全国科研力量攻坚克难的方式解决了科研道路一个个难题。国家还经常举办各种展览会,方便各单位进行技术交流。

  正是在自力更生、艰苦奋斗的精神和公有制体制的保障下,我国计算机和集成电路事业在前三十年取得了一个又一个成就。

  4、新中国半导体及集成电路发展大事记:

  1956年,中央提出了“向科学进军”的口号。周恩来随后主持制定了“十二年科学技术发展远景规划”(以下简称“科学规划”)。他有远见地提出和确定了四项“紧急措施”,即大力发展计算机、无线电电子学、半导体、自动化,并将新技术应用于工业和国防。

  1956年,在周总理的正确领导下,我国提出“向科学进军”,根据国外发展电子器件的进程,提出了中国也要研究半导体科学,把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班。请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路。在五所大学――北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业,共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授:北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。1957年毕业的第一批研究生中有中国科学院院士王阳元(北京大学微电子所所长)、工程院院士许居衍(华晶集团中央研究院院长)和电子工业部总工程师俞忠钰(北方华虹设计公司董事长)。

  1957年,北京电子管厂通过还原氧化锗,拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年,中国相继研制出锗点接触二极管和三极管(即晶体管)。

  1958年,美国德州仪器公司和仙童公司各自研制发明了半导体集成电路(IC)之后,发展极为迅猛,从SSI(小规模集成电路)起步,经过MSI(中规模集成电路),发展到LSI(大规模集成电路),然后发展到现在的VLSI(超大规模集成电路)及最近的ULSI(特大规模集成电路),甚至发展到将来的GSI(甚大规模集成电路),届时单片集成电路集成度将超过10亿个元件。

  1959年,天津拉制出硅(Si)单晶。

  1960年,中科院在北京建立半导体研究所,同年在河北建立工业性专业化研究所――第十三所(河北半导体研究所)。

  1962年,天津拉制出砷化镓单晶(GaAs),为研究制备其他化合物半导体打下了基础。

  1962年,我国研究制成硅外延工艺,并开始研究采用照相制版,光刻工艺。

  1963年,河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。

  1964年,河北省半导体研究所研制出硅外延平面型晶体管。

  1965年12月,河北半导体研究所召开鉴定会,鉴定了第一批半导体管,并在国内首先鉴定了DTL型(二极管――晶体管逻辑)数字逻辑电路。1966年底,在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主,还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。

  1968年,组建国营东光电工厂(878厂)、上海无线电十九厂,至1970年建成投产,形成中国IC产业中的“两霸”。

  1968年,国防科委在四川永川县,成立固体电路研究所(即永川半导体研究所,解放军1424研究所,现中电集团24所)。这是中国唯一的模拟集成电路研究所。同年上海无线电十四厂首家制成PMOS(P型金属-氧化物半导体)电路。拉开了中国发展MOS集成电路的序幕。七十年代初,永川半导体研究所(现电子第24所)、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。之后,又研制成CMOS电路。

  七十年代初,IC价高利厚,需求巨大,引起了全国建设IC生产企业的热潮,共有四十多家集成电路工厂建成,四机部所属厂有749厂(永红器材厂)、871(天光集成电路厂)、878(东光电工厂)、4433厂(风光电工厂)和4435厂(韶光电工厂)等。各省市所建厂主要有:上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体(一)厂、航天部西安691厂等等。

  1972年,中国第一块PMOS型LSI电路在四川永川半导体研究所研制成功。

  1973年,我国7个单位分别从国外引进单台设备,期望建成七条3英寸工艺线,最后只有北京878厂,航天部陕西骊山771所和贵州都匀4433厂。

  1975年,北京大学物理系半导体研究小组,由王阳元等人,设计出我国第一批三种类型的(硅栅NMOS、硅栅PMOS、铝栅NMOS)1K DRAM动态随机存储器,它比美国英特尔公司研制的C1103要晚五年,但是比韩国、台湾要早四五年。那时韩国、台湾根本就没有电子工业科研基础。

  1975年,上海无线电十四厂成功开发出当时属国内最高水平的1024位移位存储器,集成度达8820个元器件,达到国外同期水平。

  1976年11月,中国科学院计算所研制成功1000万次大型电子计算机,所使用的电路为中国科学院109厂(现中科院微电子中心)研制的ECL型(发射极耦合逻辑)电路。

  1978年10月,中国科学院成立半导体研究所,由王守武领导,研制4K DRAM,次年在中科院109厂投入批量生产(比美国晚六年)。

  由于有周恩来主持制定的科学规划,新中国的集成电路产业起步和发展,在帝国主义的封锁下开了个好头,经过20余年的辛勤奋斗,尽管与世界发达水平还有一定距离,但也是硕果累累。

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【 责任编辑:刘芹 】

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