第10版(科技)
专栏：名家特递
抓住稍纵即逝的历史机遇
——论我国微电子科学技术和集成电路产业
中国工程院院士王阳元
集成电路技术是近50年来发展最快的技术。
1946年2月，当第一台电子计算机ENIAC在美国莫尔学院研制成功时，运行速度只有每秒五千次，存储容量只有千位，而且稳定运行时间才7分钟。而当时有的科学家认为，全世界只要4台E－NIAC就够了。50年过去，现在全世界计算机不包括微机在内就有几百万台。到1998年，微机在全世界已有4.35亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。同时，芯片加工深度从1959年以来提高了140倍，而平均晶体管价格降低至原来的1／107。如果小汽车也按此速度进步，那么现在小汽车的价格只有1美分。
现代经济发展的数据表明，GDP每增长100元，需要10元左右电子工业产值和1—2元集成电路产值的支持。而且随着经济发展，这种依存关系正变得更为紧密。目前发达国家国民经济总产值增长部分的65％与集成电路有关。因此，抓住了集成电路产业发展，就能促进国民经济的高速发展。加强微电子技术创新，发展集成电路产业乃是实现生产力跨越式发展的基础战役。
21世纪，尽管微电子学在化合物半导体等方面的研究及在某些领域的应用，取得了很大进展，但还远不具备替代硅基工艺的条件。产业能力和知识积累决定了硅基工艺起码将在100年内仍起主要作用。
综观本世纪硅微电子技术发展的主要趋势，其主要发展方向有三个方面。
一是器件的特征尺寸继续缩小。所谓特征尺寸是指器件中最小线条宽度，也是设计中采用的最小设计尺寸单位，常常作为技术水平的标志。目前0.25μm和0.18μm已开始进入大生产。0.15μm和0.13μm大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条件。但是在0.13－0.07μm阶段，最关键的加工工艺——曝光技术还是一个大问题，尚未解决。谁能够在这个问题上取得突破，谁就能在5年后集成电路产业发展中占有优势。
其次，系统集成芯片（SystemOnChip）是发展重点。在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个集成电路芯片上的系统芯片（SystemOnChip，简称SOC）概念。系统芯片与集成电路（IC）的设计思想是不同的，它是微电子设计领域的一场革命。与IC组成的系统相比，由于SOC设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。
同时，微电子与其他学科的结合将诞生新的技术和产业增长点。微机电系统技术和生物芯片等便是这方面的典型例子。微电子机械系统将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，开辟了一个全新的技术领域和产业。现在已经成功地制造出了尖端直径为5微米的可以夹起一个红细胞的微型镊子、可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。
以上三方面的研究工作，国际上也刚刚起步。对它的突破，对于科学家来说是一种刺激，对一个国家来说则是一种难得的机遇。一旦抓住了这一重大机遇，可能促使我国微电子技术的飞跃。
总体来讲，我国集成电路产业比较弱小，市场开拓能力差，1999年销售额占国际市场的份额仅为0.7％，在国际市场上竞争能力很差；只能满足国内市场需求的16％，国民经济和国防建设急需的电路我们还不能设计制造，制约了我国国民经济和国防建设的发展，国家安全得不到应有保障。同时，我们在科学研究上投入不足，开发能力差，特别是关键产品设计和大生产技术研究开发能力差，还缺乏自主的知识产权，不足以支持产业的良性发展。
发展我国集成电路的措施，具体来说，一是优先发展设计业，大力开发集成电路产品，把设计业建设成为高效益、高效率的规模产业。集成电路芯片设计是与市场的接口，也是市场孕育和开拓的起点，具有很大的创新空间，而相对投入又比较少，关键在于人才。现在系统集成芯片正在迅速发展，我国集成电路产业必须抓住系统集成芯片这一发展机遇，加强与整机系统的结合，加强系统级的创新，优先发展设计业。特别要鼓励整机系统单位参与或自行组建设计公司。
二是重点建设芯片制造业，特别是发展标准工艺代客加工业。一个标准工艺加工厂需要20个设计公司支持，反过来也可以支持20个设计公司发展。同时标准工艺加工厂建设将带动测试和封装业的发展，也将带动材料、专用设备以及配套的高纯气体、化学试剂等产业链。
今后10年，我们应以标准工艺加工厂为重点来建设我国集成电路芯片制造业。用优惠政策吸引国内外企业投资设厂，尽快形成产业群，同时建设若干条以我为主的生产线。以我为主并不是仅仅体现在资金股比上，最主要的是在技术上要有自主知识产权，否则仅仅在资金股比上控制也是“空”的。
三是建设国家级研究开发中心，加强自主创新能力。为了促进我国集成电路生产企业工艺技术水平的自主升级换代，由企业和研究单位共同参与建立具有独立法人资格的中国微电子工业技术研究开发机构，并与大生产线紧密结合。在开发新一代微电子工艺的基础上同时开发若干项我国微电子关键的专用设备，这也是待建的国家级大生产技术研究开发机构的主要任务。
四是加强人才培养和建设多目标芯片教育与服务体系。微电子设计人才和高级工程技术人才的短缺已成为产业发展的制约因素。我们一方面要大力加强吸引国外留学人员回国创业；另一方面，更关键的是在于培养上。要在相关信息工程院系将SOC设计基础作为基础课来讲，让从事系统设计的科技人才懂得SOC与IC设计；二要鼓励系统整机系科和微电子系科联合培养研究生；三要建立一个给高年级学生、硕士、博士生有设计实践机会的“多目标芯片教育与服务体系”，要求硕士、博士生有独立设计，特别是博士生要有创新设计。
此外，改善我国集成电路产业发展环境，建立国家级专家咨询委员会，也是发展我国IC产业应该采取的必要措施。
第10版(科技)
专栏：热点寻踪
新材料重构新世界
——聆听陶瓷、金属和塑料的对话
本报记者杨健
不久前，中国青年创新论坛邀请我国材料学领域三位杰出的青年学者李建保、卢柯和杨桂生就该领域的发展和前沿问题展开对话。他们妙趣横生的对话赢得了数百名听众热烈的掌声。现将这场“陶瓷、金属和塑料的对话”辑录于下，提供给所有关心材料科学进展的人们。
主持人（中央电视台张泽群）：这是一个春风拂面的夜晚。我们能够齐聚中国青年创新论坛，我想是我们的缘分，也是我们的幸运。
感谢在250万年前到270万年前，那些用石头在敲打另一块石头的猿猴，他们开创了一个时代，旧石器时代。感谢15万年第一位打磨石犁的人，从那时起，茹毛饮血的人类进入了农耕时代，从新石器时代大步跑向我们。从开始使用石头，人类都是靠手中的工具和武器来划分疆界，获得生存的条件。
工具是什么？工具无非是不同材料的器具。有人说，人类发明了工具，工具造就了人类，人类和材料的关系我们就可想而知了。材料是我们在口头上经常用到的词汇。比如说这个人是一块什么什么样的“材料”等等。那么“材料”在科学上的定义是什么呢？
李建保（清华大学教授、陶瓷材料国家重点实验室主任）：主持人的开场白非常精彩。他刚才实际已经说了，材料始终是人们改善生活的一种工具。材料是一种物质，有一定的形状，有一定的功能。
卢柯（第三届中国青年科学家奖获得者、中国科学院金属研究所研究员）：材料可以按照它的化学组成，分为陶瓷材料、金属材料、有机材料等等。按照功用，材料也可以分为结构材料、功能材料两大类。结构材料本身不具有什么特殊的功能，只是起到一个结构的作用。比如说制造茶杯的玻璃，就是一个典型的结构材料。功能材料除了结构本身之外，还有特殊的功能，比如磁性材料，是一块东西，但是同时又具有磁性。
万年的古树绽发新枝
主持人：刚才我们了解了一些共通的概念。下面我们将分学科进入他们的材料系统。首先让我们进入陶瓷系统。
李建保：陶瓷的发展跟中国是分不开的，作为当时的新材料，它对中国文明的传播起了非常大的作用。现在不仅在餐具上有一些结构陶瓷，也已经有了一些功能材料。
我举一个简单的例子，说明陶瓷材料在振兴工业中的巨大作用。上个世纪70年代中期，日本的汽车技术已经很不错了，但要打进美国非常难。正好当时美国制定了一个限制汽车污染的政策，限制汽车尾气的排放。日本人认为这是一个机会，结果他们用一种陶瓷材料制成传感器，装在发动机里，自动检测和控制燃烧腔里氧气跟燃烧气体的比例，使排放出来的有害气体大大减少。这样，日本汽车不仅一下子达到了美国的标准，还超过了美国的标准，美国要减少城市污染就必须买日本的汽车。从此，日本汽车走向了世界。
陶瓷传感器件的应用非常广泛。比如说你家里如果发生煤气泄漏，只要有一丁点儿进入报警器中的陶瓷元件，电路的电阻就会发生变化，超过一定的量就会自动报警。火灾警报器的原理也与此类似。
现在手机里面有很多电容、电感、滤波器都是陶瓷材料制成的。很多夜间发挥作用的指示牌，微弱的灯光一照就发亮了，都是陶瓷类的氧化物在起作用。我们的父辈如果牙齿坏了，装牙一定装金牙，那个时候装金牙说明是高技术、高水平。现在则一定会装陶瓷牙，因为陶瓷牙跟人体的相容性比较好，与骨骼的成分比较接近，没有发酸的感觉。
金属的脆响穿越时空
主持人：谢谢李教授，他从事的工作让我们古老的陶瓷焕发青春。下面我们要走进金属世界，请卢柯研究员给我们讲讲金属纳米材料。
卢柯：讲纳米材料之前我想先说说金属的特点。实际上，金属是普及面最广的传统材料。为什么要用金属？因为这个东西好。它好在什么地方呢？
首先，作为结构材料，它的综合性最好。它又强、又硬、又很韧。陶瓷非常硬，但是陶瓷的韧性非常差，如果一个瓷杯子掉到地上，不碎的情况很少。在我们使用的材料当中，我们需要的不单单是一个性能，我们需要它的综合性，既需要强，又需要硬。
第二，金属最大的特点是导电。我们现在所有电能的传输利用，都是由金属来完成的。尽管陶瓷的电阻可能在某一个温度下是超导性最强的，但是到目前为止，在室温下金属还是最好的导体。
第三，金属是现代工业中成本最低的一种材料。这个当然跟它的资源有关系，跟整个生产工艺有关系。我们已经研究了上百年的金属材料，我们知道怎么样把成本降到最低。
再回过来说纳米的问题。纳米只是一个简单的长度单位，为什么今天几乎全世界的人都在关注这样一个尺度呢？问题的核心在于，纳米尺度是一个非常特殊的尺度，是介于宏观尺度跟极微观尺度之间的状态。这个介乎中间态的世界是大家以前认识最少的。认识得少就好奇，来研究它的首先是科学家。结果不看不知道，一看吓一跳。把铝的晶粒加工至纳米级，强度比现在的高强钢还要大，而它的密度只有钢的1／3。这对研究材料的人刺激非常大。
以前如果我们做材料，想让它硬一点儿得往里面加东西，比如说加合金元素。你没完没了地加合金元素，跟我们吃药一样，相互之间会有干扰，强度是提高了，但是其他性能损失了。纳米材料出现以后，不用加任何东西，这个材料的强度就很高了。所以从材料的角度讲，纳米材料的出现，给材料科学研究注入了新的活力，大家可以在纳米尺度下充分发挥自己的想象力。
高分子材料要创“高分”
主持人：有人说，人类经过了石器时代、青铜器时代和铁器时代，目前正处在塑料时代，以塑料为代表的高分子材料的发展和应用，是20世纪改变人类生活生产的20项发明之一。下面请杨桂生研究员给我们讲高分子材料——塑料。
杨桂生（中国科学院化学所研究员、上海杰世杰股份有限公司董事长）：李教授谈的陶瓷有上万年的历史，卢教授说的金属也有很远的渊源，我说的塑料只有几十年的历史，它是从第二次世界大战开始，美国人和德国人合成的有机材料。
现在全世界每年生产的各种有机合成材料超过了两亿吨，体积是钢铁的两倍，这当中塑料占了大约75％。塑料能在几十年时间里体积上超过钢铁，主要是由两个因素决定的，其中很重要的一个是经济因素。生产同样体积材料的投资，塑料是钢铁的1／3到1／2，塑料的能耗是钢铁能耗的2／3。现在发达国家钢铁的产量基本已经稳定了，但塑料的产量还在增长。
刚才卢教授谈了很多强度概念。事实上，除了强度以外，密度也是各种材料的一个重要指标。在一定程度上，工程塑料的强度已经超过了钢铁。“以塑代钢”不是老百姓在口头上的表达，在技术上面的指标也是完全可以实现的。
将来的发展趋势，一个重要的方面是导电高分子材料。2000年诺贝尔化学奖就是授予了导电高分子材料的发明人。导电高分子可以做很多结构上面的材料，进一步改变现在的一些产品的制造方式。有人把这一发明跟爱迪生发明电灯相提并论。
“团结”的力量锐不可挡
李建保：刚才大家分别谈到各自的研究领域，似乎很有一些对立的味道。实际上，现在复合材料发展是非常迅速的，应该说比三种单体材料发展的速度更快。我讲的陶瓷也不是纯陶瓷，很多都是跟金属和有机材料结合的产物。橡胶轮胎要增强耐磨性和耐火性，就要加陶瓷粉在里面。
大家想一下，贝壳的材料很结实，成分很简单，就是碳酸钙。海洋里的水生生物用这么简单的成分生产出来的贝壳强度非常高，为什么？就是把陶瓷和高分子材料结合得非常好。这么简单的材料用高分子的东西一黏结，一层陶瓷、一层薄薄的高分子，就形成了我们所看见的贝壳这种高强度的材料。海洋生物都那么聪明，我们人类为什么就不能？事实上，杨博士已经偷偷把我的陶瓷粉末加到他的高分子里去了。让各种材料相互融合，取长补短，始终是我们寻找新途径、开发新材料的一个技术方向。
卢柯：工业发展到现在这种情况下，任何一种材料都不可能包打天下，需要材料的多元化。我想正是因为材料的多元化，才让我们的世界如此丰富。
第10版(科技)
专栏：科技杂谈
我们向何处去？
方舟子
现代医学的进步，大大减轻了自然选择对人类的影响。从前，频繁暴发的瘟疫导致了大批死亡，是人类接受自然选择的一种重要方式。但是医疗技术的发展也使得自然选择在许多方面失去了作用。从前许多恶性遗传病的患者在成年之前就已死亡，而现在，通过治疗，他们中间的很多人可以活到成年并留下后代，自然选择已无法消灭这些致病基因。因为在这些疾病开始发作的时候，患者大多已过了生殖年龄。这种情况使一些人非常忧虑，担心致病基因会越积越多，人类的遗传质量会越来越差。
这种危险在目前看来并不存在，因为人类的基因库也在越变越大，从而稀释、掩盖了有害基因的后果。在从前，人类主要由一些小型的、彼此孤立的群体组成，通婚范围很窄。在这种小群体中，有害的或有利的基因突变都会有显著的后果。同时，小群体所承受的自然选择压力更大，也更容易发生随机的基因漂移，因此进化速度会非常快速。但是随着交通、通讯的发达，这种情况迅速发生了变化。人类的社会群体越来越大，进化速度也越来越慢。未来的全人类无疑地将会比现在更像一个单一的遗传群体。当地球最终成了地球村，全人类终于成为一个整体的时候，可能就意味着，人类的生物进化将趋于停止。
那么，我们有没有可能用科学技术帮助人类进化呢？对此必须非常小心谨慎。在我们对人类的遗传和进化有透彻的了解之前，轻举妄动只会造成悲剧。二十世纪上半叶那场旨在造就一代优秀人种的“优生学”运动，成了一个悲惨的教训。分子遗传学的发展，使得人们再次面临制造完美人类，建设一个“美丽新世界”的诱惑。要迎接技术的挑战，我们将被迫不断地重新思考人究竟是什么这一个最基本的伦理问题。
进化论为人类提供了一种全新的世界观。朱利安·赫胥黎称之为进化人道主义：“它是一种对人类的信仰，一种人类大团结的感觉，和一种对人类的忠诚。人类是数百万年的进化的结果，我们最基本的伦理准则应该是竭尽所能改善人类的未来。所有其他的伦理标准都能够从这条底线推演而得。”人类的未来，取决于我们如何正确地理解、处理群体与全人类、个体与群体、人类与大自然以及现在与未来的关系。每一个人必须为了我们这个物种及其家园的未来承担起责任。
（摘自方舟子新著《进化新篇章》）
第10版(科技)
专栏：
整治“白色污染”要走科学路线
郭文生洪崇恩
随着快节奏的现代生活而出现的发泡塑料快餐盒，既杜绝了传统碗碟重复交叉使用而导致的疾病传染，又以价廉物美、保温防漏、干净无菌的优点，迅速在国际食品行业广泛使用。然而一些人习惯将用后的快餐盒随意丢弃，一度被誉为“20世纪白色革命”的塑料，竟沦落为“白色污染”。
针对整治“白色污染”，大体有两种不同的认识。一种是充分认识人的行为在导致“白色污染”方面的作用，教育人们爱护环境、爱惜资源，纠正乱弃废物的不良习惯，同时借鉴国外成熟经验，对废泡沫塑料进行回收、再生、再利用；另一种则是通过政府行政命令，禁止生产使用发泡塑料餐盒和一次性塑料袋，推广纸制品和可降解替代产品。
实事求是地说，现代社会离不开一次性用品，包括方便饭盒和塑料袋，关键的不同在于应该用何种材料制作这种器具。对于“禁塑论”者来说，无非是要在禁止使用泡沫塑料后，用纸或“可降解塑料”取代之。但是，这种思路在实践中证明是很难行得通的，因为用这些材料制成的一次性食品包装容器，并不能直接解决环境污染问题，而在技术上存在相当大的困难。目前世界上正在应用的各种“可降解塑料”，不论是光降解、生物降解或“双降解”，都并非真能将塑料转化成可融入土壤的无害物质，而仅仅是分裂成体积较小的塑料块而已。
事实上，“白色污染”不是塑料的悲哀，而是人们自身的悲哀。“白色污染”的源头其实并非物质或用品本身，而是人们的行为习惯。环保的本质不只是被动地防止环境污染，更要主动地保护自然、保护资源。我国目前的森林面积只占国土总面积的13％左右，许多地方的森林蓄材率极低，两项指标都距世界各国平均水平甚远。如果提倡纸制一次性餐盒，必然会消耗大量林木资源，况且无论用什么原料造纸，都需要耗用大量的清水、烧碱和其他化学原料，同时产生大量废液。用蔗渣、芦苇、稻麦棉秸或间伐的次生木材作为替代制造一次性容器的原料，应是一条值得试验的途径。但这种方法中的防水防油耐热等技术是否真正过关，成本价格能否降低，都还有待进一步的试验。
在经过严谨的实验和切实的论证之前，轻言“白色替代”，有可能转移治理“白色污染”的注意力，甚至带来新的“杂色污染”。
加强废塑料的回收，不仅将大大减少“白色污染”的源头，而且可以充分发掘现有资源的再生能力。许多环保专家和资源专家都指出，从目前我国国情和科学发展的水平看，在对待以泡沫塑料制品为主源头的“白色污染”问题上，还是采取以京、沪等地主张的“回收利用为主，缩源禁弃跟上，在有把握的情况下推出替代物”的策略较为合理。最积极的办法是尽快建立起一整套适应市场经济的制度，以利于对废泡沫塑料进行回收、再生、利用，让它及早进入循环经济链。
此外，从抓紧公德、法制教育，启迪环保意识入手，辅以各种切实可行的措施，一方面制止部分人乱弃废物的不良习惯，一方面广泛发动群众自觉地对废发泡塑料进行分类、收集、交投，再由专业工厂进行再生和重新利用，应是符合我国国情的较为现实的治理“白色污染”的办法。总之，我们认为，从技术、经济和资源利用的层面上进行科学论证，经过民主的程序，选准正确的方向，制定完整而操作性较强的法律规章，才是整治“白色污染”的科学路线。
第10版(科技)
专栏：
以投资近5亿元、建筑面积达6万平方米的创新大厦开工为标志，清华科技园主体区日前进入全面启动阶段。该园主体区坐落在清华大学东南部，占地面积16公顷。未来3年内，40余万平方米的各类企业孵化大厦和技术开发大厦将在这里拔地而起。图为园区建筑效果图。孙闻摄
第10版(科技)
专栏：
名词解释
释集成电路（IntegratedCircuit，IC）通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。
微电子学随着集成电路技术的发展，使整机、电路与元件、器件之间的明确界限被突破，器件问题、电路问题和整机系统问题已经结合在一起，体现在一小块硅片上，这就形成了固体物理、器件工艺与电子学三者交叉的新技术学科——微电子学。
第10版(科技)
专栏：
电子书离我们有多远？
罗蕻
街头书店里琳琅满目的货架被一台像自动取款机的设备取代；出版社的库房里永远不再有卖不出去的“箱底”，总编辑不用再为订数、印数、是否再版等琐事操心；到图书馆借书，你不会再遇到你需要的馆存书籍全被他人借走的情况；你的孩子上学再也不用背着沉重的书包；深夜的卧室里，你翻开书本酣读于床头，却不用开灯影响家人……
如果有人告诉你，这一切就发生在今天，你八成会觉得太突然。但上面描述的这些情形，的的确确不再只是科幻小说里的场景，正在一点一点地变成生活中的现实。十几天前，北大方正电子公司开展了一场迄今为止国内最大的电子图书出版行动，它所推出的阿帕比（APABI）网络出版解决方案，为电子书提供了从制作、上载到发行、阅读的全程服务。
运用这一方案提供的安全加密技术，作者和出版社可以有效保护电子图书的数字版权，防止非法盗版，实现电子图书的安全分发和数量统计。阿帕比制作系统可以完全保留原来纸介图书的字符、字体、版式、色彩、图案等各种信息，实现高度保真。读者还可以在电子图书页面上划线、批注、增亮、加书签等。与一般人所认为的电子图书造价高昂不同，采用这一系统出版和发行电子书籍成本很低，而且不用专业的技术人员即可操作。
方正电子网络传播事业部总经理周劲说，现在制约电子书发展的最大瓶颈是阅读器的分辨率。目前清晰度最好的电脑显示器，分辨率也不到100dpi，只相当于一般激光打印机的1／3。不过他表示，随着电子油墨、电子纸张技术的出现，这个问题估计很快就会得到解决。周劲提醒各出版社注意保护好现在纸版图书的数据资源，以备电子出版之需。