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来源:天天IC发布时间:2023-02-261045浏览
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集微网消息，2月21日，总书记就加强基础研究做出重要指示，要打好科技仪器设备、操作系统和基础软件国产化攻坚战，鼓励科研机构、高校同企业开展联合攻关，提升国产化替代水平和应用规模，争取早日实现用我国自主的研究平台、仪器设备来解决重大基础研究问题。
仪器设备领域的自主可控，一时间引起各界广泛关注。无论从构建新发展格局的长远需要，还是当下应对外部“卡脖子”风险的角度看，仪器设备攻坚战都势在必行，而在这一重大“战役”中，本土半导体产业必将承担极其重要的使命。
壹引其纲，万目皆张
当前，高端仪器设备如电子显微镜、质谱/色谱/光谱仪、CT断层扫描仪、X射线断层仪等整机及其关键原材料、零部件供应链，仍然相当程度上被欧美发达国家垄断。
这样的现状，一方面固然是相关地区基础科学研究能力的折射。许多今天应用广泛的仪器设备，追根溯源，往往是各个大学或工业实验室为了捕捉某一物理世界现象而自行发挥创意DIY的产物，欧美学术界的开放氛围，也极其有利于这种手艺性认知（craft-knowing）的涌现。科技史家Brian Cathcart就曾记述二十世纪前期剑桥大学卡文迪许实验室的氛围，指出“无论在这个领域知道些什么，不管是技术、设备、数学工具，甚至理论，它都是被某处的某个人知道的....不仅如此，它还需要接受讨论、挑战和考验，有时是在讨论上，有时是在其他活动中。对于原子物理学的任何问题或困难，在卡文迪许的某个地方，你一定能找到答案。”
而在试验装置显现出实用价值后，欧美基础工业能力，又能够与核心创新紧密结合，逐渐将其迭代为商业产品，NI、力科（LeCroy）等皆为经典案例，而历经数十年发展，欧美仪器设备产业早已形成科学与工艺紧耦合的极端制造（extreme manufacturing）策源地。
不过另一方面，欧美仪器设备领域优势得以长期维持，也离不开其对后来者使出的许多“阴招”。
为了巩固其绝对领先地位，美国多年来也十分积极地利用单边、多边技术管制体系控制相关物项流入我国，甚至在2006年后推出所谓的“视同出口”（deemed export）规则，规定特定国家公民在美学习EAR管制物项技术知识，也必须申请商务部审批许可，历年向美商务部工业与安全局（BIS）提交的视同出口许可证申请，约50%为中国公民提交。
美国对中美科技领域人员、贸易往来的“精准调控”，使我国不得不投入大量资源进行国外已成熟工艺和技术的跟踪研仿，“重新发明轮子”，明显延缓了相关领域科学仪器的研制速度。尽管历经攻关，不少关键仪器设备与国际先进水平的差距并未明显缩小，甚至有进一步扩大的危险。
在研发苦苦追赶的同时，国产仪器设备应用规模也不尽人意，中高端仪器设备仍然大量依赖进口，例如海关编码9030的“示波器、频谱分析仪及其他用于电量测量或检验的仪器和装置”，2022年进口总额44.7亿美元，贸易逆差则达到22亿美元。
值得注意的是，尽管各类仪器设备利用的理化现象和量纲千差万别，但来自物理世界的模拟信号，通常都需要在进行模拟数字转换后才能供人类记录、分析，因此高性能的模拟-数字转换系统，可以说是仪器设备产业发展的核心支点，如同《吕氏春秋》所言，“壹引其纲，万目皆张”。
不过在我国机械、化学、光学等基础工业取得长足进步的背景下，高速高精度数模转换芯片（ADC）、FPGA芯片等仪器设备的“短板”也已益发凸显，在这一领域，我国半导体产业理当大有作为。
高端ADC芯片可成“突破口”
正如上文所述，高端模拟数字芯片，对仪器设备自立自强具有“纲举目张”的重大价值。
以ADC芯片为例，在核技术研究等领域，为获得充分的物理信息，对仪器中ADC芯片采样率和垂直分辨率指标都有极高的要求。目前，相关规格的高速高精度ADC芯片，基本被ADI和TI这两家美企垄断，而其顶级产品，也均被列为两用物品受到出口管制，国内很难获取。
而更为外界熟悉的FPGA芯片，瓦森纳协议等机制也按其管脚数、传输速率进行了限制。作为逻辑器件，FPGA芯片的性能不仅由设计决定，更与生产工艺相关，更先进的制程带来更低的阈值电压和功耗、更快的运行速度，目前AMD（赛灵思）UltraScale等高端FPGA制程已演进至16乃至7纳米水平，而国内由于众所周知的限制，国产FPGA在相当长时间内恐怕将很难获得相关先进制程支持。
高端ADC、FPGA芯片受限，反过来对半导体领域也有直接影响。例如不少“专家”大谈特谈所谓Chiplet技术可“弯道超车”，绕开美国对先进制程技术封锁，殊不知2.5D/3D堆叠往往涉及裸片间超高速互连通信，相关接口IP由于瓦森纳协议对高性能示波器及分析软件的禁运，国内同样很难进行开发，而示波器的核心元件，正是高速高精度ADC芯片和高传输速率的FPGA芯片。
FPGA这条赛道在国内已堪称“显学”，相比之下，高端ADC芯片则仍显冷清，不少院校看似ADC芯片研究论文不断，细加辨析往往是用“师兄留下的方案”修修补补，仿真跑出个别不错的指标交差，方案再传承给下一届师弟，成果的“成色”可想而知。772所等机构的产品则面向航天军工等小批量科研生产的特殊领域，难以进入公开市场。
目前，尽管也有一些海外人才归国创办企业，从事高性能ADC芯片开发，但作为模拟芯片中极为考校手艺积累的“硬骨头”，现有产品性能与ADI等大厂还有不小的距离。除了设计能力，在产品流片环节，虽然不需要先进制程支持，但台积电等海外厂商对此类敏感产品审核极其严苛，而国内55-28纳米代工产能尽管渐具规模，适应高性能模数混合芯片需求的工艺库仍然尚待完善。
有鉴于当前迫切的应用需求，高端ADC或可成为半导体产业助力仪器设备自立自强的关键切入点，而在实践模式上，借鉴核高基专项突破高端DSP的宝贵经验，鼓励科研机构、高校同企业开展联合攻关无疑是一条极具可行性的道路。
而着眼更长期的基础能力保障，在相关领域打造跨越学术、工业界壁垒的新型科研平台也有待破题，建立一个能真正聚拢人才，保障其专注研究心无旁骛的平台，或许比具体的一两个项目成功更具意义。
结语
着眼当前与长远需要，我国仪器设备领域进一步强化自主可控已刻不容缓，正如我国仪器界泰斗王大珩院士所言：“仪器仪表往往被看做科研和工业生产的‘配角’，然而它早已成为我国科技发展和提升工业产品质量的核心组成部分，作用举足轻重。事实证明，中国科技实力与经济发展的‘咽喉’，部分地被卡在仪器仪表这一关上。”
对仪器设备而言，半导体在一众支撑性能力中具有非同寻常的关键性意义，我国半导体产业，也必将在仪器设备自立自强的进程中获得广阔的发挥舞台。
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