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电子科技专业发展战略研究报告 

  一、引

  近年来,我国高等教育在国家“211工程”和“985工程”的重点支持下实现了跨越式发展,目前正面临着“巩固、深化、提高、发展”的新的历史任务。为了贯彻党的十六大精神和党的教育方针,落实《中华人民共和国高等教育法》,推动高等理工科教育改革与发展,保障理工科教育教学质量达到国家规定的标准,以适应新时期科技、经济、社会发展和全面建设小康社会的需要,教育部高教司适时开展了“理工科各学科专业发展战略和教学规范”的研究课题。该项研究必将在引导高等学校学科专业教学改革与建设,指导学科专业评估;促进学科专业教学改革、建设与管理,提高理工科教育质量和水平方面起到重要作用。

  21世纪,随着现代科学技术的飞速发展,人类历史即将进入一个崭新的时代──信息时代。其鲜明的时代特征是,支撑这个时代的诸如能源、交通、材料和信息等基础产业均将得到高度发展,并能充分满足社会发展及人民生活的多方面需求。信息科学的基础是微电子技术和光电子技术,它们同属于教育部本科专业目录中的一级学科“电子科技”。

  20世纪,作为信息技术发展的基石,微电子技术伴随着计算机技术、数字技术、移动通信技术、多媒体技术和网络技术的出现得到了迅猛的发展,从初期的小规模集成电路(SSI)发展到今天的巨大规模集成电路(GSI),成为使人类社会进入了信息化时代的先导技术。20世纪60年代初出现的激光和激光技术以其强大的生命力推动着光电子技术及其相关产业的发展,光电子技术集中了固体物理、波导光学、材料科学和半导体科学技术的科研成就,成为具有强烈应用背景的新兴交叉学科,至今光电子技术已经应用于工业、通信、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育、科学研究和社会发展等各个领域。可以预言,光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步。因此,本世纪将是微电子和光电子共同发挥越来越重要作用的时代,是电子科技飞速发展的时代。

  电子科技对于国家经济发展、科技进步和国防建设都具有重要的战略意义。今天,面对电子科技的迅猛发展,世界上许多发达国家,像美国、德国、日本、英国、法国等,都竞相将微电子技术和光电子技术引入国家发展计划。我国对微电子技术和光电子技术的研究给予了高度重视,在多项国家级战略性科技计划中,如“863计划”、“973计划”、国家攻关计划中微电子技术(集成电路技术)和光电子技术(激光技术)都有立项;1995年,原电子工业部提出了“九五”集成电路发展战略,并实施了“909工程”;国家自然科学基金委员会在1996年底立项开展“光子学与光子技术发展战略”研究;在“九五”和“十五”期间,国家自然科学基金委员会在重大、重点和杰出青年基金中对电子科技方面的立项给予了足够的重视和支持。在全国电子科技的科研、教学、生产和使用单位的共同努力下,我国已经形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的微电子和光电子技术的科学研究领域,并在产业化方面形成了一定规模,取得了可喜的进步,为我国的科学技术、国民经济和国防建设做出了积极贡献,在国际上了也争得了一席之地。但是我们应该清醒地看到,在电子科技领域,我国与世界上发达国家的先进水平仍有不小的差距,特别在微电子技术方面的差距更大。这既有历史、体制、技术、工艺和资金方面的原因,也有各个层次所需专业人才短缺的原因。

为了我国电子科技事业的可持续发展和抢占该领域中高新技术的制高点,就必须统筹教育、科研、开发、人才、资金和市场等各种资源和要素,其中人才培养是极其重要的一个环节。在新的历史条件下,开展电子科技专业发展战略研究是非常必要的,这对于建立学科专业规范,培养出具有知识、能力、素质协调发展的,适合我国电子科技领域不同层次发展要求的有用人才具有重要指导意义和战略意义。 

  二、电子科技专业发展简史

  电子科技专业中微电子技术和光电子技术的前身是半导体专业和激光专业。

  1947年美国贝尔实验室发明了晶体管,开创了固体电子技术时代。根据国外发展电子器件的进程,我国在1956年提出了“向科学进军”,将半导体技术列为重点发展的领域之一。同年,中科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。由北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学五所大学联合开办了半导体物理专业;在工科院校,清华大学率先开办了半导体专业。1957年,中国科学院在长春建立了第一个光学精密仪器机械研究所。1964年,中国科学院在上海建立了当时世界上第一所激光技术专业研究所──上海光学精密机械研究所。电子工业部成立了从事激光与红外研究的11所等。这些国家研究所是早期培养光电子技术高层次研究型人才的摇篮。

  到了1970年前后,随着对半导体器件需求量的增加,尤其是大型电子计算机对集成电路需求的推动,促进了国内半导体工业的发展以及对专业人才的需求,全国很多高校都先后增加了半导体物理与器件专业。进入20世纪80年代,由于国内半导体器件和集成电路生产还缺乏竞争力,受到进口元器件的冲击,很多半导体器件厂下马或转产,市场不景气导致了很多高校的半导体专业被迫取消,专业萎缩。进入20世纪90年代,由于微型计算机、通信、家电等信息产业的发展和普及,对集成电路芯片的需求量越来越大,此外几场局部战争让全世界接受了电子战、信息战的高科技战争的理念。微电子技术得到了前所未有的重视,半导体技术专业由此更名为微电子技术专业。为了在信息时代和高科技领域赶上国际先进水平,国家加大了对微电子技术行业的支持力度,并不断吸引外资,市场对微电子技术专业毕业生的需求不断增加,从而迎来了微电子技术专业发展的新高峰。

  随着20世纪60年代激光技术的飞速发展,我国在1971年,由清华大学、北京大学、天津大学、中国科技大学、哈尔滨工业大学、西北电讯工程学院、北京工业学院、华中工学院、成都电讯工程学院等院校在科学研究的基础上,成立了激光专业,后来又有多所学校相继成立了激光专业。1985年,根据原国家教委颁布的专业目录,将激光专业和红外光谱学合并,更名为光电子技术专业。为了拓宽专业口径和与国际接轨,教育部19984月颁布了新的本科专业目录和引导性专业目录,将原微电子技术、光电子技术、物理电子技术、电子材料与元器件和电磁场与微波等本科专业整合为一级学科“电子科技”。

  近年来,许多高校都纷纷建立电子科技专业。各学校的办学特点不尽相同,但主要培养目标均是培养适应社会主义现代化建设需要的、德智体美等全面发展的高层次电子科技人才。目前,设有电子科技专业的院校有111所。

21世纪被称为信息时代,电子科技在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用,必然导致电子科学与产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用。因此,电子科学与专业具有良好的发展空间和态势。  

三、电子科技相关行业的现状与发展趋势

  1. 微电子技术相关行业的现状与发展趋势

  微电子技术一般是指以集成电路技术为代表,制造和使用微小型电子元器件和电路,实现电子系统功能新型技术学科,主要涉及研究集成电路的设计、制造、封装相关的技术与工艺。由于实现信息化的网络、计算机和各种电子设备的基础是集成电路,因此微电子技术是电子信息技术的核心技术和战略性技术,是信息社会的基石。

微电子技术相关行业主要是集成电路行业和半导体制造行业,它们既是技术密集型产业,又是投资密集型产业,是电子工业中的重工业。与集成电路应用相关的主要行业有:计算机及其外设、家用电器及民用电子产品、通信器材、工业自动化设备、国防军事、医疗仪器等。 

  (1) 国际概况

  微电子工业发展的主导国家是美国和日本,发达国家和地区有韩国和西欧。从技术层面上考虑,集成电路制造技术的发展经历了6个阶段:小规模集成电路(SSI(1962)、中规模集成电路(MSI(1966)、大规模集成电路(LSI(1967)、超大规模集成电路(VLSI(1977)、特大规模集成电路(ULSI(1993)和巨大规模集成电路(GSI(1994) 目前,硅晶圆的尺寸已经到达1218英寸,器件的特征尺寸为0.180.13微米。集成电路设计技术的发展核心是电子计算机辅助设计通用软件包(EDA)的开发和应用。EDA技术的发展历程可分为3个阶段:20世纪70年代为计算机辅助设计(CAD)阶段;80年代为计算机辅助工程(CAE)阶段;90年代为电子系统设计自动化(ESDA)阶段。EDA技术的每一次进步,都引起了设计层次上的一个飞跃,先后经历了物理级设计、电路级设计和系统级设计3个层次。系统级设计方法的基本特征是:按照“自顶向下”(Top-Down)的设计方法,对整个系统进行方案设计和功能划分,系统的关键电路用一片或几片专用集成电路(ASIC)实现,然后采用硬件描述语言(HDL)完成系统行为级设计,最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件,即系统集成芯片(SOC)。其中,作为实现系统级设计方法载体的ASIC按设计方法可分为:全定制ASIC、半定制ASIC和可编程ASIC(也称为可编程逻辑器件PLD) 可编程逻辑器件自70年代以来,经历了PALGALCPLDFPGA几个发展阶段。其中,CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件。目前,集成度已高达200万门/片,它将掩膜ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起,特别适合于样品研制或小批量产品开发,使产品能以最快的速度上市。当市场扩大时,它可以很容易地转由掩膜ASIC实现,因此开发风险也大为降低,目前是主流研究产品。

  从市场层面考虑,美国和日本占据了全球半导体市场的大部分份额,世界十大半导体生产商:英特尔、三星、德州仪器、Renesas公司、东芝公司、ST微电子公司、英飞凌、NEC、摩托罗拉和飞利浦电子公司中,美国有4家,日本占了3家,韩国、德国和荷兰各有1家。根据美国In-Stat/MDR公司的调查显示:20世纪90年代,伴随着国际IT产业的快速发展,全球半导体市场在2000年到达顶峰。由于在世纪之交时IT产业出现大滑坡, 2001年该市场比2000年大幅缩小了32%,然后在2002年陷入低迷,但在2003年恢复,这一年比2002年增长了18.3%。预计2004年市场规模将达到2147亿美元,将比2003年增长29,该数值与2000年创下的年营业额的最高记录大体相同。

  (2) 国内概况

  我国微电子技术产业现状分为大陆和台湾地区。 我国台湾地区,90年代半导体工业进入迅猛发展时期,19911997年间其工业规模年均增长率高达32%。目前已经成为世界半导体制造中心和国际上主要的芯片供应地。特别是在半导体晶片生产方面,其产量占全世界晶片产量的20%

  我国内地,集成电路起步于1965年。但在之后30年间发展缓慢,与世界发达国家和地区的差距愈拉愈远。到了“九五”计划期间,国家加大投资,才拉开了新世纪我国内地加速发展微电子产业的序幕。通过启动“909工程 ”,成功建成25条芯片制造线。近年来我国集成电路市场持续快速增长。2003年我国集成电路产量为96.3亿块,产值达到  1470亿元,比2002年增长22.5%。巨大的市场吸引国际知名集成电路企业纷纷来华投资。近两年来,国内新建、在建和筹建的68英寸IC芯片生产线项目18个,总投资额约122亿美元。我国内地的集成电路产业规模不断扩大,逐步形成了设计、制造、封装、测试、设备和材料的完整集成电路产业链格局。据半导体行业协会的最新统计,目前国内IC企业达651(不含集成电路设备材料企业),从业人员11.5万人。现已形成由10多家芯片制造骨干企业、20多家封装测试企业和200多家IC设计公司。这些主流企业主要分布在以上海为中心的“长三角”地区、以北京为中心的京津环渤海湾地区和以深圳为中心的“珠三角”地区。

  但是应该看到,我国内地的微电子技术行业与世界先进水平相比还有很大的差距。从制造方面说,国外的芯片生产技术已达到1216英寸/0.130.1微米水平,而我们仅有8英寸/0.250.18微米水平。从设计方面说,国内多数是仿制的低水平IC,很少企业有自主知识产权的集成电路芯核(IP)技术。比如,我国内地90%的芯片是消费类,而国外75%的芯片是通信类。从人才方面说,不仅是系统设计、还是资金运作、组织管理、市场营销都缺乏高级人才。而且人才的结构也不合理,我国内地人才中搞半导体的占75%,而发达国家正好相反,是高层次系统设计人员占75%。因此,要提高我国内地的微电子技术的整体水平,还需要长期的艰苦的努力。

  (3) 发展趋势

  1975年摩尔提出了关于集成电路集成度发展的“摩尔定律”,这个定律说,集成度(即电路芯片的电子器件数)18个月翻一番,而价格保持不变甚至下降。几十年的发展状况基本上符合了这个定律。由此可见这一领域发展速度之快,竞争之激烈。

  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13元集成电路产值的支持。据美国半导体协会(SIA)预测,到2012年,集成电路全行业销售额将达到1万亿美元,它将支持6万亿到8万亿美元的电子装备、30万亿美元的电子信息服务业和约50万亿美元GDP

  综观21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。国外发达国家和地区正在向0.1微米以下阶段进军。二是重点发展系统集成芯片(SOC)。SOC进一步发展,可以将各种物理的、化学的和生物的敏感器和执行器与信息处理系统集成在一起,从而完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能,这是一个更广义上的系统集成芯片。SOC是微电子设计领域的一场革命,21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。三是微电子技术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(MEMS)和生物芯片等便是这方面的典型例子。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的,后者则是与生物工程技术结合的产物。

  就我国微电子产业而言,国家信息产业“十五”计划纲要指出:“信息产业作为国民经济的基础产业、先导产业、支柱产业和战略性产业,对国民经济、国家安全、人民生活和社会进步正在发挥着越来越重要的作用。信息产业是国民经济新的增长点,到2005年,信息产业在国民经济各产业中位居前列,发展成为最大的产业。”作为信息产业基础工业的微电子工业,“纲要”指出:“以加强集成电路设计为重点。集成电路设计要与整机开发相结合,积极支持有条件的整机企业建立集成电路设计中心,设计开发市场较大的整机产品所需的各种专用集成电路和系统级芯片。产品的技术水平达到0.180.25微米,开发、生产有自主知识产权的集成电路产品。有条件地逐步设计开发通用集成电路(包括CPU)。 扩大和提升国内现有的集成电路生产线的生产能力和技术水平。通过加强工艺技术、生产技术的研究开发和改造,加快现有生产线的技术升级,形成规模生产能力,提高产品技术水平,扩大产品品种,替代进口。 实施优惠政策,改善投资环境,积极鼓励国内外有经济实力和技术实力的企业或投资机构在国内建立先进水平的集成电路芯片生产线,提高国内集成电路的生产技术水平。积极支持集成电路、新型元器件等电子专用材料的开发与生产。”目前,随着信息产业的步入上升轨道,微电子技术产业就有了更大的上升空间。专家预测,2010年我国芯片总需求将达到500亿美元,成为全球最大的集成电路市场之一。

  2. 光电子技术相关行业的现状与发展趋势

  光电子技术涉及以下内容:作为光子产生、控制的激光技术及其相关应用技术;作为光子传输的波导技术;作为光子探测和分析的光子检测技术;光计算和信息处理技术;作为光子存储信息的光存储技术;光子显示技术;利用光子加工与物质相互作用的光子加工与光子生物技术。由以上技术形成的光电子行业的五大类产业格局:光电子材料与元件产业、光信息(资讯)产业、传统光学(光学器材)产业、光通信产业、激光器与激光应用(能量、医疗)产业。

  (1) 国际概况

  近年来,许多国家,特别是工业发达国家,都在大力发展光电子技术和产业,虽然20002002年光通信领域出现较大滑坡,但是根据美国光电子行业协会(OIDA)的统计,目前全世界光子技术产业的市场规模已达1.5万亿美元。国外光电子产业主要在美国、日本和西欧,美国和日本的光电子产业发展现状与趋势具有代表性。美国将光电子技术的应用领域分为民用和军用两大类:民用包括计算、通信、娱乐、教育、电子商务、公共卫生和交通运输;军用包括部队指挥和控制系统、照相、雷达、飞行传感器和光制导武器。光电子技术行业的主要产品包括:激光器、光盘、成像传感器、光纤以及关键部位使用光电子元器件的所有仪器和系统。目前,在北美(美国和加拿大)有大约15万人从事光电子方面的工作,光电子技术产业创造的税收从1991年的40亿美元增长到2003年的超过200亿美元。

  日本光电子行业发展趋势研究会(OITDA)在2003年“光电子行业的现状与展望”的报告中阐述:日本光电子产业自1980年以来稳步增加,虽然20世纪90年代末到21世纪初由于国际IT产业过热的影响,导致2001年的负增长(-15.1%,但是在挤出泡沫之后的日本光电子产业现在已经重入快速上升轨道。日本光电子产业的产品分为仪器和元件两大类共七个主要方面,即光通信、光存储、I/ O设备、显示、能量、传感器与测量仪器、其他。

  从北美和日本的光电子技术行业的现状和发展可以映射出国际光电子技术行业的现状和发展趋势。21世纪初的IT产业在1998年金融危机的影响下产生大滑坡,导致了国际光电子技术市场的缩小。但是,经过光电子技术市场产品的重新整合和减少了泡沫经济的成分,目前国际光电子技术市场已经重新步入上升轨道,今后的发展主要受市场的影响。

  (2) 国内概况

  我国光电子技术产业的现状分为大陆和台湾地区。近20多年来,随着中国大陆的改革开放,使中国内地的激光、光电子科学事业的发展立足创新、面向市场,取得了前所未有的进步。在多项国家级战略性科技计划中,激光、光电子技术受到重视。“863计划”七大领域中有激光技术和光电子技术(包括用于信息领域的激光技术), 1995年又增列了“惯性约束聚变”(高功率激光及激光核聚变)项目。国防预研光电技术作为跨部门项目正式立项。国家“六五”和“七五”攻关计划,激光、光电子技术被列为重大项目。此外,国家自然科学基金19861998年间资助多项激光、光电子技术领域的研发。经过“八五”攻坚和“九五” 拼搏,在激光、光电子方面取得了可喜的成绩:(a) 建立了6个(北京、武汉、上海、石家庄、深圳和长春)光电子成果转化产业基地。(b)已建立11个国家级重点光电子技术实验室和5个国家教育部所属的光电子重点实验室。5个激光光电子国家工程研究中心(NERC),包括CD、激光加工(LP)、光纤通信(OFCT)、光电子器件。4个激光光电子国家工程技术研究中心(NERTC),包括固体激光工程技术、光学仪器工程技术、特种显示工程技术和平板显示工程技术)。(c)自2000年以来,各地兴建光电子技术产业发展园区。目前国内已有13个光电子产业基地,上海、武汉、深圳、广州、长春、北京等城市的光电子产业具有相当的规模。(d) 在深化机构体制改革和运行机制改革过程中,中国已形成了一大批光电子产业企业单位群体,其中有中国兵器工业集团公司、中国兵器装备集团公司、中国电子科技集团公司、中国航天集团公司等, 这些集团公司均有从事激光、光电子技术产业的企业,如中国电子科技集团公司所属的从事光电子器件研究的有第811131623444655研究所和各生产厂家、公司等,以及全国各地方从事激光、光电子技术产业的企业和民营企业,这些单位已经形成中国光电子产业的人才培养和产品研究、生产、销售群体。同时, 各种中外合资、中外合作的新光电公司,还在不断涌现。(e) 近十几年来,中国的光电子产品市场规模正在快速发展,其平均年增长率始终保持在两位数的高速增长势头。这是改革开放政策威力和积极利用投资环境和消费市场优势的结果。

  进入21世纪,中国开始第十个五年(20012005年)发展计划,我国的信息产业将获得高速发展,继续成为国民经济的支柱产业和新的经济增长点。在“十五”期末,整个信息产业的产值占GDP的比重将超过5%,光纤通信已成为信息高速公路的主干道,国内和世界信息传输网中80%的业务将通过光通信网来完成。特别是中国加入WTO和北京申办2008年奥运会成功后,中国庞大的光电子产品市场和拥有相当的光电技术、产业基础,以及自2000年以来各地相继建立10多个光电子产业发展园区,正进一步吸纳海内外企业巨头的中高档技术和雄厚资本,抢滩中国市场,中国光电子行业的发展面临着前所未有的发展机遇和挑战。

  (3) 发展趋势

  光电子产业是21世纪的支柱产业之一。国家发展委员会从2002年开始组织实施光电子产业化专项,拟分3年实施。光电子专项产业化目标是:①根据我国在光电子研究开发方面所具有的技术优势和资源特点,重点支持一批技术水平高、市场前景好的光电子产品,实现产业技术升级,并尽量形成规模生产。②“十五”期间初步形成具有知识产权和产业优势的光电子产业体系。通过对我国已有技术和资源优势并在国际市场有竞争力的光电子产品的重点支持,力争在“十五”期间使国内光电子产业能够满足国内各行业的需要,并进入国际市场。③通过技术创新和项目建设的带动,扶持光电子产业基地的形成。20022003年,专项支持重点有:

  光通信器件:①光有源器件:包括10Gb/s光发送接收模块,光放大器(宽光谱、高增益、低噪声掺铒光纤放大器EDFA,掺谱光纤放大器PFDA,拉曼光纤放大器,1.55微米波长半导体光放大器SOA),10Gb/s 1.31.55微米波长可调谐光纤光栅分布反馈式(DFB)激光器,共振腔Si基和InGaNAs基可调谐窄带探测器,1.3微米波长垂直腔面发射激光器(VCSEL)。②光无源器件:包括光连接器、光耦合器、介质膜干涉光滤波器、波分复用/解复用器、布拉格光栅、阵列波导光栅(AWG),波导光开关阵列等WDM器件。③光交换器件:包括可调谐波长转换器、波长选择器、路由选择器(模块)等。④光子集成器件:包括光路集成器件和实用化光电子集成模块等。

  光存储器件:包括蓝绿光480纳米波长GaN半导体激光器和650纳米波长红光半导体激光器,高密、高效、高速的母盘刻录和新型光记录介质等技术。

  大功率激光器:包括大功率半导体激光器(DPSSL)及大规模集成组件,以及光有源器件、光无源器件、光交换器件、光子集成器件、光存储器件、大功率激光器。

  科学界预测,到2010年,以光电子信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模,到2010年至2015年,光电子产业可能会取代传统电子产业。光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步。

 

 
 
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