国投集团中国电子院：从专业化到数智化，打通半导体产业化“最后一公里”

作为高科技产业桂冠上的明珠——半导体芯片产业，在经历了一段周期性下滑后，2024年强烈逆势回暖，实现了10%的正增长，可预见未来将进一步升温，到2030年将突破万亿美元大关。

我国作为半导体产业的消费大国，消费了全球6成以上的芯片，芯片也成为继石油之后，我国进口排名第一的商品。特别是信息化智能化快速发展的今天，伴随着能源革命、元宇宙、人工智能、数字经济、智能制造、自动驾驶以及科技创新发展，将越来越依赖于芯片，也将成为关乎于国家安全的底线。

作为首批国有资本投资公司，国家开发投资集团有限公司（以下简称国投集团）坚持服务国家战略的投资导向，以引领产业升级为己任，持续加大科技创新力度，引领产业升级，推动企业高质量发展。“十四五”期间，集团以科技发展规划为引领，实施创新能力提升、企业创新发展、创新链强链3大工程13项重点任务，积极改革转型，打造数字/科技业务板块，助力国家关键核心技术攻关，解决“卡脖子”难题。

国投集团旗下中国电子工程设计院股份有限公司(以下简称中国电子院)深耕电子行业70余年，是国内电子工程设计龙头企业、我国电子工业工程技术的开创者，承揽了国内90%以上显示器件、60%以上存储芯片、50%以上BAT企业数据中心的高端电子基础设施设计业务，为助力中国电子产业发展提供了重要支撑作用，连续4年被国资委评为“科改企业”标杆。

半导体产业化有多难？

一颗小小的芯片被“卡”，主要是体现在消费电子领域和市场化竞争力上。消费电子领域并非生活的基本需求，这就导致了行业的充分市场化竞争，所以难点并不在于能不能造出芯片，而是能不能造出又好又便宜的芯片。

作为生产芯片的半导体生产厂，是最复杂、最庞大的精密制造系统，工厂生产系统极其复杂、自动化程度高、工业设备昂贵，投资巨大，一般工厂投资都在数百亿至上千亿人民币规模。同时半导体工厂对环境要求极其严苛，需要超高精度的洁净室，需要不含任何金属离子和杂质的超纯水，需要恒温恒湿的生产条件，其工艺设备的高精密性也要求微振动环境控制极为严格等。同时其巨大的耗电量和耗水量，不仅让半导体厂投资规模巨大，其维护日常生产的成本也不断攀升。

如何造出又好又便宜的芯片，这成为了中国电子院的使命。“我们是为新中国建设而生，为电子工业发展而立。伴随着中国电子产业的发展，我们一直专注于解决从实验室到产业化的“最后一公里”难题。”中国电子院董事长、全国工程勘察设计大师娄宇说。实验室与大规模量产有着本质的不同，“100个难题攻克了一个，对于科学实验室来说就是成功，而大规模量产时100个问题解决了99个也不能算成功。”中国电子院首席技术官杨光明解释道。

对于半导体工厂来说，一个没有解决的问题会导致生产线生产不出产品或者生产出来的产品合格率低，从而导致企业无法赚钱。“我们会从一座工厂的人机料法环全系统、全方位去规划并不断优化，持续降低企业的制造成本。”杨光明介绍说。

如何护航产业化“最后一公里”？

为了解决“造得好”推进实现产业化“最后一公里”难题，基于中国电子院70余年在电子产业的深度耕耘，从承担我国第一条半导体建设生产任务起步，在半导体生产建设各环节，中国电子院形成了一系列自主知识产权和专有核心技术，以洁净控制和微振动控制技术领域为例，中国电子院这两项技术填补国内空白，达到国际领先。

半导体芯片的生产和加工要在洁净室中进行，需要去除灰尘颗粒，要捕捉到比头发丝直径还要小100倍的灰尘，难度非常大。

中国电子院拥有精准分区控制技术、微环境控制技术、气流流型垂直度修正技术等，不仅能够对洁净环境要求高的部分进行精准控制，还能降低洁净室的建设投资。“除了对项目前期的精准设计和建设，在项目运行期间，还可提供智能诊断服务的全周期服务保障，进一步有效提升良品率。”

中国电子院洁净专家阎冬介绍。结合中国电子院几十年的洁净技术积累，具有分子级化学污染物控制技术，并将技术成果化，自主研发了平板式化学过滤器和化学过滤机组，是国内首台商用的化学过滤设备，处理效率达到98%，填补国内技术空白。参与国际洁净领域标准制定，主编国际洁净标准1项，参编4项，实现中国此类标准零的突破。

半导体产业中的芯片制造核心工艺就是光刻，如果光刻时受到轻微振动干扰，造成偏离，整个芯片都将毁于一旦。

如何准确地辨识和控制住这些微小的振动，保证和提升半导体产品的精度和良品率，这就涉及中国电子院另一项核心技术——微振动控制技术。

随着精密设备对微振动控制要求不断地提高，传统的被动防微振模式已经无法满足精度需求，主动控制微振已经成为必要手段。之前这项技术一直是被国外垄断的，国际上能够实现的最低振动速度大约是0.1um/s。中国电子院经过多年技术积累，成功研制出了中国第一套大型主动控制隔振装置，能够实现在1~100HZ频段内0.05um/s的振动速度，一举打破国际垄断，达到了世界领先水平，为解决“卡脖子”问题奠定了技术基础。

中国电子院微振动技术部门负责人金春峰介绍说：“我们首创提出‘测、避、抗、隔’综合微振动控制理念，采用防微振有限元仿真模拟技术和多级分段的振动隔离技术，针对不同振源、不同设备，进行精细化分类防微振设计。” 中国电子院主编的《电子工业防微振工程技术规范》，是国内第一部电子信息行业的微振动控制规范，也填补了国内空白。该规范已发行英文版，有利于中国标准走向世界，提高了中国标准在国际上的影响力。

数智化如何改变产业生态？

在产业快速发展的今天，人工智能和数字化潮流以势不可挡地改变着产业发展与生态，作为“重资产”的中国半导体产业未来如何破“卡”出圈，中国电子院给出的答案是——PSIM数字孪生工厂解决方案。

中国电子院首创的PSIM数字孪生工厂解决方案，致力于打造精益智能绿色的高科技工厂，即在工厂建设之前，构建一座虚拟工厂，利用“工艺技术+数字化仿真技术”，动态模拟工厂投产后实际运行，探寻最优设计方案。

通过精细化设计、精准化分析、数字化优化、智能化控制，最终实现建设投资降低、建设周期缩短、生产效率提升、运行成本下降的ITEC目标。

通过构建虚拟产线、动态模拟运行工况，识别瓶颈工序，优化设备腔体配置、加工参数，实现产线的最佳匹配，最大程度提升设备利用率、缩短生产周期，提高生产能力。“我们搭建形成了中国电子院的IC-MASTER数据系统，可以更好地为产业发展提供数字化智能化支撑服务。”数字化技术负责人程星华介绍。该系统可为芯片制造提供所需的高精度控制，生产运行分析涉及的海量数据，通过仿真技术有效支撑精益制造。

作为这项技术的牵头推动者，中国电子院董事长、全国工程勘察设计大师娄宇解释说：“这项技术是立足于服务国家战略需求，通过持续迭代数字化技术，帮助中国半导体产业提升效能与效率，大幅降低生产运行成本，提升中国半导体行业的市场竞争力。”

“目前这一技术已经应用在了多个项目，经过实践证明，解决了工艺源头与厂务系统断点难题，实现运行效率提升在5%以上，系统优化8%以上，降低投资12%以上，局部环节优化后有效实现年运行成本降低近千万元。”中国电子院总经理夏连鲲介绍说。

向着世界一流企业不断迈进

中国电子院是在国家“一五”计划期间，为发展电子工业而诞生。2000年进行了企业化改制，成为国有第一批科技型企业，其后加入国投集团，更为企业发展注入了新动能，这让为国担当助力产业发展的使命融入血液，也让科技创新的基因成为了中国电子院鲜明的标签。

2020年4月，国务院国资委部署开展“科改行动”，国投集团抓住改革契机，申请将中国电子院纳入“科改企业”，中国电子院在2020至2023年度国务院国资委“科改行动”专项考核中连续4次获评标杆。

经过多年发展形成了开放创新的科研机制，中国电子院以数智化即数字化和智慧化转型作为创新发展引擎，面向国家重大需求和经济主战场，围绕先进电子和智慧城市建设领域，持续开展核心电子工艺、洁净控制、微振动控制、智能运维、检验检测、智慧养老关键技术攻关。

近十年以来，中国电子院获批国家重点研发计划、北京市科技计划等各类国家及省部级科研项目（课题）100多项，荣获外部各类项目奖励累计1080项，其中国家级奖项145项。

未来的中国电子院基于70余年发展基础，以数智化为手段，运用PSIM数字孪生技术和工业互联网智能化解决方案能力，提供智能工厂整体解决方案；立足于服务制造强国战略，加快在关键设备和新材料的国产化替代，推进从中国制造到中国创造的转变；立足于服务质量强国战略，以工程质量、环境控制和数据安全，提供标准、计量、检验、认证全过程服务，让中国高质量发展更具含金量，向着世界一流企业不断迈进。

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