原創性顛覆性創新如何引領現代化產業體系：新一代芯片前沿制造科技革命的啟示

原創性顛覆性創新是打贏關鍵核心技術攻堅戰，培育和發展新質生產力的基礎。文章選擇芯片前沿制造科技領域典型的原創性顛覆性創新——芯片3D制造工藝FinFET（鰭型場效應晶體管）技術；其突破既延續了摩爾定律，更驅動半導體制造從二維到三維結構的革命和芯片性能大躍升，大大促進了包括新一代人工智能在內的全球高科技產業突飛猛進，芯片前沿制造科技也因此成為全球科技競爭的重中之重。文章梳理了芯片FinFET制造技術重大突破創新歷程，包括“科學發現—技術新軌道形成—新技術體系化”的發展階段。研究發現其突破動力主要源自戰略科學家團隊的突出作用；基于政府和產業支持的前沿研究網絡形成政產學研深度融合的協同機制；同時，各類創新主體通過創新競賽，有力推動了技術的體系化迭代與持續突破。文章圍繞研究原創性顛覆性創新的發展規律為我們搶占科技制高點，建設科技強國，引領現代化產業體系提供了理論和實踐啟示。

原創性、顛覆性科技創新成為培育發展新質生產力的重要戰略機遇。我們看到，顛覆性技術創新模式不再是傳統的線性和鏈式模式，而呈現出間斷性和跨越性的特征，并逐步演變為多元主體協同的創新模式。顛覆性技術通過全新的科學發現和對已有技術軌道的遷移，對該產業格局造成“創造性破壞”并培育了新的市場需求。

當前全球科技競爭趨于白熱化。芯片前沿制造工藝作為全球高科技創新體系中的關鍵位置和控制點，并和關鍵集成電路設備一起成為“科技制高點中的制高點”。芯片前沿制造工藝因其強大的戰略引領作用，一旦取得突破，將對相關經濟領域乃至整個經濟社會發展產生全局性的深遠影響。2022年，美國和歐盟分別推出了《創造有益的半導體生產激勵措施（CHIPS）和科學法案》和《歐盟芯片法案》，其核心戰略目標都是推動先進半導體制造技術和先進產能發展。

在集成電路的發展史中，FinFET（鰭型場效應晶體管）是在硅體系內進行的具有顛覆性、原創性的突破，實現了革命性的架構變化，它使得全球人工智能（AI）、智能手機、高性能計算、未來網絡和汽車電子等相關產業得到了突飛猛進的賦能發展。特別值得一提的是，2020年5月英偉達公司發布了基于7 nm FinFET工藝的A100旗艦圖形加速器（GPU）芯片，后來成為賦能新一代ChatGPT大模型的算力平臺，開啟了人工智能新時代。2024年基于最新的3 nm FinFET工藝技術，英偉達等企業又推出了具有超強算力性能的新一代AI芯片。

當前，芯片前沿制造工藝已成為人工智能時代國際上限制我國高科技發展的最強“殺手锏”之一，因此研究FinFET的創新歷程對激發原創性顛覆性創新，引領我國現代化產業體系建設，推動實現高水平科技自立自強具有重要現實意義。

01

FinFET突破歷史

摩爾定律推動了集成電路行業的本身發展，從而也改變了世界。半導體前沿制造工藝技術研發是一個高度復雜、不斷迭代的創新過程，具有高投入、長周期、知識嵌入性強、技術復雜度高等特征，其技術重大突破高度依賴產業創新體系。FinFET重大突破創新的背后動力是巨大的產業需求潛力。在28 nm以下工藝，由于短溝道效應（SCE）等物理限制，產業界普遍意識到平面晶體管在設計和制造芯片時其性能已經接近極限。為了打破技術極限，FinFET晶體管架構將傳統晶體管的平面結構變為立體結構，類似魚鰭的叉狀3D架構，讓晶體管空間利用率得到躍升。

1980—2000年：科學發現，從原創想法到功能性技術提出

FinFET的重大突破起源于日本和美國科學家設想的創新思路。為突破全球產業技術發展瓶頸，構建其社會和知識領先地位，戰略科學家逐步推動其從原創想法到功能性技術開發的實現。

原創科學想法的提出。三維晶體管技術的突破理念不是憑空而來的，1980年日本電子技術綜合研究所的Yutaka Hayashi申請專利（申請號：JP，1980-085706），提出將傳統的平面結構遷移到全新的三維晶體管平臺。1984年，Y. Hayashi 和日本研究者T. Sekigawa發表了第1篇關于雙柵MOS（DGMOS）晶體管以降低短溝道效應的文章。1989年，日立（Hitachi）公司研究員 Digh Hisamoto對傳統的平面型結構作出改變，提出了將二維 MOSFET 設計擴展到三維的概念，并報告了一個垂直溝道超薄體SOI晶體管的三柵配置，將其稱為DELTA（Depleted Lean-Channel Transistor）晶體管，這與后來的三柵FinFET（Fin Field Effect Transistor）的結構已經十分相似。

FinFET理念提出與概念驗證。FinFET的工藝技術與傳統平面型MOSFET的工藝技術完全不同，其工藝創新難點是形成魚鰭（Fin）的形狀。1998年胡正明團隊在三維結構的MOS晶體管與雙柵MOSFET結構的基礎上進一步提出了自對準的雙柵MOSFET結構，因為該晶體管形似魚鰭，所以稱其為FinFET晶體管，引人注目的是他成功研發并做出了可用于生產的器件。1998年，胡正明團隊成功制造出首個n型FinFET；1999年，該團隊再次取得了突破，成功制造出首個p型FinFET。除了提出FinFET晶體管，胡正明還在PD-SOI（Partially Depleted Silicon On Insulator）技術的基礎上，創新性地提出了UTB-SOI（Ultra-Thin-Body Silicon-On-Insulator，超薄體硅絕緣體上硅技術）技術路線。

2000—2010年：技術新軌道形成，從原型產品到商用產品

顛覆性創新技術從實驗室突破到轉化為能夠被主流市場所接受的新產品、技術或服務，并催生新產業、新賽道，不是一蹴而就的。在2011年FinFET技術成功實現量產之前，由于其剛剛被發明出來，是否能成為未來的主導量產技術前景不明。因此，這一時期多種高密度集成電路（IC）技術研發路線并行發展，競爭激烈。在此期間，FinFET技術方面在材料、器件及檢測等領域攻克了一系列核心科技問題，并闡釋了眾多新機制和新機理并最終其因良品率高、成本低、具備更優的功耗性能比和工藝可擴展性，在各種技術路線中勝出，這是產業界與學術界的深度合作、互動融合的結果。正是技術與經濟的有機結合，催生了新的技術軌道，進而影響了產業發展的演進路線。

從產業界深入FinFET工程研發的過程來看，有關FinFET和UTB-SOI的技術論文發表以后，美國英特爾（Intel）公司、IBM公司、臺積電公司和韓國三星公司（Samsung）等芯片巨頭迅速行動起來，嘗試轉化和運用相關研發項目取得的重大科學成果。UTB-SOI 雖然在低功耗和抗輻射等特種領域具有獨特優勢，但當時的半導體廠商沒有技術能力可以制造出頂層硅薄膜厚度6 nm的SOI晶圓，難以實現UTB-SOI。相比之下，FinFET 具有更高的性能、成熟的量產工藝和更低的單位成本，所以主要半導體廠商開始傾向FinFET技術。從專利來看，在2000年美國加州伯克利大學申請第1個FinFET專利后，2001年，IBM、臺積電等企業都迅速申請了FinFET專利。專利布局重點是將當時各種平面晶體管所涉及的核心技術整合到FinFET上，例如，2003年韓國首爾大學申請了基于體硅的FinFET的專利。這些進展使得諸如SOI襯底等技術都被用到新興的FinFET技術體系中。

在這一階段，FinFET成為未來芯片量產工藝的最有力競爭者，在2001年實現了15 nm節點的突破；2002年10 nm FinFET被制造出來；2004年，HKMG FinFET被制造出來；同年，韓國三星公司證明了基于三柵FET的20 MB SRAM陣列的可制造性。在持續的迭代突破創新過程中，具備研發實踐經驗的主要公司（以IBM和英特爾為代表）的研究人員通過跨企業組織，帶動了跨越產學研界限的知識流動，從而使知識以非正式方式在行業生態的各個合作伙伴間擴散和溢出。

面向規模量產的商用研發階段。FinFET相關核心技術知識以正式和非正式方式擴散到行業中主要研發企業后，3D架構逐步成為晶體管主導技術。在巨大市場前景的驅動下，通過不同學科知識界面的協同、隱性和顯性知識的整合，以及產學研不同組織間學習，充分發揮高效實現前沿成果潛在價值轉化的優勢，實現器件極限尺寸不斷縮小，激勵產業伙伴加大工程開發和技術戰略布局，在2011年英特爾公司宣布全面戰略性轉向FinFET技術，加速推動新一代FinFET技術面向規模量產的商用研發。

2011年后：新技術體系化，重塑產業版圖

在這一階段，FinFET技術從若干潛在競爭芯片工藝技術中勝出，并且跨產業鏈的整體技術解決方案成熟，正在成為主導的芯片量產工藝。相關企業的相關核心專利申請量上升，FinFET技術迅速成為全球主流芯片制造商的“不二之選”。

技術主導設計形成。依托FinFET的前沿研究網絡激發了大量的研發活動，并促進了整個半導體設計生態系統成員的深層次合作，領軍的英特爾公司于2011年5月在其Ivy-Bridge處理器（22 nm節點）首先采用了FinFET（英特爾稱之為Tri-Gate FET）。英特爾公司總裁Paul Otellini表示：“英特爾的科學家和工程師通過采用3D結構，再一次實現了晶體管的革命。隨著我們把摩爾定律推進到新的領域，3D結構將幫助我們打造令人驚嘆且能改變世界的全新產品?！?/p>

創新競賽激發突破性創新生態形成。同在2011年，iPhone引發全球智能手機市場呈現爆發趨勢，蘋果、三星等全球智能手機巨頭急需兼備卓越性能和超低功耗的新一代手機處理器芯片。但是由于英特爾采用的是半封閉的垂直整合制造（IDM）商業模式，所以其研發的FinFET工藝技術主要服務于自己的個人計算機（PC）處理器產品的定制。而要真正形成服務下游智能手機產業的全球開放FinFET創新生態，需要實現貫通知識產權（IP）、設備、材料、設計、制造、封測各產業環節廠商協同的量產工藝創新。而為了爭奪蘋果和高通等手機處理器的“世紀大單”，全球芯片制造代工巨頭臺積電和三星的研發團隊展開了你追我趕的研發創新競賽，試圖搶先構建FinFET量產工藝創新生態。在此階段，他們動員電子設計自動化（EDA）軟件廠商、制造設備商持續進行新工藝動態測試適配與調試（debug），通過在創新試錯過程中不斷完善工藝生態，攻克了在良率與穩定可靠性方面的各種技術難點，一個完整的產業技術生態快速形成。

2014—2015年，臺積電發布了首款16 nm FinFET技術的網絡處理器芯片；同期三星推出了第1代14 nm（14LPE低功耗）芯片，并于2015年成功量產。2015年，蘋果公司宣布其iPhone 6s智能手機搭載的A9處理器將首次采用臺積電和三星基于FinFET技術的芯片雙供貨，由于新芯片整體性能比上一代提升了70%，引發了全球市場震動。

顛覆性創新需要與之匹配的商業生態才能使創新扎根，得到FinFET先進工藝的強大賦能后，芯片制造實現了從22 nm到3 nm快速迭代發展，這也使得蘋果、英偉達、高通和AMD等國際芯片設計巨頭業務井噴式發展，直接推動全球人工智能、高端移動計算、網絡通信、消費電子和汽車電子等產業發展進入了全新階段。

02

原創性顛覆性科技創新引領現代化產業體系的機制分析

FinFET從原創的科學想法（Hayashi專利）到功能性技術的概念驗證與工程原型產品（胡正明和Hisamoto）經過了10余年時間，然后再到規模化產業化量產又經歷了10多年的過程，這一創新的歷史進程具有重要研究價值，值得深入分析。

動力機制：戰略科學家團隊的突出作用

在原創性顛覆性科技創新中，戰略科學家的深厚科學素養、開闊戰略視野、前瞻性判斷力、跨學科大縱深的領導能力尤其重要。胡正明在FinFET突破創新過程中，作為戰略科學家發揮了突出作用。2000年，胡正明團隊在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助下，發表了有關FinFET和FD-SOI的里程碑文章，正式提出革命性的3D晶體管結構，克服了傳統平面工藝的極限障礙。胡正明團隊在完成DARPA研發項目過程中，也得到了Semiconductor Research Corporation（SRC）和AMD等企業的資助。同時，胡正明在2001—2004年還受聘擔任臺積電的首任技術執行長。正是他橫跨科研與產業界的經歷，與產業界有著廣泛的深度合作經驗，使得他的團隊能率先攻克了前沿底層科學難題和技術“瓶頸”。2020年，國際電氣與電子工程學會（IEEE）決定授予胡正明IEEE榮譽勛章（IEEE Medal of Honor），以表彰他在全球半導體核心科技突破和應用方面作出的重要貢獻。

協同機制：產業支持的前沿研究網絡

在FinFET的突破歷程中，在創新路徑、創新成果和時間成本等方面存在高度不確定性的情境下，研究型大學、國家實驗室及大型公司的研發機構等前瞻技術研究主體深度參與，構建了基礎研究、應用研究和產業化研究前后端緊密銜接的鏈條，推動了深度融合創新。一方面，這些知識聯系是多維度交織的，FinFET研發團隊（以美國加州大學伯克利分校為核心）從行業指導和直接研發援助中受益匪淺，最終實現了對行業具有巨大價值的突破性技術；另一方面，美國科技政策辦公室、能源部、商務部和國家科學基金會等也發揮了戰略支撐作用，FinFET技術的發展歷程凸顯了這些聯邦機構在2000年代半導體行業中的持續影響和重要性。FinFET 晶體管的設計和制造研究起始于1996—1998年，從側重理論工作到制造專業知識探索，呈現出思想與人才跨越國界、學術界與工業界之間的流動與融合。

DARPA的支持在FinFET初創階段起到了較好的推動作用，體現了其戰略眼光和資源整合能力。美國以加州大學伯克利分校為核心，聯合加州理工學院、斯坦福大學和勞倫斯伯克利國家實驗室等機構，組成了前沿研究網絡，研究網絡秉承既與產業界保持密切互動，又追求長期導向學術研究的戰略組合（而不被工業的短期需求牽制）。同時借助地理臨近優勢，這些研究力量充分利用了包括斯坦福大學和勞倫斯伯克利國家實驗室設施在內的先進設備和資金資源，進一步推動了芯片制造創新研究的深入開展。在這期間聯邦政府與產業支持的“大學-國家實驗室研究網絡”進行深入的科學原理研究，形成長期導向的學術研究自由的戰略組合和知識交流。

可以看到，在FinFET創新攻關中，政府、產業和大學共同探索如何協同推動知識生產和技術創新，在攻關中共享彼此的資源、專業知識與技術，分擔成本和風險，并最大化利用各參與方的學科專業優勢，以便科技成果能夠最終轉化為實際應用。

競合機制：創新競賽與體系化迭代突破

集成電路產業界很早就關注FinFET技術，以英特爾和IBM為代表的創新企業與前沿研究網絡，共同分擔研發風險，積極面對各種不確定性、模糊性。依托原創性顛覆性創新，將高度復雜的新技術、實驗室“樣品”和原理樣機在中試和生產線實踐中不斷試錯測試來積累經驗數據，持續迭代優化，提高產品良率。例如，早期FinFET面臨的“鰭片圖形化誤差”“應力工程”“寄生電容控制”等問題，均在不斷優化的EDA設計、光刻工藝（EUV引入）、制造材料（如高介電柵氧化物）及自動化測試體系中得到改善。

從專利申請來看，2000年加州伯克利大學申請了第一個FinFET專利，2001年IBM、臺積電等企業都迅速申請了FinFET專利。集成電路產業界開始起到了更直接的推動作用，FinFET專利的全球主要申請人包括IBM、臺積電（TSMC）、格羅方德、三星、英特爾（Intel）。然后基于此，通過臺積電和三星、英特爾等領軍研發企業的創新競賽，在與應用場景和客戶需求長期優化迭代過程中，推動基于集成電路全產業鏈協同的商用解決方案體系不斷完善。FinFET 技術的最終商用成功，不僅依賴于單點技術突破，更是全球創新競賽、體系化研發與工程實踐深度融合的體系化結果。

03

討 論

FinFET重大突破的成功案例表明，在原創性顛覆性創新的過程中會面臨前所未有的復雜挑戰。而在新的科學原理發現突破以后，戰略性科學家團隊、前沿基礎研究網絡及突破性創新生態重構和領軍企業間的創新競賽等在持續創新過程中發揮了關鍵的聯動作用。

當前人工智能的新發展給科技創新范式提供了新的可能，迫使科研人員深入探索前人未涉足的領域，以突破現有的產業技術路線。面對全球科技領域激烈競爭和高度動態性的科技突破研究，需要強化跨領域、跨學科的深度融合，而大學-國家實驗室網絡不僅是學術和知識的生產者，也成為前沿技術轉化的賦能平臺，依托產學研深度協同，從松散式的科學原理探索研究，轉化為面向未來產業愿景協同攻關與科技領軍企業的創新競賽并存的突破創新態勢，才能激發原創性、顛覆性技術供給，以點的突破引領帶動系統能力躍升。

原創性顛覆性創新在創新路徑、創新成果和時間成本等方面存在較高的風險與不確定性，需要從創新系統整體視角出發，進行高水平的技術趨勢研判、創新方向選擇、創新領域前瞻布局和針對性的創新政策扶持?？蒲袡C構與產業緊密銜接及推動領軍企業需要提前參與前瞻研究探索，有助于產生迭代的、體系化的重大成果，形成引領性優勢創新突破。

當前我們要推動原創性顛覆性創新引領現代化產業體系，就要以重大戰略需求和重大科學問題為牽引，動態調整優化科研力量整體布局，打破學科、領域、組織的邊界壁壘，鼓勵科學家洞察科技趨勢和敏銳捕捉潛在重大突破機會。這種與產業前沿的密切聯系將促進包括隱性知識在內的信息流動，推動理論與實踐的雙向滲透與協同創新。這需要依托國家實驗室、國家科研機構、高水平研究型大學及科技領軍企業等戰略科技力量，圍繞科技制高點形成多主體全鏈條的深度融合創新，把創新鏈上下游的研究力量協同貫通起來，最終形成基于科學新發現，以技術新軌道和產業新方向于一體的“大縱深”突破來引領現代化產業體系發展。

本文來源于《中國科學院院刊》2025,40(11)。余江，中國科學院科技戰略咨詢研究院研究員，中國科學院大學公共政策與管理學院教授、博士生導師。文章觀點不代表主辦機構立場。

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