军工领域如何推动半导体产业发展

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)原创,作者:蒋思莹,谢谢。
美国商务部4月27日宣布,为防止美国技术被转用于军事,美国公司向中国军工企业出售的个别项目,即使是民用也须取得政府许可。随后,华尔街日报的一则报道中称,新规赋予美国商务部官员更大的权力来阻止半导体、航空航天和其他工业领域的美国产品被运往海外。

前不久,方正证券发布的一份调研报告中指出,军工半导体是实现装备信息化的关键。一方面要向智能化、无人化进行发展,另一方面北斗三号系统部署完成、5G在我国渗透率不断提升,半导体新技术、新材料也将被逐步应用在国防装备上。因此相关电子元器件将成为实现装备信息化的关键。

从半导体发展的历史长河中看,美国作为最早开始发展半导体产业的国家,其半导体产业最初的发展就与国防军工机构密不可分,其中重要技术的诞生和发展都带有军民融合的色彩。

从军用走向民用市场的半导体

半导体技术最开始是服务于军事领域。1943年7月,美国陆军资助了一项电子数字计算机开发项目——“电子数字积分机和计算机”(简称:ENIAC),用于计算火炮的火力表。后来,约翰·冯·诺伊曼深入参与了ENIAC项目,此间,由他提出的运算器、控制器、存储器、输入、输出的“冯·诺伊曼结构”,大大促进了电子技术和计算机的发展。

据了解,ENIAC当时主要采用的是电子二极管和三极管。但由于电子管难以承受ENIAC的复杂性,这也导致每天都要烧坏几个管件,使得ENIAC有差不多一半的时间都处于功能受损的状态。

直到1947年,贝尔实验室发明了晶体管,它的出现让电子产品有了突破的机会。在贝尔实验室发明晶体管之后,美国军方一直资助这项技术的发展。据广大证券的调研报告中显示,从1948年到1957年,军方承担了贝尔实验室晶体管研究费用22.3百万美元中的38%。尤其在50年代中期,军方对贝尔实验室的资助一度达到晶体管研究经费的50%。贝尔实验室和军方第一个合同从1949年到1951年,主要聚焦应用和电路研究;第二个合同则从1951年至1958年,主要开展军方感兴趣的服务、设施和材料研究。

据相关资料显示,在六十年代初,美国80%-90%的芯片产品都是国防部订购的。在这个时期,“民兵”导弹、阿波罗导航计算机以及W2F作战飞机数据处理器三大工程,带动了美国半导体产业的飞速发展。

一直到七十年代,美国军事对其半导体产业的影响也十分巨大。据前瞻研究院的报告显示,七十年代,军用芯片的比重仍高达42%。同样也是在这一时期,美国微电子产业开始考虑将半导体从军用向民用过渡。

冷战结束后,美国国防部发布了《国防科学技术战略》,在1994年、1996年美国又对该战略进行了两次修订。其中,在第二次修订当中,“在保持军事技术的前提下,强调经济承受能力和实行军民两用”成为了该战略的主导思想。

恰逢这个时期,由于个人电脑的风潮逐渐开始盛行。半导体技术也开始从军用市场逐渐发展到了民用市场中。

从军用市场走出来的半导体技术

当我们回顾半导体的历史,我们发现也有不少半导体技术诞生于枪炮声中,后来经过不断的发展,才走进了大众市场。

这其中就包括影响蓝牙、WiFi的发展的跳频扩频(FHSS)技术。该技术诞生就诞生于二战时期, 20 世纪 80 年代,FHSS 技术被军方用于战场上的无线通讯系统。而后,FHSS 技术下沉到大众市场,以此为基础的蓝牙技术开始受到业界的关注。而后,爱立信、诺基亚、东芝、IBM 和英特尔公司等五家企业成立了蓝牙技术联盟的前身。经过多年的发展,蓝牙标准已经进行了多次迭代,与之相关的低功耗蓝牙芯片也在半导体市场中占据了相关重要的位置。

由自动驾驶技术为汽车行业带来的变革,也影响了半导体产业的发展。在自动驾驶所需要的众多传感器中,便有很多就源于军事领域,例如,毫米波雷达、红外探测器等。

以毫米波雷达为例,50年代,出现了用于机场交通管制和船用导航的毫米波雷达。70年代后期,毫米波雷达则已经被应用于许多重要的民用和军用系统中。90年代,毫米波发展出了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷达。60GHz频段后来主要用来通信,94GHz主要是军用频段,而工业上则选择了77GHz作为主流的毫米波雷达的频段。随着雷达技术的进步和成熟,从本世纪开始,汽车、工业等领域开始采用毫米波雷达,来帮助车辆实现辅助驾驶功能。

另外,由于新冠疫情的爆发,促生了红外体温检测设备的需求,这其中就涉及了红外成像。红外成像系统将探测到的热红外线转换为图像,而红外探测器为该系统的核心组件。而由于红外技术早期因为价格昂贵,其最早也是被应用于军事领域。后来,随着红外成像技术的不断发展,安防、热像仪等低成本民用市场的崛起,为红外探测器的发展带来了机遇。同时,也有机构认为,未来车载红外市场也将为红外探测器的发展带来机会。

从军工市场下沉到民用市场的红外技术,还涉及到两大类的红外材料技术:III-V半导体和II-VI半导体。据半导体物理光电子器件的研究者宋志刚在知乎发布的文章中显示,在1980年代,美国的红外市场被两种材料技术所占领:InSb和HgCdTe,主要集中于国防军事工业。1981年,DARPA对于红外研发关注的焦点集中在保密性和低效性,并开始了一系列的美国II-VI材料物理化学研讨会。接下来的九年,学术界和工业界通力合作,见证了II-VI红外材料的飞速发展。II-VI红外材料的气相生长技术:分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)。而我们都知道,MOCVD是VCSEL的关键。而目前,3D传感及更多手机应用需求都在推动VCSEL市场快速发展。

从军工市场走到民用市场的半导体技术当然不仅仅只有这些,但即便是这一小部分也足以证明军事领域对半导体产业的推动作用。

半导体领域的重要性

半导体技术无疑对军事领域有着重要的意义。在这其中也有不少半导体企业早期都曾涉足军事或国防领域。

被我们所熟知的德州仪器就是其中之一。德州仪器由地球物理业务公司(Geophysical Service Incorporated, GSI)整组而产生。这家公司最初生产地震工业和国防电子的相关设备。1961年,TI为美国空军制造了第一台集成电路电脑。50年代末期,TI开始研究红外线技术,随后TI涉足制造导弹和炸弹的雷达系统,导航和控制系统。20世纪70、80年代公司业务集中于家用电子产品,如数字钟表、电子手表、便携式计算器、家用电脑以及各种传感器。1997年公司将其国防业务出售给了美国雷神公司。而后,德州仪器收购了收购美国国家半导体,开始了其在模拟领域的征途。

而从目前半导体企业的业务结构上看,虽然有很多半导体巨头已经抛弃了其用于军事领域的部门,但从他们的营收上看,其中仍有一部分收入来源于国防领域。在军工市场和民用市场所需的半导体技术交叉越来越多的时候,同样也有一批军火商在发展属于他们的半导体业务。

德州仪器国防业务的买家——雷神公司(Raytheon Company),是美国的大型国防合约商(2019年,联合技术和雷神达成了合并协议,新公司将被命名为Raytheon Technologies Corp)。但雷神也制造供电子产业用的半导体,据相关资料显示,在20世纪末他曾生产种类广泛的集成电路和其它元件,但从2003年起他的半导体事业专攻供无线电通讯用的砷化镓(GaAs)元件,他也正尝试研发供下世代雷达和无线电使用的氮化镓元件。

全球第一大军火商洛克希德·马丁也有相关半导体产业的业务。据相关报道显示,2006年,中国国家无线电规划委员会(SRRC)批准了Savi Technology公司的433MHz RFID产品,允许该公司产品在中国销售与使用。而Savi Technology 就是洛克希德·马丁旗下全资子公司,是一家基于有源射频识别 (RFID) 的供应链解决方案供应商。

2017年,美国总统科技委员会发布了一份名为《如何确保美国在半导体行业的长期领导地位》的报告,报告的摘要中称,先进的半导体技术是国防和军队的重要保障。为此,时任美国总统科技助理兼白宫科技政策办公室主任约翰·霍尔德伦(John Holdren)牵头专门成立了一个领导小组,而这个小组成员就涉及到了美国芯片相关产业的资深人士以及提供其国防设备的供应商,包括联席主席是英特尔公司前CEO,成员包括飞思卡尔半导体前董事长、全球第二大晶圆代工厂格罗方德半导体前首席执行官、全球第四大军火商诺思罗普·格鲁曼公司的董事长兼CEO、微软前资深顾问、应用材料公司前董事长兼CEO、高通公司副董事长等。

结语

早期,军事领域极大地推动了半导体技术的发展。而如今,民用市场对半导体的需求越来越大,这也使得民用市场逐渐成为了推动半导体技术发展的另一股动力。

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