美國商務部4月27日宣布,為防止美國技術被轉用于軍事,美國公司向中國軍工企業出售的個別項目,即使是民用也須取得政府許可。隨后,華爾街日報的一則報道中稱,新規賦予美國商務部官員更大的權力來阻止半導體、航空航天和其他工業領域的美國產品被運往海外。
前不久,方正證券發布的一份調研報告中指出,軍工半導體是實現裝備信息化的關鍵。一方面要向智能化、無人化進行發展,另一方面北斗三號系統部署完成、5G在我國滲透率不斷提升,半導體新技術、新材料也將被逐步應用在國防裝備上。因此相關電子元器件將成為實現裝備信息化的關鍵。
從半導體發展的歷史長河中看,美國作為最早開始發展半導體產業的國家,其半導體產業最初的發展就與國防軍工機構密不可分,其中重要技術的誕生和發展都帶有軍民融合的色彩。
從軍用走向民用市場的半導體
半導體技術最開始是服務于軍事領域。1943年7月,美國陸軍資助了一項電子數字計算機開發項目——“電子數字積分機和計算機”(簡稱:ENIAC),用于計算火炮的火力表。后來,約翰·馮·諾伊曼深入參與了ENIAC項目,此間,由他提出的運算器、控制器、存儲器、輸入、輸出的“馮·諾伊曼結構”,大大促進了電子技術和計算機的發展。
據了解,ENIAC當時主要采用的是電子二極管和三極管。但由于電子管難以承受ENIAC的復雜性,這也導致每天都要燒壞幾個管件,使得ENIAC有差不多一半的時間都處于功能受損的狀態。
直到1947年,貝爾實驗室發明了晶體管,它的出現讓電子產品有了突破的機會。在貝爾實驗室發明晶體管之后,美國軍方一直資助這項技術的發展。據廣大證券的調研報告中顯示,從1948年到1957年,軍方承擔了貝爾實驗室晶體管研究費用22.3百萬美元中的38%。尤其在50年代中期,軍方對貝爾實驗室的資助一度達到晶體管研究經費的50%。貝爾實驗室和軍方第一個合同從1949年到1951年,主要聚焦應用和電路研究;第二個合同則從1951年至1958年,主要開展軍方感興趣的服務、設施和材料研究。
據相關資料顯示,在六十年代初,美國80%-90%的芯片產品都是國防部訂購的。在這個時期,“民兵”導彈、阿波羅導航計算機以及W2F作戰飛機數據處理器三大工程,帶動了美國半導體產業的飛速發展。
一直到七十年代,美國軍事對其半導體產業的影響也十分巨大。據前瞻研究院的報告顯示,七十年代,軍用芯片的比重仍高達42%。同樣也是在這一時期,美國微電子產業開始考慮將半導體從軍用向民用過渡。
冷戰結束后,美國國防部發布了《國防科學技術戰略》,在1994年、1996年美國又對該戰略進行了兩次修訂。其中,在第二次修訂當中,“在保持軍事技術的前提下,強調經濟承受能力和實行軍民兩用”成為了該戰略的主導思想。
恰逢這個時期,由于個人電腦的風潮逐漸開始盛行。半導體技術也開始從軍用市場逐漸發展到了民用市場中。
從軍用市場走出來的半導體技術
當我們回顧半導體的歷史,我們發現也有不少半導體技術誕生于槍炮聲中,后來經過不斷的發展,才走進了大眾市場。
這其中就包括影響藍牙、WiFi的發展的跳頻擴頻(FHSS)技術。該技術誕生就誕生于二戰時期, 20 世紀 80 年代,FHSS 技術被軍方用于戰場上的無線通訊系統。而后,FHSS 技術下沉到大眾市場,以此為基礎的藍牙技術開始受到業界的關注。而后,愛立信、諾基亞、東芝、IBM 和英特爾公司等五家企業成立了藍牙技術聯盟的前身。經過多年的發展,藍牙標準已經進行了多次迭代,與之相關的低功耗藍牙芯片也在半導體市場中占據了相關重要的位置。
由自動駕駛技術為汽車行業帶來的變革,也影響了半導體產業的發展。在自動駕駛所需要的眾多傳感器中,便有很多就源于軍事領域,例如,毫米波雷達、紅外探測器等。
以毫米波雷達為例,50年代,出現了用于機場交通管制和船用導航的毫米波雷達。70年代后期,毫米波雷達則已經被應用于許多重要的民用和軍用系統中。90年代,毫米波發展出了60GHz、77GHz和94GHz的毫米波雷達。60GHz頻段后來主要用來通信,94GHz主要是軍用頻段,而工業上則選擇了77GHz作為主流的毫米波雷達的頻段。隨著雷達技術的進步和成熟,從本世紀開始,汽車、工業等領域開始采用毫米波雷達,來幫助車輛實現輔助駕駛功能。
另外,由于新冠疫情的爆發,促生了紅外體溫檢測設備的需求,這其中就涉及了紅外成像。紅外成像系統將探測到的熱紅外線轉換為圖像,而紅外探測器為該系統的核心組件。而由于紅外技術早期因為價格昂貴,其最早也是被應用于軍事領域。后來,隨著紅外成像技術的不斷發展,安防、熱像儀等低成本民用市場的崛起,為紅外探測器的發展帶來了機遇。同時,也有機構認為,未來車載紅外市場也將為紅外探測器的發展帶來機會。
從軍工市場下沉到民用市場的紅外技術,還涉及到兩大類的紅外材料技術:III-V半導體和II-VI半導體。據半導體物理光電子器件的研究者宋志剛在知乎發布的文章中顯示,在1980年代,美國的紅外市場被兩種材料技術所占領:InSb和HgCdTe,主要集中于國防軍事工業。1981年,DARPA對于紅外研發關注的焦點集中在保密性和低效性,并開始了一系列的美國II-VI材料物理化學研討會。接下來的九年,學術界和工業界通力合作,見證了II-VI紅外材料的飛速發展。II-VI紅外材料的氣相生長技術:分子束外延(MBE)和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)。而我們都知道,MOCVD是VCSEL的關鍵。而目前,3D傳感及更多手機應用需求都在推動VCSEL市場快速發展。
從軍工市場走到民用市場的半導體技術當然不僅僅只有這些,但即便是這一小部分也足以證明軍事領域對半導體產業的推動作用。
半導體領域的重要性
半導體技術無疑對軍事領域有著重要的意義。在這其中也有不少半導體企業早期都曾涉足軍事或國防領域。
被我們所熟知的德州儀器就是其中之一。德州儀器由地球物理業務公司(Geophysical Service Incorporated, GSI)整組而產生。這家公司最初生產地震工業和國防電子的相關設備。1961年,TI為美國空軍制造了第一臺集成電路電腦。50年代末期,TI開始研究紅外線技術,隨后TI涉足制造導彈和炸彈的雷達系統,導航和控制系統。20世紀70、80年代公司業務集中于家用電子產品,如數字鐘表、電子手表、便攜式計算器、家用電腦以及各種傳感器。1997年公司將其國防業務出售給了美國雷神公司。而后,德州儀器收購了收購美國國家半導體,開始了其在模擬領域的征途。
而從目前半導體企業的業務結構上看,雖然有很多半導體巨頭已經拋棄了其用于軍事領域的部門,但從他們的營收上看,其中仍有一部分收入來源于國防領域。在軍工市場和民用市場所需的半導體技術交叉越來越多的時候,同樣也有一批軍火商在發展屬于他們的半導體業務。
德州儀器國防業務的買家——雷神公司(Raytheon Company),是美國的大型國防合約商(2019年,聯合技術和雷神達成了合并協議,新公司將被命名為Raytheon Technologies Corp)。但雷神也制造供電子產業用的半導體,據相關資料顯示,在20世紀末他曾生產種類廣泛的集成電路和其它元件,但從2003年起他的半導體事業專攻供無線電通訊用的砷化鎵(GaAs)元件,他也正嘗試研發供下世代雷達和無線電使用的氮化鎵元件。
全球第一大軍火商洛克希德·馬丁也有相關半導體產業的業務。據相關報道顯示,2006年,中國國家無線電規劃委員會(SRRC)批準了Savi Technology公司的433MHz RFID產品,允許該公司產品在中國銷售與使用。而Savi Technology 就是洛克希德·馬丁旗下全資子公司,是一家基于有源射頻識別 (RFID) 的供應鏈解決方案供應商。
2017年,美國總統科技委員會發布了一份名為《如何確保美國在半導體行業的長期領導地位》的報告,報告的摘要中稱,先進的半導體技術是國防和軍隊的重要保障。為此,時任美國總統科技助理兼白宮科技政策辦公室主任約翰·霍爾德倫(John Holdren)牽頭專門成立了一個領導小組,而這個小組成員就涉及到了美國芯片相關產業的資深人士以及提供其國防設備的供應商,包括聯席主席是英特爾公司前CEO,成員包括飛思卡爾半導體前董事長、全球第二大晶圓代工廠格羅方德半導體前首席執行官、全球第四大軍火商諾思羅普·格魯曼公司的董事長兼CEO、微軟前資深顧問、應用材料公司前董事長兼CEO、高通公司副董事長等。
結語
早期,軍事領域極大地推動了半導體技術的發展。而如今,民用市場對半導體的需求越來越大,這也使得民用市場逐漸成為了推動半導體技術發展的另一股動力。