卖房研发芯片的81岁老科学家告诉我们中国

来源：新周刊

原标题：卖房研发芯片的81岁老科学家，告诉我们中国“芯”到底缺什么

卖房研发芯片的81岁老科学家，告诉我们中国“芯”到底缺什么

文周洲

“最难的不是技术，技术的变革没那么复杂。最难改变的是观念。”李思敏指指头。

81岁的半导体科学家李思敏清瘦矍铄，独居在北京北三环40多平方米租来的一室小屋。这是一个标准的科研工作者居所的样子：卧室就是他的实验室，桌子上、阳台上全是电路板和管线。

李思敏常常在这间小蜗居工作到凌晨两三点。只要有新的想法，他就会反复做实验来验证。

随着年纪越来越大，女儿提出和他同住以便照顾。李思敏则说，需要独立空间思考和做实验，以后再说。

李思敏一辈子都在研发功率半导体器件芯片。他是中国第一个高压绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）的参与制造者。

IGBT是小到电焊机、电磁炉，中到新能源汽车充电桩，大到轨道交通、电网、航空航天、风电风机运转的“CPU”。

从电磁炉到充电桩，再到轨道交通等，都会用到IGBT。/Pexels

中国缺“芯”不是一天两天了。不论是集成电路芯片（IC），还是功率半导体器件，高端产品几乎都从美日欧进口。

多年来，李思敏甚至自掏腰包卖了仅有的住房做功率半导体芯片研发，想要打破国外“电压型”IGBT路线的垄断。

“现在，芯片和模块都能生产出来了，单项检测的结果远远强于IGBT，就缺整机测试。”李思敏对《新周刊》记者说。

整机测试是产品从科研到市场应用的临门一脚，也是成本最高的重要一环。

“整机测试凭我的力量做不了，只能国家或者大公司牵头来做。”李思敏以高铁为例，整机测试至少要花费一两年。

以高铁为例，整机测试至少要花费一两年。/Pexels

第二次工业革命的小尾巴

年，16岁的李思敏考上了北京大学物理系。李思敏是广西桂林人。他记得，那一年，自己取得了广西壮族自治区高考的第二名。“第一名也在北大，去了数学系。我的专业是半导体物理。”他回忆道。

李思敏这一代人，生逢国家工业基础薄弱、亟待建设的年代。

大学时代的一个夜晚，李思敏和同学们看到头顶飞过苏联的人造卫星，兴奋得跳起来。选择了科技报国的年轻人第一次见到实体卫星，激动之情溢于言表。旋即，一位同学感慨道：“如果中国的卫星飞上天，那我就高兴得从这楼上跳下去。”

李思敏对这个场景印象很深。恰同学少年的意气风发和为国争光的情怀，成为他后来选择自主研发半导体器件的信念支撑。

大学毕业后，李思敏被分配到了北京市无线电器件研究所。“年，我参加了与清华大学微电子所联合攻关的微处理器的工作。”李思敏说。他的经历覆盖了半导体行业所有产品领域。

半导体行业按照产品分为两大类，一类相当于人类的大脑神经，这就是目前闹供应荒的紧缺的集成电路芯片（IntegratedCircuitChip）；另一类相当于人的四肢，叫做电力电子器件，也叫功率半导体器件（PowerSemiconductorDevice），中高端产品同样高度依赖进口。

半导体行业分为两大类，一类相当于人的大脑神经，一类像是人的四肢。/Pexels

李思敏从事的正是功率半导体器件芯片设计工作。

功率半导体器件是第二次工业革命的产物。功率半导体器件的历史，要追溯到19世纪发明灯泡的爱迪生。

年，爱迪生在研究白炽灯泡的寿命时，在灯泡的碳丝附近焊上两小块金属片。他发现，金属片虽然没有与灯丝接触，但如果在它们之间加上电压，灯丝就会产生一股电流，趋向附近的金属片。这个现象被称为“爱迪生效应”。

爱迪生把这个效应申请了专利之后，他本人并没有继续研究下去。他忙于成立实验室和开公司，在年成为美国通用电气公司（GE）的创始人之一。

年，在爱迪生伦敦事务所里当顾问的英国人弗莱明，首次利用“爱迪生效应”，研制出一种特殊灯泡“热离子阀”，后世称之为“真空二极管”。这是世界上第一只电子管，最先被应用到无线电报的接收机上。世界进入电子时代。

弗莱明的真空二极管只有检波与整流的功用，而且不稳定。年，经美国发明家德·福雷斯特的改良，弗莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网，形成第三个极，由此三极真空管出世。年，美国贝尔实验室发明了晶体管。世界由电子管时代进入晶体管时代，电力电子真正成为一门学科。

在此基础上，年，爱迪生参与创办的美国通用电气公司生产出全球第一个晶闸管，也称可控硅（SiliconControlledRectifier，简称SCR）。这是第一代半导体器件。

这是一种半控制型的大功率电器元件，只要在控制极加上很小的电流或电压，就能控制很大的阳极电流或电压。

“它的缺点很像一个房子，开了门之后关不上，要想关上，得把房子倒过去。”李思敏用了个比喻，来说明晶闸管的门极只能控制其导通、不能控制其关断的局限性，晶闸管的工作频率一般低于赫兹。

上世纪六七十年代，全控型第二代半导体器件应运而生，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）为代表。

“第二代功率器件，属于电流型半导体器件。”李思敏介绍道。集成电路和微电子技术，促使这些电子器件朝着小型化和功能化方向发展。

上世纪80年代初，以金属—氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为主的第三代功率器件兴起。第三代功率器件也叫现代电力电子器件。

“这是电压驱动型的半导体器件，占据主导地位，目前还没有出现替代品。”李思敏说，半导体功率器件的生命周期很长，至少50年。“现在报道上说的第三代半导体，指的是第三代半导体材料，不是第三代半导体器件。”

中国半导体往事

上世纪80年代，当世界已经进入第三代半导体器件时段，中国的半导体器件还在从第一代电子管向第二代晶体管过度。

原北京电子管厂的集成电路科研工作者朱贻玮在《未曾忘却的记忆：回旋在酒仙桥地区的集成电路梦》写到，原北京电子管厂是中国第一个五年计划期间由苏联援助建设的项工程之一，是上世纪60年代亚洲最大的电子管厂，成立之初，主要生产第一代半导体电子管，后来也生产第二代晶体管。

新中国的半导体历史，是留学归来的技术人才和本土培养的精英的奋斗史。海归们在研究所“引进吸收”，本土精英在工厂产线上和工人们一起“自力更生”。

朱贻玮提到，上世纪60年代，中国有多家单位进行集成电路研发，北京的研究单位有中国科学院半导体研究所、中国科学院计算技术研究所工程处和北京市无线电器件研究所，石家庄有13所（河北半导体研究所）。

工厂方面，北京酒仙桥有原北京电子管厂，上海有元件五厂。说酒仙桥是中国半导体的摇篮一点不为过。

年，中国由于“三线建设”的需要，第四机械工业部（简称“四机部”）决定筹建独立的集成电路工厂。

老北京电子管厂抽调人马，历时十年，参与筹建的北京东光电工厂（厂）在年终于建成。厂和脱胎于上海元件五厂五车间的上海无线电十九厂，成为集成电路工厂的南北“两霸”，每年春秋召开全国电子元器件订货会议。计划经济时代，在订货桌前排长龙订货的盛况延续了10多年。

当时，国内的研究所和南北两家工厂基本上是各自独立研究。

彼时，国内的研究所和南北两家工厂基本上是各自独立研究。/Unsplash

北京电子振兴领导小组办公室的王正元和孙亲仁，在年写了一篇情词迫切的建言，列述中国半导体产业令人忧心的状况。

国际上，自半导体问世以来，电子技术朝着两个方向发展，一个以信息为方向发展成为微电子技术，另一个向功率方向发展成电力电子技术。

中国认识到了微电子技术的重要性，但由于技术差距和资金不足，处于困境；而电力电子技术，还未引起足够重视。

年，北京大学电子仪器厂研制出中国第一台万次大型电子计算机之前，中国半导体的生产是“集成电路不如晶体管，晶体管不如电子管”一代不如一代局面。

王正元和孙亲仁在《电力电子技术与我国电子产业的发展战略》中提到，当时制造经营微电子器件的美日欧各大电子公司，积极发展智能化半导体器件，而国内还处在微电子和电力电子“老死不相往来”的技术阻隔、“电力电子技术简单低级不能成为气候”的偏见中。

年，北京市电子振兴领导小组办公室举行头脑风暴，打破技术和所属部委的分隔，集齐半导体业界最优秀的人，每半个月召开一次中国电力电子研讨会。

头脑风暴给了这些天才科学家们科研方面的积累。/Unsplash

天才成群结队而来。这也许是中国史无前例的功率半导体人才大会师。李思敏参加了人才济济的头脑风暴。“国家很重视。国内各个工厂、研究院、大学的专家、教授都集合在一起，各门类的电力电子人才交流碰撞学习。”

常常饿着肚子搞科研的参会者们还惊喜地获得了“管饭”的待遇。

珍贵的头脑风暴持续了半年。李思敏说，他后来的研发受益于此时的积累。

第一支国产高压IGBT

李思敏的设计创新，来自他在任何地方都不断学习和思考的习惯，也受益于改革开放带来的机会。

上世纪80年代，国际上已经研发出第三代半导体器件IGBT，特点是效率高、切换速度快，主要用于电动车辆交流电电动机的输出控制，德国英飞凌（原西门子半导体部门）和日本三菱为技术上第一梯队的强者。

交流电电动机。/Unsplash

国际著名的功率半导体器件专家、中国科学院院士陈星弼的学生、半导体专家黄勤，正研发中国第一支高压IGBT，需要合作者。

恰好，陈星弼的另一个学生是北京半导体器件研究所的总工程师。他找到时任所里高技术实验室副主任的同事李思敏，建议学半导体出身的李思敏和黄勤进行合作。也在那时，李思敏接触到了留美回国的陈星弼。

李思敏帮助黄勤，用北京市科委支持的高技术室的实验条件，制作出中国第一支高压IGBT。

“这第一支国产高压IGBT，是黄勤设计，我负责工艺制作。”李思敏忆道。多年后，在国外半导体界颇有声望的黄勤回国还到访李思敏家，李思敏的老伴做了家常菜，几人一起围炉忆当年。

上世纪80年代末至90年代中期，半导体行业曾获政府大力支持，一方面因为工业信息化和自动化“两化”需要，另一方面是中国外汇紧缺，急需电力电子行业改变进口局面，出口换汇。

年，根据年《国家重点科技攻关项目的选择》和科学技术中长期发展纲要中提出的重大科学技术问题，中国开始实施“八五”国家重点科技项目（攻关）计划，对农业、交通、重大装备、主要原材料等领域共安排了个重大项目，投入了90亿元资金。

电力电子器件及应用方面，中国提出坚持基础与应用并重的方针，力争在“八五”期间有大突破，逐步改变在电子信息技术发展上受制于人的状况。

王正元集合了北京市功率半导体的各路人才，组建了北京市电力电子新技术研究开发中心，并策划成立了合资公司，以完成“八五”IGBT攻关任务。

年，李思敏被调入中心，进入合资公司，年，被派到美国学习最新的半导体器件沟槽型IGBT全套技术。

赴美前，他先在国内花了大半年时间，消化4本厚厚的资料，经过培训，方动身前往。

赴美前，李思敏阅读了大量的材料和文献。/Pexels

李思敏很珍惜这个机会。“学习就是为了超越，所以格外用心。”他回忆道，美国同行对自己很尊重，美国某公司技术副总裁夸李思敏：“李，你已经是这方面的专家了。”这位技术副总裁还指着李思敏对总裁说，某方案是李思敏发明的，“解决了我们一个关键问题”。

回国后，李思敏任职的合资公司迅速完成了IGBT生产技术的消化吸收，准备量产，却也赶上政策巨变。

此前支持电子振兴的各大银行改制成商业银行，不再支持相关项目，电力电子中心参与的合资公司经营困难，给李思敏他们只发一半工资，允许他们自谋生路。

高端芯片90%依赖进口

李思敏深谙，作为科研者，必须与市场接触，否则只是纸上谈兵。

年，离开合资公司后的李思敏来到北大同学引荐的一个公司，进行基于自对准技术的半导体器件制造，出现问题卡了壳。该公司的老板基于商业考虑，透露出不愿意继续投钱的想法。

李思敏着急了三天，尝试各种方法。从前的学习和积累就像蛰伏的种子，不知几时春风一吹，这些种子便借着偶然的机会破土发芽。

从前的学习和积累就像蛰伏的种子，春风一吹便破土发芽。/Unsplash

李思敏突然想出了“多晶硅发射极联栅晶体管”的结构。

“这个不是日本人的GAT。日本人的GAT，元胞很大，成本高，拼不过双极管BJT。”李思敏说，自己研发的GAT，元胞只有双极管的1/10，管芯面积只有BJT的1/4。“当年（管芯面积）为BJT的1/3。”他补充道。

该公司使用李思敏的GAT技术生产节能灯，在上世纪90年代中后期钱特别值钱的年代，创造了万元的年营业额和万元的年利润。—年，李思敏与珠三角一家公司合作，这家公司用李思敏的技术，生产销售GAT功率管过亿只。

李思敏本色上是科学家，不是商人，他不愿被上市、股权这些事过多分散精力。年，他成立了优捷敏半导体技术有限公司，年获得杭州青山湖科技城产业扶持，总部从北京迁往杭州。

由于心思都放在了科研上，李思敏没去路演募资，研发资金很紧张。为研发芯片，他卖掉了仅有的一套住房，租了熟人一个无电梯的五楼一居室。工作多年的女儿为了支持父亲，也卖掉仅有的一套住房，全部投入芯片开发和应用。

由于资金紧张，父女俩先后卖掉了自己的住房。/Unsplash

此前，飞利浦公司曾经想了解李思敏的GAT管技术和购买专利。这是一笔数目可观的资金。如果卖了，李思敏就成了富豪，但专利自此之后就跟自己无关了。李思敏没有同意出售。

为了掌握功率半导体全球前沿技术和最新动向，专利文献馆是他周日必去之处。

“跟功率半导体有关的，每一本有二三十页。”李思敏查看了上千份国际专利，把有用的都做了笔记，重要专利还查阅了原文。“我从中得到很多启发。”

李思敏先后研发了GAT管、GATH管，获得10多项中国专利，也正在申请国际专利。

李思敏的GATH管正在申请国际专利。/Unsplash

李思敏为GATH管的验证，奔走呼吁了3年。

电压型半导体器件已流行30多年。年，李思敏将前述的电流型器件IGCT做了结构创新，成为新型器件联栅晶闸管（GateAssociatedTHyristor，简称GATH）。

IGCT由全球著名的机器人公司ABB于年最先提出。由于其开关速度慢、驱动功耗大，圆片管芯、应用领域受限等弱点，中高功率半导体器件领域由IGBT占据主流地位。

“IGCT的这些弱点，源于IGCT的元胞大（1mm），元胞内部的电流不均匀，内阻大，驱动困难。”李思敏说，他研发出一种联栅结构，能够把元胞尺寸缩小到跟MOSFET、IGBT差不多，从而解决IGCT的难题。

大型项目像是高铁、电网，对半导体器件的首要要求是耐用。/Unsplash

“高铁、电网和轨道交通等大型项目，对半导体器件的首要要求是耐用。半导体器件烧毁的原因主要是电流密度过大。”李思敏讲，GATH的电流密度能够比IGBT大10倍，就相当于GATH的“防洪堤”比IGBT高10倍，也即GATH的耐用度至少是IGBT的10倍。

单项实验表明，GATH的开关速度跟IGBT差不多，比IGCT快10倍。“而且，GATH的开关控制也比IGCT简单得多，IGBT的驱动线路加一个转换接口即可。”李思敏说，同样的管芯面积，GATH的电流是IGBT的两倍，即芯片成本节约一半，芯片数量少用一半，节能省材，有助于绿色环保。

“我们做了GATH十几个品种，差不多都是一次成功，而且良率很高。”李思敏说，“这不是我们有什么本事。这个产品太好做了，推广起来很容易，不像IGBT需要很高的设备条件，差一点都不行。”

10多年之前，李思敏曾与美国硅谷的科学家同行们碰面。知道了他的试验结果之后，硅谷的科学家们很惊讶，想要做更深探讨，因为保密意识，李思敏并未深聊。“外国对技术非常敏感。”

外国对技术的敏感度很强。/Unsplash

既然成本更低、耐用性更强，为何技术在国内迟迟得不到应用推广？

“我们做的是基础创新。一个产业，还需要协同创新和系统创新。我们只有做芯片的能力。”李思敏说，芯片研发出来之后，还要封装模块、开发驱动线路，制作成整机，检测鉴定，然后进行市场推广。

“这是一个很大很复杂的生态系统。我们是无能为力的。”李思敏说。

高铁、风电等大项目的系统集成，非个人一己之力能为。“从电压型再换回电流型，线路和系统的整机测试，需要大公司或者国家支持才能做。”曾经赴美学习的李思敏感触很深，美国的产业链协同创新和系统创新已经配合很成熟，而国内缺乏这种协同创新。

这场变革的关键，是电压型占主导地位的半导体器件行业，敢不敢吃螃蟹，用改进的电流型器件做一次整机系统调整。

“没人愿意做第一个吃螃蟹的整机测试者。”李思敏说，即使整机测试效果好，这家企业还是吃亏，因为其他企业只要copy就行了。

在某种情形下，第一个吃螃蟹的企业总是吃亏的。/Unsplash

李思敏认识一些业界有名气的专家。他请业界大拿们鉴定一下GATH成果，让试验成果说话，专家们都不发声，“因为国外没有，国内也没有”。

世界功率器件市场规模亿美元，国内市场占一半以上。“但90%依赖进口，特别是高端芯片。”李思敏叹道。

李思敏反复提及高端芯片的应用领域：高铁、轨道交通、风电、电网、船舶、军工、大型设备等。这些行业是支撑工业强国的柱石行业。

没人知道GATH的命运将如何。

如果足够幸运，GATH有可能像《上帝会掷骰子吗》里提到的光的波粒二象两派之争，粒子派最后抬头，才有了量子力学出头之日，才有爱因斯坦和相对论的出世，物理学才从牛顿力学的宫殿中奔涌而出，向未知神秘的未来再进一步。

爱因斯坦涂鸦。/Unsplash

GATH整机试验前景不明，李思敏也没有闲着。他新开发出了取代MOS管的逆导型联栅晶体管（RCGAT），已进入流水线制造阶段，今年年底将面世。RCGAT是新能源电动车充电桩的核心零部件，可解决快充问题。

“国内尚未有真正30kw以上的快充功率器件。”李思敏说，珠三角一些制造商已经找上门来等流片了。

“最难的不是技术，技术的变革没那么复杂。最难改变的是观念。”李思敏指指头。