基础科学研究是强大工业的根基

当中国的半导体行业被美国严厉打压的时候，我们很尴尬地发现，基础科研方面的巨大差距，才是我们半导体工业落后的本源所在。

众所周知，中国半导体制造环节的落后，很大原因是我们无法生产出高精度的光刻机。而光刻机的研发与生产则依赖于强大的光学、流体力学、表面物理与化学、高分子物理与化学科研。

半导体行业媒体芯智讯主编浪客剑在他的文章中深度分析了光刻机和光学之间的关系：“光刻分辨率（R）主要由四个因素决定，分别是光的波长（λ）、镜头半孔径角的正弦值（sinθ）、折射率（n）以及系数k1。在光源波长及k1不变的情况下，要想提升分辨率，则需要提升n或者sinθ值。由于sinθ与镜头有关，提升需要很大的成本，目前sinθ已经提升到0.93，已很难再提升，而且其不可能大于1，所以提升n就显得更为现实。因此，在193纳米浸没式光刻机中，需要增加浸润单元，即利用超纯水替换透镜和晶圆表面之间的空气间隙（水在193纳米波长时的折射率n=1.44，空气为1），使得光源进入后波长缩短，从而提升分辨率。另外，在半导体光刻过程中，除了光刻分辨率，焦深（DOF）也至关重要，大的焦深可以增大刻蚀的清晰范围，提高光刻的质量。而焦深则主要是通过提高系统的折射率（n）来改进。所以，对于193纳米浸没式光刻机来说，由于增加了浸润单元，增加了这部分的设计，同时由于要保持光源经过浸润单元到晶圆的能量不变，需要加大光源的功率，需要使用60W 6kHz ArF光源；另外，光学系统数值孔径需要变大，由原来90纳米光刻机的NA 0.75提升到NA 1.35，其中需要加入具有特别构造的镜片；运动平台速度也要更快。最终可以使得光刻机整体的分辨率提升到了38纳米……”

世界最高水准的半导体材料，多半产自日本，因为半导体材料体现的是人类最高水准的化学科学。高纯度单晶硅晶圆，最重要的两个供应商是日本的信越与胜高。与光刻直接相关的材料，如光刻胶几乎被日本的JSR、信越与TOK垄断，而剩余的其他辅助材料，日本企业也占据很重要的位置。一个可以佐证的事实是，日本在化学基础科学研究方面的成就是世界级的，自2000年以来，已经有7名日本学者获得过诺贝尔化学奖，包括吉野彰、根岸英一、铃木章、下村脩、田中耕一、野依良治、白川英树。这些日本化学家，都是享誉世界的科学家。进入21世纪以来，日本已经有18位学者获得诺贝尔奖，将中国远远甩在了身后。

1887年，德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹率先用实验证明了电磁波的存在，但当闻讯而来的记者们采访这位科学家的时候，赫兹说出了一句将来会无数次打他脸的话：“我不认为我发现的那些无线电磁波能有任何实际的应用。”

这便是关于基础研究的一切魅力和艰难的来源——基础研究的成果往往和现实应用相去甚远——即便是科学家本人，往往也不知道自己的成果到底会有什么用处。

但我们更需要知道的是：强大的基础研究，是从技术上实现世界领先的唯一途径。中国如果无法成为基础科学研究强国，就不能掌握自己的命运。

在不同的时代，人们对基础研究有不同的定义。

根据联合国教科文组织的定义，基础研究主要是为了获得关于客观现象和可观察事实的基本原理的新知识所进行的实验性或理论性的工作，它不以任何专门或具体的应用或使用为目的。

该定义是由美国科学政策专家范内瓦·布什（Vannevar Bush）指出的。1945年7月，他向杜鲁门递交了著名的《科学：无止境的前沿》（Science：The Endless Frontier）报告，在这份报告中，范内瓦·布什对基础研究给出了明确的定义：不追求实际目的，不解决具体问题，但却能为解决具体问题铺平道路。

简而言之，基础研究的回报在遥远的未来，其短期内的实用性不在基础研究人员的思考范围之内。实用性是应用研究和试验发展人员应该思考的问题。

被认为是最杰出的华裔工程师之一的陆奇先生，在多个场合推荐大家去阅读范内瓦·布什发表于20世纪40年代的这篇论文。这篇文章发表于二战即将结束的美国，当时罗斯福总统曾请他写过一份计划，内容关于二战后美国如何保持领先。

他提出的核心概念就是“国家支持研究型大学和国立实验室”。关键是国家投入但让科学家自主驱动，这开启了大规模主流科学技术的推广，尤其是工程技术和人才的开发。当初在1944—1945年有很大争议的一点就在于：研究内容是由科学家自己决定，还是由政府决定。最终的选择是科学家自主驱动。这个体系在美国持续到今天，效果也非常好。

研究型大学和国立实验室的蓬勃发展使得美国在基础科学领域积累了很雄厚的家底，从而为美国科技产业的腾飞奠定了基础。

西方国家在传统上非常重视基础科学。陆奇认为，科学是一个知识探索体系，是一个知识开发体系（system of inquiry），核心是一组可以被否定的假设（falsifiable hypothesis），它主要用来解释自然现象。而技术不同于科学，它基于科学，但是会不断地自我演化，这跟达尔文演化很类似：技术永远朝着人类需求多的方向去发展、演化。所以技术的核心定义是：技术是基于科学的理论，用来改变自然现象，满足人类需求的一种能力，这是最为广义的关于技术的定义。技术有两个特点：第一，可编程，我们必须要有一个信息的过程，去改变自然现象；第二，可执行。

不过，随着技术的发展，特别是科学技术商品化的速度越来越快，纯粹的基础研究和应用研究之间的界限已经渐渐模糊。这就使得基础研究人员也必须思考一些相比之前更“实用”的问题。

根据中科院发展规划局的一篇论文，当前的科学创新活动已经有了“国家化”和“企业化”的特征——通过科技创新，谋求国家在科技领域的战略优势和企业在市场上的利润空间。

在这种趋势下，基础研究成为一种“公共品”——基础研究不再只是专家教授的事，它和国防、医疗、教育一样，将会影响成千上万人的命运。基础研究是国家和企业为了获取未来技术优势而必须进行的前期投入。

在范内瓦·布什的视角下，尽管基础研究不解决实际问题，但如果基础研究长期被忽略，现实中的产业发展势必将在某天遭遇瓶颈。范内瓦·布什还断言：无论一个国家的工业能力有多强，一个依赖他国来获取基础研究知识的国家必然会在产业发展上陷入迟滞，必然会在国际竞争中居于劣势。

举个例子，青霉素在20世纪20年代就被英国科学家所发现，但是一直因为种种原因没有大规模投入生产和应用。二战爆发后，在范内瓦·布什的推动下，青霉素迅速从实验室走向了实际应用。他的工作主要是协调各大学和研究机构对于青霉素的研发工作，并且协调工厂进行量产工作，同时协调美国军方给工厂下了金额巨大的订单。青霉素在1943年被大规模生产和使用，被广泛用于战场上的伤员救治，极大地降低了美军和盟军伤员死亡的比例。美军在战争中各类疾病的死亡率，从一战时期的14‰左右下降到了二战时期的0.6‰。

在二战之前，美国的基础科研水平相对欧洲强国英国、法国、德国仍然比较落后。美国在二战中大量享受着英国以及德国的犹太裔科学家所带来的基础研究红利。原子弹、喷气式战斗机、坦克、火炮、雷达等先进武器装备所依赖的基础科学研究，几乎都来自欧洲。

二战结束之后，范内瓦·布什意识到美国不能再依靠欧洲的基础科学，而应该建立起自己的基础科研体系。基础研究的强弱与国家命运、企业生存息息相关。

另外，基础研究带来的回报也是丰厚的——应用研究的进步所带来的回报通常是线性的，但基础研究却总能带来飞跃式的进步。

任正非在接受央视记者采访时曾经说过这样一个案例：华为公司的一位俄罗斯籍员工入职多年都没有产出，每天只是单纯研究数学问题，但最后，恰恰就是这位“数学家”帮助华为突破了从2G到3G的算法。

基于这样的案例，我们有理由相信：强大的基础研究实力，将会是中国在技术上领先世界的不二法门。