芯片如何領(lǐng)先？美國(guó)計(jì)劃這樣做！   

從為數(shù)據(jù)中心供電到控制“毅力”號(hào)火星探測(cè)器，現(xiàn)在世界對(duì)半導(dǎo)體的需求比幾年前更高。與過(guò)去一樣，滿足這些需求并使美國(guó)經(jīng)濟(jì)在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位將需要新的創(chuàng)新，這可以通過(guò)投資半導(dǎo)體研發(fā)(R&D)實(shí)現(xiàn)。要使一項(xiàng)創(chuàng)新具有商業(yè)價(jià)值，在大規(guī)模生產(chǎn)之前必須經(jīng)過(guò)五個(gè)研發(fā)階段。每個(gè)連續(xù)的階段都越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性：1-2項(xiàng)創(chuàng)新要達(dá)到量產(chǎn)，需要大量的初始投資組合。

研發(fā)是支撐美國(guó)技術(shù)領(lǐng)先地位的創(chuàng)新良性循環(huán)的關(guān)鍵部分。創(chuàng)新產(chǎn)生了先進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)品，當(dāng)它們被用于商業(yè)生產(chǎn)時(shí)，就會(huì)為未來(lái)的研發(fā)提供大量投資所需的資金。為了開發(fā)這些創(chuàng)新，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)僅在2021年就在研發(fā)上投資了500億美元。隨著2022年《芯片與科學(xué)法案》的通過(guò)，聯(lián)邦政府準(zhǔn)備對(duì)半導(dǎo)體研發(fā)進(jìn)行有史以來(lái)最大的單筆投資。半導(dǎo)體研發(fā)的國(guó)家戰(zhàn)略應(yīng)該針對(duì)美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵缺口進(jìn)行投資，以重振創(chuàng)新渠道，使研發(fā)與商業(yè)優(yōu)先事項(xiàng)相一致，并加強(qiáng)美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

雖然美國(guó)擁有創(chuàng)新所需的世界級(jí)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)和公司，但其半導(dǎo)體研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)在引導(dǎo)投資、資源、促進(jìn)合作和將創(chuàng)新帶到市場(chǎng)(即實(shí)驗(yàn)室到工廠的差距)方面面臨挑戰(zhàn)。如果不加以解決，這些挑戰(zhàn)將限制生態(tài)系統(tǒng)的有效性。與此同時(shí)，其他地區(qū)正在采取措施緩解這些挑戰(zhàn)，并通過(guò)歐盟的《芯片法案》和韓國(guó)的“K-Semiconductor Belt”計(jì)劃等舉措，提高自身研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的有效性。2022年芯片和科學(xué)法案的資金將通過(guò)建立兩個(gè)新的實(shí)體，國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)中心(NSTC)和國(guó)家先進(jìn)封裝制造計(jì)劃(NAPMP)，擴(kuò)大現(xiàn)有美國(guó)半導(dǎo)體研發(fā)機(jī)構(gòu)的范圍和影響。

NSTC和NAPMP為美國(guó)的研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)提供了一個(gè)關(guān)鍵的框架、重點(diǎn)和資金，確保技術(shù)創(chuàng)新，為保持美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的長(zhǎng)期領(lǐng)先地位鋪平道路。NSTC和NAPMP補(bǔ)充了旨在提高國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)能的《芯片法》的強(qiáng)大條款。

NSTC和NAPMP應(yīng)該緊密合作，并充分吸收業(yè)界的聲音，以最有效地提高美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，鼓勵(lì)商業(yè)收購(gòu)。根據(jù)我們與業(yè)界領(lǐng)袖的廣泛磋商，NSTC和NAPMP應(yīng)在半導(dǎo)體行業(yè)廣泛開展合作，并通過(guò)在五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的投資來(lái)增強(qiáng)美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的能力。

NSTC和NAPMP的五個(gè)主要投資領(lǐng)域

1、過(guò)渡與尺度尋徑研究

NSTC和NAPMP應(yīng)起到彌合早期研發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)之間差距的作用。兩者都應(yīng)加強(qiáng)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)和商業(yè)化技術(shù)的能力，這些技術(shù)距離生產(chǎn)還有5至15年的時(shí)間，這些技術(shù)的區(qū)域領(lǐng)導(dǎo)地位尚未確定。NSTC和NAPMP可以成為工業(yè)和其他機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)研發(fā)工作的中心，允許工業(yè)參與其感興趣的項(xiàng)目，并使各機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒆约旱馁Y金集中用于各自的任務(wù)。

2&3、研究基礎(chǔ)設(shè)施和開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施

NSTC和NAPMP應(yīng)該在擴(kuò)大、升級(jí)和提供機(jī)構(gòu)與研發(fā)重點(diǎn)相一致的技術(shù)開發(fā)能力方面發(fā)揮積極作用。這兩項(xiàng)計(jì)劃既不能平均分配資金，也不能將投資集中在單一技術(shù)或地點(diǎn)。相反，兩者都必須根據(jù)技術(shù)需求，在高度分布式網(wǎng)絡(luò)的好處和規(guī)模的好處之間取得平衡。具體來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是NSTC和NAPMP應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)利用CHIPS的資金，并通過(guò)利用現(xiàn)有資源實(shí)現(xiàn)更快的學(xué)習(xí)。這對(duì)于加速和擴(kuò)大商業(yè)化努力的試點(diǎn)和原型設(shè)計(jì)尤為重要。NSTC和NAPMP將為研究工作提供的主要支持是通過(guò)原型和擴(kuò)大規(guī)模建立有前途的技術(shù)過(guò)渡路徑。

4、協(xié)同發(fā)展

NSTC和NAPMP應(yīng)該通過(guò)召集公司解決復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題來(lái)支持全堆棧創(chuàng)新，這些技術(shù)問(wèn)題可以從跨全計(jì)算堆棧的協(xié)作中受益，并加速技術(shù)、工具和方法的開發(fā)。例如，創(chuàng)建下一代數(shù)據(jù)中心需要集合先進(jìn)材料、新的計(jì)算架構(gòu)、封裝、軟件等方面的專業(yè)知識(shí)。特別是，NAPMP可以召集技術(shù)專家為電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)和聯(lián)合電子設(shè)備工程理事會(huì)(JEDEC)等組織提供輸入，例如在開發(fā)異構(gòu)集成、芯片和安全技術(shù)的其他組件的集成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。

5、勞動(dòng)力

NSTC和NAPMP應(yīng)促進(jìn)一系列項(xiàng)目，擴(kuò)大美國(guó)半導(dǎo)體研發(fā)渠道和勞動(dòng)力的規(guī)模和技能，以捍衛(wèi)和加強(qiáng)美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)及其所支撐的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。如果沒(méi)有這些努力，高技能研發(fā)人員包括半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造和價(jià)值鏈其他活動(dòng)的人員的供應(yīng)不足可能會(huì)限制創(chuàng)新的步伐。

半導(dǎo)體研發(fā)是將創(chuàng)新思想轉(zhuǎn)化為技術(shù)進(jìn)步和能力，從而創(chuàng)造出更多、更先進(jìn)的半導(dǎo)體的過(guò)程

半導(dǎo)體，或芯片，在現(xiàn)代世界的運(yùn)作中無(wú)處不在，而且越來(lái)越重要。從驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心分析歷史上前所未有的大量數(shù)據(jù)，到在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中控制火星漫游者“毅力”號(hào)，當(dāng)今世界對(duì)半導(dǎo)體的要求比幾年前更高。要滿足這些需求，并使美國(guó)經(jīng)濟(jì)中依賴半導(dǎo)體的公司能夠創(chuàng)新，就需要對(duì)半導(dǎo)體研發(fā)(R&D)進(jìn)行持續(xù)的投資。

自半導(dǎo)體行業(yè)誕生以來(lái)，研發(fā)一直是其成功的關(guān)鍵因素。之前的SIA報(bào)告主要關(guān)注半導(dǎo)體設(shè)計(jì)或半導(dǎo)體制造期間的活動(dòng)，而本報(bào)告將討論半導(dǎo)體研發(fā)的作用及其在技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力中的重要性。

一般來(lái)說(shuō)，一項(xiàng)創(chuàng)新必須經(jīng)過(guò)研發(fā)的五個(gè)階段才能具有商業(yè)價(jià)值。這些階段在許多重要方面有所不同，包括投資組合中潛在創(chuàng)新的數(shù)量、生態(tài)系統(tǒng)協(xié)作的水平、投資需求和技術(shù)挑戰(zhàn)。(見表1)

當(dāng)一個(gè)潛在的創(chuàng)新從新的想法轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)規(guī)模的采用時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)中跨組織的協(xié)作水平就會(huì)發(fā)生變化。擴(kuò)展知識(shí)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)研究被認(rèn)為是“pre-competitive。”基礎(chǔ)研究通常涉及公司、政府和研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中的其他組織之間的合作，很少考慮與供應(yīng)鏈或競(jìng)爭(zhēng)相關(guān)的因素。隨著潛在的創(chuàng)新越來(lái)越接近于批量生產(chǎn)，供應(yīng)鏈和競(jìng)爭(zhēng)相關(guān)的考慮也越來(lái)越多，更多的研發(fā)發(fā)生在組織內(nèi)部而不是組織之間。

并非所有潛在的創(chuàng)新都能量產(chǎn)。許多潛在創(chuàng)新的投資組合需要少數(shù)創(chuàng)新成功達(dá)到量產(chǎn)。整個(gè)投資成本和技術(shù)挑戰(zhàn)貫穿于各個(gè)階段，即使剩下的可行的潛在創(chuàng)新的數(shù)量在下降?？紤]到投資需求、技術(shù)挑戰(zhàn)和生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的限制，許多潛在的創(chuàng)新往往無(wú)法通過(guò)原型和試驗(yàn)的“死亡谷”。即使他們?nèi)〉昧诉M(jìn)展，與規(guī)模相關(guān)的成本和人才限制也可能令人生畏——財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)大上幾個(gè)數(shù)量級(jí)。(見表2)

半導(dǎo)體研發(fā)非常重要，是支撐美國(guó)技術(shù)領(lǐng)先地位的創(chuàng)新良性循環(huán)的一部分

創(chuàng)新能否成功地通過(guò)研發(fā)階段是至關(guān)重要的。當(dāng)創(chuàng)新被用于批量生產(chǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生卓越的技術(shù)和產(chǎn)品。先進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)品反過(guò)來(lái)提高了美國(guó)的市場(chǎng)份額和利潤(rùn)率，并為未來(lái)的研發(fā)提供了大量投資所需的資金。(見表3)

創(chuàng)新的良性循環(huán)代表著機(jī)遇，它不會(huì)自動(dòng)發(fā)生。它依賴于貫穿這五個(gè)階段的潛在創(chuàng)新的持續(xù)渠道。從歷史上看，美國(guó)的研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)在整個(gè)過(guò)程中都支持創(chuàng)新。

例如，美國(guó)軍方在20世紀(jì)80年代需要性能超過(guò)硅極限的半導(dǎo)體材料。美國(guó)海軍研究辦公室(ONR)和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)確定并促進(jìn)了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的合作，通過(guò)創(chuàng)新階段推進(jìn)復(fù)合半導(dǎo)體材料，并使其適應(yīng)工業(yè)用途。由此產(chǎn)生的材料，如氮化鎵，目前被用于民用和軍事應(yīng)用，是美國(guó)工業(yè)的強(qiáng)項(xiàng)領(lǐng)域。許多公司現(xiàn)在投資于復(fù)合半導(dǎo)體材料，用于從電動(dòng)汽車到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)到國(guó)防的一系列應(yīng)用。

研發(fā)是一個(gè)關(guān)鍵的競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)場(chǎng)。對(duì)于美國(guó)技術(shù)的長(zhǎng)期領(lǐng)先地位來(lái)說(shuō)，最重要的半導(dǎo)體創(chuàng)新能夠在美國(guó)的研發(fā)渠道中實(shí)現(xiàn)商業(yè)化至關(guān)重要。如果缺乏對(duì)創(chuàng)新商業(yè)化的支持，可能會(huì)加速其他競(jìng)爭(zhēng)國(guó)家和地區(qū)(包括對(duì)手)的努力。

創(chuàng)新的良性循環(huán)提供了一個(gè)寶貴的機(jī)會(huì)，但它的實(shí)現(xiàn)是不確定的。幸運(yùn)的是，未來(lái)幾年有機(jī)會(huì)加強(qiáng)美國(guó)的研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，并通過(guò)下一代半導(dǎo)體技術(shù)延伸創(chuàng)新的良性循環(huán)和美國(guó)的技術(shù)領(lǐng)先地位。除了390億美元的半導(dǎo)體制造獎(jiǎng)勵(lì)撥款外，2022年《芯片和科學(xué)法案》還為半導(dǎo)體研發(fā)和技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向市場(chǎng)過(guò)渡提供130億美元的資金。這130億美元是本報(bào)告的重點(diǎn)。隨著《芯片與科學(xué)法案》的頒布，國(guó)會(huì)和政府認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體研發(fā)對(duì)美國(guó)的重要性。

隨著改進(jìn)計(jì)算技術(shù)的策略的改變，下一代的進(jìn)步將需要沿著現(xiàn)有和新的維度進(jìn)行創(chuàng)新。對(duì)現(xiàn)有領(lǐng)域的投資需求(如晶體管縮放)正在上升。與此同時(shí)，先進(jìn)封裝和異構(gòu)集成等領(lǐng)域的機(jī)會(huì)正在出現(xiàn)。要制造出未來(lái)幾年美國(guó)經(jīng)濟(jì)所需的芯片，就需要多學(xué)科的創(chuàng)新。

極端紫外線(EUV)光刻技術(shù)作為一個(gè)創(chuàng)新的例子，開始于美國(guó)的研發(fā)，但在海外實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。光刻是半導(dǎo)體制造中的一種工藝，它利用光在硅晶圓等材料上產(chǎn)生極小的圖案。EUV光刻是這一工藝的一個(gè)高度先進(jìn)的版本，用于許多最先進(jìn)的芯片，如在領(lǐng)先的智能手機(jī)中發(fā)現(xiàn)的那些芯片。美國(guó)的公共投資在支持EUV光刻技術(shù)方面發(fā)揮了早期和持續(xù)的作用，而韓國(guó)和日本也進(jìn)行了類似的投資。

在20世紀(jì)80年代后期，新的應(yīng)用推動(dòng)了晶體管持續(xù)擴(kuò)展的需求。雖然EUV的潛力是眾所周知的，但由于技術(shù)和其他挑戰(zhàn)，許多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為EUV是不可行的。然而，DARPA資助了先進(jìn)光刻計(jì)劃，該計(jì)劃對(duì)EUV反射測(cè)量進(jìn)行了早期研究。SEMATECH是一家從事研發(fā)以推進(jìn)芯片制造的非營(yíng)利財(cái)團(tuán)，該公司與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的合作超過(guò)15年，以獲取和建設(shè)僅工業(yè)界認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)太大的基礎(chǔ)設(shè)施和專業(yè)知識(shí)。包括阿斯麥、英特爾、三星和臺(tái)積電在內(nèi)的多家公司投資了100 - 170億美元，將EUV技術(shù)成熟為商業(yè)上可行的技術(shù)。今天，阿斯麥?zhǔn)俏ㄒ灰患矣心芰σ陨虡I(yè)上可行的方式實(shí)現(xiàn)EUV光刻技術(shù)的公司。截至2022年7月，只有臺(tái)積電、三星和英特爾在使用EUV開發(fā)半導(dǎo)體工藝技術(shù)。

為了滿足這些需求，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)正在不斷增加投資，僅2021年就在研發(fā)上投資500億美元。盡管如此，今天的美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)在提供所需的創(chuàng)新方面面臨挑戰(zhàn)。在美國(guó)，重要的研發(fā)推動(dòng)者和基礎(chǔ)設(shè)施缺乏或有限，跨計(jì)算堆棧的協(xié)作開發(fā)機(jī)制也很有限。

半導(dǎo)體推動(dòng)了所有現(xiàn)代技術(shù)的革命性進(jìn)步。芯片還將支持未來(lái)“必贏”技術(shù)的進(jìn)步，包括人工智能(AI)、量子計(jì)算和先進(jìn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使美國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)先地位對(duì)我們的未來(lái)至關(guān)重要。一項(xiàng)半導(dǎo)體研發(fā)的國(guó)家戰(zhàn)略，重點(diǎn)是重振創(chuàng)新渠道，并使其與商業(yè)優(yōu)先事項(xiàng)保持一致，將解決美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵差距，并在未來(lái)幾十年加強(qiáng)美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力和領(lǐng)導(dǎo)地位。

在美國(guó)的研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中，政府、學(xué)術(shù)界和私營(yíng)企業(yè)都在資助和實(shí)施推動(dòng)商業(yè)創(chuàng)新的研發(fā)方面發(fā)揮著重要作用。

半導(dǎo)體研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)目前由廣泛的機(jī)構(gòu)組成，包括政府機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、私營(yíng)企業(yè)和合作伙伴。(見表4)

每一個(gè)都在促進(jìn)創(chuàng)新的各個(gè)階段發(fā)揮著獨(dú)特而重要的作用。這些機(jī)構(gòu)包括研發(fā)的資助者和執(zhí)行者。資助研發(fā)的機(jī)構(gòu)也可以進(jìn)行研發(fā)，而進(jìn)行研發(fā)的機(jī)構(gòu)可以從一系列資助者那里獲得資金。

政府

政府機(jī)構(gòu)(如國(guó)防部、能源部、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所)是生態(tài)系統(tǒng)研發(fā)的重要資助者。這些政府機(jī)構(gòu)為那些過(guò)于遙遠(yuǎn)、過(guò)于不確定或過(guò)于困難的研究提供必要的支持，使單個(gè)公司難以將其轉(zhuǎn)化為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

政府相關(guān)實(shí)體(例如，空軍研究實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所材料測(cè)量實(shí)驗(yàn)室)也進(jìn)行研究。此外，政府在形成研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施(如資助大學(xué)納米實(shí)驗(yàn)室)、促進(jìn)因素(如投資基礎(chǔ)研究)和政策(如制定設(shè)施許可規(guī)則)方面也發(fā)揮著重要作用。綜合起來(lái)，這些因素促進(jìn)了私營(yíng)行業(yè)投資和研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)潛在的半導(dǎo)體創(chuàng)新。

學(xué)術(shù)界

學(xué)術(shù)界是研發(fā)的關(guān)鍵執(zhí)行者:學(xué)術(shù)界進(jìn)行基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和原型開發(fā)。它還在培訓(xùn)半導(dǎo)體勞動(dòng)力方面發(fā)揮著重要作用。學(xué)術(shù)界在擴(kuò)大知識(shí)基礎(chǔ)和傳播研究成果方面發(fā)揮著重要作用，這些成果可被工業(yè)上的成熟公司和初創(chuàng)公司使用。

私企

私營(yíng)企業(yè)既是研發(fā)的資助者，也是研發(fā)的執(zhí)行者。現(xiàn)在有很多公司為半導(dǎo)體和相關(guān)服務(wù)提供資金、原型、規(guī)模和商業(yè)化。進(jìn)行半導(dǎo)體研發(fā)的公司主要有以下幾種：

集成設(shè)備制造商(IDMs)是從事設(shè)計(jì)和制造的垂直集成公司。這些公司結(jié)合資源和專業(yè)知識(shí)來(lái)彌合基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)之間的差距，但在美國(guó)只有少數(shù)這樣的公司(如英特爾、美光、三星和德州儀器)。

無(wú)晶圓廠設(shè)計(jì)公司(如高通、AMD、NVIDIA和蘋果)專注于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)，這是半導(dǎo)體價(jià)值鏈中增值最高的部分。這些公司約占私營(yíng)部門研發(fā)的55%，并與其他公司合作進(jìn)行半導(dǎo)體制造。

代工廠滿足IDM和無(wú)晶圓廠設(shè)計(jì)公司的制造需求。代工廠通常只專注于制造別人設(shè)計(jì)的芯片(例如，TSMC，三星代工廠，英特爾代工廠服務(wù)和GlobalFoundries)。代工廠投資于與制造技術(shù)相關(guān)的研發(fā)，在先進(jìn)制造中占有很大份額。

半導(dǎo)體設(shè)備和材料公司(如，應(yīng)用材料，ASML, EMD電子，Lam Research，東京電子)開發(fā)生產(chǎn)芯片所需的先進(jìn)工藝和檢測(cè)系統(tǒng)。設(shè)備和材料公司投資于新的工藝技術(shù)、材料和制造方法的研發(fā)，使半導(dǎo)體技術(shù)路線圖成為可能，并對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的研發(fā)投資做出了重大貢獻(xiàn)，與一些美國(guó)芯片制造商持平。

合作伙伴和其他行業(yè)聯(lián)盟

此外，公私伙伴關(guān)系(PPPs)包括由公共資助的私營(yíng)部門利益攸關(guān)方運(yùn)營(yíng)的一系列組織。公私伙伴關(guān)系的例子包括聯(lián)邦資助的研發(fā)中心(FFRDCs)和SEMATECH。公私伙伴關(guān)系可以是研發(fā)的資助者或執(zhí)行者。PPPs的例子包括:

聯(lián)邦資助研究與發(fā)展中心(FFRDCs)，包括國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，是由學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或私人公司運(yùn)營(yíng)的公私合作伙伴關(guān)系，由聯(lián)邦政府資助并為聯(lián)邦政府進(jìn)行研究。

半導(dǎo)體公司及其供應(yīng)商為各種目的而建立的行業(yè)聯(lián)盟。例如，半導(dǎo)體研究公司(SRC)是一個(gè)由半導(dǎo)體公司和政府機(jī)構(gòu)組成的財(cái)團(tuán)，為一百多所大學(xué)的高科技研究提供資金。它的項(xiàng)目涵蓋了從人工智能到汽車的一系列應(yīng)用。

非學(xué)術(shù)研究組織與美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)合作開展基礎(chǔ)研究。(見附錄:非學(xué)術(shù)研究組織)

美國(guó)的研發(fā)機(jī)構(gòu)

上面討論的組織是美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的主要參與者。雖然硅谷或北德克薩斯州等地確實(shí)存在集群，但美國(guó)半導(dǎo)體研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的重要利益相關(guān)者分布在全國(guó)各地。(見表5)專注于研發(fā)或試點(diǎn)的晶圓廠至少可以在29個(gè)州找到，在生產(chǎn)晶圓廠和有半導(dǎo)體項(xiàng)目的大學(xué)擁有額外的研發(fā)專長(zhǎng)。

美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)面臨若干挑戰(zhàn)，包括與試點(diǎn)和原型相關(guān)的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)阻礙了生態(tài)系統(tǒng)的有效性。

一個(gè)運(yùn)行良好的研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)為研發(fā)工作提供方向、資源和協(xié)作來(lái)支持創(chuàng)新。美國(guó)保留了強(qiáng)大的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)和公司的組合，但其研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)目前在提供所需創(chuàng)新方面依然面臨挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：

方向

許多不同的政府機(jī)構(gòu)和部門為半導(dǎo)體研發(fā)提供公共投資。這些機(jī)構(gòu)和部門肩負(fù)著重要的使命，經(jīng)常采取一系列措施進(jìn)行合作，但它們的最終需求和目標(biāo)往往與私營(yíng)企業(yè)不同。因此，可能會(huì)產(chǎn)生一些差距，導(dǎo)致充足的研發(fā)投資無(wú)法達(dá)到技術(shù)領(lǐng)域——例如，依賴于材料、架構(gòu)、封裝和軟件方面的協(xié)作創(chuàng)新的超低功耗計(jì)算領(lǐng)域——這些領(lǐng)域能夠保證美國(guó)持續(xù)擁有技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力和大規(guī)模生產(chǎn)的能力。

資源配置

美國(guó)缺乏或限制研發(fā)所需的重要基礎(chǔ)設(shè)施。例如，大學(xué)研究人員和創(chuàng)業(yè)公司在很大程度上無(wú)法實(shí)現(xiàn)亞60nm制造，這使得美國(guó)的半導(dǎo)體硬件創(chuàng)業(yè)公司更難在美國(guó)實(shí)現(xiàn)和發(fā)展他們的想法。相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏或不足阻礙了整體生態(tài)系統(tǒng)提供的進(jìn)步。

協(xié)作

創(chuàng)新的重要機(jī)會(huì)存在于需要跨計(jì)算堆棧不同層協(xié)作的協(xié)同優(yōu)化等領(lǐng)域。在計(jì)算堆棧的任何給定層推進(jìn)研發(fā)通常需要個(gè)人和組織具有高度的專業(yè)能力，而美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)缺乏跨公司整合能力以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

其他地區(qū)正在采取措施緩解這些挑戰(zhàn)，提高其研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的效率

世界各地正在采取措施加強(qiáng)其半導(dǎo)體研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，它們?yōu)榫徑鈬?guó)內(nèi)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中的這些挑戰(zhàn)而使用的方法包括：

方向：

臺(tái)灣科技部通過(guò)評(píng)估整體半導(dǎo)體研發(fā)及其對(duì)行業(yè)需求的覆蓋范圍來(lái)支持產(chǎn)業(yè)。

資源：

日本政府將在先進(jìn)芯片制造、成熟芯片生產(chǎn)和研發(fā)方面投資68億美元。

協(xié)作：

韓國(guó)將建設(shè)“K-Semiconductor Belt”，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)計(jì)算堆棧中的區(qū)域連接，從而簡(jiǎn)化協(xié)作并支持整個(gè)計(jì)算堆棧的創(chuàng)新。

雖然美國(guó)在半導(dǎo)體研發(fā)公共投資方面的絕對(duì)投資量一直超高于其他地區(qū)，但其他地區(qū)為研發(fā)提供了更慷慨的支持。其他地區(qū)也在擴(kuò)大對(duì)半導(dǎo)體的投資。就在2021以來(lái)，日本、新加坡、韓國(guó)、歐盟（以及西班牙等個(gè)別歐盟成員國(guó)）都宣布了支持其國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的立法。中國(guó)大陸也在投資1000多億美元支持國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。換句話說(shuō)，美國(guó)以外其他地區(qū)正在采取措施加強(qiáng)自己的研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，縮小與美國(guó)的差距。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的電子復(fù)興計(jì)劃（ERI）等近期項(xiàng)目表明，公眾越來(lái)越認(rèn)識(shí)到公共資助半導(dǎo)體研發(fā)的重要性。通過(guò)現(xiàn)有和新實(shí)體在這一領(lǐng)域持續(xù)的美國(guó)公共投資可以緩解美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)，加快創(chuàng)新步伐，并擴(kuò)大美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

負(fù)責(zé)現(xiàn)有半導(dǎo)體研發(fā)公共投資的實(shí)體將繼續(xù)在美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作

公共部門和私營(yíng)企業(yè)實(shí)體計(jì)劃在2022年為美國(guó)的半導(dǎo)體研發(fā)投資600億美元。私營(yíng)企業(yè)提供了約500億美元（約89%），公共投資提供了約60億美元（大約11%）。《芯片與科學(xué)法案》為《芯片法案》2023財(cái)年的半導(dǎo)體相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目提供了55億美元的資金，在支出之前一直可用。（見圖6）

許多現(xiàn)有的公共研發(fā)資金組織在美國(guó)半導(dǎo)體研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要而獨(dú)特的作用。（見圖7）

作為對(duì)這些實(shí)體的補(bǔ)充，《芯片法案》建立了重要的新組織，并為應(yīng)對(duì)美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)提供了機(jī)會(huì)

認(rèn)識(shí)到美國(guó)半導(dǎo)體制造和研發(fā)的重要性，國(guó)會(huì)于2021頒布了《為美國(guó)生產(chǎn)半導(dǎo)體創(chuàng)造有益激勵(lì)法案》（《芯片法案》），并作為2022年《芯片和科學(xué)法案》的一部分提供資金?！缎酒ò浮肥菙?shù)十年來(lái)支持美國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)的最重要的聯(lián)邦法案，旨在確保美國(guó)在本土制造更多芯片的能力和在美國(guó)推進(jìn)芯片制造技術(shù)的能力。

《芯片和科學(xué)法案》在五年內(nèi)撥款520億美元，用于支持半導(dǎo)體制造、研發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)型，并將資金提前幾年撥付。在這些資金中，390億美元（占總數(shù)的75%）用于公共財(cái)政援助，用于美國(guó)設(shè)施和設(shè)備的建設(shè)、現(xiàn)代化或擴(kuò)建。其余130億美元用于研發(fā)和技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向市場(chǎng)的過(guò)渡。（見圖8）與現(xiàn)有努力相比，《芯片法案》構(gòu)成了半導(dǎo)體研發(fā)公共投資的一大擴(kuò)張。

芯片法案確立了與研發(fā)相關(guān)的兩大創(chuàng)新計(jì)劃：

國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)中心（NSTC）。這是一種公私合作伙伴關(guān)系，通過(guò)促進(jìn)先進(jìn)的研發(fā)和原型設(shè)計(jì)，加強(qiáng)美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力和供應(yīng)鏈安全，提升美國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

國(guó)家先進(jìn)封裝制造計(jì)劃（NAPMP）。NAPMP是NIST的一部分，旨在加強(qiáng)美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中的半導(dǎo)體先進(jìn)測(cè)試、組裝和封裝能力。

《芯片法案》確立了某些高層目標(biāo)，美國(guó)商務(wù)部在如何構(gòu)建NSTC和NAPMP方面保留了很大的自由裁量權(quán)。為響應(yīng)其信息請(qǐng)求，國(guó)防部收到了200多個(gè)利益相關(guān)者關(guān)于激勵(lì)措施、基礎(chǔ)設(shè)施和研發(fā)需求的詳細(xì)反饋，以支持強(qiáng)大的國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。

通過(guò)與SIA成員的廣泛討論和投入，本報(bào)告提供了一個(gè)綜合的、高水平的行業(yè)視角，闡述了如何最有效地部署芯片研發(fā)資金，以支持美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

美國(guó)制造研究所：美國(guó)制造研究所最初成立于2014年，旨在提升美國(guó)制造業(yè)的全球競(jìng)爭(zhēng)力并促進(jìn)創(chuàng)新。自成立以來(lái)，在美國(guó)各地建立了16個(gè)研究所，以振興美國(guó)制造業(yè)，每個(gè)研究所都在一個(gè)特定的行業(yè)部門內(nèi)。

研究機(jī)構(gòu)是美國(guó)創(chuàng)新的關(guān)鍵資源，支持創(chuàng)新管道的初始階段。它們用于明確有前途的高影響技術(shù)，然后管理在學(xué)術(shù)和工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行的相應(yīng)研發(fā)項(xiàng)目，以進(jìn)一步推進(jìn)這些技術(shù)。成功完成這些項(xiàng)目后，所創(chuàng)造的技術(shù)可以轉(zhuǎn)移到工業(yè)或其他方面的開發(fā)設(shè)施，用于測(cè)試、試驗(yàn)和擴(kuò)展到制造業(yè)。

2022年《芯片和科學(xué)法案》授權(quán)設(shè)立最多3個(gè)美國(guó)制造研究所，以支持半導(dǎo)體制造相關(guān)工作，包括提高自動(dòng)化、先進(jìn)封裝和測(cè)試以及勞動(dòng)力技能培訓(xùn)。這些研究所的資金包括在《芯片法案》和科學(xué)法案的總體研發(fā)資金中。

通過(guò)該美國(guó)制造業(yè)研究所開發(fā)的具體項(xiàng)目將成為該行業(yè)創(chuàng)新技術(shù)的關(guān)鍵渠道，并將轉(zhuǎn)移到NSTC或NAPMP進(jìn)行測(cè)試、試點(diǎn)和擴(kuò)展。該研究所和其他機(jī)構(gòu)在技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程中的作用在圖表4中得到了闡明

NSTC和NAPMP應(yīng)通過(guò)在幾個(gè)領(lǐng)域的投資來(lái)提升美國(guó)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力

認(rèn)識(shí)到私營(yíng)產(chǎn)業(yè)在美國(guó)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力中的中心地位，國(guó)會(huì)授權(quán)NSTC作為公私合作伙伴，并通過(guò)美國(guó)商務(wù)部建立了NSTC。國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)層應(yīng)尋求包括學(xué)術(shù)界和政府，特別是工業(yè)界的聲音，以最有效地提高美國(guó)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

根據(jù)我們與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的討論，NSTC和NAPMP應(yīng)通過(guò)在五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的投資來(lái)增強(qiáng)美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的能力。（見圖9）

過(guò)渡和縮放路徑查找研究

目前，美國(guó)半導(dǎo)體公司與多家現(xiàn)有的知名組織合作，如微電子中心（IMEC）和美國(guó)半導(dǎo)體研究聯(lián)盟（SRC），以滿足許多研發(fā)需求。為了最有效地支持美國(guó)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，NSTC和NAPMP應(yīng)該擴(kuò)大而不是復(fù)制這些組織。換言之，盡管NSTC和NAPMP基礎(chǔ)設(shè)施可以支持早期研究，但它們的主要重點(diǎn)應(yīng)該是成熟和擴(kuò)展那些準(zhǔn)備好超越早期研究的技術(shù)。NSTC和NAPMP應(yīng)將政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究中心聚集在一起，評(píng)估哪些對(duì)美國(guó)公司具有商業(yè)利益的技術(shù)可能需要但沒(méi)有獲得技術(shù)過(guò)渡和擴(kuò)展的資金。

與《2030年半導(dǎo)體十年計(jì)劃》中討論的五個(gè)高級(jí)別挑戰(zhàn)相一致，NSTC和NAPMP應(yīng)加強(qiáng)美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的能力，以實(shí)施和商業(yè)化從生產(chǎn)開始5到15年的研發(fā)技術(shù)。這種未來(lái)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)很重要：鑒于半導(dǎo)體研發(fā)的時(shí)間延長(zhǎng)，今天重大技術(shù)進(jìn)步所需的投資是多年前做出的。NSTC和NAPMP應(yīng)在新興領(lǐng)域（如CMOS以外的材料、先進(jìn)封裝、異質(zhì)集成和掩蔽基礎(chǔ)設(shè)施）建立和加強(qiáng)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的能力，而不是復(fù)制目前在海外或國(guó)內(nèi)設(shè)施中發(fā)現(xiàn)的能力，在這些領(lǐng)域，地區(qū)領(lǐng)導(dǎo)地位尚未確定。

盡管研發(fā)資金應(yīng)包括對(duì)核心半導(dǎo)體技術(shù)和封裝技術(shù)的重視，但在這兩個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)突破的時(shí)間線可能存在差異。從廣義上講，核心半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)應(yīng)強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)期的、潛在的革命性努力，創(chuàng)新將源于材料、工藝流程和工具的改進(jìn)。這些創(chuàng)新將來(lái)自以下領(lǐng)域：

用于邏輯、存儲(chǔ)器、模擬3D堆疊設(shè)備的高級(jí)架構(gòu)

以內(nèi)存為中心的計(jì)算

單片集成功能

用于超CMOS計(jì)算和新型范例的先進(jìn)材料

二維材料

先進(jìn)功能材料

替代范例，如光子或神經(jīng)形態(tài)高壓和功率材料

高功率材料

先進(jìn)的射頻材料

一般流程開發(fā)

先進(jìn)的光刻技術(shù)

先進(jìn)光源的開發(fā)和EUV改進(jìn)

金屬化的改進(jìn)

設(shè)計(jì)創(chuàng)新

跨更廣泛應(yīng)用的卓越領(lǐng)域?qū)Ｓ眉铀倨?/p>

混合信號(hào)設(shè)計(jì)，集成智能和傳感能力

安全設(shè)計(jì)

工具改進(jìn)

將人工智能集成到設(shè)計(jì)工具中，實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)抽象

模擬和RF電路的優(yōu)秀工具

具有增強(qiáng)的全棧優(yōu)化和啟用硬件軟件協(xié)同設(shè)計(jì)能力的工具

環(huán)境可持續(xù)性

GWP較低的工藝氣體

光刻和其他化學(xué)品，以改善的環(huán)境狀況滿足同時(shí)功能需求，以及極低濃度的檢測(cè)和處理技術(shù)

在保護(hù)自然資源（能源、水等）的同時(shí)滿足苛刻運(yùn)營(yíng)要求的制造工藝

另一方面，封裝工作應(yīng)包括有助于解決中短期行業(yè)挑戰(zhàn)的技術(shù)。與基本的半導(dǎo)體材料和工藝進(jìn)步相比，新封裝方法的規(guī)?；梢愿?、更便宜地實(shí)現(xiàn)。在NSTC和NAPMP成立后的5至10年內(nèi)，或者在一些罕見的情況下，更早地預(yù)期包裝突破會(huì)影響商業(yè)部門，這并非不合理。這些創(chuàng)新將來(lái)自以下領(lǐng)域：

先進(jìn)的測(cè)試和驗(yàn)證功能

測(cè)試設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，以減少設(shè)計(jì)誤差

測(cè)試自動(dòng)化和AI/ML工具的集成

模擬、RF和混合信號(hào)測(cè)試

異構(gòu)集成

制定集成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

Chiplet IP開發(fā)和訪問(wèn)

新型計(jì)算范式（光子、量子等）的集成方法

先進(jìn)的封裝和高密度互連（<100μm IO間距）

面板和晶圓級(jí)高帶寬、低延遲、高密度2.5D和3D堆疊和組裝方法

混合鍵合、硅通孔和高級(jí)插入層開發(fā)

先進(jìn)的熱壓鍵合技術(shù)可提高器件壽命

熱管理和串?dāng)_、噪聲和寄生降低

靈活、受限的外形尺寸封裝

工具改進(jìn)

封裝級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)工具

優(yōu)良的電氣、熱力、機(jī)械建模和設(shè)計(jì)工具

裝配和對(duì)準(zhǔn)自動(dòng)化

通過(guò)投資于不同投資領(lǐng)域和時(shí)間線的路徑研究，NSTC和NAPMP可以在20年內(nèi)持續(xù)改進(jìn)核心技術(shù)。盡管以上討論的技術(shù)領(lǐng)域被歸類為核心半導(dǎo)體或封裝技術(shù)，但這些領(lǐng)域的研究人員和外部專家之間需要進(jìn)行重大協(xié)調(diào)和相互交流。

原型和試點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施

NSTC和NAPMP必須不僅僅是資助或協(xié)調(diào)現(xiàn)有的研究工作。這兩者應(yīng)在促進(jìn)使用原型設(shè)施或高級(jí)模擬和建模軟件方面發(fā)揮積極作用。他們還必須擴(kuò)大從實(shí)驗(yàn)室到制造廠的技術(shù)過(guò)渡的能力，如原型和試點(diǎn)，并確保研究人員和初創(chuàng)企業(yè)能夠獲得這些能力。通過(guò)促進(jìn)獲得這些能力，NSTC和NAPMP將擴(kuò)大潛在創(chuàng)新的范圍，使其能夠從基礎(chǔ)研究到擴(kuò)展并達(dá)到商業(yè)用途。

半導(dǎo)體研發(fā)能力在技術(shù)和地理上廣泛分布于整個(gè)美國(guó)生態(tài)系統(tǒng)。為了管理好公共投資，NSTC既不能平均分配資金，也不能將投資集中在單一技術(shù)或地點(diǎn)。在NSTC/NAPMP指導(dǎo)委員會(huì)的指導(dǎo)下，NSTC應(yīng)擴(kuò)展和升級(jí)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的能力和基礎(chǔ)設(shè)施。

由于與成本和時(shí)間有關(guān)的原因，擴(kuò)大和提升機(jī)構(gòu)的能力非常重要。改善現(xiàn)有設(shè)施比建設(shè)全新設(shè)施更便宜、更快。新的半導(dǎo)體研發(fā)設(shè)施可能需要數(shù)年的時(shí)間來(lái)建造——如果NSTC試圖建造新設(shè)施，這些設(shè)施可能會(huì)在建造完成時(shí)落后或過(guò)時(shí)。

擴(kuò)張和升級(jí)具有極大的經(jīng)濟(jì)效益。NSTC在評(píng)估要加強(qiáng)哪些機(jī)構(gòu)的研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，必須平衡高度分布式網(wǎng)絡(luò)的效益與規(guī)模效益。鑒于每個(gè)研發(fā)相關(guān)設(shè)施的總成本通常很高，我們的分析表明，NSTC應(yīng)擴(kuò)大規(guī)模，優(yōu)先升級(jí)大學(xué)和研究中心的更少、更容易獲得的最先進(jìn)設(shè)施，以最大限度地提高有限公共投資的影響。然而，設(shè)施升級(jí)必須著眼于相對(duì)于成本最大化影響。舉個(gè)例子，將幾所大學(xué)的晶圓能力從200毫米升級(jí)到300毫米，很容易耗盡NSTC的所有資金，但同時(shí)只能提供很少真正新穎的能力。

在某些情況下，NSTC/NAPMP指導(dǎo)委員會(huì)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，在財(cái)務(wù)上更謹(jǐn)慎的做法是利用現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)能力，而不是升級(jí)低產(chǎn)量的研究能力。舉例來(lái)說(shuō)，這可能是嘗試基礎(chǔ)設(shè)施利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工藝流程來(lái)利用300mm晶圓生產(chǎn)能力的情況。NSTC提供的重心可能會(huì)為協(xié)商外部能力的使用提供新的可能性。例如，協(xié)調(diào)商業(yè)晶圓廠的多項(xiàng)目晶圓運(yùn)行，或獲得競(jìng)爭(zhēng)前技術(shù)的商業(yè)設(shè)計(jì)工具。

封裝研發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)包括2.5D和3D堆疊和高密度再分配、光學(xué)封裝和測(cè)試、混合鍵合設(shè)備、高級(jí)內(nèi)插層（硅、玻璃和高密度有機(jī)）工具以及熱壓鍵合設(shè)備。用于高密度焊料凸點(diǎn)、銅沉積和通孔制造的設(shè)備也將至關(guān)重要。此外，需要重點(diǎn)關(guān)注先進(jìn)的襯底工藝和流程。封裝、組裝和測(cè)試（PAT）的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是國(guó)內(nèi)制造的經(jīng)濟(jì)性。雖然傳統(tǒng)的PAT是勞動(dòng)密集型的，但在美國(guó)，先進(jìn)的封裝將更加技術(shù)化和自動(dòng)化密集，其經(jīng)濟(jì)效益必須反映這一點(diǎn)才能具有競(jìng)爭(zhēng)力。此外，還需要新的測(cè)試能力。與NSTC一樣，協(xié)商設(shè)計(jì)工具的使用將是NAPMP的重要任務(wù)。

目前，NSTC和NAPMP可以為半導(dǎo)體服務(wù)組織采用許多成功的模式作為指導(dǎo)。一個(gè)例子是IMEC，它提供了許多對(duì)技術(shù)開發(fā)管道至關(guān)重要的研發(fā)和原型開發(fā)能力。其他例子包括美國(guó)制造研究所（Manufacturing USA institutes），通過(guò)與研究機(jī)構(gòu)合作，建立新的原型基礎(chǔ)設(shè)施，創(chuàng)建區(qū)域創(chuàng)新中心；桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratory’s Microsystems and Engineering Sciences Applications，簡(jiǎn)稱MESA），提供小批量商業(yè)鑄造服務(wù)和額外的設(shè)計(jì)、制造、封裝，并向政府和學(xué)術(shù)研究人員提供測(cè)試。NSTC和NAPMP基礎(chǔ)設(shè)施可以從這些現(xiàn)有工作中汲取靈感，但必須超越這些現(xiàn)有組織可以提供的低容量服務(wù)。正是這種能力允許創(chuàng)新材料、設(shè)計(jì)和廣泛的技術(shù)在研究和原型設(shè)計(jì)層面擴(kuò)大到更高的產(chǎn)量，才賦予了NSTC和NAPMP與眾不同的價(jià)值。

協(xié)同開發(fā)

正如摩爾定律所描述的，隨著開發(fā)和設(shè)計(jì)成本的上升，改進(jìn)計(jì)算技術(shù)的工程方法正在發(fā)生變化。（見圖10）需要從材料和設(shè)計(jì)、到系統(tǒng)架構(gòu)和軟件的整個(gè)計(jì)算堆棧的創(chuàng)新，以開啟半導(dǎo)體發(fā)展的下一階段。全堆棧創(chuàng)新很難實(shí)現(xiàn)：現(xiàn)代半導(dǎo)體公司通常在堆棧的不同層高度專業(yè)化，而美國(guó)的研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)目前缺乏協(xié)調(diào)這種合作的機(jī)制。

NSTC和NAPMP應(yīng)通過(guò)召集公司解決復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題來(lái)支持全棧創(chuàng)新，這些問(wèn)題需要跨整個(gè)計(jì)算棧進(jìn)行協(xié)作，并加快技術(shù)、工具和方法的開發(fā)。例如，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心需求的快速增長(zhǎng)加劇了對(duì)半導(dǎo)體的需求，這種半導(dǎo)體能夠在低功耗的情況下提供高計(jì)算能力。創(chuàng)建滿足這一需求的下一代系統(tǒng)需要匯集先進(jìn)材料、新計(jì)算架構(gòu)、封裝、軟件等方面的專業(yè)知識(shí)。NAPMP可以召集技術(shù)專家和利益相關(guān)者（包括政府機(jī)構(gòu)的專家），在為異構(gòu)集成、chiplets和其他安全技術(shù)組件制定集成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，向IEEE和JEDEC等團(tuán)體提供意見。雙方應(yīng)負(fù)責(zé)擴(kuò)大和升級(jí)美國(guó)研發(fā)和原型生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施和能力，以滿足這些生態(tài)系統(tǒng)的需求。

鑒于創(chuàng)新在協(xié)同開發(fā)、協(xié)同優(yōu)化和異構(gòu)集成等領(lǐng)域的重要性，NSTC和NAPMP必須在整個(gè)行業(yè)廣泛合作。然后，這兩家機(jī)構(gòu)可以利用其在整個(gè)行業(yè)中廣泛而具有代表性的網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建多元化的技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)組合，促進(jìn)更有效的合作開發(fā)，并保持廣泛的行業(yè)合作伙伴網(wǎng)絡(luò)。（見圖11）

勞動(dòng)力

半導(dǎo)體行業(yè)是研發(fā)密集型行業(yè)，依靠高技能工人進(jìn)行研發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)所需的創(chuàng)新。雖然美國(guó)擁有許多世界上最好的研究人員，但熟練人才的短缺威脅著創(chuàng)新的步伐。與此同時(shí)，其他地區(qū)急于吸引本國(guó)國(guó)民回國(guó)，并提供廣泛的政策支持，以加強(qiáng)國(guó)內(nèi)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。（見圖12）在這些相互競(jìng)爭(zhēng)的努力中，NSTC和NAPMP必須加強(qiáng)美國(guó)半導(dǎo)體研發(fā)管道和勞動(dòng)力的規(guī)模和技能，以保護(hù)美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)及其支撐的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

NSTC和NAPMP可以促進(jìn)一系列項(xiàng)目，以擴(kuò)大美國(guó)半導(dǎo)體研發(fā)隊(duì)伍。根據(jù)我們的研究，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者認(rèn)為NSTC和NAPMP的關(guān)鍵步驟包括：

投資美國(guó)STEM教育：

支持本科生和研究生級(jí)別的課程開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化，以擴(kuò)大具備先決STEM技能的員工隊(duì)伍。為K-12級(jí)別的學(xué)生提供機(jī)會(huì)，讓他們參與到半導(dǎo)體行業(yè)中，了解半導(dǎo)體技術(shù)并對(duì)其著迷。NSTC和NAPMP中心可以與美國(guó)大學(xué)合作或幫助建立工程夏令營(yíng)，以接觸半導(dǎo)體研發(fā)。與合作機(jī)構(gòu)和公司合作，提供獎(jiǎng)學(xué)金和研究獎(jiǎng)學(xué)金，有助于增加在該領(lǐng)域攻讀4年以上學(xué)位的學(xué)生人數(shù)。

吸引STEM員工加入該行業(yè)：

通過(guò)學(xué)徒、實(shí)習(xí)和導(dǎo)師計(jì)劃，教育和培訓(xùn)學(xué)生并使其獲得半導(dǎo)體行業(yè)的職業(yè)機(jī)會(huì)。與社區(qū)和技術(shù)學(xué)院合作，制定計(jì)劃，將更多的技術(shù)人員和貿(mào)易人員帶到該領(lǐng)域，并提高對(duì)半導(dǎo)體職業(yè)道路的認(rèn)識(shí)。與具有現(xiàn)有基礎(chǔ)STEM技能的員工（如資深就業(yè)組織）的再培訓(xùn)和交叉培訓(xùn)計(jì)劃合作。

促進(jìn)靈活的工作授權(quán)：

促進(jìn)靈活的工作授權(quán)，例如可選的實(shí)踐培訓(xùn)，使外籍人士能夠在美國(guó)工作，或者如果他們畢業(yè)于美國(guó)大學(xué)，具備對(duì)行業(yè)至關(guān)重要的技能，則能夠獲得與其主要學(xué)習(xí)領(lǐng)域直接相關(guān)的臨時(shí)工作。

此外，NSTC和NAPMP必須加強(qiáng)員工的技能。根據(jù)我們的研究，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者認(rèn)為NSTC和NAPMP的關(guān)鍵步驟應(yīng)包括：

投資于勞動(dòng)力再培訓(xùn)和提高技能

隨著行業(yè)探索創(chuàng)新的新維度，這些項(xiàng)目可以確保美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的員工具備推動(dòng)未來(lái)進(jìn)步的良好條件。

加快新員工的準(zhǔn)備

鑒于半導(dǎo)體研發(fā)所需的專業(yè)技能、新員工在有效從事重要研發(fā)之前需要時(shí)間，NSTC和NAPMP可以建立預(yù)計(jì)劃，使工人能夠更快地為研發(fā)做出貢獻(xiàn)。

目前，高技能研發(fā)人員的流動(dòng)可能會(huì)限制創(chuàng)新的步伐。通過(guò)擴(kuò)大這些勞動(dòng)力的供應(yīng)并提升他們的技能，NSTC和NAPMP可以加強(qiáng)整個(gè)美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。

美國(guó)可以采用一系列最佳做法來(lái)確保公共投資的成功

《芯片法案》是美國(guó)對(duì)半導(dǎo)體研發(fā)公共投資的重大擴(kuò)展。美國(guó)可以采取多項(xiàng)行動(dòng)，確保該投資補(bǔ)充現(xiàn)有公共投資，并重振美國(guó)創(chuàng)新的良性循環(huán)，以加強(qiáng)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。

培育規(guī)模：美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)將更好地服務(wù)于更少、更容易獲得和一流的集群，包括物理基礎(chǔ)設(shè)施和勞動(dòng)力專業(yè)知識(shí)，而不是許多不太適合行業(yè)研發(fā)需求的集群。考慮到維護(hù)一個(gè)可能過(guò)時(shí)的大型設(shè)施的成本，培育規(guī)?？梢允挂欢〝?shù)量的公共投資以更具影響力的方式使用。

關(guān)注影響：研發(fā)的公共投資應(yīng)與可識(shí)別的目標(biāo)保持一致，包括關(guān)注有影響力的新技術(shù)和潛在的商業(yè)可行性。投資應(yīng)該有助于創(chuàng)新理念的商業(yè)化，并靈活解決為有前途的技術(shù)固定創(chuàng)新管道的障礙。

合作：美國(guó)半導(dǎo)體研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)包含許多現(xiàn)有有效的組織和項(xiàng)目，在可能的情況下，公共投資應(yīng)該增加和協(xié)調(diào)這些組織和項(xiàng)目，而不是復(fù)制。

展望未來(lái)：從技術(shù)和財(cái)務(wù)角度來(lái)看，公共投資應(yīng)支持美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，以滿足未來(lái)5至15年的需求。未來(lái)3-5年技術(shù)進(jìn)步所需的基礎(chǔ)設(shè)施和使能因素已基本建成。鑒于該行業(yè)的研究需求可能從多年到幾十年不等，金融投資必須是長(zhǎng)期可預(yù)測(cè)的。

結(jié)論

通過(guò)合并此處討論的投資，2030年美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)應(yīng)該是新半導(dǎo)體產(chǎn)品、工具和工藝的更大管道，從事半導(dǎo)體研發(fā)的更大、更熟練的勞動(dòng)力，以及從基礎(chǔ)研究到商業(yè)化的加速時(shí)間進(jìn)程。自成立以來(lái)，美國(guó)研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新的良性循環(huán)，這有助于美國(guó)的技術(shù)領(lǐng)先地位。該生態(tài)系統(tǒng)依然強(qiáng)大，擁有世界級(jí)的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)，以及僅在2021就在半導(dǎo)體研發(fā)方面投入了前所未有的500億美元的公司。2022年《芯片和科學(xué)法案》的資金以及隨后在NSTC和NAPMP中建立的行業(yè)主導(dǎo)實(shí)體將為振興創(chuàng)新管道提供一次千載難逢的機(jī)會(huì)，并將在接下來(lái)的幾十年中擴(kuò)大美國(guó)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

附錄：非學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)

私營(yíng)企業(yè)還與美國(guó)和其他地區(qū)的非學(xué)術(shù)研究組織合作進(jìn)行基礎(chǔ)研究。這包括微電子中心（IMEC）和美國(guó)半導(dǎo)體研究聯(lián)盟（SRC）和CEA Leti等組織。雖然美國(guó)公司和研究人員并不局限于與美國(guó)研究機(jī)構(gòu)合作，但歐洲和亞洲的非學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)通常比美國(guó)同行規(guī)模更大、資源更好。（見圖13）

附錄：其他地區(qū)對(duì)于半導(dǎo)體的支持

雖然美國(guó)在半導(dǎo)體研發(fā)公共投資方面的絕對(duì)投資繼續(xù)超過(guò)其他地區(qū)，但其他地區(qū)為研發(fā)提供了更慷慨的支持。

在美國(guó)，由公共投資資助的半導(dǎo)體專用研發(fā)占總份額的23.3%。相比之下，中國(guó)大陸、歐盟、臺(tái)灣、日本和韓國(guó)的這一比例為35.7%。（見圖14）

附錄：半導(dǎo)體初創(chuàng)企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)資本融資

在供應(yīng)鏈瓶頸和芯片高需求的背景下，中國(guó)和美國(guó)的半導(dǎo)體初創(chuàng)公司近年來(lái)籌集了大量風(fēng)險(xiǎn)資本資金。部分由于對(duì)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)芯片的強(qiáng)勁預(yù)期需求，全球風(fēng)險(xiǎn)投資在2021前三個(gè)月創(chuàng)下交易價(jià)值26.4億美元的季度記錄。其中70%的資金由中國(guó)半導(dǎo)體初創(chuàng)公司籌集，美國(guó)籌集了15%。美國(guó)對(duì)半導(dǎo)體初創(chuàng)企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)投資達(dá)到了20年來(lái)的最高水平。（見圖15）

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