芯片如何領先？美國計劃這樣做！   

從為數據中心供電到控制“毅力”號火星探測器，現在世界對半導體的需求比幾年前更高。與過去一樣，滿足這些需求并使美國經濟在技術上處于領先地位將需要新的創新，這可以通過投資半導體研發(R&D)實現。要使一項創新具有商業價值，在大規模生產之前必須經過五個研發階段。每個連續的階段都越來越具有挑戰性：1-2項創新要達到量產，需要大量的初始投資組合。

研發是支撐美國技術領先地位的創新良性循環的關鍵部分。創新產生了先進的技術和產品，當它們被用于商業生產時，就會為未來的研發提供大量投資所需的資金。為了開發這些創新，美國半導體行業僅在2021年就在研發上投資了500億美元。隨著2022年《芯片與科學法案》的通過，聯邦政府準備對半導體研發進行有史以來最大的單筆投資。半導體研發的國家戰略應該針對美國研發生態系統中的關鍵缺口進行投資，以重振創新渠道，使研發與商業優先事項相一致，并加強美國的技術競爭力。

雖然美國擁有創新所需的世界級國家實驗室、大學和公司，但其半導體研發生態系統在引導投資、資源、促進合作和將創新帶到市場(即實驗室到工廠的差距)方面面臨挑戰。如果不加以解決，這些挑戰將限制生態系統的有效性。與此同時，其他地區正在采取措施緩解這些挑戰，并通過歐盟的《芯片法案》和韓國的“K-Semiconductor Belt”計劃等舉措，提高自身研發生態系統的有效性。2022年芯片和科學法案的資金將通過建立兩個新的實體，國家半導體技術中心(NSTC)和國家先進封裝制造計劃(NAPMP)，擴大現有美國半導體研發機構的范圍和影響。

NSTC和NAPMP為美國的研發生態系統提供了一個關鍵的框架、重點和資金，確保技術創新，為保持美國半導體行業的長期領先地位鋪平道路。NSTC和NAPMP補充了旨在提高國內半導體產能的《芯片法》的強大條款。

NSTC和NAPMP應該緊密合作，并充分吸收業界的聲音，以最有效地提高美國的技術競爭力，鼓勵商業收購。根據我們與業界領袖的廣泛磋商，NSTC和NAPMP應在半導體行業廣泛開展合作，并通過在五個關鍵領域的投資來增強美國研發生態系統的能力。

NSTC和NAPMP的五個主要投資領域

1、過渡與尺度尋徑研究

NSTC和NAPMP應起到彌合早期研發和大規模生產之間差距的作用。兩者都應加強研發生態系統進行研發和商業化技術的能力，這些技術距離生產還有5至15年的時間，這些技術的區域領導地位尚未確定。NSTC和NAPMP可以成為工業和其他機構協調研發工作的中心，允許工業參與其感興趣的項目，并使各機構能夠將自己的資金集中用于各自的任務。

2&3、研究基礎設施和開發基礎設施

NSTC和NAPMP應該在擴大、升級和提供機構與研發重點相一致的技術開發能力方面發揮積極作用。這兩項計劃既不能平均分配資金，也不能將投資集中在單一技術或地點。相反，兩者都必須根據技術需求，在高度分布式網絡的好處和規模的好處之間取得平衡。具體來說，關鍵是NSTC和NAPMP應盡可能利用現有的基礎設施來利用CHIPS的資金，并通過利用現有資源實現更快的學習。這對于加速和擴大商業化努力的試點和原型設計尤為重要。NSTC和NAPMP將為研究工作提供的主要支持是通過原型和擴大規模建立有前途的技術過渡路徑。

4、協同發展

NSTC和NAPMP應該通過召集公司解決復雜的技術問題來支持全堆棧創新，這些技術問題可以從跨全計算堆棧的協作中受益，并加速技術、工具和方法的開發。例如，創建下一代數據中心需要集合先進材料、新的計算架構、封裝、軟件等方面的專業知識。特別是，NAPMP可以召集技術專家為電氣和電子工程師協會(IEEE)和聯合電子設備工程理事會(JEDEC)等組織提供輸入，例如在開發異構集成、芯片和安全技術的其他組件的集成標準時。

5、勞動力

NSTC和NAPMP應促進一系列項目，擴大美國半導體研發渠道和勞動力的規模和技能，以捍衛和加強美國研發生態系統及其所支撐的經濟競爭力。如果沒有這些努力，高技能研發人員包括半導體設計、制造和價值鏈其他活動的人員的供應不足可能會限制創新的步伐。

半導體研發是將創新思想轉化為技術進步和能力，從而創造出更多、更先進的半導體的過程

半導體，或芯片，在現代世界的運作中無處不在，而且越來越重要。從驅動數據中心分析歷史上前所未有的大量數據，到在充滿挑戰的環境中控制火星漫游者“毅力”號，當今世界對半導體的要求比幾年前更高。要滿足這些需求，并使美國經濟中依賴半導體的公司能夠創新，就需要對半導體研發(R&D)進行持續的投資。

自半導體行業誕生以來，研發一直是其成功的關鍵因素。之前的SIA報告主要關注半導體設計或半導體制造期間的活動，而本報告將討論半導體研發的作用及其在技術競爭力中的重要性。

一般來說，一項創新必須經過研發的五個階段才能具有商業價值。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新的數量、生態系統協作的水平、投資需求和技術挑戰。(見表1)

當一個潛在的創新從新的想法轉變為生產規模的采用時，生態系統中跨組織的協作水平就會發生變化。擴展知識基礎的基礎研究被認為是“pre-competitive。”基礎研究通常涉及公司、政府和研發生態系統中的其他組織之間的合作，很少考慮與供應鏈或競爭相關的因素。隨著潛在的創新越來越接近于批量生產，供應鏈和競爭相關的考慮也越來越多，更多的研發發生在組織內部而不是組織之間。

并非所有潛在的創新都能量產。許多潛在創新的投資組合需要少數創新成功達到量產。整個投資成本和技術挑戰貫穿于各個階段，即使剩下的可行的潛在創新的數量在下降。考慮到投資需求、技術挑戰和生態系統基礎設施的限制，許多潛在的創新往往無法通過原型和試驗的“死亡谷”。即使他們取得了進展，與規模相關的成本和人才限制也可能令人生畏——財務風險可能會大上幾個數量級。(見表2)

半導體研發非常重要，是支撐美國技術領先地位的創新良性循環的一部分

創新能否成功地通過研發階段是至關重要的。當創新被用于批量生產時，就會產生卓越的技術和產品。先進的技術和產品反過來提高了美國的市場份額和利潤率，并為未來的研發提供了大量投資所需的資金。(見表3)

創新的良性循環代表著機遇，它不會自動發生。它依賴于貫穿這五個階段的潛在創新的持續渠道。從歷史上看，美國的研發生態系統在整個過程中都支持創新。

例如，美國軍方在20世紀80年代需要性能超過硅極限的半導體材料。美國海軍研究辦公室(ONR)和國防高級研究計劃局(DARPA)確定并促進了學術界和工業界的合作，通過創新階段推進復合半導體材料，并使其適應工業用途。由此產生的材料，如氮化鎵，目前被用于民用和軍事應用，是美國工業的強項領域。許多公司現在投資于復合半導體材料，用于從電動汽車到移動網絡到國防的一系列應用。

研發是一個關鍵的競爭戰場。對于美國技術的長期領先地位來說，最重要的半導體創新能夠在美國的研發渠道中實現商業化至關重要。如果缺乏對創新商業化的支持，可能會加速其他競爭國家和地區(包括對手)的努力。

創新的良性循環提供了一個寶貴的機會，但它的實現是不確定的。幸運的是，未來幾年有機會加強美國的研發生態系統，并通過下一代半導體技術延伸創新的良性循環和美國的技術領先地位。除了390億美元的半導體制造獎勵撥款外，2022年《芯片和科學法案》還為半導體研發和技術從實驗室向市場過渡提供130億美元的資金。這130億美元是本報告的重點。隨著《芯片與科學法案》的頒布，國會和政府認識到半導體研發對美國的重要性。

隨著改進計算技術的策略的改變，下一代的進步將需要沿著現有和新的維度進行創新。對現有領域的投資需求(如晶體管縮放)正在上升。與此同時，先進封裝和異構集成等領域的機會正在出現。要制造出未來幾年美國經濟所需的芯片，就需要多學科的創新。

極端紫外線(EUV)光刻技術作為一個創新的例子，開始于美國的研發，但在海外實現了商業化。光刻是半導體制造中的一種工藝，它利用光在硅晶圓等材料上產生極小的圖案。EUV光刻是這一工藝的一個高度先進的版本，用于許多最先進的芯片，如在領先的智能手機中發現的那些芯片。美國的公共投資在支持EUV光刻技術方面發揮了早期和持續的作用，而韓國和日本也進行了類似的投資。

在20世紀80年代后期，新的應用推動了晶體管持續擴展的需求。雖然EUV的潛力是眾所周知的，但由于技術和其他挑戰，許多業內人士認為EUV是不可行的。然而，DARPA資助了先進光刻計劃，該計劃對EUV反射測量進行了早期研究。SEMATECH是一家從事研發以推進芯片制造的非營利財團，該公司與工業界和學術界的合作超過15年，以獲取和建設僅工業界認為風險太大的基礎設施和專業知識。包括阿斯麥、英特爾、三星和臺積電在內的多家公司投資了100 - 170億美元，將EUV技術成熟為商業上可行的技術。今天，阿斯麥是唯一一家有能力以商業上可行的方式實現EUV光刻技術的公司。截至2022年7月，只有臺積電、三星和英特爾在使用EUV開發半導體工藝技術。

為了滿足這些需求，美國半導體行業正在不斷增加投資，僅2021年就在研發上投資500億美元。盡管如此，今天的美國研發生態系統在提供所需的創新方面面臨挑戰。在美國，重要的研發推動者和基礎設施缺乏或有限，跨計算堆棧的協作開發機制也很有限。

半導體推動了所有現代技術的革命性進步。芯片還將支持未來“必贏”技術的進步，包括人工智能(AI)、量子計算和先進無線網絡，使美國在半導體領域繼續保持領先地位對我們的未來至關重要。一項半導體研發的國家戰略，重點是重振創新渠道，并使其與商業優先事項保持一致，將解決美國研發生態系統中的關鍵差距，并在未來幾十年加強美國的技術競爭力和領導地位。

在美國的研發生態系統中，政府、學術界和私營企業都在資助和實施推動商業創新的研發方面發揮著重要作用。

半導體研發生態系統目前由廣泛的機構組成，包括政府機構、學術機構、私營企業和合作伙伴。(見表4)

每一個都在促進創新的各個階段發揮著獨特而重要的作用。這些機構包括研發的資助者和執行者。資助研發的機構也可以進行研發，而進行研發的機構可以從一系列資助者那里獲得資金。

政府

政府機構(如國防部、能源部、國家科學基金會、國家標準與技術研究所)是生態系統研發的重要資助者。這些政府機構為那些過于遙遠、過于不確定或過于困難的研究提供必要的支持，使單個公司難以將其轉化為競爭優勢。

政府相關實體(例如，空軍研究實驗室、國家標準與技術研究所材料測量實驗室)也進行研究。此外，政府在形成研發生態系統的基礎設施(如資助大學納米實驗室)、促進因素(如投資基礎研究)和政策(如制定設施許可規則)方面也發揮著重要作用。綜合起來，這些因素促進了私營行業投資和研發，以實現潛在的半導體創新。

學術界

學術界是研發的關鍵執行者:學術界進行基礎研究、應用研究和原型開發。它還在培訓半導體勞動力方面發揮著重要作用。學術界在擴大知識基礎和傳播研究成果方面發揮著重要作用，這些成果可被工業上的成熟公司和初創公司使用。

私企

私營企業既是研發的資助者，也是研發的執行者?，F在有很多公司為半導體和相關服務提供資金、原型、規模和商業化。進行半導體研發的公司主要有以下幾種：

集成設備制造商(IDMs)是從事設計和制造的垂直集成公司。這些公司結合資源和專業知識來彌合基礎研究和生產之間的差距，但在美國只有少數這樣的公司(如英特爾、美光、三星和德州儀器)。

無晶圓廠設計公司(如高通、AMD、NVIDIA和蘋果)專注于半導體設計，這是半導體價值鏈中增值最高的部分。這些公司約占私營部門研發的55%，并與其他公司合作進行半導體制造。

代工廠滿足IDM和無晶圓廠設計公司的制造需求。代工廠通常只專注于制造別人設計的芯片(例如，TSMC，三星代工廠，英特爾代工廠服務和GlobalFoundries)。代工廠投資于與制造技術相關的研發，在先進制造中占有很大份額。

半導體設備和材料公司(如，應用材料，ASML, EMD電子，Lam Research，東京電子)開發生產芯片所需的先進工藝和檢測系統。設備和材料公司投資于新的工藝技術、材料和制造方法的研發，使半導體技術路線圖成為可能，并對半導體行業的研發投資做出了重大貢獻，與一些美國芯片制造商持平。

合作伙伴和其他行業聯盟

此外，公私伙伴關系(PPPs)包括由公共資助的私營部門利益攸關方運營的一系列組織。公私伙伴關系的例子包括聯邦資助的研發中心(FFRDCs)和SEMATECH。公私伙伴關系可以是研發的資助者或執行者。PPPs的例子包括:

聯邦資助研究與發展中心(FFRDCs)，包括國家實驗室，是由學術機構或私人公司運營的公私合作伙伴關系，由聯邦政府資助并為聯邦政府進行研究。

半導體公司及其供應商為各種目的而建立的行業聯盟。例如，半導體研究公司(SRC)是一個由半導體公司和政府機構組成的財團，為一百多所大學的高科技研究提供資金。它的項目涵蓋了從人工智能到汽車的一系列應用。

非學術研究組織與美國研發生態系統合作開展基礎研究。(見附錄:非學術研究組織)

美國的研發機構

上面討論的組織是美國研發生態系統的主要參與者。雖然硅谷或北德克薩斯州等地確實存在集群，但美國半導體研發生態系統的重要利益相關者分布在全國各地。(見表5)專注于研發或試點的晶圓廠至少可以在29個州找到，在生產晶圓廠和有半導體項目的大學擁有額外的研發專長。

美國研發生態系統面臨若干挑戰，包括與試點和原型相關的挑戰，這些挑戰阻礙了生態系統的有效性。

一個運行良好的研發生態系統通過為研發工作提供方向、資源和協作來支持創新。美國保留了強大的國家實驗室、大學和公司的組合，但其研發生態系統目前在提供所需創新方面依然面臨挑戰。這些挑戰包括：

方向

許多不同的政府機構和部門為半導體研發提供公共投資。這些機構和部門肩負著重要的使命，經常采取一系列措施進行合作，但它們的最終需求和目標往往與私營企業不同。因此，可能會產生一些差距，導致充足的研發投資無法達到技術領域——例如，依賴于材料、架構、封裝和軟件方面的協作創新的超低功耗計算領域——這些領域能夠保證美國持續擁有技術競爭力和大規模生產的能力。

資源配置

美國缺乏或限制研發所需的重要基礎設施。例如，大學研究人員和創業公司在很大程度上無法實現亞60nm制造，這使得美國的半導體硬件創業公司更難在美國實現和發展他們的想法。相關基礎設施的缺乏或不足阻礙了整體生態系統提供的進步。

協作

創新的重要機會存在于需要跨計算堆棧不同層協作的協同優化等領域。在計算堆棧的任何給定層推進研發通常需要個人和組織具有高度的專業能力，而美國研發生態系統缺乏跨公司整合能力以應對這些挑戰。

其他地區正在采取措施緩解這些挑戰，提高其研發生態系統的效率

世界各地正在采取措施加強其半導體研發生態系統，它們為緩解國內研發生態系統中的這些挑戰而使用的方法包括：

方向：

臺灣科技部通過評估整體半導體研發及其對行業需求的覆蓋范圍來支持產業。

資源：

日本政府將在先進芯片制造、成熟芯片生產和研發方面投資68億美元。

協作：

韓國將建設“K-Semiconductor Belt”，以實現整個計算堆棧中的區域連接，從而簡化協作并支持整個計算堆棧的創新。

雖然美國在半導體研發公共投資方面的絕對投資量一直超高于其他地區，但其他地區為研發提供了更慷慨的支持。其他地區也在擴大對半導體的投資。就在2021以來，日本、新加坡、韓國、歐盟（以及西班牙等個別歐盟成員國）都宣布了支持其國內半導體產業的立法。中國大陸也在投資1000多億美元支持國內半導體產業。換句話說，美國以外其他地區正在采取措施加強自己的研發生態系統，縮小與美國的差距。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的電子復興計劃（ERI）等近期項目表明，公眾越來越認識到公共資助半導體研發的重要性。通過現有和新實體在這一領域持續的美國公共投資可以緩解美國研發生態系統中的挑戰，加快創新步伐，并擴大美國的技術競爭力。

負責現有半導體研發公共投資的實體將繼續在美國研發生態系統中發揮重要作

公共部門和私營企業實體計劃在2022年為美國的半導體研發投資600億美元。私營企業提供了約500億美元（約89%），公共投資提供了約60億美元（大約11%）?！缎酒c科學法案》為《芯片法案》2023財年的半導體相關研發項目提供了55億美元的資金，在支出之前一直可用。（見圖6）

許多現有的公共研發資金組織在美國半導體研發生態系統中發揮著重要而獨特的作用。（見圖7）

作為對這些實體的補充，《芯片法案》建立了重要的新組織，并為應對美國研發生態系統的挑戰提供了機會

認識到美國半導體制造和研發的重要性，國會于2021頒布了《為美國生產半導體創造有益激勵法案》（《芯片法案》），并作為2022年《芯片和科學法案》的一部分提供資金?！缎酒ò浮肥菙凳陙碇С置绹雽w制造業的最重要的聯邦法案，旨在確保美國在本土制造更多芯片的能力和在美國推進芯片制造技術的能力。

《芯片和科學法案》在五年內撥款520億美元，用于支持半導體制造、研發和技術轉型，并將資金提前幾年撥付。在這些資金中，390億美元（占總數的75%）用于公共財政援助，用于美國設施和設備的建設、現代化或擴建。其余130億美元用于研發和技術從實驗室向市場的過渡。（見圖8）與現有努力相比，《芯片法案》構成了半導體研發公共投資的一大擴張。

芯片法案確立了與研發相關的兩大創新計劃：

國家半導體技術中心（NSTC）。這是一種公私合作伙伴關系，通過促進先進的研發和原型設計，加強美國的技術競爭力和供應鏈安全，提升美國在半導體領域的領導地位。

國家先進封裝制造計劃（NAPMP）。NAPMP是NIST的一部分，旨在加強美國研發生態系統中的半導體先進測試、組裝和封裝能力。

《芯片法案》確立了某些高層目標，美國商務部在如何構建NSTC和NAPMP方面保留了很大的自由裁量權。為響應其信息請求，國防部收到了200多個利益相關者關于激勵措施、基礎設施和研發需求的詳細反饋，以支持強大的國內半導體研發生態系統。

通過與SIA成員的廣泛討論和投入，本報告提供了一個綜合的、高水平的行業視角，闡述了如何最有效地部署芯片研發資金，以支持美國的技術競爭力。

美國制造研究所：美國制造研究所最初成立于2014年，旨在提升美國制造業的全球競爭力并促進創新。自成立以來，在美國各地建立了16個研究所，以振興美國制造業，每個研究所都在一個特定的行業部門內。

研究機構是美國創新的關鍵資源，支持創新管道的初始階段。它們用于明確有前途的高影響技術，然后管理在學術和工業研究實驗室執行的相應研發項目，以進一步推進這些技術。成功完成這些項目后，所創造的技術可以轉移到工業或其他方面的開發設施，用于測試、試驗和擴展到制造業。

2022年《芯片和科學法案》授權設立最多3個美國制造研究所，以支持半導體制造相關工作，包括提高自動化、先進封裝和測試以及勞動力技能培訓。這些研究所的資金包括在《芯片法案》和科學法案的總體研發資金中。

通過該美國制造業研究所開發的具體項目將成為該行業創新技術的關鍵渠道，并將轉移到NSTC或NAPMP進行測試、試點和擴展。該研究所和其他機構在技術創新過程中的作用在圖表4中得到了闡明

NSTC和NAPMP應通過在幾個領域的投資來提升美國的經濟競爭力

認識到私營產業在美國經濟和技術競爭力中的中心地位，國會授權NSTC作為公私合作伙伴，并通過美國商務部建立了NSTC。國家科學技術委員會領導層應尋求包括學術界和政府，特別是工業界的聲音，以最有效地提高美國的技術和經濟競爭力。

根據我們與行業領導者的討論，NSTC和NAPMP應通過在五個關鍵領域的投資來增強美國研發生態系統的能力。（見圖9）

過渡和縮放路徑查找研究

目前，美國半導體公司與多家現有的知名組織合作，如微電子中心（IMEC）和美國半導體研究聯盟（SRC），以滿足許多研發需求。為了最有效地支持美國的技術和經濟競爭力，NSTC和NAPMP應該擴大而不是復制這些組織。換言之，盡管NSTC和NAPMP基礎設施可以支持早期研究，但它們的主要重點應該是成熟和擴展那些準備好超越早期研究的技術。NSTC和NAPMP應將政府、學術界和工業界的研究中心聚集在一起，評估哪些對美國公司具有商業利益的技術可能需要但沒有獲得技術過渡和擴展的資金。

與《2030年半導體十年計劃》中討論的五個高級別挑戰相一致，NSTC和NAPMP應加強美國研發生態系統的能力，以實施和商業化從生產開始5到15年的研發技術。這種未來技術發展的重點很重要：鑒于半導體研發的時間延長，今天重大技術進步所需的投資是多年前做出的。NSTC和NAPMP應在新興領域（如CMOS以外的材料、先進封裝、異質集成和掩蔽基礎設施）建立和加強研發生態系統的能力，而不是復制目前在海外或國內設施中發現的能力，在這些領域，地區領導地位尚未確定。

盡管研發資金應包括對核心半導體技術和封裝技術的重視，但在這兩個領域的產品實現突破的時間線可能存在差異。從廣義上講，核心半導體技術的研發應強調長期的、潛在的革命性努力，創新將源于材料、工藝流程和工具的改進。這些創新將來自以下領域：

用于邏輯、存儲器、模擬3D堆疊設備的高級架構

以內存為中心的計算

單片集成功能

用于超CMOS計算和新型范例的先進材料

二維材料

先進功能材料

替代范例，如光子或神經形態高壓和功率材料

高功率材料

先進的射頻材料

一般流程開發

先進的光刻技術

先進光源的開發和EUV改進

金屬化的改進

設計創新

跨更廣泛應用的卓越領域專用加速器

混合信號設計，集成智能和傳感能力

安全設計

工具改進

將人工智能集成到設計工具中，實現更高的設計抽象

模擬和RF電路的優秀工具

具有增強的全棧優化和啟用硬件軟件協同設計能力的工具

環境可持續性

GWP較低的工藝氣體

光刻和其他化學品，以改善的環境狀況滿足同時功能需求，以及極低濃度的檢測和處理技術

在保護自然資源（能源、水等）的同時滿足苛刻運營要求的制造工藝

另一方面，封裝工作應包括有助于解決中短期行業挑戰的技術。與基本的半導體材料和工藝進步相比，新封裝方法的規模化可以更快、更便宜地實現。在NSTC和NAPMP成立后的5至10年內，或者在一些罕見的情況下，更早地預期包裝突破會影響商業部門，這并非不合理。這些創新將來自以下領域：

先進的測試和驗證功能

測試設計和數據分析，以減少設計誤差

測試自動化和AI/ML工具的集成

模擬、RF和混合信號測試

異構集成

制定集成行業標準

Chiplet IP開發和訪問

新型計算范式（光子、量子等）的集成方法

先進的封裝和高密度互連（<100μm IO間距）

面板和晶圓級高帶寬、低延遲、高密度2.5D和3D堆疊和組裝方法

混合鍵合、硅通孔和高級插入層開發

先進的熱壓鍵合技術可提高器件壽命

熱管理和串擾、噪聲和寄生降低

靈活、受限的外形尺寸封裝

工具改進

封裝級協同設計工具

優良的電氣、熱力、機械建模和設計工具

裝配和對準自動化

通過投資于不同投資領域和時間線的路徑研究，NSTC和NAPMP可以在20年內持續改進核心技術。盡管以上討論的技術領域被歸類為核心半導體或封裝技術，但這些領域的研究人員和外部專家之間需要進行重大協調和相互交流。

原型和試點基礎設施

NSTC和NAPMP必須不僅僅是資助或協調現有的研究工作。這兩者應在促進使用原型設施或高級模擬和建模軟件方面發揮積極作用。他們還必須擴大從實驗室到制造廠的技術過渡的能力，如原型和試點，并確保研究人員和初創企業能夠獲得這些能力。通過促進獲得這些能力，NSTC和NAPMP將擴大潛在創新的范圍，使其能夠從基礎研究到擴展并達到商業用途。

半導體研發能力在技術和地理上廣泛分布于整個美國生態系統。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或地點。在NSTC/NAPMP指導委員會的指導下，NSTC應擴展和升級現有機構的能力和基礎設施。

由于與成本和時間有關的原因，擴大和提升機構的能力非常重要。改善現有設施比建設全新設施更便宜、更快。新的半導體研發設施可能需要數年的時間來建造——如果NSTC試圖建造新設施，這些設施可能會在建造完成時落后或過時。

擴張和升級具有極大的經濟效益。NSTC在評估要加強哪些機構的研發基礎設施時，必須平衡高度分布式網絡的效益與規模效益。鑒于每個研發相關設施的總成本通常很高，我們的分析表明，NSTC應擴大規模，優先升級大學和研究中心的更少、更容易獲得的最先進設施，以最大限度地提高有限公共投資的影響。然而，設施升級必須著眼于相對于成本最大化影響。舉個例子，將幾所大學的晶圓能力從200毫米升級到300毫米，很容易耗盡NSTC的所有資金，但同時只能提供很少真正新穎的能力。

在某些情況下，NSTC/NAPMP指導委員會可能會發現，在財務上更謹慎的做法是利用現有的國內產業能力，而不是升級低產量的研究能力。舉例來說，這可能是嘗試基礎設施利用行業標準工藝流程來利用300mm晶圓生產能力的情況。NSTC提供的重心可能會為協商外部能力的使用提供新的可能性。例如，協調商業晶圓廠的多項目晶圓運行，或獲得競爭前技術的商業設計工具。

封裝研發的基礎設施應包括2.5D和3D堆疊和高密度再分配、光學封裝和測試、混合鍵合設備、高級內插層（硅、玻璃和高密度有機）工具以及熱壓鍵合設備。用于高密度焊料凸點、銅沉積和通孔制造的設備也將至關重要。此外，需要重點關注先進的襯底工藝和流程。封裝、組裝和測試（PAT）的一個主要挑戰是國內制造的經濟性。雖然傳統的PAT是勞動密集型的，但在美國，先進的封裝將更加技術化和自動化密集，其經濟效益必須反映這一點才能具有競爭力。此外，還需要新的測試能力。與NSTC一樣，協商設計工具的使用將是NAPMP的重要任務。

目前，NSTC和NAPMP可以為半導體服務組織采用許多成功的模式作為指導。一個例子是IMEC，它提供了許多對技術開發管道至關重要的研發和原型開發能力。其他例子包括美國制造研究所（Manufacturing USA institutes），通過與研究機構合作，建立新的原型基礎設施，創建區域創新中心；桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratory’s Microsystems and Engineering Sciences Applications，簡稱MESA），提供小批量商業鑄造服務和額外的設計、制造、封裝，并向政府和學術研究人員提供測試。NSTC和NAPMP基礎設施可以從這些現有工作中汲取靈感，但必須超越這些現有組織可以提供的低容量服務。正是這種能力允許創新材料、設計和廣泛的技術在研究和原型設計層面擴大到更高的產量，才賦予了NSTC和NAPMP與眾不同的價值。

協同開發

正如摩爾定律所描述的，隨著開發和設計成本的上升，改進計算技術的工程方法正在發生變化。（見圖10）需要從材料和設計、到系統架構和軟件的整個計算堆棧的創新，以開啟半導體發展的下一階段。全堆棧創新很難實現：現代半導體公司通常在堆棧的不同層高度專業化，而美國的研發生態系統目前缺乏協調這種合作的機制。

NSTC和NAPMP應通過召集公司解決復雜的技術問題來支持全棧創新，這些問題需要跨整個計算棧進行協作，并加快技術、工具和方法的開發。例如，云計算數據中心需求的快速增長加劇了對半導體的需求，這種半導體能夠在低功耗的情況下提供高計算能力。創建滿足這一需求的下一代系統需要匯集先進材料、新計算架構、封裝、軟件等方面的專業知識。NAPMP可以召集技術專家和利益相關者（包括政府機構的專家），在為異構集成、chiplets和其他安全技術組件制定集成標準時，向IEEE和JEDEC等團體提供意見。雙方應負責擴大和升級美國研發和原型生態系統的基礎設施和能力，以滿足這些生態系統的需求。

鑒于創新在協同開發、協同優化和異構集成等領域的重要性，NSTC和NAPMP必須在整個行業廣泛合作。然后，這兩家機構可以利用其在整個行業中廣泛而具有代表性的網絡，構建多元化的技術和基礎設施研發組合，促進更有效的合作開發，并保持廣泛的行業合作伙伴網絡。（見圖11）

勞動力

半導體行業是研發密集型行業，依靠高技能工人進行研發，從而實現所需的創新。雖然美國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新的步伐。與此同時，其他地區急于吸引本國國民回國，并提供廣泛的政策支持，以加強國內研發生態系統。（見圖12）在這些相互競爭的努力中，NSTC和NAPMP必須加強美國半導體研發管道和勞動力的規模和技能，以保護美國研發生態系統及其支撐的經濟競爭力。

NSTC和NAPMP可以促進一系列項目，以擴大美國半導體研發隊伍。根據我們的研究，行業領導者認為NSTC和NAPMP的關鍵步驟包括：

投資美國STEM教育：

支持本科生和研究生級別的課程開發和標準化，以擴大具備先決STEM技能的員工隊伍。為K-12級別的學生提供機會，讓他們參與到半導體行業中，了解半導體技術并對其著迷。NSTC和NAPMP中心可以與美國大學合作或幫助建立工程夏令營，以接觸半導體研發。與合作機構和公司合作，提供獎學金和研究獎學金，有助于增加在該領域攻讀4年以上學位的學生人數。

吸引STEM員工加入該行業：

通過學徒、實習和導師計劃，教育和培訓學生并使其獲得半導體行業的職業機會。與社區和技術學院合作，制定計劃，將更多的技術人員和貿易人員帶到該領域，并提高對半導體職業道路的認識。與具有現有基礎STEM技能的員工（如資深就業組織）的再培訓和交叉培訓計劃合作。

促進靈活的工作授權：

促進靈活的工作授權，例如可選的實踐培訓，使外籍人士能夠在美國工作，或者如果他們畢業于美國大學，具備對行業至關重要的技能，則能夠獲得與其主要學習領域直接相關的臨時工作。

此外，NSTC和NAPMP必須加強員工的技能。根據我們的研究，行業領導者認為NSTC和NAPMP的關鍵步驟應包括：

投資于勞動力再培訓和提高技能

隨著行業探索創新的新維度，這些項目可以確保美國研發生態系統的員工具備推動未來進步的良好條件。

加快新員工的準備

鑒于半導體研發所需的專業技能、新員工在有效從事重要研發之前需要時間，NSTC和NAPMP可以建立預計劃，使工人能夠更快地為研發做出貢獻。

目前，高技能研發人員的流動可能會限制創新的步伐。通過擴大這些勞動力的供應并提升他們的技能，NSTC和NAPMP可以加強整個美國研發生態系統。

美國可以采用一系列最佳做法來確保公共投資的成功

《芯片法案》是美國對半導體研發公共投資的重大擴展。美國可以采取多項行動，確保該投資補充現有公共投資，并重振美國創新的良性循環，以加強研發生態系統。

培育規模：美國研發生態系統將更好地服務于更少、更容易獲得和一流的集群，包括物理基礎設施和勞動力專業知識，而不是許多不太適合行業研發需求的集群。考慮到維護一個可能過時的大型設施的成本，培育規模可以使一定數量的公共投資以更具影響力的方式使用。

關注影響：研發的公共投資應與可識別的目標保持一致，包括關注有影響力的新技術和潛在的商業可行性。投資應該有助于創新理念的商業化，并靈活解決為有前途的技術固定創新管道的障礙。

合作：美國半導體研發生態系統包含許多現有有效的組織和項目，在可能的情況下，公共投資應該增加和協調這些組織和項目，而不是復制。

展望未來：從技術和財務角度來看，公共投資應支持美國研發生態系統，以滿足未來5至15年的需求。未來3-5年技術進步所需的基礎設施和使能因素已基本建成。鑒于該行業的研究需求可能從多年到幾十年不等，金融投資必須是長期可預測的。

結論

通過合并此處討論的投資，2030年美國研發生態系統的特點應該是新半導體產品、工具和工藝的更大管道，從事半導體研發的更大、更熟練的勞動力，以及從基礎研究到商業化的加速時間進程。自成立以來，美國研發生態系統實現了創新的良性循環，這有助于美國的技術領先地位。該生態系統依然強大，擁有世界級的國家實驗室和大學，以及僅在2021就在半導體研發方面投入了前所未有的500億美元的公司。2022年《芯片和科學法案》的資金以及隨后在NSTC和NAPMP中建立的行業主導實體將為振興創新管道提供一次千載難逢的機會，并將在接下來的幾十年中擴大美國的技術競爭力。

附錄：非學術研究機構

私營企業還與美國和其他地區的非學術研究組織合作進行基礎研究。這包括微電子中心（IMEC）和美國半導體研究聯盟（SRC）和CEA Leti等組織。雖然美國公司和研究人員并不局限于與美國研究機構合作，但歐洲和亞洲的非學術研究機構通常比美國同行規模更大、資源更好。（見圖13）

附錄：其他地區對于半導體的支持

雖然美國在半導體研發公共投資方面的絕對投資繼續超過其他地區，但其他地區為研發提供了更慷慨的支持。

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

附錄：半導體初創企業的風險資本融資

在供應鏈瓶頸和芯片高需求的背景下，中國和美國的半導體初創公司近年來籌集了大量風險資本資金。部分由于對人工智能和機器學習芯片的強勁預期需求，全球風險投資在2021前三個月創下交易價值26.4億美元的季度記錄。其中70%的資金由中國半導體初創公司籌集，美國籌集了15%。美國對半導體初創企業的風險投資達到了20年來的最高水平。（見圖15）

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