美国半导体产业协会呼吁投资半导体研发的5个关键领域

2022年10月27日，美国半导体产业协会（SIA）联合波士顿咨询集团（BCG）发布《通过创新引领美国半导体研发》报告（以下简称“报告”），确定了半导体研发生态系统的5个关键领域，并建议通过美国芯片法案（CHIPS）的研发资金加强关键领域投资。

2022年8月颁布的美国《芯片和科学法案》（CHIPS and Science Act）提出，为扩大美国现有半导体研发组织的范围和影响，美国将创建国家半导体技术中心（NSTC）和国家先进封装制造计划（NAPMP）。报告强调了政府和产业界在NSTC和NAPMP两个重要实体上进行合作的重要性，呼吁将CHIPS的资金用于弥补目前半导体研发生态系统中的关键缺口，认为这样做有助于为美国芯片创新的持续领先地位铺平道路。

半导体研发是一个关键的竞争领域，多国或地区都在采取措施加强其半导体研发生态系统。例如，日本配置资源，投资68亿美元来加强其先进芯片本土制造、成熟芯片生产以及半导体研发；韩国加强合作，将建立“K-半导体产业带”，旨在建立集半导体生产、原材料、零部件、设备和尖端设备、设计等为一体的高效产业集群；中国台湾地区提供行业指导，通过评估整体半导体研发及其对产业需求的覆盖面来支持产业发展，避免投资平均化或关键领域经费投入不足等现象。与此同时，2021年以来，日本、新加坡、韩国、欧盟等都宣布立法支持本国的半导体产能，中国也加大投资用于支持国内半导体产业。

如果美国缺乏对半导体创新商业化的支持可能会加速其它竞争国家或地区在该领域的发展，因此报告呼吁通过投资“规模化路径研究、研究基础设施、开发基础设施、全栈协同创新、劳动力培养”五个关键领域来加强美国研发生态系统的能力。

NSTC和NAPMP应该帮助弥合早期研发和规模化生产之间的缺口，促进早期技术的转化和规模化，评估并投资美国产业界所需的早期技术。NSTC和NAPMP应建立和加强新兴领域的研发生态系统能力，面向5-15年后投产的技术开展研发和商业化，研发资金投入将包括核心半导体技术和封装技术两方面。

核心半导体技术研发应该强调长期的、潜在的革命性的突破，包括材料、工艺、工具等方面的创新。这些创新领域包括：（1）用于逻辑、存储和模拟的先进架构，如：3D堆叠器件、单片式集成、以存储为中心的计算；（2）超越CMOS的先进材料，如：二维材料、先进功能材料、光子或神经形态等新计算范式材料、高压高功率材料、先进射频材料；（3）通用工艺，如：先进光刻技术、先进光源和极紫外改进、金属化工艺改进；（4）设计创新，如：面向更多应用的领域专用加速器、混合信号设计、智能和传感能力集成、安全设计；（4）工具改进，如：将人工智能集成到设计工具中并实现更高的设计抽象性、用于模拟和射频电路的高级工具、增强全栈优化和硬件软件协同设计的工具；（5）环境可持续性，如：全球升温潜能值（GWP）较低的工艺气体、光刻和其他化学品的环境改善和极低浓度检测及处理技术、自然资源（能源、水等）友好型制造工艺。

先进封装技术应有助于解决半导体行业中短期挑战。相比于基础半导体材料和工艺进步，先进封装的规模化可以更快、更便宜，在NSTC和NAPMP成立的5-10年内（或更短时间内）产生商业影响。这些创新领域包括：（1）先进测试和验证能力，如：测试设计和数据分析以减少设计误差、测试自动化和AI/ML集成工具、模拟/射频/混合信号的测试；（2）异构集成，如：制定行业集成标准、Chiplet IP开发与获取、新型计算范式（光子、量子等）的集成方法；（3）先进封装和高密度互连（<100 μm I/O pitch），如：面板和晶圆级高带宽、低延迟高密度2.5D和3D堆叠和组装方法；混合键合、硅穿孔和先进中介层（interposer）工艺；提高器件寿命的先进热压缩键合；热管理以及减少串扰、噪声、寄生等；灵活且受约束的面积缩小封装；（4）工具改进，如：封装级协同设计工具；卓越的电、热、机械建模和设计工具；组装和对准自动化。

NSTC和NAPMP应在扩大、升级和提供研发基础设施方面发挥积极作用，促进基础设施或先进仿真和建模软件的使用。NSTC和NAPMP的设施投入应与研发优先事项保持一致，既不能平均分配，也不能集中在单一技术或地点，而应根据技术需求，在分布式利益和规模利益间权衡，以扩展和升级少数现有机构的独特能力及基础设施。具体而言，NSTC和NAPMP应尽可能利用现有基础设施和《美国芯片法案》提供的资金，并协调现有资源加快创新。这对于加速和扩大商业化的试点工作和原型设计尤为重要。NSTC和NAPMP应该通过提供原型制作和规模扩大，为有前途的技术建立转化路径。

总体而言，NSTC和NAPMP应升级先进仿真或建模软件、样品验证等研究设施生态系统以及原型设计和先导中心、掩模设施等开发设施生态系统，并促进研究人员和初创企业对设施、工具和服务的访问。

NSTC和NAPMP应通过召集公司解决复杂的技术问题来支持全栈式创新，并加速技术、工具和方法的开发。正如摩尔定律所描述的那样，随着开发和设计成本的上升，改进计算机技术的工程方法正在发生变化。半导体发展的下一个阶段需要整个计算堆栈的“全栈式”创新，从材料和设计到系统架构和软件进行全方面覆盖。例如，对云计算数据中心需求的快速增长，突显了对能够提供低功耗高性能计算的半导体的需求。满足此需求的下一代系统创新需要将先进材料、新的计算架构、封装、软件等方面的专业知识结合起来。“全栈式”创新很难，当前半导体公司往往高度专业化，没有一家公司拥有下一代计算技术“全栈式”创新所需的所有技能和资源。美国的研发生态系统目前缺乏协调不同组织、不同部门进行全栈式创新的机制。

NSTC和NAPMP必须在整个行业内广泛合作，维持一个广泛且具有代表性的行业伙伴网络，建立多样化的研发技术和基础设施组合，以促进协同开发、协同优化和异构集成等领域创新。

NSTC和NAPMP应该推动一系列计划，扩大美国半导体研发创新和劳动力规模及技能，以加强美国的研发生态系统和经济竞争力。半导体行业是研发密集型产业，依靠高技能劳动力进行研发创新。半导体设计、制造和价值链相关活动的高技能研发人员的供应不足可能会限制创新的步伐。与此同时，其他国家或地区正在积极吸引本国公民回国，并提供广泛的政策支持，以加强本国的研发生态系统。为扩大美国半导体研发劳动力，NSTC和NAPMP可实施的关键措施有：投资美国STEM教育（夏令营、奖学金等）、吸引STEM工作者进入半导体行业（学徒、实习、职业规划等）、授予灵活的工作签证、投资工人的再培训和技能提升、加速新员工的培育工作。