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2025-06-30 12:17
美國在半導體技術領域的領導地位對經濟和國家安全至關重要。
爲了贏得技術領導地位的競爭,以及半導體賦能的關鍵行業,例如人工智能、高性能計算、先進通信、量子、能源、國防、醫療技術和交通運輸,美國必須重新鞏固其作為半導體創新中心的地位。根據《2021財年國防授權法案》設立並由《芯片與科學法案》資助的聯邦研究項目,正在努力應對該行業、其技術以及最重要的創新運作方式的不斷變化的特性。這些投資正開始彌補美國半導體競爭力、韌性和供應鏈安全方面的具體差距。而且,這些投資是在行業劇烈變革正在重新調整創新格局的關鍵時刻進行的。
近年來,世界各國政府——無論是盟國還是競爭對手——都在為爭奪先進的半導體研發資源展開激烈競爭,因為他們深知,尖端研究的開展地決定了最尖端企業的增長地。聯邦政府通過芯片研發辦公室(CRDO)資助的半導體研究項目,承諾實施一項雄心勃勃、全面且與行業協調一致的戰略,以確保最尖端的半導體技術在美國開發、在美國製造,並造福美國經濟。CRDO項目正在使這些創新資產的獲取更加民主化,而如果沒有公共資金,這些資產將無法獲得。本文回顧的CRDO項目如下:
芯片研發項目 (CHIPS) 是對美國國內半導體制造產能 5400 億美元投資的重要補充。過去,該行業的產品周期以兩年為一個周期。然而,隨着行業向新型創新戰略轉型,產品周期正在加速。美國必須贏得全球半導體創新核心的競爭,才能保持這些國內設施長期處於領先地位。此外,核心研發與發展辦公室 (CRDO) 項目的行業驅動性質旨在支持美國半導體供應鏈的持續振興,這與政府提升美國創新和製造競爭力的優先事項相一致。此外,與旨在投資早期技術的傳統政府資助項目不同,CRDO 項目肩負着獨特的使命,即在短期內激活大規模生產所需的技術。
隨着這些研究項目的不斷推進,它們有望應對半導體行業面臨的創新挑戰,並推動整個計算堆棧的進步。
近年來,半導體創新的全新途徑層出不窮,需要新的合作和技術開發方法。在過去的幾十年里,計算性能的提升主要通過「微縮」來實現——將芯片上的功能最小化,以便在單個硅片上容納更多晶體管。因此,「摩爾定律」預測,芯片上的晶體管數量將每兩年翻一番,同時成本也會下降。幾十年來,這種創新模式取得了顯著的成果,摩爾定律的步伐至今仍在繼續。然而,新的創新前沿為先進邏輯、存儲器和模擬器件的計算性能的飛躍發展帶來了巨大的希望。這些新方法超越了摩爾定律,並呼籲「全棧」戰略——在軟件、材料、設計、架構和封裝方面進行創新——並要求整個價值鏈的協作。同時,對於越來越多的應用(例如工業、醫療設備、汽車等領域的某些終端用途),性能不再僅僅由晶體管的數量來衡量;相反,新的解決方案為新的終端市場帶來了新的價值主張,例如超低功耗、高帶寬、在更高電壓下工作的能力、在更高温度下更高的穩定性或更低的延迟。
客户的新需求正在重新定位和拓展半導體行業的創新方式,而芯片研發項目 (CHIPS) 旨在提供必要的基礎設施和協作研究平臺,以確保美國半導體生態系統在各個創新維度上保持領先於全球競爭對手。
作為聯邦政府支持的研究項目的補充,這些新項目填補了美國半導體生態系統的空白,允許激烈的行業競爭對手在競爭前的協作空間中共同應對重要的創新需求。
這些項目框架以行業領袖和技術路線圖為指導,使國家應用關鍵技術項目 (NAPMP)、國家科學技術委員會 (NSTC)、美國智能技術與創新計劃 (SMART USA) 和計量學 (Metrology) 能夠為國家帶來巨大而快速的影響,同時確保美國在未來的技術競賽中領先於全球競爭對手。這些項目的資金總額約為110億美元,五年分配如下:
爲了在全球半導體創新競賽中有效競爭,這些項目必須維持在適當的水平。維持適當的資金水平將確保這些項目擁有足夠的資源開展工作,並與行業合作伙伴建立牢固的聯繫。
美國商務部管理的四個項目旨在滿足美國半導體行業不斷發展的技術發展需求。這些項目在編制過程中充分考慮了行業的意見,而持續的行業洞察對於確保這些項目始終與行業合作伙伴保持密切聯繫至關重要。這些項目概述如下,更多詳細信息請參閱本報告的其余部分。
先進封裝是一種新型半導體技術,有望加速人工智能和高性能計算(AI 和 HPC)領域最強大芯片的性能提升。它還將促進更快速、更經濟地設計和製造可定製系統,以滿足高混合、小批量市場的需求,例如對國家安全至關重要的國防應用。過去,最先進的芯片性能受限於單個二維硅片(即「系統級芯片」,SOC)上能夠實現的功能。
現在,先進封裝技術使芯片系統的各個組件能夠單獨製造,然后再集成到單個封裝中,最終提高整個芯片的總硅含量(從而提高計算能力)。傳統封裝不會直接影響芯片性能,而先進封裝如今已成為提升計算性能的關鍵手段。此外,通過分別製造芯片的不同組件,晶圓廠能夠簡化製造流程,提高工廠產量和良率,並實現更持續的創新和產品改進,因為系統的所有組件不再需要一起設計和製造,從而提高盈利能力。
雖然最早的先進封裝技術現已投入商業市場,但其大部分潛力仍未顯現——而這一關鍵領域的全球領導地位也懸而未決。美國目前面臨着封裝供應鏈的嚴重短缺,其組裝、測試和封裝產能僅佔全球的4%。鑑於先進封裝在推動計算性能方面的作用即將上升,現在正值美國大力發展先進封裝,並抓住這個不斷增長的高附加值領域,為美國培育產能的絕佳戰略時機。
美國國會認識到半導體封裝創新的重要性,並設立了國家先進封裝製造計劃 (NAPMP),旨在「加強國內生態系統中半導體先進測試、組裝和封裝能力」(15 U.S.C. 4656(d))。該計劃由美國國家標準與技術研究院 (NIST) 牽頭,重點關注對公眾利益至關重要的封裝應用,即人工智能 (AI) 和高性能計算 (HPC)。NAPMP 正在與其他項目(包括美國國防部高級研究計劃局 (DARPA) 的下一代微電子製造計劃)進行廣泛協調,以投資半導體和人工智能生態系統。
NAPMP 的使命是制定一項整體戰略,以解決這些緊迫的挑戰,並促進國內先進封裝產業的蓬勃發展。NAPMP 戰略圍繞六個已確定的研究領域構建:
1. 材料與基板
2. 設備、工具與工藝
3. 電力輸送與熱管理
4. 光子學與連接器
5. 協同設計、EDA 及
6. Chiplet 生態系統
附錄一詳述了六個研發重點領域及其對半導體創新的重要性。截至2025年6月,NAPMP已敲定3億美元的資金用於其首個研發資助項目,重點關注材料和基板領域。此外,該項目還簽訂了一份價值11億美元的合同,用於建立其旗艦項目先進封裝試點設施(APPF)。該設施將與位於亞利桑那州的國家技術中心(NSTC)試點設施共址並協同運營。業界也在熱切等待關於另外五個研發項目的資助決定,但最終的資助金額(總額達16億美元)尚未公佈。
APPF將投資於集成製造先進封裝工藝流程,以便新技術能夠在商業化的封裝規模上得到驗證。在該設施中驗證創新的可行性將大大降低技術開發過程中的風險,並使其能夠更高效地集成到商業化的先進封裝運營中。隨着 APPF 計劃的發展,需要與業界持續合作,以確保該設施成功建立強大的美國先進封裝行業。
半導體行業的創新日益強調協作,NSTC 旨在為整個美國半導體生態系統建立長期的研發資源,使成熟的行業參與者、初創企業和學術界能夠在國內取得廣泛成功。幾十年來,計算機硬件創新和計算機軟件創新一直處於相對獨立的循環中。硬件供應商通過集成更多晶體管來製造更強大的處理器,而軟件供應商則編寫程序來執行客户的計算工作負載。
如今,該行業嚴重依賴新的「全棧」解決方案,以便更好地定製硬件和軟件,最終交付性能和效率更高的集成系統。事實證明,這種創新策略是有效的,但它需要參與者在整個計算棧和整個價值鏈中加強協作。其他地區(例如歐洲、日本、中國臺灣、新加坡、中國大陸等)已大力投資國家半導體研究聯盟,以促進此類創新,但美國的成功和進步速度將取決於我們能否利用新的環境、工具和基礎設施在國內擴大協作創新規模。
NSTC 成立的宗旨是「開展先進半導體技術的研究和原型設計,並發展國內半導體勞動力隊伍,以增強國內供應鏈的經濟競爭力和安全性」(15 U.S.C. 4656(c))。國會指示 NSTC 以「公私合作聯盟」的形式運作,私營部門和聯邦研究機構均參與其中。爲了確保 NSTC 的長期成功並獲得持續的行業支持,其運作必須持續響應行業技術優先事項。
美國商務部指定 Natcast(美國國家半導體技術進步中心)作為專門的非營利組織,負責運營 NSTC,並通過一項長期資助協議提供 63 億美元資金。NSTC 的三大總體目標是:
• 擴大美國的技術領先地位;
• 減少原型設計和製造的時間和成本;
• 建立並維持半導體勞動力發展生態系統。
作為公私合作項目,NSTC 的工作由美國商務部和由半導體供應鏈各環節頂尖技術專家組成的專家技術顧問委員會共同指導。爲了提供實現這些目標所需的基礎設施,NSTC 正在建設三個主要設施,下文將簡要介紹。更詳細的描述請參見附錄二。
1. 原型設計和先進封裝試點設施:NSTC 致力於將新型製造和先進封裝技術規模化,使其具備商業應用價值,並促進「實驗室到工廠」的轉型。新技術通常始於學術界,並以小規模和低產量進行演示。一旦概念驗證完成,就必須開展大量的開發工作,使技術成熟,以便在商業市場中部署。事實上,如果不將晶圓送入完全集成的製造流程並測量其整體性能,就無法評估一項新技術的價值。原型設計和先進封裝試點設施將為這一能力提供完整、集成的製造流程。該設施將位於亞利桑那州立大學研究園區。初步計劃於2026年在亞利桑那州立大學啟動,新設施將於2028年底竣工。
2. EUV加速器:極紫外 (EUV) 光刻技術已被證明是製造先進半導體不可或缺的重要工具,EUV光刻技術(以及其繼任者高數值孔徑 (NA) EUV光刻技術)的持續發展對於行業跟上尖端製造技術的發展至關重要。同時,相關行業中支持光刻技術的領域也必須同步推進其技術發展。國家半導體技術委員會 (NSTC) EUV加速器的任務是讓這一重要工具的使用更加普及,並支持整個行業共同開發創新,更快地將新的EUV技術推向市場。該設施預計將於2025年夏季投入使用。
3.設計協作設施 (DCF:Design Collaboration Facility):確定晶圓上數十億個晶體管的佈局以執行大規模計算工作是一項極其複雜的任務。半導體價值鏈的設計環節包括開發電子設計自動化 (EDA) 軟件的公司、組裝設計模塊庫以用於芯片設計的 IP 提供商,以及使用 EDA 軟件和 IP 模塊設計完整芯片系統的無晶圓廠公司。DCF 將支持設計研發,並配備一個全新的「設計使能網關」,通過集中訪問 EDA 軟件和數據庫,降低芯片初創企業的門檻。通過利用國家半導體技術委員會 (NSTC) 及其成員的集體購買力,DCF 將加快研發進度,並顯著降低與實驗芯片和架構的設計和開發相關的不斷增長的成本。該設施預計將於2025年夏季投入使用。
與其他旨在支持在《芯片法案》授權到期前到期的定期研究計劃的芯片研發項目不同,NSTC的使命和活動旨在超越《芯片法案》,並長期獲得私營部門資金的支持。儘管在制定技術議程方面仍有大量工作要做,但NSTC正在啟動長期項目和架構,以在未來數十年內成為半導體行業研究聯盟。
SMART USA(基於孿生技術的半導體制造高級研究機構)是一家新成立的美國製造業研究所,旨在推動美國半導體產業價值鏈中的數字孿生技術發展。數字孿生是物理系統的虛擬表示,並保持實時連接。這種架構使工程師能夠虛擬地(使用真實數據流)模擬和優化流程,然后將結果直接應用於物理系統,而無需像物理試驗那樣受到資源密集度和時間限制。最終,數字孿生技術能夠賦能數字領域的更多創新,利用人工智能降低開發成本,並加速技術上市,領先於全球競爭對手。
數字孿生可以在多個層面創建。單個製造步驟可以進行孿生,以快速優化晶圓加工條件。在更廣泛的層面上,可以對製造流程中的關鍵「層」(用於圖案化特徵的少數相關步驟)進行孿生,以瞭解如何協同優化這些步驟,從而形成更好的芯片。整個晶圓廠也可以進行孿生,以優化整個工廠的運營。通過在這些不同層面創建數字孿生,SMART USA 的目標是將美國芯片研發和製造成本降低 40% 以上,並將開發周期縮短 35% 以上。
SMART USA 研究所的主要舉措包括:
通過這些舉措,SMART USA 成員將為行業打造美國首個安全、經過驗證且可互操作的數字孿生庫。這些數字孿生庫將使人工智能和高性能計算能夠直接在晶圓廠車間集成,並促進製造商、設備供應商和供應商之間的實時協作,從而打造一個更加敏捷、高效和創新的行業。
除了 2.85 億美元的聯邦資金外,SMART USA 還獲得了來自行業和學術合作伙伴超過 7 億美元的非約束性承諾,五年內總投資超過 10 億美元。SMART USA 將聯合美國頂尖研究人員和創新機構,共同致力於打造強大、有競爭力且可持續發展的國內半導體制造生態系統。
在芯片上圖案化更小特徵的能力,以及將多個芯片堆疊在一起實現三維異構集成的能力,有望提升半導體產品的性能。然而,鑑於行業對絕對精度的要求及其對誤差的極高容忍度,製造商依賴於快速、準確、精確地表徵新特徵並評估其產品價值的能力。
例如,隨着特徵尺寸的減小,我們工具的分辨率也必須降低,同時又不影響測量的保真度。此外,由於我們將多個元件堆疊在一起用於先進封裝應用,製造商必須能夠在將更多元件投入封裝之前驗證結構完整性和埋置界面處的粘附性等指標。
半導體計量是一門測量芯片物理特性和電氣特性的科學。 CHIPS計量項目正在進行一系列高影響力的投資,旨在提升行業對非破壞性工廠工藝以及實驗室工藝開發和故障分析進行關鍵測量的能力。
這些投資包括在NIST開發新工具功能的硬件項目,以及生成參考文獻、數據集和軟件庫等數字資產。爲了實現《CHIPS法案》的最終目標,計量項目正在激勵大學、聯邦實驗室的科學家、初創企業和企業,在國內推動世界領先的測量科學發展。
隨着半導體行業創新路徑的演變,美國的研究項目也必須隨之發展,才能在新的創新格局中引領潮流,並與全球挑戰者競爭。聯邦研究項目歷來能帶來顯著的投資經濟回報,而正在實施的半導體研究項目有望推動創新、提升競爭力,並增強美國的經濟和國家安全。
全球各地正在涌現出合作研究聯盟,以構建加速下一代微電子技術發展所需的協同效應。總而言之,芯片研發項目 (CHIPS) 正在努力為美國半導體行業打造基礎設施和能力,使其能夠參與全球競爭所需的合作和技術開發,並確保美國在未來技術領域的領先地位。爲了滿足新興的創新範式,聯邦政府資助的半導體研究項目對於增強美國半導體行業競爭力的整體戰略仍然至關重要。
隨着這些項目在初步進展的基礎上不斷發展,它們必須確保:
這些項目開局良好,與行業進一步合作將確保它們兑現推動美國半導體創新的承諾。
NAPMP 圍繞六大研發重點和一個集成設施構建。以下概述了各重點領域及其對半導體創新的重要性:
1.材料和基板:
將來自不同晶圓的一組組件集成在一起,使其能夠協同運行以處理計算工作負載,是一項艱鉅的挑戰。理想情況下,這些組件不會作為一組離散元件運行,而是作為一個單一系統運行,組件之間的界限模糊且無關緊要。數據和電源必須能夠在不同組件之間快速高效地傳輸。中介層是一種基板,其具有高度的電氣互連、熱管理材料和結構安裝硬件,這些硬件已沉積在基板上(玻璃、硅、有機),以便「芯片集」能夠更快速、更高效地集成。一般而言,連接不同組件的互連越多,組件之間的距離越「近」,這些組件就越能作為一個單一系統運行。
2.設備、工具和工藝:
需要新的工廠工裝來準備基板和中介層、安裝芯片/芯片集、在晶圓廠測量這些工藝以確保質量、封裝這些新系統以及建立電氣連接。
3.供電和熱管理:
在傳統的二維封裝中,熱量通過芯片頂部散熱,但隨着芯片集堆疊在一起,通過芯片集頂部散熱已不再可行。爲了防止芯片過熱,需要新的方法將廢熱從封裝中排出。
4.光子學和連接器:
傳統的半導體技術歷來以電子方式在整個系統中傳輸數據。然而,通過金屬線/連接器傳輸電子會產生大量廢熱,這可能會損壞組件。將數字電子信號轉換為模擬光子信號可以實現更快的數據傳輸(甚至可以同時通過單個連接器傳輸多個信號),而不會產生令人頭疼的熱量。這一進步為先進封裝帶來了重大機遇。
5.芯片集生態系統:
隨着先進封裝技術的發展,以及業界越來越擅長將各種芯片集集成到一個封裝中,專用芯片集的開發將有更多機會在芯片集市場中競爭。這些芯片集將涵蓋廣泛的用例和終端市場。
6.協同設計和電子設計自動化 (EDA):
先進封裝技術的出現顯著提升了設計自由度(例如堆疊、異構集成和更大的封裝尺寸)以及新封裝的選擇。EDA 軟件必須隨之發展,以優化這些新封裝的設計。
NSTC 正在建設三個主要設施,以提供推進大規模商業化技術試點和原型設計工作所需的基礎設施和能力。以下是每個設施的描述:
1. EUV 加速器
隨着先進邏輯處理器和存儲器技術的特徵尺寸不斷減小,業界開始在其本已宂長的製造流程中增加更多步驟,以便能夠對更小的晶體管進行圖案化(即多重圖案化光刻)。對於半導體制造商而言,這意味着在工廠生產過程中需要儲存更多庫存、添加工裝模塊、增加潔淨室面積以容納這些工具(這已經是建造這些工具中最昂貴的建築面積),以及需要更多技術人員和工程師來操作這些工具。而且,隨着製造流程步驟的增加,出錯的可能性也隨之增加——在一個以精確和不容差錯著稱的行業中——這會影響產量和盈利能力。 EUV 光刻技術的發展顯著減少了對多重圖案化的需求,簡化了製造流程,並提高了即使是最小特徵尺寸的良率,最終有助於提供更先進的芯片並實現企業可持續發展。
爲了使行業能夠跟上摩爾定律的步伐,製造出越來越小的晶體管特徵,EUV 光刻技術的持續進步至關重要。同時,支持光刻技術的相關行業也必須同步推進其技術發展。例如,必須開發能夠提供納米(甚至亞納米)長度尺度分辨率的新型光刻膠。一旦光刻膠開發完成,工具製造商必須設計出如何在晶圓表面非常均勻且薄地沉積新型光刻膠的技術。最后,計量公司需要弄清楚如何以行業要求的精度來測量所有這些參數。NSTC EUV 加速器將發揮關鍵作用,支持整個行業共同開發創新,並將新的 EUV 技術推向市場。
EUV加速器將落户奧爾巴尼納米技術中心,該中心將成為北美唯一一家擁有高數值孔徑 (NA) EUV光刻技術的公共研究中心。高數值孔徑 EUV 光刻技術的標價約為 3.5 億美元,是實現尖端處理器圖案化的關鍵和先進製造工具。NSTC 將通過這項前所未有的工具實現普及,為眾多美國初創企業提供寶貴的使用渠道,助力其在國內市場建立領導地位。此外,安置和維護這樣的工具成本高昂。將 EUV 加速器落户該中心,NSTC 找到了一種降低資本支出和加速此類資源利用的重要途徑。負責運營該中心的紐約州創新與技術中心 (NY CREATES) 預計將從 NSTC 獲得 8.25 億美元資金。該設施計劃於 2025 年夏季投入運營。
2. 設計與協作設施
確定晶圓上數十億個晶體管的佈局以執行復雜的計算工作負載是一項極其複雜的任務。半導體價值鏈的設計環節包括開發電子設計自動化 (EDA) 軟件的公司、組裝設計模塊庫以用於芯片設計的 IP 提供商,以及使用 EDA 軟件和 IP 模塊設計完整芯片系統的無晶圓廠公司。此外,該行業環節處於硬件提供商和軟件提供商之間的紐帶,對全棧創新至關重要。
NSTC 設計與協作設施將支持設計研發,並配備一個全新的「設計使能網關」,通過集中訪問 EDA 軟件和數據庫,降低芯片初創企業的門檻。通過利用 NSTC 及其成員的集體購買力,DCF 將加快研發進度,並顯著降低與實驗芯片和架構的設計和開發相關的不斷增長的成本。該設施還將成為國家半導體技術中心(NSTC)人才卓越中心的核心。該中心將投資2.5億美元,用於培養不同教育水平和學科的半導體人才(包括技術人員、工程師和研究人員),以解決芯片行業預計出現的人才短缺問題。這座由Natcast運營的設施還將容納NSTC的核心行政職能,該設施位於硅谷中心地帶,預計將於2025年投入運營。
3. 原型設計和先進封裝試點設施
NSTC還將在最先進的研發環境中,將新技術擴展到商業應用,並促進新材料、器件和先進封裝解決方案從實驗室到工廠的轉型。新技術通常始於學術領域,並以相對較小的規模和較低的產量進行演示。概念驗證完成后,必須進行大量的開發工作,使技術成熟,然后才能進入市場。例如,在半導體設備中,晶圓的均勻性、批次一致性、生產率以及許多其他問題都必須經過優化,才能將設備視為「成熟」。同時,新技術為晶圓帶來的價值必須與市場願意支付的價格相協調。研發團隊必須解決科學和經濟問題,才能證明新技術的合理性。通常,如果不將晶圓送入完整的集成製造流程並測量其整體性能,就無法正確評估其價值。
原型設計和先進封裝中試設施將提供開發和擴展技術以實現商業價值的能力,並將容納完整的集成製造流程,以便對技術進行充分驗證。該設施將位於亞利桑那州立大學研究園區。亞利桑那州立大學的初步活動將於2026年開始,新設施的建設將於2028年底完工並投入運營。儘管仍有大量工作要做,但NSTC已經吸引了近150家成員,其中包括領先的芯片公司和大學,並有望在未來幾年成為美國領先的半導體研究聯盟之一。
本文來自微信公眾號「半導體行業觀察」(ID:icbank),作者:SIA,36氪經授權發佈。