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來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察 編者按 編者按：近日，白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室 (OSTP)發(fā)布了一項新戰略，以加強美國的微電子研發(fā) (R&D) 創(chuàng )新生態(tài)系統。正如兩黨《美國芯片法案》所呼吁的那樣，國家微電子研究戰略概述了未來(lái)五年的主要目標和行動(dòng)。這些行動(dòng)將建立在拜登-哈里斯政府的工業(yè)戰略的基礎上，以振興國內制造業(yè)、創(chuàng )造高薪美國就業(yè)機會(huì )、加強供應鏈并幫助確保未來(lái)在半導體行業(yè)的領(lǐng)導地位，以促進(jìn)美國及其盟國和合作伙伴的安全與繁榮。 為此我們編譯了全文，給讀者參考。 簡(jiǎn)介 幾十年前，美國的創(chuàng )新激發(fā)了研究的進(jìn)步，造就了今天的半導體產(chǎn)業(yè)。這一產(chǎn)業(yè)是全球性的，支撐著(zhù)從健康到通信的方方面面，對美國的經(jīng)濟和安全至關(guān)重要。兩黨共同提出的《CHIPS 法案》所帶來(lái)的巨額投資為重振這一關(guān)鍵領(lǐng)域的國內制造業(yè)、加強微電子研發(fā)（R&D）創(chuàng )新生態(tài)系統提供了機遇，從而提升了美國在未來(lái)的競爭地位。 本《國家微電子研究戰略》提出了未來(lái)五年實(shí)現這些機遇所需的目標、關(guān)鍵需求和行動(dòng)。該戰略為聯(lián)邦部門(mén)和機構、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、非營(yíng)利組織以及國際盟友和合作伙伴提供了一個(gè)框架，以滿(mǎn)足關(guān)鍵需求并建立微電子研發(fā)基礎設施，從而支持未來(lái)半導體領(lǐng)域的發(fā)展。 正如本報告通篇所強調的那樣，正在進(jìn)行的大量 CHIPS 研發(fā)投資必須充分發(fā)揮杠桿作用，并與有助于微電子研發(fā)的各種現行計劃、活動(dòng)和資源相協(xié)調。在未來(lái)五年中，白宮和聯(lián)邦各部門(mén)及機構將共同努力，推進(jìn)四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的目標： 1 促進(jìn)和加快未來(lái)微電子技術(shù)的研究進(jìn)展 2 支持、建設和連接從研究到制造的微電子基礎設施 3 為微電子研發(fā)到制造生態(tài)系統培養和維持技術(shù)人才隊伍 4 創(chuàng )建一個(gè)充滿(mǎn)活力的微電子創(chuàng )新生態(tài)系統，加速研發(fā)向美國產(chǎn)業(yè)的過(guò)渡 第一個(gè)目標側重于若干領(lǐng)域的關(guān)鍵研究需求，這些領(lǐng)域是加快未來(lái)幾代微電子系統所需的進(jìn)步所必需的。研究領(lǐng)域包括：可提供新功能的材料；電路設計、模擬和仿真工具；新架構和相關(guān)硬件設計；先進(jìn)封裝和異構集成的工藝和計量；硬件完整性和安全性；以及將新創(chuàng )新成果轉化為生產(chǎn)的制造工具和工藝，這些研究領(lǐng)域需要使用專(zhuān)用工具和設備。 第二個(gè)目標的重點(diǎn)是支持、擴大和連接研究基礎設施，從小規模材料和器件級制造和表征，到原型設計、大規模制造以及高級裝配、封裝和測試。所需的工具包括軟件（包括設計工具）和商業(yè)規模的生產(chǎn)和計量硬件。國內半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將為全國提供更多的高薪工作機會(huì )。 目標三確定了支持學(xué)習者和教育者培養從研究到制造所需的技術(shù)人才的工作。 最后，第四個(gè)目標是著(zhù)眼于整個(gè)研發(fā)領(lǐng)域，提出了創(chuàng )建充滿(mǎn)活力的微電子創(chuàng )新生態(tài)系統的戰略和行動(dòng)，以加快新進(jìn)展向商業(yè)應用的過(guò)渡。主要工作不僅支持微電子技術(shù)發(fā)展途徑各階段的行動(dòng)，還將各種網(wǎng)絡(luò )和活動(dòng)連接起來(lái)，以建立微電子創(chuàng )新的良性循環(huán)。 這四個(gè)目標將在半導體產(chǎn)業(yè)的全球性質(zhì)背景下實(shí)現。與半導體制造供應鏈一樣，支持微電子創(chuàng )新生態(tài)系統的研究設施和人才也遍布世界各地。國際合作、貿易和外交是利用各種努力和資源、促進(jìn)人才流動(dòng)和研究合作、確保供應鏈安全的重要工具。 這一戰略的實(shí)施將帶來(lái)一個(gè)充滿(mǎn)活力的創(chuàng )新生態(tài)系統，加速新的研究突破，支持這些進(jìn)展向制造業(yè)的過(guò)渡，并為全美人民提供高薪工作。一個(gè)全面建設、四通八達的微電子研究基礎設施將為研究人員實(shí)現突破奠定基礎，并帶來(lái)良性的創(chuàng )新循環(huán)。培育和支持微電子創(chuàng )新將有助于確保未來(lái)在半導體行業(yè)的領(lǐng)先地位，從而促進(jìn)美國及其盟友和合作伙伴的安全與繁榮。 導言 微電子革命改變了社會(huì )�，F代生活的幾乎所有方面現在都依賴(lài)于半導體技術(shù)，包括通信、計算、娛樂(lè )、醫療保健、能源和交通。因此，微電子技術(shù)對美國的經(jīng)濟和國家安全至關(guān)重要。幾十年來(lái)，聯(lián)邦政府和私營(yíng)部門(mén)在硬件和軟件方面的研發(fā)投資推動(dòng)了半導體行業(yè)的快速創(chuàng )新。 在保持或降低成本和功耗要求的同時(shí)，不斷提高微電子性能和功能的激烈競爭推動(dòng)了更小和更密集集成的微電子元件的制造。這種微型化要求在材料、工具和設計方面不斷取得突破，使元件內的關(guān)鍵結構尺寸小到幾個(gè)原子。特征尺寸的縮小使數字信息存儲和處理能力大幅提高，同時(shí)，對通信、電源和傳感至關(guān)重要的模擬和非硅技術(shù)也取得了許多重大進(jìn)展。制造領(lǐng)域所需的進(jìn)步不僅得益于對研發(fā)的大量投資，還得益于對制造先進(jìn)集成電路和元件所需的制造和計量設備以及相關(guān)制造（"晶圓廠(chǎng)"）和封裝設施的開(kāi)發(fā)。這種規模制造的復雜性和成本--建立一個(gè)領(lǐng)先的硅制造廠(chǎng)現在需要花費數百億美元--促使了該行業(yè)的大幅整合。如今，全球只有三家公司在競爭制造最新一代的先進(jìn)邏輯器件。 2021 年 6 月，白宮發(fā)布了一份關(guān)于關(guān)鍵供應鏈（包括半導體制造和先進(jìn)封裝供應鏈）的報告--《建設有彈性的供應鏈，振興美國制造業(yè)，促進(jìn)基礎廣泛的增長(cháng)》。該報告指出，盡管總部設在美國的半導體公司占全球收入的近一半，但美國國內進(jìn)行的全球半導體制造份額已從 1990 年的 37% 下降到 12%，美國的封裝份額也下降到 3%。8 正如該報告所討論的，現代微電子制造是一個(gè)極其復雜的全球性過(guò)程，涉及數月內完成的數百個(gè)步驟，其中許多組件在多次穿越世界的過(guò)程中使用了國際專(zhuān)業(yè)技術(shù)和設施。報告認為，公共和私營(yíng)部門(mén)需要采取行動(dòng)，提高關(guān)鍵產(chǎn)品的國內制造能力，招募和培訓國內勞動(dòng)力，投資研發(fā)，并與美國的盟友和合作伙伴合作，共同加強供應鏈的復原力。 01 國家微電子研究戰略——目標和目的 目標 1. 推動(dòng)和加速未來(lái)微電子技術(shù)的研究進(jìn)展 1.1: 加速研究和開(kāi)發(fā)可提供新功能或增強功能的材料。 1.2: 提高電路設計、模擬和仿真工具的能力。 1.3: 開(kāi)發(fā)未來(lái)系統所需的各種強大的處理架構和相關(guān)硬件。 1.4: 開(kāi)發(fā)先進(jìn)封裝和異構集成的工藝和計量學(xué)。 1.5: 優(yōu)先考慮硬件的完整性和安全性，將其作為整個(gè)堆棧協(xié)同設計戰略的一個(gè)要素。 1.6：投資研發(fā)制造工具和工藝，以支持將創(chuàng )新成果轉化為適合生產(chǎn)的制造工藝。 目標 2. 支持、構建和連接從研究到制造的微電子基礎設施 2.1: 支持設備級研發(fā)制造和表征用戶(hù)設施的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )。 2.2: 讓學(xué)術(shù)界和小型企業(yè)研究人員有更多機會(huì )利用靈活的設計工具和晶圓級制造資源。 2.3: 為研究人員獲取關(guān)鍵功能材料提供便利。 2.4：擴大利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )基礎設施進(jìn)行建模和模擬的機會(huì )。 2.5: 支持先進(jìn)的研究、開(kāi)發(fā)和原型設計，縮小實(shí)驗室到實(shí)驗室之間的差距。2.6: 支持先進(jìn)的組裝、封裝和測試。 目標 3. 為微電子研發(fā)到制造生態(tài)系統培養和維持技術(shù)人才隊伍 3.1: 支持與微電子學(xué)相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)學(xué)科的學(xué)習者和教育者。 3.2: 促進(jìn)公眾對微電子技術(shù)的切實(shí)參與，提高對半導體行業(yè)職業(yè)機會(huì )的認識。 3.3: 培養一支具有包容性的當前和未來(lái)的微電子人才隊伍。 3.4: 建設和推動(dòng)微電子研究與創(chuàng )新能力。 目標 4. 創(chuàng )建一個(gè)充滿(mǎn)活力的微電子創(chuàng )新生態(tài)系統，加速研發(fā)向美國產(chǎn)業(yè)的過(guò)渡 4.1: 支持、建立和協(xié)調各中心、公私合作伙伴關(guān)系和聯(lián)盟，以深化微電子生態(tài)系統中各利益相關(guān)方之間的合作。 4.2: 參與并利用 CHIPS 工業(yè)咨詢(xún)委員會(huì )。 4.3: 根據研發(fā)路線(xiàn)圖和重大挑戰，激勵和調整微電子界的關(guān)鍵技術(shù)挑戰。 4.4: 促進(jìn)學(xué)術(shù)、政府和行業(yè)交流，擴大對需求和機遇的了解。 4.5: 通過(guò)有針對性的計劃和投資，支持創(chuàng )業(yè)、初創(chuàng )企業(yè)和早期企業(yè)。 02 微電子技術(shù)已成為日常生活中許多方面必不可少的技術(shù) 半導體對美國的經(jīng)濟和國家安全至關(guān)重要，并已成為日常生活中許多方面的必需品。這里描述的例子包括汽車(chē)、醫療保健、航空航天、虛擬現實(shí)、金融系統、電子商務(wù)、太空衛星、國防、能源、計算、農業(yè)和電信。隨著(zhù)微電子設備的普及，對其關(guān)鍵性能的要求也越來(lái)越多樣化，這就要求與摩爾定律所體現的特征尺寸的傳統擴展方式不同。例如，衛星應用的要求包括經(jīng)過(guò)驗證的輻射加固技術(shù)，超級計算機最大限度地提高性能和速度，但傳感器等邊緣設備可能會(huì )優(yōu)先考慮低功耗。這些針對特定應用的要求正在推動(dòng)微電子技術(shù)的日益多樣化，而異構集成和芯片組等方法將促進(jìn)和推動(dòng)微電子技術(shù)的多樣化。 白宮供應鏈報告強調了半導體行業(yè)對美國經(jīng)濟的重要性，2022 年，半導體行業(yè)在美國出口銷(xiāo)售總額中排名第五。9聯(lián)邦政府也是微電子的重要消費者，它必須能夠獲得可信和可靠的微電子，以實(shí)現通信、導航、傳感、關(guān)鍵基礎設施、公共衛生和國家安全等基本功能。微電子技術(shù)是各種新興技術(shù)的基礎，包括量子信息科學(xué)、人工智能、先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )（6G 及以上）、安全可靠的醫療保健技術(shù)以及應對氣候危機所需的清潔能源和節能技術(shù)。 03 芯片上的 ENIAC 為了說(shuō)明計算技術(shù)在尺寸和規模上的重大變化，學(xué)生們設計并制作了 "芯片上的 ENIAC"，以慶祝第一臺可編程電子通用數字計算機 "電子數字積分器和計算機（ENIAC：Electronic Numerical Integrator and Computer）"誕生 50 周年。ENIAC 包含 18,000 多個(gè)真空管，高約 8 英尺，深約 3 英尺，長(cháng)約 100 英尺，重達 30 多噸。如左圖所示，ENIAC 是通過(guò)電纜和開(kāi)關(guān)手工編程的。右圖描述的是 1995 年使用 0.5 微米互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術(shù)重現 ENIAC 的芯片，用晶體管取代了真空管。如果采用今天的技術(shù)，該芯片的體積將縮小約 1000 倍。在性能方面，ENIAC 的浮點(diǎn)運算速度約為每秒 500 次（FLOPS），而現在橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室的 Frontier 超級計算機的浮點(diǎn)運算速度已超過(guò) 1,500,000,000,000,000（1,000,000,000,000,000 FLOPS）。 正是由于該行業(yè)對國家經(jīng)濟和安全的重要性，兩黨共同制定了《2022 年 CHIPS 法案》（《2022 年 CHIPS 和科學(xué)法案》A 分部），并撥款 520 多億美元用于發(fā)展國家半導體制造基地和加速微電子研發(fā)。此外，最近的幾份報告也強調了該行業(yè)的重要性。例如，在 2018 年的一份評估報告中，美國國防部（DOD）指出了微電子供應鏈面臨的威脅，以及多個(gè)關(guān)鍵國防部門(mén)的相關(guān)研發(fā)和制造問(wèn)題。2020-2023 年，國會(huì )研究服務(wù)部（CRS）研究了半導體行業(yè)面臨的技術(shù)挑戰、國內和全球供應鏈、為國家安全提供安全可信的半導體生產(chǎn)、相關(guān)聯(lián)邦政策和研究投資，以及應對這些挑戰的可能立法。國家安全委員會(huì )關(guān)于人工智能（AI）的最終報告指出，要保持國家在人工智能領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，就必須在國內建立半導體工廠(chǎng) 。 04 晶體管到底有多��？ 下面的圖片顯示了晶體管與螞蟻相比的大小。螞蟻圖片周?chē)膱A圈直徑為 2 毫米（mm），即 0.002 米。下一張圖片是用掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝的螞蟻眼睛，直徑約為 150 微米（µm），即 0.00015 米。第三張圖片是螞蟻眼睛上的一根毛發(fā)。圓圈直徑為 20 微米。第四張圖片是毛發(fā)的掃描電鏡特寫(xiě)圖片，顯示了毛發(fā)上的溝槽。直徑為 1 微米（或一千納米）。頂部的電子顯微鏡圖像顯示了集成電路晶體管的橫截面，說(shuō)明現代集成電路晶體管可以安裝在螞蟻眼睛毛發(fā)的溝槽中。該圖像的直徑僅為 50 納米。 
微電子研發(fā)對于繼續推進(jìn)技術(shù)和系統發(fā)展，實(shí)現加強國內制造和降低供應鏈風(fēng)險的長(cháng)期目標至關(guān)重要。此外，聯(lián)邦信息征詢(xún)書(shū)（RFIs） 的意見(jiàn)、利益相關(guān)者的建議以及來(lái)自公共和私營(yíng)部門(mén)的多份其他報告都清楚地表明，強大、創(chuàng )新的國內研發(fā)工作對美國未來(lái)的競爭力和安全至關(guān)重要。綜上所述，從這些資源中可以看出一系列關(guān)鍵的研發(fā)趨勢和機遇： 設備及其應用的多樣性不斷增長(cháng)，超越了傳統的處理器和存儲器，這就要求在多種規模和類(lèi)型的信息系統中，在數據的生成、通信、存儲和處理方面進(jìn)行創(chuàng )新。 微電子技術(shù)對信息技術(shù)以外的領(lǐng)域至關(guān)重要，預計在電源管理、醫療設備和傳感等領(lǐng)域將有巨大的增長(cháng)。 全面的 "全棧 "研發(fā)方法為提高設備和系統的性能、可靠性和安全性提供了機會(huì )。盡管人們的注意力主要集中在基礎器件的設計和擴展上，但未來(lái)在制造、計量、測試、驗證和確認、異構集成和先進(jìn)封裝方面也將面臨重大挑戰。此外，挑戰不僅限于硬件：器件、設計和制造、電路和系統集成的進(jìn)步需要計算機體系結構、軟件和應用層的同步創(chuàng )新。 集成設計提供了一種加速創(chuàng )新的方法。此外，它還能確保從一開(kāi)始就捕捉到關(guān)鍵的系統屬性，并在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期中加以考慮，包括性能、可靠性、能效和安全性。 美國的微電子研究生態(tài)系統在基礎研究和早期應用研究方面依然表現出色，但需要對國內基礎設施進(jìn)行更多投資，重新重視制造科學(xué)與工程，并培養一支靈活的勞動(dòng)力隊伍，以便將創(chuàng )新成果高效地轉化為產(chǎn)業(yè)成果。 以可承受的價(jià)格快速獲得設計和原型制作能力，將使國內創(chuàng )新更快地從研發(fā)過(guò)渡到制造。從器件規模到晶圓規模，無(wú)論是接近或處于前沿工藝節點(diǎn)，還是對于模擬和非硅技術(shù)非常重要的更成熟節點(diǎn)，都需要具備相應的能力。學(xué)生和研究人員需要獲得這些能力，以進(jìn)行體驗式勞動(dòng)力培訓。 獲得準備充分的人才是整個(gè)價(jià)值鏈面臨的重大挑戰，需要短期和長(cháng)期的解決方案。要使美國成為吸引高需求領(lǐng)域優(yōu)秀外國人才的磁鐵，就需要有受歡迎的途徑。需要改進(jìn)課程和外聯(lián)工作，發(fā)展和擴大公平、包容和多樣化的國內科學(xué)、技術(shù)、工程和數學(xué)（STEM）人才庫，為微電子研發(fā)和半導體行業(yè)提供支持。 要確保整個(gè)創(chuàng )新生態(tài)系統取得成功，就必須與盟友和合作伙伴進(jìn)行強有力的合作。半導體產(chǎn)業(yè)是全球性的，任何國家都無(wú)法單獨匯集技術(shù)、供應鏈和專(zhuān)業(yè)知識來(lái)支持尖端研發(fā)和制造�？萍纪饨粚⑹俏擞押秃献骰锇榈闹匾ぞ�。 提高微電子的能效對于可持續發(fā)展越來(lái)越重要。微電子使用的快速增長(cháng)和能效提高的同步放緩正在帶來(lái)新的經(jīng)濟和環(huán)境風(fēng)險。為了降低這些風(fēng)險，微電子研發(fā)投資必須關(guān)注能源效率和整個(gè)生命周期的可持續性，包括減少能源消耗。 為降低這些風(fēng)險，微電子研發(fā)投資必須注重能源效率和整個(gè)生命周期的可持續性，包括減少使用稀缺材料或對環(huán)境有害的材料。 保護知識產(chǎn)權對于確保美國產(chǎn)業(yè)獲得經(jīng)濟效益以維持私人研發(fā)投資至關(guān)重要。必須保護美國本土開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵知識產(chǎn)權，同時(shí)提高在合作中適當共享信息的能力。應用研究旨在提供技術(shù)判別因素，使微電子制造商在市場(chǎng)上獲得戰略?xún)?yōu)勢。必須實(shí)施并有效執行保障措施（如網(wǎng)絡(luò )安全、知識產(chǎn)權執法等），以確保關(guān)鍵創(chuàng )新不會(huì )在無(wú)意中或不適當地受到侵犯。 05 什么是 "堆棧"？ 在本報告中，"堆棧 "或 "全堆棧 "指的是組成右圖所示完整微電子系統所需的全部科學(xué)技術(shù)要素，從最基本的硬件（如材料和電路）一直到高級軟件及其應用。(背景圖片為最先進(jìn)芯片的橫截面。圖片來(lái)源：NIST）。
這些趨勢和機遇為本文件中提出的目標、需求和戰略提供了依據，這些目標、需求和戰略旨在通過(guò)合作研究、利用先進(jìn)的基礎設施以及整個(gè)微電子研發(fā)企業(yè)的共同設計文化來(lái)加快創(chuàng )新和轉化的步伐。必須重點(diǎn)發(fā)展和維持一個(gè)充滿(mǎn)活力、相互聯(lián)系的微電子生態(tài)系統，以確保美國在這一重要領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。 微電子創(chuàng )新生態(tài)系統 微電子創(chuàng )新生態(tài)系統非常復雜，是資本、知識和研發(fā)極其密集的產(chǎn)業(yè)。目前，全球尖端微電子制造僅依賴(lài)于少數幾家公司，研究人員利用先進(jìn)工藝的機會(huì )十分有限。不需要大批量生產(chǎn)的學(xué)術(shù)界、政府和產(chǎn)業(yè)界研究人員獲得推進(jìn)研發(fā)前沿所需的能力有限，這極大地限制了他們開(kāi)發(fā)創(chuàng )新并將其過(guò)渡到前沿制造的能力。獲得尖端能力的機會(huì )有限也限制了為勞動(dòng)力發(fā)展提供體驗式培訓的機會(huì )。CHIPS 法案的投資旨在解決這些問(wèn)題。 除了當前 CMOS 技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢之外，微電子行業(yè)還面臨著(zhù)與創(chuàng )新步伐加快以及學(xué)術(shù)界、能源部 (DOE) 國家實(shí)驗室和其他聯(lián)邦政府資助的研發(fā)中心 (FFRDC)、非營(yíng)利性實(shí)驗室、政府機構和大小公司所涌現的多樣化技術(shù)爆炸性增長(cháng)相關(guān)的深刻變化。需要建立并加強將新的研究進(jìn)展轉化為應用的有效途徑，以確保美國從研發(fā)投資中獲益，并確保關(guān)鍵知識產(chǎn)權 (IP) 可用于國內制造。此外，隨著(zhù)制造業(yè)面臨新的挑戰，必須將這些技術(shù)需求反饋給研究界。 作為國家研發(fā)生態(tài)系統的一部分，有 20 多個(gè)聯(lián)邦機構為研發(fā)提供資金，活動(dòng)的性質(zhì)由各機構的任務(wù)決定2商務(wù)部 (DOC)、美國國家航空航天局 (NASA)、美國國家科學(xué)基金會(huì ) (NSF)、國土安全部 (DHS)、衛生與公眾服務(wù)部 (HHS)、國防部、能源部和其他聯(lián)邦機構既支持校內研發(fā)（在政府設施和能源部國家實(shí)驗室內進(jìn)行），也支持校外研發(fā)（由學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和其他組織通過(guò)贈款、合同和其他協(xié)議進(jìn)行）。聯(lián)邦研究資金所支持的研發(fā)活動(dòng)范圍廣泛，這就要求對所開(kāi)發(fā)的知識產(chǎn)權加以保護，防止無(wú)意、強迫或脅迫的技術(shù)轉讓。各機構還通過(guò)各種機制支持各級教育的勞動(dòng)力發(fā)展，包括支持正規和非正規學(xué)習、實(shí)習和獎學(xué)金；課程開(kāi)發(fā)；以及協(xié)調努力，擴大對科學(xué)、技術(shù)、工程和數學(xué)的參與。雖然每個(gè)機構都有以任務(wù)為導向的優(yōu)先事項，決定了其微電子相關(guān)研究的重點(diǎn)，但正如下文和本戰略通篇所討論的那樣，目前有多種機構間機制來(lái)協(xié)調研發(fā)優(yōu)先事項和計劃，并確保研究成果的共享，實(shí)現互利。 在微電子創(chuàng )新生態(tài)系統中，聯(lián)邦資金的一個(gè)重要組成部分是對技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中基礎設施的支持。對于早期階段的研究，學(xué)術(shù)機構、政府設施、能源部國家實(shí)驗室和其他 FFRDCs 都有許多設施，特別是用于材料和器件制造與表征的設施。聯(lián)邦投資的另一個(gè)領(lǐng)域是網(wǎng)絡(luò )基礎設施，包括建模、模擬和數據。與 "國家納米技術(shù)計劃"（NNI：National Nanotechnology Initiative ） 相連的幾個(gè)用戶(hù)設施網(wǎng)絡(luò )為學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府的研究人員提供了使用支持微電子研發(fā)的成套工具和科學(xué)專(zhuān)業(yè)知識的機會(huì )。這些設施極大地拓寬了小型企業(yè)和機構研究人員的參與范圍，而這些企業(yè)和機構自己是無(wú)法購買(mǎi)這些設備的。這有助于實(shí)現需要專(zhuān)業(yè)設施和設備的創(chuàng )新的民主化，特別是在半導體研發(fā)和制造方面。 一旦在設備層面實(shí)現了概念驗證，由于缺乏必要的先進(jìn)開(kāi)發(fā)能力，創(chuàng )新在當前的美國生態(tài)系統中往往會(huì )受到阻礙。需要對國內材料供應、設計、制造和封裝能力進(jìn)行投資，以解決實(shí)驗室到制造（實(shí)驗室到制造）之間的差距。需要進(jìn)行投資，以支持和維持新設備和架構的先進(jìn)原型和放大，以及相關(guān)的制造和計量?jì)x器，并配合所需的軟件和應用設計。此外，研究人員和學(xué)生利用這些能力將為擴大國內微電子人才隊伍提供實(shí)踐經(jīng)驗培訓。 2021 年《美國 CHIPS 法案》授權多項計劃幫助彌合實(shí)驗室到實(shí)驗室之間的差距，而 2022 年《CHIPS 法案》則為這些計劃撥款。2021 年美國 CHIPS 法案》第 9903 節授權國防部建立國家微電子研發(fā)網(wǎng)絡(luò )，以實(shí)現美國微電子創(chuàng )新從實(shí)驗室到工廠(chǎng)的過(guò)渡。第9906節指示國防部建立一個(gè)國家半導體技術(shù)中心，以開(kāi)展先進(jìn)半導體技術(shù)的研究和原型開(kāi)發(fā)；在NIST建立一個(gè)微電子研究計劃，以開(kāi)展半導體計量研究和開(kāi)發(fā)；建立一個(gè)國家先進(jìn)封裝制造計劃，以加強半導體先進(jìn)測試、組裝和封裝能力；以及最多三個(gè)專(zhuān)注于半導體制造的美國制造研究所。 在更廣泛的美國研發(fā)生態(tài)系統中，全國各地有許多地區性創(chuàng )新中心，由產(chǎn)業(yè)集群組成，輔以聯(lián)邦政府支持的學(xué)術(shù)中心，通常側重于特定技術(shù)和/或地方研究?jì)?yōu)勢。這些地方中心是寶貴的國家資源，確保它們與包括微電子在內的整個(gè)研發(fā)生態(tài)系統的其他要素良好結合，將加強國家創(chuàng )新基礎。 美國半導體行業(yè)在研發(fā)方面投入巨大，預計 2022 年將達到近 600 億美元。為了保持其世界領(lǐng)先的研發(fā)支出，美國公司必須有機會(huì )進(jìn)入外國市場(chǎng)，憑借卓越的技術(shù)參與競爭并取得勝利。貿易政策必須保護美國公司在全球市場(chǎng)不受歧視。與盟友和合作伙伴的合作和協(xié)調將有助于解決國家安全問(wèn)題，并幫助美國公司在激烈的全球技術(shù)領(lǐng)先競爭中站穩腳跟。 白宮和聯(lián)邦各部門(mén)及機構認識到，開(kāi)放是研發(fā)領(lǐng)先的基礎，國際人才流動(dòng)對全球企業(yè)的成功至關(guān)重要。然而，正如《第 33 號國家安全總統備忘錄實(shí)施指南》（NSPM-33）中所明確指出的，美國政府及其合作伙伴必須加強研發(fā)保護，防止外國政府的干預和利用，盡職盡責地保護知識資本和財產(chǎn)。保護措施可包括：改進(jìn)基于風(fēng)險的研究合作和擬議外國投資評估流程；美國專(zhuān)家積極參與國際標準組織；在研究安全方面與國際合作伙伴進(jìn)行更密切的協(xié)調；以及在整個(gè)微電子研發(fā)界開(kāi)展有關(guān)該主題重要性的宣傳和教育活動(dòng)。 全政府方法 認識到微電子技術(shù)對我們的健康、環(huán)境、經(jīng)濟和國家安全的重要作用，美國政府正在采取整體行動(dòng)，以保持和提升美國及其盟國在這一重要領(lǐng)域的全球領(lǐng)導地位。2022 年 8 月 25 日，拜登總統發(fā)布了《關(guān)于實(shí)施 2022 年 CHIPS 法案的行政命令》，確定了實(shí)施的優(yōu)先事項，并成立了 CHIPS 實(shí)施指導委員會(huì )，以協(xié)調政策制定，確保在行政部門(mén)內有效實(shí)施該法案。指導委員會(huì )由白宮科技政策辦公室（OSTP）、國家安全委員會(huì )（NSC）和國家經(jīng)濟委員會(huì )（NEC）的主任共同主持，成員包括國務(wù)院、財政部、國防部、商務(wù)部、勞工部和能源部的部長(cháng)；管理和預算辦公室（OMB）主任；小企業(yè)管理局局長(cháng)、國家情報局局長(cháng)、總統國內政策助理、經(jīng)濟顧問(wèn)委員會(huì )主席、國家網(wǎng)絡(luò )總監、國家科學(xué)基金會(huì )主任以及國家標準與技術(shù)研究所所長(cháng)。該委員會(huì )確保對整個(gè)政府正在進(jìn)行的工作和投資的了解，并協(xié)調內閣層面的政策制定。 根據《2021 財年威廉-麥克-索恩伯里國防授權法案》第 9906(a)條，OSTP 在國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì )下設立了微電子領(lǐng)導力小組委員會(huì )（SML）。小組委員會(huì )成員包括商務(wù)部、國防部、能源部、衛生與公眾服務(wù)部、國家科學(xué)基金會(huì )、國務(wù)院、國土安全部和國家情報局局長(cháng)辦公室。代表白宮的部門(mén)包括：OSTP、OMB、NEC、NSC 和美國貿易代表辦公室。 同樣根據第 9906(a)條，小組委員會(huì )負責制定本《國家微電子研究戰略》；協(xié)調與微電子有關(guān)的研究、開(kāi)發(fā)、制造和供應鏈安全活動(dòng)以及聯(lián)邦機構的預算；并確保這些活動(dòng)與本戰略保持一致。作為負責協(xié)調未來(lái)十年微電子工作的機構，SML 正在制定結構框架和活動(dòng)，以最好地發(fā)揮這一作用，包括建立以教育和勞動(dòng)力發(fā)展以及國際參與為重點(diǎn)的工作組。各參與機構正在利用各自的權力推動(dòng)研發(fā)工作，促進(jìn)支持美國產(chǎn)業(yè)的政策，保護知識產(chǎn)權，確保國內獲得安全的微電子技術(shù)。各機構還共同支持改善 STEM 教育和提高 STEM 領(lǐng)域參與度的活動(dòng)，以及培訓和擴大各級微電子人才隊伍的活動(dòng)。聯(lián)邦政府正在與盟友和合作伙伴接觸和合作，以加強全球微電子創(chuàng )新生態(tài)系統和安全供應鏈。在白宮的協(xié)調下，這些努力不僅將促進(jìn)新的研究進(jìn)展，推動(dòng)微電子創(chuàng )新，還將幫助這些進(jìn)展向制造業(yè)過(guò)渡，為全美國人民提供高薪工作。 正如以下各節所詳述的，白宮和聯(lián)邦各部門(mén)和機構將與學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、非營(yíng)利組織以及國際盟友和合作伙伴共同努力，為未來(lái)微電子技術(shù)的研究進(jìn)展提供動(dòng)力；建立最佳實(shí)踐，確保高效、負責任地執行研發(fā)工作；支持和連接微電子研究基礎設施；擴大、培訓和支持多樣化的勞動(dòng)力隊伍；以及促進(jìn)研發(fā)工作向產(chǎn)業(yè)的快速過(guò)渡。 目標1 促進(jìn)和加快未來(lái)微電子技術(shù)的研究進(jìn)展 聯(lián)邦政府支持的研發(fā)工作在為微電子技術(shù)的進(jìn)步奠定基礎，以及培養設計、制造和應用開(kāi)發(fā)所需的研究人員和熟練技術(shù)人員方面發(fā)揮了重要作用。微電子技術(shù)的日益多樣化和創(chuàng )新步伐的加快，以及全球制造和供應鏈面臨的日益增長(cháng)的風(fēng)險，都要求聯(lián)邦政府重新重視研發(fā)投資，以改變這些發(fā)展軌跡，確保國家未來(lái)的健康、經(jīng)濟領(lǐng)先地位和安全。要想取得成功，就必須制定戰略，讓研發(fā)生態(tài)系統的所有部門(mén)都參與進(jìn)來(lái)，并充分利用教育、勞動(dòng)力、制造業(yè)、貿易以及地區經(jīng)濟發(fā)展的努力和政策。聯(lián)邦機構必須與產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界以及合作伙伴和盟友合作，通過(guò)合作研究、利用先進(jìn)的基礎設施以及整個(gè)微電子研發(fā)企業(yè)的共同設計文化，加快創(chuàng )新和轉化的步伐。 在過(guò)去的六十年里，計算能力和能源效率取得了令人難以置信的進(jìn)步，這在一定程度上得益于持續的微型化（材料、設計、計量學(xué)和制造領(lǐng)域的同步進(jìn)步為其提供了支持）。然而，隨著(zhù)最小器件特征尺寸接近原子尺度，晶體管的這種擴展趨勢不可能無(wú)限期地持續下去。此外，一些新興應用需要異質(zhì)器件和材料。因此，半導體行業(yè)已進(jìn)入一個(gè)快速而深刻的變革時(shí)期，僅靠硅基器件的不斷微型化已無(wú)法維持性能的提升。 例如： 數據的爆炸式增長(cháng)和機器學(xué)習（ML）帶來(lái)的人工智能的出現，推動(dòng)了 "內存計算 "和其他新型內存密集型和以?xún)却鏋橹行牡募軜嫷陌l(fā)展，這些架構有望克服 "馮-諾依曼瓶頸"--在獨立的內存和計算元件之間來(lái)回傳輸數據所造成的能效低下和高延遲。 隨著(zhù)芯片內和芯片間數據傳輸速率的提高，以前僅用于光纖長(cháng)距離鏈路的光子互聯(lián)技術(shù)正與電子器件集成在先進(jìn)的封裝中，以高效地傳輸數據。 材料和器件方面的進(jìn)步使得利用毫米波和太赫茲系統進(jìn)行超高頻自由空間通信成為可能。 先進(jìn)的光子技術(shù)有望提供專(zhuān)用的人工智能/機器學(xué)習（AI/ML）硬件，以低功耗和超高速運行。 一、自第一臺數字計算機問(wèn)世以來(lái)微電子器件規模的巨大進(jìn)步 本圖展示了集成電路或芯片上元件數量隨時(shí)間推移而發(fā)生的變化，以及促成不同進(jìn)展浪潮的一些技術(shù)創(chuàng )新。作為參考，第一臺使用真空管制造的可編程電子通用數字計算機 ENIAC 是 1945 年的第一點(diǎn)。第一個(gè)晶體管于 1947 年發(fā)明，由鍺制成，長(cháng)約 1 厘米。第一個(gè)硅晶體管在幾年后問(wèn)世。第一塊硅集成電路于 1959 年底問(wèn)世。20 世紀 60 年代初，隨著(zhù)第一個(gè)金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）集成電路的發(fā)明，元件的數量開(kāi)始成倍增長(cháng)。每當進(jìn)展放緩時(shí)，制造科學(xué)、材料和器件設計方面的進(jìn)步都會(huì )為這一領(lǐng)域重新注入活力。在第一波浪潮中，晶體管（這些芯片的基本構件）尺寸的縮小直接導致了芯片上元件數量的急劇增加和單個(gè)晶體管成本的大幅降低--摩爾定律就是在這種情況下產(chǎn)生的。最初的平面集成電路從小規模集成（SSI）到中大規模集成（MSI）到大規模集成（LSI）再到超大規模集成（VLSI）。在第二次浪潮中，新材料的引入，包括從鋁到銅互連的過(guò)渡，提高了速度、功率和可靠性，并使晶體管尺寸進(jìn)一步縮小。第三次浪潮始于使用鰭式場(chǎng)效應晶體管（FinFET）的平面晶體管向三維（3D）晶體管的過(guò)渡，從而實(shí)現了更高的性能提升和持續的微型化。由于縮小晶體管尺寸的技術(shù)（目前只有幾個(gè)原子寬）已達到物理極限，因此需要采取新的策略。我們正處于 "第四波微電子浪潮 "的起點(diǎn)，告別了器件縮放的時(shí)代，進(jìn)入了一個(gè)由異構技術(shù)和三維器件集成創(chuàng )新驅動(dòng)更高性能的時(shí)代。在繼續努力縮小晶體管尺寸的同時(shí)，必須開(kāi)發(fā)新的工具、制造方法和電路架構，以實(shí)現持續進(jìn)步。
電子設計自動(dòng)化（EDA）領(lǐng)域正在發(fā)生一場(chǎng)革命，包括人工智能/ML、云平臺和設計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）的應用，這將使設計人員能夠更快、更可靠地創(chuàng )建更加復雜的集成電路，并針對幾乎所有可以想象到的應用進(jìn)行優(yōu)化。這些電路將極大地提高速度和效率，并影響從數據中心到邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等各個(gè)信息技術(shù)領(lǐng)域的性能。 目前正在部署針對特定應用優(yōu)化性能的異構和特定領(lǐng)域計算架構，以加快解決問(wèn)題的速度。 隨著(zhù)微機電系統（MEMS）與處理和智能的集成，它們正變得越來(lái)越復雜和強大。 在將半導體系統與生物分子、生物、神經(jīng)形態(tài)和生物啟發(fā)系統集成方面正在取得進(jìn)展，這些系統有朝一日可能會(huì )在能效方面帶來(lái)前所未有的改進(jìn)，并在計算、人工智能、機器人、傳感和醫療保健等領(lǐng)域提供其他獨特功能，超越任何一個(gè)領(lǐng)域自身的潛力。 隨著(zhù)不同應用需求的差異，極端可靠性以及在低溫、高溫或低功耗條件下的運行將改變功耗、性能、面積和成本等標準指標，從而推動(dòng)新設備、架構和算法的發(fā)展。 隨著(zhù)電子產(chǎn)品向更多異構架構發(fā)展，性能指標也變得更加復雜。異構集成--將不同的材料、器件和電路集成在一起以創(chuàng )建高功能、高性能系統的科學(xué)技術(shù)--是實(shí)現持續進(jìn)步的關(guān)鍵。然而，隨著(zhù)越來(lái)越多的不同組件被集成在一起，要使它們無(wú)縫地協(xié)同工作所面臨的物理、電子、光學(xué)和軟件挑戰也變得更加復雜。 系統異構性和復雜性的急劇增加也要求研發(fā)人員關(guān)注設計流程，將安全性和可靠性放在首位，并在整個(gè)設計、制造和生產(chǎn)過(guò)程中整合形式和經(jīng)驗驗證。 正如導言中所提到的，人們呼吁不僅要支持塑造和推動(dòng)微電子學(xué)的基礎科學(xué)和工程學(xué)，包括計算機科學(xué)、計算架構、物理學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)，而且要廣泛接受集成設計原則，在此原則下，這些不同方面的研究相互協(xié)同，相互指導，并考慮到可持續發(fā)展。為了確保最終用途的能力和要求能夠為研究提供參考，并確保研究突破能夠迅速融入開(kāi)發(fā)工作，堆棧的各個(gè)層面之間進(jìn)行開(kāi)放式交流是必不可少的。只有這樣的綜合方法才能保證系統的關(guān)鍵屬性，如安全性、可靠性和耐輻射性從一開(kāi)始就被設計進(jìn)去，并在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期中得到考慮。最后，隨著(zhù)生產(chǎn)、運行和最終回收微電子系統所需的資源預計會(huì )增加，估算整個(gè)生命周期總能耗和成本的綜合方法將需要整個(gè)供應鏈的投入和專(zhuān)業(yè)知識，以確定開(kāi)發(fā)更高效架構和流程的機會(huì )。 二、集成設計 集成設計是指由應用驅動(dòng)的從堆棧頂部到底部的持續雙向信息流。將最終用戶(hù)的需求與研發(fā)聯(lián)系起來(lái)，對于快速、集中的技術(shù)開(kāi)發(fā)以及將研發(fā)成果投放市場(chǎng)至關(guān)重要。右圖展示了堆棧各層次之間的雙向信息流：從材料到電路的物理模型；材料和工藝；架構、器件和電路；異構集成和封裝；算法和軟件；以及通信和網(wǎng)絡(luò )。
未來(lái)微電子領(lǐng)域的領(lǐng)先地位需要工業(yè)界克服器件物理和制造方面的重大挑戰。因此，需要進(jìn)行深入創(chuàng )新，以確定新型材料和器件，并將其從實(shí)驗室過(guò)渡到實(shí)驗室，從而實(shí)現功能和性能的持續進(jìn)步。要成功建立從實(shí)驗室到制造廠(chǎng)的途徑，就必須重新關(guān)注基礎科學(xué)與制造技術(shù)之間的交叉。要滿(mǎn)足信息與計算技術(shù)（ICT）系統對存儲、帶寬和處理能力日益增長(cháng)的需求，以及 ICT 以外應用領(lǐng)域的預期增長(cháng)，就需要從器件到系統、從設計到工藝技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。這一戰略的核心是需要獲得設計和制造設施，包括那些配備有非常規材料和/或工藝的設施，這些設施通常與硅（Si）- CMOS 技術(shù)相結合。需要充分利用堆棧各個(gè)層面的創(chuàng )新，以便在尖端硅（Si）-CMOS 的復雜可擴展設計方面取得進(jìn)一步進(jìn)展。 此外，還需要在表征工具和技術(shù)方面取得進(jìn)展，以便對新材料和新設計進(jìn)行詳細而全面的研究，并以前所未有的空間分辨率、靈敏度、帶寬和吞吐量進(jìn)行研究。電路和系統的復雜性不斷增加，包括那些在多個(gè)物理域中與信號一起工作并在多個(gè)物理域中相互作用的電路和系統，這就需要有互補的多模式計量工具以及新的建模和仿真能力來(lái)測量性能并提供必要的數據，以支持 EDA、DTCO 和系統技術(shù)共同優(yōu)化 (STCO)。隨著(zhù)這些模型的復雜程度不斷提高，它們將越來(lái)越多地為制造工藝的改進(jìn)提供信息。 除了在硬件-軟件堆棧之間進(jìn)行協(xié)調外，還需要通過(guò)研究成果的協(xié)同流動(dòng)在整個(gè)研發(fā)界進(jìn)行協(xié)調，以取得最佳成果。大學(xué)和小型企業(yè)的研究人員必須能夠使用設計工具、制造設施和相關(guān)基礎設施來(lái)測試他們的想法。商業(yè)制造設施將從與新型技術(shù)方法的早期測試者的合作中受益。同樣，從美國大學(xué)畢業(yè)的高級研究人員在這些領(lǐng)域的技能培訓也將使企業(yè)的研發(fā)工作受益匪淺。這種合作的一個(gè)重要方面必須是建立和維護有效的研究安全措施，以防止研發(fā)活動(dòng)造成意外的技術(shù)轉讓。 未來(lái)五年，美國政府的研發(fā)工作將重點(diǎn)關(guān)注以下目標： 01 加速研發(fā)可提供新功能或功能增強的材料 材料研發(fā)是滿(mǎn)足所有部門(mén)和應用領(lǐng)域新需求的核心。要實(shí)現能源效率、信息速度和帶寬、新型計算架構和可持續發(fā)展等目標，就必須采用新材料和改良材料。例如，碳化硅（SiC）、磷化銦（InP）、氮化鋁（AlN）或金剛石等新興基底材料正在開(kāi)發(fā)中。許多新型寬帶隙和超寬帶隙材料在電力電子和射頻電子（6G 及更遠）領(lǐng)域的應用前景廣闊，而氮化硅（SiN）和鈮酸鋰（LiNbO3）薄膜材料雖已面世，但仍需加以改進(jìn)，以推動(dòng)光子應用和下一代無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展。新型多鐵性和憶阻性材料正在擴大納米電子器件的功能范圍。 然而，盡管取得了許多令人興奮的突破，但將新材料引入復雜的微電子工藝流程通常需要數十年的努力和數十億美元的資金，才能完成從概念驗證到生產(chǎn)制造的過(guò)程。為使新型材料和新興材料發(fā)揮其潛力，需要采用新方法來(lái)大幅縮短部署時(shí)間和降低成本。 半導體材料及相關(guān)研究生態(tài)系統中各實(shí)體（包括國家實(shí)驗室、私營(yíng)公司和財團）之間的協(xié)調，將為器件、互連、電路和系統先進(jìn)材料的部署提供途徑。作為 "材料基因組計劃"（MGI：Materials Genome Initiative）的一部分而開(kāi)發(fā)的 "材料創(chuàng )新基礎設施 "等框架可發(fā)揮重要作用，圍繞開(kāi)發(fā)微電子新能力或功能增強的重大挑戰組織材料界。 支持新能力所需的先進(jìn)材料研發(fā)要素包括： 重點(diǎn)研究新興有機和無(wú)機材料，包括二維（2D）材料；顯示量子效應/特性的材料；用于高能效電子產(chǎn)品和極端環(huán)境的寬帶隙和超寬帶隙材料；優(yōu)化高帶寬互連的材料；用于超高頻操作（光學(xué)、電氣和機電）的材料；實(shí)現非馮-諾依曼架構的材料；以及生物-非生物混合系統。 探索可無(wú)縫集成到現有工藝流程中的材料，例如，可在生產(chǎn)線(xiàn)后端（BEOL）增加功能，以提高性能并實(shí)現更大程度的三維集成。 加大力度改進(jìn)現有的塊狀襯底材料，加快新材料的開(kāi)發(fā)和應用。 統一半導體材料數據基礎設施，以促進(jìn)知識共享和加速創(chuàng )新。 采用新的建模、表征和計量方法，快速、精確地確定與實(shí)際應用相關(guān)的所有參數。- 開(kāi)展研發(fā)工作，加快開(kāi)發(fā)可制造的合成工藝和適用于新興材料的生產(chǎn)工具。 確保純度、物理性質(zhì)和來(lái)源的新測量方法和標準，以加速材料研發(fā)。 研究如何在整個(gè)生命周期內提高加工、制造和供應鏈的可持續性和循環(huán)性（再利用、再循環(huán)），包括更環(huán)保的材料和提取工藝，以及更廣泛地使用地球上豐富的元素，以減少供應鏈的脆弱性。 獲得可采用非常規材料和/或工藝的制造設施，可能與 Si-CMOS 技術(shù)進(jìn)行異質(zhì)組合。 建立新的重點(diǎn)設施，對新型和非常規材料的工藝進(jìn)行驗證和放大。 02 提高電路設計、模擬和仿真工具的能力 適用于新材料、新設備、新電路和新架構的電路設計、模擬和仿真工具對于持續創(chuàng )新和設備擴展至關(guān)重要。 提高數字工具能力的戰略方法包括以下方面的努力： 創(chuàng )建、開(kāi)發(fā)并廣泛提供可促進(jìn)設計、建模、仿真和探索新形式計算架構和計算處理器（包括數字和模擬/混合信號）的工具；支持使用先進(jìn)封裝的設計；并納入包括尺寸、重量、功耗、成本、安全和保障在內的目標。 在 EDA 工具中進(jìn)一步集成人工智能和 ML 以及基于物理的方法，以支持創(chuàng )新電路和系統架構的設計與開(kāi)發(fā)。 開(kāi)發(fā)集成了仿真和優(yōu)化功能的高級綜合工具和 EDA 系統與流程，縮短學(xué)習曲線(xiàn)，降低集成電路設計人員的入門(mén)門(mén)檻。 改進(jìn)材料和器件驗證方法，推進(jìn)材料、元件和電路特性的測量，以生成提高 EDA 工具保真度所需的可靠統計參數。 改進(jìn) DTCO 和 STCO 方法和平臺，實(shí)現全棧協(xié)同優(yōu)化。 推進(jìn)正式和端到端驗證方法的開(kāi)發(fā)，包括器件相關(guān)材料數據和輸入信息，以克服電路和系統設計與仿真中的瓶頸，從而管理日益復雜的異構系統。 03 開(kāi)發(fā)未來(lái)系統所需的各種強大處理架構和相關(guān)硬件 機器學(xué)習、增強現實(shí)/虛擬現實(shí) (AR/VR)、圖像/信號處理等先進(jìn)計算資源的快速增長(cháng)和利用，對性能和能耗提出了更高的要求，不斷挑戰最先進(jìn)的 Si-CMOS 設計的極限。非馮諾依曼計算架構，如神經(jīng)形態(tài)、以?xún)却鏋橹行�、深度學(xué)習、異步計算、混合以及利用量子效應的設計，將在廣泛的商業(yè)和國家安全應用中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。除了基于標準Si-CMOS的系統外，采用低溫CMOS、模擬/混合信號技術(shù)、光子學(xué)、自旋電子學(xué)和量子器件的新方法也在迅速涌現。要充分利用這些多樣化的處理架構和器件類(lèi)型，需要在整個(gè)堆棧中進(jìn)行創(chuàng )新。 主要的研發(fā)需求包括： 進(jìn)一步了解這些架構實(shí)現最佳性能所需的算法、編程模型和編譯器。 以硬件、軟件和標準為重點(diǎn)，努力提高設備的可編程性和可編程抽象性。 優(yōu)化制造和設計能力，以生產(chǎn)這些新型處理架構。 除新型集成電路設計外，新型架構還能實(shí)現非馮-諾依曼元件與傳統計算架構的優(yōu)化集成。 人工智能和 ML 方法，以應對與異構集成邏輯內存設備產(chǎn)生的預期高數據速率和大數據量相關(guān)的挑戰。 量子信息科學(xué)研究，包括量子計算、量子網(wǎng)絡(luò )和量子傳感，除了需要先進(jìn)的制造能力和奇特的材料外，還需要大量新的系統設計方法。 量子支持技術(shù)，如低溫電子學(xué)和光子學(xué)，以便與量子系統對接。 大型傳感器網(wǎng)絡(luò )提取和提煉信息的高能效處理架構，包括傳感器技術(shù)、模擬處理架構，以及采用經(jīng)典和生物啟發(fā)方法的極端分布式邊緣計算。 極端環(huán)境中傳感、信號處理和計算應用的設計流程和架構。 超越高性能計算的電路創(chuàng )新，以滿(mǎn)足能源、醫療保健、交通和通信領(lǐng)域的需求。 04 為先進(jìn)封裝和異質(zhì)集成開(kāi)發(fā)工藝和計量學(xué) 異質(zhì)集成包括幾種不同技術(shù)（如 Si CMOS、MEMS、III-V 混合信號和光子學(xué)）的集成，這些技術(shù)本身就是多個(gè)系統集成的結果。這方面的例子包括使用各種方法在單芯片、多芯片或基板上的芯片37 上進(jìn)行集成，如 2.5D 和 3D 堆疊、高密度再分布、光學(xué)封裝和測試、扇出、混合接合、高級中間膜、高密度焊接凸塊、銅互連和通孔。異構集成的成功可帶來(lái)更高的產(chǎn)量、更低的成本、更強的功能、IP 的重復使用，從而加快設計迭代和定制，并提高能效。從高性能計算到醫療保健，再到定位、導航和定時(shí)，集成在各個(gè)應用領(lǐng)域都至關(guān)重要。目前，異構集成和實(shí)現異構集成的先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展速度超過(guò)了傳統封裝技術(shù)。盡管海外組裝和測試設施在傳統封裝領(lǐng)域占據主導地位，但這種增長(cháng)為美國提供了在關(guān)鍵領(lǐng)域建立領(lǐng)先地位的難得機會(huì )。 要成功確保美國在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，并從異質(zhì)集成中獲益，就必須解決許多相互關(guān)聯(lián)的研究難題，包括材料、制造工藝、能源、成本、產(chǎn)量和有效建模。 主要研究挑戰包括： 用于基板、封裝/模塑和芯片到芯片互連的新材料，以擴大可用的設計空間，為此，與材料供應商的合作和伙伴關(guān)系至關(guān)重要。 在機電一體化、機器視覺(jué)和機器人技術(shù)等領(lǐng)域取得進(jìn)展，以支持開(kāi)發(fā)具有成本效益的自動(dòng)化敏捷系統，用于大批量和多品種封裝和組裝。 創(chuàng )新的互連技術(shù)，以提高能效和密度。 新的高速方法，可在組裝前檢測組件，并在組裝過(guò)程中監控接口，以減少缺陷組件或組件間接口的缺陷。 增強工具計量和檢測能力，包括從紅外線(xiàn)到 X 射線(xiàn)波長(cháng)的新型光源和高速檢測器。 跨越多種長(cháng)度尺度（二維和三維）和物理特性的新計量學(xué)，以應對新興異質(zhì)集成和先進(jìn)封裝工藝與技術(shù)帶來(lái)的獨特測量挑戰。 改進(jìn)完整系統的熱、機械和電磁行為的物理建模，并開(kāi)發(fā)新的高分辨率方法來(lái)測量這些行為，以驗證模型的準確性和系統性能。 集成設計工具和方法，確保電路、架構和封裝的協(xié)同設計，最大限度地提高系統性能和 IP 重復利用率。 05 優(yōu)先考慮硬件完整性和安全性，將其作為整個(gè)堆棧協(xié)同設計戰略的一個(gè)要素 面對來(lái)自對手的威脅，從電路到軟件等組件都有可能被植入惡意改動(dòng)，再加上需要為后量子計算時(shí)代的加密和數據安全做好準備，因此完整性和網(wǎng)絡(luò )安全必須成為系統設計的基礎組成部分。近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò )安全威脅已從集中在軟件堆棧高層的攻擊發(fā)展到逐步降低計算層次，直至芯片級。除了提高安全性外，還需要在整個(gè)堆棧中取得進(jìn)展，以支持增強隱私保護--個(gè)人和組織控制誰(shuí)能訪(fǎng)問(wèn)和控制其數據，以及在多大程度上能將其數據與自己聯(lián)系起來(lái)的能力。40 設計過(guò)程必須允許硬件、軟件和安全/隱私限制之間的反復。為了滿(mǎn)足經(jīng)濟和國家安全需求，同時(shí)維護隱私，必須將安全性作為一種限制因素納入協(xié)同設計研發(fā)中，并將其與功耗、性能、面積和成本放在同等重要的位置。 提高硬件完整性和安全性的研究需求包括開(kāi)發(fā)： 準確的威脅模型，以支持對不同安全方法的成本效益權衡分析。 高層次的完整性和安全性概念模型（類(lèi)似于計算機科學(xué)中的抽象層），以幫助協(xié)同設計領(lǐng)域的各學(xué)科進(jìn)行更有效的交流與合作。 新的自動(dòng)化和支持結構，使應用程序能夠在安全系統上構建，并支持新應用程序的普遍采用。 協(xié)同設計卓越中心，其中安全是每個(gè)硬件重點(diǎn)領(lǐng)域的主要設計制約因素。 保護數據和減少對硬件信任的新方法，如同態(tài)加密、加密存儲系統、安全計算、隔離加密和多方計算。 確保集成電路 IP 來(lái)源和完整性的方法。 用于評估和基準測量性能的標準測試文章、方法和分析，以促進(jìn)不同組織之間的測量可重復性。 高通量測量和檢測系統，以驗證電路硬件。 06 投資研發(fā)所需的制造工具和工藝，以支持創(chuàng )新轉化為具有生產(chǎn)價(jià)值的制造工藝 隨著(zhù)研發(fā)提供新材料和設備，研究也需要開(kāi)發(fā)制造工具和工藝，以實(shí)現這些新技術(shù)的大規模生產(chǎn)。雖然重要的制造技術(shù)將繼續在微米尺度上取得進(jìn)步，但許多尖端技術(shù)已經(jīng)并將繼續在納米尺度上取得進(jìn)步，甚至在某些特征上達到原子尺度。為了滿(mǎn)足對增強設備性能和能源效率的需求，需要相應地開(kāi)發(fā)具有前所未有精度的制造工藝、工具和計量。所謂的“超精密制造”(UPM)是歷史悠久的小規模制造的下一步。對超精密的需求也提供了一個(gè)機會(huì )，可以利用納米尺度上獨特的材料特性，如隧道或磁性和自旋相互作用，來(lái)實(shí)現強大的新功能。新穎的制造方法只有在規模達到商業(yè)規模時(shí)才會(huì )有效。因此，先進(jìn)的制造業(yè)研發(fā)以擴大工藝和工具以滿(mǎn)足制造業(yè)的需求是必不可少的。 相反，也有機會(huì )開(kāi)發(fā)更靈活的制造方法，使成本效益高，高混合，小批量生產(chǎn)，以支持日益多樣化的商業(yè)和國防需求。此外，在更大的特征尺寸上推進(jìn)制造技術(shù)，以提高產(chǎn)量，減少工藝和設備的變化，并使成本具有競爭力，資源高效的國內制造成為可能。 對新工具和新工藝的主要研發(fā)需求包括: 超精密表征，先進(jìn)的光刻和計量工具，以及改進(jìn)的質(zhì)量控制，包括精確的參考結構在10納米以下的尺度。 新穎的模式方法，包括減法和加法，支持新興需求，如3D架構，大面積基板，高混合，小批量制造電路和封裝。 改進(jìn)工藝，如區域選擇性原子層沉積和蝕刻，以支持減小特征尺寸和更復雜的器件幾何形狀。 高通量實(shí)驗和建模方法，加上光學(xué)，電子和掃描探針顯微鏡檢查工具的新功能，以提高速度，吞吐量，產(chǎn)量，精度和準確性。 混合計量方法，將來(lái)自多種測量工具的數據與新的ML方法相結合，以利用數據并實(shí)現流程優(yōu)化。 集成了基于A(yíng)I/ML/物理的模型，能夠消化晶圓廠(chǎng)的實(shí)時(shí)過(guò)程數據，用于高級預測分析，以測量和提高產(chǎn)量，并實(shí)現半導體和微電子制造業(yè)的晶圓廠(chǎng)虛擬化。 進(jìn)一步發(fā)展和使用原位計量，以加速實(shí)時(shí)過(guò)程控制的集成，減少過(guò)程的可變性，這是昂貴的非原位計量的關(guān)鍵驅動(dòng)因素。 這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展需要在多模態(tài)測量、軟件集成和工具開(kāi)發(fā)的集成方面取得進(jìn)展。 快速、高分辨率、非破壞性技術(shù)，用于表征缺陷和雜質(zhì)，并將其與性能和可靠性相關(guān)聯(lián)。 具有更高分辨率、靈敏度、準確性和吞吐量的表面、埋藏特征、接口和設備的物理特性表征。 應用第一性原理材料研究與高性能計算開(kāi)發(fā)準確的材料-過(guò)程相互作用模型。 數字孿生應用的進(jìn)步，使制造流程的精確建模和快速迭代和融合成為可能。 提高能源和資源效率，并在生產(chǎn)過(guò)程中使用環(huán)�；瘜W(xué)物質(zhì)。 目標2 支持，建立和橋梁微電子基礎設施，從研究到生產(chǎn) 正如該戰略所強調的那樣，微電子研發(fā)是極其基礎設施密集型的，從早期研究到制造，每個(gè)開(kāi)發(fā)階段都需要獲得適當的設施和相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識。此外，每個(gè)階段的資源必須連接起來(lái)，以確保新的創(chuàng )新能夠沿著(zhù)技術(shù)發(fā)展的道路迅速發(fā)展。 從歷史上看，美國沒(méi)有為微電子研發(fā)提供集中、開(kāi)放的設施，這些設施配備了設計和制造工具、測試和與尖端技術(shù)制造環(huán)境相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識，限制了研究人員推進(jìn)創(chuàng )新的機會(huì )。認識到生態(tài)系統中的這一差距，國會(huì )授權并為CHIPS法案中的幾個(gè)項目撥款，以幫助建立支持國內研究成熟的設施，并使用制造相關(guān)設備獲得先進(jìn)的原型能力。 此外，微電子的持續多樣化，以最好地解決特定用例，導致各種研發(fā)利益相關(guān)者的一系列復雜需求。研究人員需要直接訪(fǎng)問(wèn)美國的設施，這些設施配備了制造工具、測試能力，以及熟練的技術(shù)人員來(lái)維護和操作它們。這種基礎設施支持使研究人員能夠在領(lǐng)先(或接近領(lǐng)先)的制造環(huán)境中展示新設備、互連、電路、系統和制造工藝的潛力。擁有最先進(jìn)的設備、設計工具和熟練的技術(shù)人員的協(xié)調良好的設施群對于提高異構集成的領(lǐng)導地位也至關(guān)重要。 半導體研發(fā)基礎設施存在于一個(gè)連續體中，支持從探索新材料到實(shí)施新系統架構的活動(dòng)�，F代半導體和微電子系統令人難以置信的復雜性，通過(guò)使堆棧中的每個(gè)級別明智地抽象并告知相鄰級別的關(guān)鍵特征，作為雙向信息流協(xié)同設計方法的一部分，可以最好地管理。材料特性被抽象為器件模型，器件行為被納入電路模型，電路被納入體系結構，依此類(lèi)推直至應用。同樣地，應用程序和軟件的特性決定了架構，架構指導電路設計等等。 隨著(zhù)研發(fā)重點(diǎn)的提升，基礎設施必須保持一致，以確保每一級的科技發(fā)展都能持續發(fā)展，并為下一級的科技發(fā)展提供信息，最終為商業(yè)設計和制造提供信息。在堆棧的最底層，需要最大的靈活性來(lái)加速新材料的研究和開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現突破性的性能。當這些材料被識別出來(lái)時(shí)，它們必須提供給研究團體，以整合到設備中，以確定是否可以實(shí)現預期的性能優(yōu)勢。 再往上說(shuō)，與可靠和穩健的制造工藝相比，設備的靈活性就不那么重要了，因為制造工藝可以實(shí)現可重復和可靠的設備性能測量。在電路層面，訪(fǎng)問(wèn)文檔化和支持的工藝設計套件(PDK)模塊和基礎電路IP，例如，標準單元庫，輔以強大的測試和表征能力，是必不可少的。在封裝級，單片和系統級封裝設計的適應性集成和特性，包括先進(jìn)的芯片功能，需要支持中小型原型設計。創(chuàng )建這樣一個(gè)全方位的研發(fā)生態(tài)系統將需要支持和擴大成本有效獲取創(chuàng )新所需的基礎設施。該基礎設施包括三個(gè)關(guān)鍵組件:硬件和軟件工具、數據和數據共享基礎設施，以及充分利用工具和數據的專(zhuān)業(yè)知識。能夠負擔得起并及時(shí)獲得這些工具和數據，也是培訓和維持研究和制造勞動(dòng)力專(zhuān)業(yè)知識的必要先決條件。 支持研發(fā)連續體所需的基礎設施包括用于材料、結構、設備、制造工藝、計量和表征工具的早期開(kāi)發(fā)設施，以及使用標準化流程訪(fǎng)問(wèn)領(lǐng)先的原型設施。CHIPS法案的投資旨在彌合早期研發(fā)和原型之間的差距，使新材料，工藝和計量的實(shí)驗成為可能。隨著(zhù)用戶(hù)技術(shù)的成熟和能力的發(fā)展，需要跨部門(mén)和機構的協(xié)作機制來(lái)促進(jìn)工作從一個(gè)設施到另一個(gè)設施的過(guò)渡。 值得注意的是，雖然在以下目標下強調了支持微電子研究基礎設施(目標2)的幾個(gè)項目，但它們在推進(jìn)研究以幫助確保技術(shù)領(lǐng)先地位(目標1)、教育和培訓未來(lái)勞動(dòng)力(目標3)以及幫助連接更廣泛的生態(tài)系統(目標4)方面也發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。 聯(lián)邦政府在今后五年的努力將實(shí)現下列目標： 01 支持設備級研發(fā)制造和表征用戶(hù)設施的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò ) 支持電子、光子和微機械器件的新概念，推進(jìn)“More-Moore”和“More-Than-Moore”解決方案，需要越來(lái)越復雜和昂貴的表征和制造工具和設施。半導體材料的合成和表征，以及器件的制造和測量，涉及使用不同工具集的多個(gè)步驟。在微電子領(lǐng)域工作的研究人員需要使用配備全套制造和表征工具的用戶(hù)設施，這些設施需要持續的資本投資才能保持當前狀態(tài)。除了儀器之外，有效的用戶(hù)設施還需要專(zhuān)業(yè)人員來(lái)最大限度地操作專(zhuān)用工具，并培訓新用戶(hù)，這有助于降低訪(fǎng)問(wèn)障礙，并在教育和勞動(dòng)力發(fā)展中發(fā)揮重要作用。 幸運的是，微電子研發(fā)社區可以建立在現有設施的基礎上，包括作為NNI一部分建立的用戶(hù)設施。位于全國各地的用戶(hù)設施和其他共享研究基礎設施為來(lái)自政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究人員提供了訪(fǎng)問(wèn)先進(jìn)實(shí)驗室、設備和專(zhuān)業(yè)知識的機會(huì )。在多個(gè)聯(lián)邦機構的支持下，許多這些基礎設施中心通過(guò)提供潔凈室、表征工具、材料科學(xué)和合成實(shí)驗室以及建模和仿真工具，促進(jìn)了微電子相關(guān)的研發(fā)。除了提供研究活動(dòng)之外，這些中心還作為一個(gè)強大的培訓和勞動(dòng)力發(fā)展引擎。 例如，NSF資助的國家納米技術(shù)協(xié)調基礎設施(NNCI)是一個(gè)由全國16個(gè)站點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò )，涉及29所大學(xué)和其他合作組織，并提供使用制造和表征工具的用戶(hù)設施的訪(fǎng)問(wèn)。除了向政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究人員提供71個(gè)不同設施的2200多種獨立工具外，NNCI網(wǎng)絡(luò )還支持專(zhuān)家人員協(xié)助研究人員，并提供一整套教育、培訓和推廣工作。由于NSF的用戶(hù)設施的第四次迭代主要集中在納米電子學(xué)上，這些設施已經(jīng)為成千上萬(wàn)的研究人員提供了服務(wù)，并幫助培訓了幾代學(xué)生。 此外，獲得微電子研究所需的昂貴的專(zhuān)業(yè)設備為無(wú)法在現場(chǎng)購買(mǎi)和安置類(lèi)似設備的機構或小企業(yè)的學(xué)生、教師和研究人員提供了機會(huì )，擴大了參與和擴大了研究社區。除了NNCI和其他主要的大學(xué)中心外，美國政府還通過(guò)能源部的五個(gè)納米尺度科學(xué)研究中心(nsrc)和NIST納米科學(xué)與技術(shù)中心(CNST)納米實(shí)驗室提供國家實(shí)驗室設施。這五個(gè)nsrc是美國能源部在納米尺度上跨學(xué)科研究的首要用戶(hù)中心，是包含新科學(xué)、新工具和新計算能力的國家計劃的基礎。這些實(shí)驗室包含潔凈室、納米制造資源、獨一無(wú)二的簽名儀器以及除主要用戶(hù)設施外通常無(wú)法獲得的其他儀器。NIST NanoFab提供了廣泛的商業(yè)，最先進(jìn)的工具集，包括光刻，薄膜沉積和納米結構表征的先進(jìn)能力，以及全職技術(shù)支持人員。 最后，其他共享的基礎設施，如表征實(shí)驗室、計算和建模資源、光和中子源，以及制造機構，在開(kāi)發(fā)未來(lái)的材料、工藝、設計、標準和勞動(dòng)力方面發(fā)揮作用。 研發(fā)制造和表征設施的主要需求包括： 對現有設施進(jìn)行差距分析，然后努力解決現有設施內的能力差距，并在需要時(shí)建立新的能力，以全面解決堆棧中不同區域和級別的需求。 定期更新可搜索共享研究資源的公共注冊表，使研究人員能夠輕松識別最符合其需求的項目和中心。 支持先進(jìn)的制造技術(shù)，能夠將新興的低尺寸納米材料和納米器件以及其他“超過(guò)摩爾”的解決方案納入設計，以及使用成熟和最先進(jìn)的技術(shù)制造的電路，用于中小型原型設計。 必要時(shí)與盟國和伙伴國的國際實(shí)體達成協(xié)議，為美國的研究人員提供使用尖端制造設備的機會(huì )，以彌合目前國內的差距。 資金模型，使用影響指標主要側重于滿(mǎn)足廣泛和多樣化用戶(hù)群的需求，使設施能夠獲得足夠的最先進(jìn)的工具，在其重點(diǎn)領(lǐng)域建立臨界質(zhì)量，支持專(zhuān)家設施技術(shù)人員指導和幫助用戶(hù)，并根據需要提供持續的資本重組，以保持最先進(jìn)和最先進(jìn)的實(shí)踐能力。 激勵培訓和教育的成功指標和資助機制，包括支持地理位置不利的研究人員前往研究中心。 減少設施準入障礙，包括通過(guò)與研究界的聯(lián)系，負擔得起的運營(yíng)成本/費用，以及簡(jiǎn)單、公平的準入模式，包括改進(jìn)遠程操作技術(shù)的實(shí)施，進(jìn)一步擴大每個(gè)設施的地理覆蓋范圍，促進(jìn)公平準入。 FAIR(findable, accessible, interoperable, and reusable)的數據管理系統，以最大限度地提高研究團體對設施中產(chǎn)生的信息的訪(fǎng)問(wèn)。 02 為學(xué)術(shù)和小型企業(yè)研究界提供更靈活的設計工具和晶圓級制造資源 目前，設計工具的成本，特別是pdk、裝配設計套件(ADKs)和EDA，加上代工制造運行的成本，對于小企業(yè)和學(xué)術(shù)研究團體，以及政府機構、DOE國家實(shí)驗室和其他ffrdc以及非營(yíng)利實(shí)驗室的努力來(lái)說(shuō)，可能是令人望而卻步的。此外，對于在代工廠(chǎng)制造的晶圓，特別是在中間流程中制造的晶圓，在更靈活的研究設施中進(jìn)行進(jìn)一步加工，沒(méi)有完善的途徑�！缎酒ò浮返耐顿Y將通過(guò)對基礎設施的投資和新的公私合作伙伴關(guān)系的補充，幫助解決國內設備級研發(fā)和先進(jìn)原型之間的差距。這些努力旨在為晶圓級研發(fā)提供高效、經(jīng)濟的共享資源網(wǎng)絡(luò )，并建立一個(gè)芯片研發(fā)生態(tài)系統。 改善獲得設計工具和制造資源的關(guān)鍵需求包括： 靈活且經(jīng)濟實(shí)惠的模型，包括成熟節點(diǎn)的潛在開(kāi)源功能，為國內研究人員擴展高級pdk，標準單元庫和某些IP(即內存控制器，內核等)的可用性，同時(shí)保護商業(yè)IP和專(zhuān)有信息。 與EDA供應商建立更廣泛的合作伙伴關(guān)系，使設計工具，包括高級合成工具，以顯著(zhù)降低的成本提供給更多的大學(xué)和小企業(yè)研究人員，并在需要時(shí)加速特定領(lǐng)域EDA功能的開(kāi)發(fā)。DARPA工具箱計劃(Toolbox Initiative47)和國防部快速保證微電子原型(RAMP)的努力是為研發(fā)社區提供設計工具和經(jīng)過(guò)驗證的知識產(chǎn)權的例子。在可能的情況下，項目應該促進(jìn)研發(fā)中使用的pdk的標準化，以增加設計和制造供應商之間的互操作性。 適用于成熟技術(shù)和新興技術(shù)的無(wú)障礙設計工具和工具環(huán)境，包括安全的基于云的解決方案，可以確保捕獲和嚴格保護知識產(chǎn)權，確定知識產(chǎn)權的來(lái)源和權利，并尊重出口管制和其他法律和監管邊界。 標準化許可協(xié)議和保密協(xié)議，最大限度地減少知識產(chǎn)權共享的障礙，縮短創(chuàng )新周期。 訪(fǎng)問(wèn)建模和仿真所需的高性能計算資源，以支持在產(chǎn)生原型成本之前評估電路性能。 增加制造設施的多項目晶圓產(chǎn)能，并以公平的小規模制造能力為補充，以降低集成電路和先進(jìn)封裝/異構集成的成本和設計測試周期時(shí)間，并擴大獲取和加速創(chuàng )新。 具有標準接口的標準“即插即用”小芯片的庫和供應，以及這些接口的開(kāi)放源參考實(shí)現。 創(chuàng )建并使用先進(jìn)的封裝研究設施，以加速先進(jìn)封裝的創(chuàng )新、異構集成和芯片生態(tài)系統的發(fā)展。 03 便于關(guān)鍵功能材料的研究獲取 如果沒(méi)有超純的、幾乎不存在缺陷的材料和同位素，微電子工業(yè)就不可能發(fā)展。新的電子、磁性和光子器件的發(fā)展同樣依賴(lài)于適當功能材料的供應。這些材料包括III-V型半導體(以及由它們制成的量子點(diǎn)和量子阱材料)、薄膜鈮酸鋰、絕緣體上的碳化硅、金剛石和許多多鐵性材料和壓電材料。 然而，其中許多材料只能從海外供應商那里獲得。其他材料可以在國內獲得，但往往只能從一個(gè)大學(xué)實(shí)驗室獲得，其向外部研究小組提供的能力有限，有時(shí)質(zhì)量不穩定。加強國內生態(tài)系統的努力可能為支持材料供應商和鼓勵開(kāi)發(fā)新材料工藝提供機會(huì )，從而降低研究人員的采購成本。 確保強大和高質(zhì)量的國內功能材料供應以加快器件開(kāi)發(fā)和集成研究步伐的策略包括： 與美國材料供應商合作，確保國內產(chǎn)能的維持和擴大。努力包括確保繼續在國內開(kāi)發(fā)和獲取支持制造業(yè)所需的機構知識和專(zhuān)門(mén)技術(shù)。 支持處于材料開(kāi)發(fā)前沿的美國研究機構，使其擁有所需的專(zhuān)職人員，以擴大向國內研究人員提供新材料的能力。需要工業(yè)參與的重點(diǎn)研究資助可以用于建立合作，以開(kāi)發(fā)材料供應并將研究專(zhuān)業(yè)知識轉移到商業(yè)部門(mén)。 投資傳統和創(chuàng )新方法，包括MGI方法，以縮短從有前途的材料的演示到襯底供應的可用性的路徑，包括批量襯底合成和薄膜沉積/外延，以提供高純度和低缺陷密度的襯底材料在足夠的尺寸和規模。 04 擴大對建模和仿真的高級網(wǎng)絡(luò )基礎設施的訪(fǎng)問(wèn) 在物理，制造和計量學(xué)的限制下進(jìn)行創(chuàng )新，需要在投資于先進(jìn)的原型或昂貴的實(shí)驗之前，在數字模擬中展示對電路性能和制造工藝的深刻理解。需要改進(jìn)的建模和仿真工具，充分利用硬件加速器的高級合成和電路和系統的仿真，特別是那些基于新材料、器件、互連和集成CMOS架構的工具。同樣，需要基于豐富物理數據集的綜合物理模型來(lái)模擬復雜的、相互依賴(lài)的制造過(guò)程�？紤]到計算數據托管的挑戰，通用云資源可能會(huì )不足，因此需要為微電子研發(fā)需求量身定制的網(wǎng)絡(luò )基礎設施支持。 支持訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )基礎設施進(jìn)行建模和仿真的關(guān)鍵行動(dòng)包括： 提供對領(lǐng)導級計算和其他網(wǎng)絡(luò )基礎設施的訪(fǎng)問(wèn)，包括美國能源部國家實(shí)驗室、其他ffrdc和nsf資助的設施。 促進(jìn)用戶(hù)，系統開(kāi)發(fā)人員，計量和原型設備之間的密切協(xié)調，以確保高質(zhì)量數據集的可用性，從而能夠構建準確的材料，工藝，設備和系統模型。 與實(shí)體基礎設施及其產(chǎn)出建立密切聯(lián)系，以有效地支持整個(gè)研發(fā)社區并協(xié)助技術(shù)轉讓。 05 支持先進(jìn)的研究，開(kāi)發(fā)和原型設計，以彌合實(shí)驗室到工廠(chǎng)的差距 正如2.1節所詳述的，雖然早期研究基礎設施的基礎很強，但在美國生態(tài)系統中，獲得更先進(jìn)的基礎設施尤其具有挑戰性。CHIPS法案提供了一個(gè)獨特的機會(huì )來(lái)支持和提供訪(fǎng)問(wèn)先進(jìn)的原型資源，這些資源將提供關(guān)鍵的國內能力，以加速將研究創(chuàng )新插入使用領(lǐng)先的CMOS工藝的硅片上，以及其他關(guān)鍵材料和技術(shù)，如用于混合信號和電力電子的化合物半導體。這些努力需要確定資助模式，使用主要集中于滿(mǎn)足用戶(hù)需求的影響指標，使設施能夠獲得足夠的最先進(jìn)的工具，支持技術(shù)人員來(lái)指導和幫助用戶(hù)，并根據需要提供持續的資本重組，以維持最先進(jìn)和狀態(tài)實(shí)踐能力。提供維護良好和緊密整合的資源，也將最大限度地提高學(xué)生、研究人員、工業(yè)和政府最終用戶(hù)之間非正式學(xué)習和合作的機會(huì )。下面討論的每個(gè)項目都將利用現有能力，擴大能力并開(kāi)發(fā)目前國內生態(tài)系統中不具備的新能力。 《美國芯片法案》第9903(b)條要求國防部建立一個(gè)國家微電子研究與開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )被稱(chēng)為微電子共享網(wǎng)絡(luò )或簡(jiǎn)稱(chēng)為共享網(wǎng)絡(luò )。Commons是一個(gè)能夠開(kāi)發(fā)微電子材料、工藝、設備和建筑設計的項目，重點(diǎn)關(guān)注國防需求。Commons將滿(mǎn)足對工藝、材料、設備和體系結構的開(kāi)發(fā)需求，并在它們從研究過(guò)渡到實(shí)驗室的小批量原型，最后過(guò)渡到制造原型，可以展示所需的體積和特性，以確保降低制造風(fēng)險。大規模的原型制作是高風(fēng)險和昂貴的，中小型公司和大學(xué)很難將實(shí)驗室與制造或“實(shí)驗室到工廠(chǎng)”之間的過(guò)渡連接起來(lái)，從研究想法到實(shí)現這些想法到制造。公地將利用非傳統的國防創(chuàng )新者(例如，初創(chuàng )公司和大學(xué))，并降低阻礙他們將實(shí)驗室原型發(fā)展為制造原型的能力的一些現有障礙。Commons是一個(gè)區域性“樞紐”網(wǎng)絡(luò )，擁有早期到中期的開(kāi)發(fā)能力，并將“核心”與后期能力相關(guān)聯(lián)。核心將與中心密切合作，使其努力與商業(yè)流程保持一致，以促進(jìn)技術(shù)的過(guò)渡。進(jìn)一步的成熟將利用后續的程序和資源。微電子公共領(lǐng)域專(zhuān)注于對國防和新興商業(yè)市場(chǎng)至關(guān)重要的六個(gè)技術(shù)領(lǐng)域:電磁戰、安全邊緣計算、人工智能硬件、量子技術(shù)、5G/6G技術(shù)和商業(yè)跨越式技術(shù)。除了為研究基礎設施做出貢獻外，Commons還支持這些領(lǐng)域的研究和勞動(dòng)力發(fā)展活動(dòng)。 《美國芯片法案》第9906(c)條要求建立國家半導體技術(shù)中心(NSTC)。除了開(kāi)展和支持競爭前的研究和勞動(dòng)力發(fā)展活動(dòng)外，NSTC還將建立并提供先進(jìn)的原型能力，以滿(mǎn)足美國研究界的廣泛需求。NSTC的重要功能將包括執行材料特性、儀器計量和高級工藝節點(diǎn)測試的能力。這些功能將使組織不僅僅是已建立的集成設備制造商進(jìn)行這種類(lèi)型的研究，并增加研發(fā)范圍，大公司可以迅速進(jìn)入制造業(yè)。通過(guò)與下面2.6節中描述的封裝計劃密切合作，NSTC將為前沿節點(diǎn)提供先進(jìn)的測試、組裝和封裝能力，并支持制造業(yè)自動(dòng)化的改進(jìn)，為提高美國未來(lái)在全球制造能力和競爭力中的份額奠定基礎。NSTC被設想為一個(gè)擁有附屬技術(shù)中心的中央總部，將包括新建立的能力的組合，同時(shí)也利用現有實(shí)體的資源使用該模型，NSTC將創(chuàng )建并提供對物理資產(chǎn)的訪(fǎng)問(wèn)，如端到端原型設施、數字資產(chǎn)和IP，包括設計工具、參考流程、工藝設計套件和數據集，并將匯總和管理對商業(yè)設施中多項目晶圓服務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)需求。 雖然Commons將在與NSTC支持的技術(shù)和設備開(kāi)發(fā)的相同范圍內做出一些努力，但Commons在其應用重點(diǎn)和期望的產(chǎn)品化范圍中有一組特定的目標，以解決國防特定的優(yōu)先事項。國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì )與公共領(lǐng)域之間的密切協(xié)調與合作，以及目標4中討論的美國政府其他相關(guān)努力之間的密切協(xié)調與合作，將確保這些努力是協(xié)同的，而不是重復的。 此外，DARPA正在下一代微系統制造(NGMM)計劃下建立一個(gè)互補的國內研發(fā)中心，用于制造三維異構集成(3DHI)微系統微電子創(chuàng )新的下一個(gè)主要浪潮預計將來(lái)自于通過(guò)先進(jìn)封裝集成異質(zhì)材料、器件和電路的能力，從而產(chǎn)生一個(gè)緊密耦合的系統，該系統可以擴展到第三維度，其性能超過(guò)當前單片方法所能提供的性能。 目前，從事3DHI研究的美國公司依賴(lài)于海上設施。這個(gè)開(kāi)放的國內3DHI研發(fā)中心將帶來(lái)更廣泛的創(chuàng )新浪潮，將促進(jìn)共享學(xué)習，并將確保初創(chuàng )企業(yè)、學(xué)術(shù)界和國防工業(yè)基地能夠從事低量產(chǎn)品的3DHI研發(fā)。該中心的3DHI是指將來(lái)自不同材料系統的單獨制造組件堆疊在一個(gè)封裝內，以產(chǎn)生一個(gè)在功能和性能方面提供革命性改進(jìn)的微系統。具體來(lái)說(shuō)，這些微系統將把不同的晶圓或芯片集成到垂直堆疊的架構中。所涉及的技術(shù)包括但不限于化合物半導體、光子學(xué)和MEMS系統，并擴展到功率、模擬和射頻領(lǐng)域，以及數字邏輯和存儲器。初始階段將專(zhuān)注于數字、射頻、光子、傳感器或功率器件的最先進(jìn)的封裝、組裝和測試。重點(diǎn)將放在開(kāi)發(fā)基線(xiàn)工藝模塊，以及初始預商業(yè)3DHI試驗線(xiàn)能力和相關(guān)的3D組裝設計套件。 下一階段將進(jìn)一步優(yōu)化3DHI工藝模塊，加大研發(fā)力度提高封裝自動(dòng)化程度，并實(shí)施中心運營(yíng)接入模式。最終的結果將是一個(gè)開(kāi)放的研發(fā)中心，供學(xué)術(shù)界、中小型企業(yè)、國防和商業(yè)公司以及政府機構的研究人員使用，以全面解決3DHI原型的設計、封裝、組裝和測試問(wèn)題。 彌合實(shí)驗室到晶圓廠(chǎng)差距的關(guān)鍵行動(dòng)包括： 對現有設施進(jìn)行差距分析，然后努力解決現有設施內的能力差距，并在需要時(shí)建立新的能力，以全面解決目標1中確定的每個(gè)研發(fā)優(yōu)先領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。 必要時(shí)與盟國和伙伴國的國際實(shí)體簽訂協(xié)議，為美國的研究人員提供使用尖端制造設備的機會(huì )，以彌合目前國內的差距，促進(jìn)合作。 開(kāi)發(fā)“fab-to-lab”生態(tài)系統，使研究人員能夠將在最先進(jìn)的制造設施中制造的基板和預先填充的測試結構和/或設備帶入研究設施，并添加新材料或設備，以實(shí)現高吞吐量，高質(zhì)量的創(chuàng )新技術(shù)測量。 減少設施使用的障礙，包括通過(guò)與研發(fā)界的聯(lián)系，負擔得起的獲取和運營(yíng)成本，以及簡(jiǎn)單、公平的獲取模式;通過(guò)實(shí)施遠程接入技術(shù)和多個(gè)項目晶圓計劃改善接入，這可以進(jìn)一步擴大每個(gè)設施的地理覆蓋范圍，促進(jìn)接入的公平性。 06 支持高級組裝、封裝和測試 微電子元件的封裝、組裝和測試方面的創(chuàng )新是美國保持領(lǐng)導地位的關(guān)鍵。隨著(zhù)半導體制造達到通過(guò)減小晶體管特征尺寸來(lái)實(shí)現性能和效率提高的極限，工業(yè)界已經(jīng)轉向使用3D系統和異構集成來(lái)實(shí)現更高性能的新方法。當前一代的高性能設備集成了多種技術(shù)，不僅包括不同的硅基工藝，還包括化合物半導體、光子學(xué)和其他專(zhuān)業(yè)技術(shù)。這些方法對互連設備和子系統的能力提出了更高的要求——這是高級封裝的一個(gè)關(guān)鍵方面。3D和異構集成的互連技術(shù)和標準的改進(jìn)也可以促進(jìn)微電子新供應鏈結構的發(fā)展，其中國內能力將增強美國的安全和競爭力。 先進(jìn)的測試、組裝和封裝能力也需要用于驗證從研發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的先進(jìn)原型�！睹绹酒ò浮返�9906(d)條要求努力建立先進(jìn)的封裝制造計劃，以加強國內能力。為了實(shí)施本部分，國家先進(jìn)封裝制造計劃(NAPMP)已經(jīng)在NIST內建立，以支持制造的計量和光刻等能力，包括材料表征，儀器儀表，測試和標準。該項目將與NSTC保持一致，密切合作，并可能利用NSTC的資源。 隨著(zhù)前沿電子產(chǎn)品的趨勢向先進(jìn)的異構集成方向發(fā)展，先進(jìn)封裝和原型設計之間的重疊預計將大幅增加。與微電子創(chuàng )新的其他方面一樣，組裝、封裝和測試能力的開(kāi)發(fā)和部署需要在整個(gè)生態(tài)系統中進(jìn)行協(xié)調，并在制造和研發(fā)社區之間進(jìn)行直接和密切的溝通。 加快發(fā)展國內先進(jìn)封裝生態(tài)系統的關(guān)鍵行動(dòng)包括： 建立并密切協(xié)調NGMM和NAPMP的研發(fā)和試點(diǎn)生產(chǎn)設施，以確保它們互補和相互支持。 開(kāi)發(fā)機會(huì )，實(shí)現ADK、封裝相關(guān)設計工具和其他數字資源的安全共享，并充分利用整個(gè)生態(tài)系統的互補努力。 促進(jìn)對芯片的訪(fǎng)問(wèn)，包括制造測試車(chē)輛，可用于封裝研發(fā)社區，以實(shí)現新的芯片集成方案的快速開(kāi)發(fā)和測試。 制定計劃，提高自動(dòng)化水平和先進(jìn)封裝測試和組裝設備的性能，使國內封裝具有成本競爭力。 致力于開(kāi)發(fā)新的基板材料和相關(guān)的制造技術(shù)，以支持密度和信號性能的改進(jìn)。 支持行業(yè)在適當的時(shí)候開(kāi)發(fā)和引入芯片和先進(jìn)的封裝標準，以最大限度地提高創(chuàng )新和市場(chǎng)接受的潛力。NAPMP開(kāi)發(fā)的制造測試車(chē)輛將用于探索和驗證集成方案及其相關(guān)標準。 支持組件、集成方案和測試方法的開(kāi)發(fā)和驗證，以確保復雜的先進(jìn)封裝系統的安全性。 目標3 培養和維持微電子研發(fā)到制造生態(tài)系統的技術(shù)勞動(dòng)力 美國在微電子領(lǐng)域的領(lǐng)導地位需要強大的國內勞動(dòng)力來(lái)支持從研究到制造的整個(gè)生態(tài)系統。半導體行業(yè)委托進(jìn)行的一項經(jīng)濟分析報告顯示，截至2020年，半導體產(chǎn)業(yè)為美國提供的直接和間接就業(yè)崗位總計185萬(wàn)個(gè)。自2021年發(fā)布該分析以來(lái)，該行業(yè)在美國研發(fā)、設計和制造活動(dòng)中直接雇用的人數從27.7萬(wàn)人增加到2023年的34.5萬(wàn)人。這些工作的所有教育水平的平均工資都明顯高于其他行業(yè)，這與美國勞工統計局(Bureau of Labor Statistics)的數據一致。美國勞工統計局的數據顯示，半導體和電子元件制造業(yè)工人的收入比私營(yíng)部門(mén)員工的平均收入高出近50%。 在該行業(yè)中，高需求的STEM職業(yè)主要是工程和計算機軟件開(kāi)發(fā)，他們通常需要學(xué)士學(xué)位或更高的學(xué)位才能就業(yè)。對有學(xué)位的專(zhuān)業(yè)人才的競爭越來(lái)越激烈，尤其是在博士階段。在2010-2019年期間，行業(yè)對計算機和信息科學(xué)以及數學(xué)博士的招聘大幅增加，公司對計算機和信息科學(xué)家博士的招聘增加了103%，在此期間，公司對數學(xué)科學(xué)家博士的招聘增加了160%。在半導體和其他電子元件制造行業(yè)，外國出生的科學(xué)家和工程師占高技能技術(shù)工人的41%。這與數據一致，數據顯示，在所有科學(xué)和工程職業(yè)中，外國出生的人占30%，在工程、計算機科學(xué)和數學(xué)職業(yè)中，他們擁有一半以上的博士學(xué)位。在美國完成STEM研究生教育的外國學(xué)生獲得永久公民身份的選擇相對有限，因此許多人返回本國或其他對高技能移民有更簡(jiǎn)化移民程序的國家。在過(guò)去的十年里，在美國接受教育的高技能工人中，越來(lái)越多的人回到了自己的祖國或其他國家。此外，在過(guò)去十年中，大學(xué)畢業(yè)后選擇進(jìn)入微電子行業(yè)的國內學(xué)生人數有所下降。 為了滿(mǎn)足當前和未來(lái)的半導體人才需求，需要制定戰略來(lái)發(fā)展、吸引和留住更多的國內和國外人才，從熟練的技術(shù)人員到博士級的研究人員和教育工作者。這些戰略必須讓所有利益相關(guān)者都參與進(jìn)來(lái)，包括雇主、工會(huì )、教育機構、政府機構、行業(yè)組織，以及專(zhuān)注于為代表性不足和服務(wù)不足的人群提供培訓的項目，并支持創(chuàng )造符合“好工作原則”的職位。 考慮到一系列公共和私營(yíng)部門(mén)的報告和利益相關(guān)者的投入，揭示了與半導體勞動(dòng)力需求相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵發(fā)現和挑戰。行業(yè)對高技能人才的競爭非常激烈，包括國際競爭，再加上勞動(dòng)力老齡化和與其他技術(shù)部門(mén)的競爭。盡管對于美國公司來(lái)說(shuō)，要找到需要高級學(xué)位和美國公民身份的職位的候選人尤其具有挑戰性，但在所有教育和工作水平上追求機會(huì )的學(xué)生卻不夠多，他們具備這一勞動(dòng)力所需的知識和技能。利益相關(guān)者還必須共同努力，消除阻礙某些群體獲得該行業(yè)高薪工作的歷史性和根深蒂固的系統性不平等——這既是增加國內人才庫的要求，也是通過(guò)多元化和包容性的勞動(dòng)力最大化創(chuàng )新的要求。 除了上述目標2中討論的芯片基礎設施投資的勞動(dòng)力組成部分外，《芯片與科學(xué)法案》第102(d)條還為微電子勞動(dòng)力發(fā)展活動(dòng)設立了NSF基金。根據這一規定，可以支持范圍廣泛的活動(dòng)，包括開(kāi)發(fā)面向行業(yè)的課程和教學(xué)模塊，以及努力將微電子內容更多地納入各級教育的STEM課程。學(xué)習活動(dòng)和體驗也可以得到支持，包括提供物理、模擬和/或遠程訪(fǎng)問(wèn)具有行業(yè)標準流程和工具的培訓設施的努力，以及為k - 12學(xué)生提供非正式的動(dòng)手微電子學(xué)習機會(huì )。此外，該條款還為教師的研究和專(zhuān)業(yè)發(fā)展計劃的制定和實(shí)施提供了條件，并通過(guò)激勵雇用微電子關(guān)鍵領(lǐng)域的教師來(lái)擴大微電子領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究能力。最終，該基金將為創(chuàng )新的教育途徑鋪平道路，將高中、職業(yè)和技術(shù)教育、軍事、高等教育和研究生課程與工業(yè)聯(lián)系起來(lái)，并通過(guò)創(chuàng )建和維護一個(gè)可公開(kāi)訪(fǎng)問(wèn)的數據庫和在線(xiàn)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站，使材料得以傳播。 NSF在投資STEM教育方面有著(zhù)悠久的歷史。NSF的項目廣泛投資于K-12學(xué)校、社區學(xué)院和大學(xué)的學(xué)習者，以及對現有工人的再培訓，以及對那些尋求進(jìn)入新興領(lǐng)域勞動(dòng)力的人的技能提升。為了在美國培養多樣化的微電子和半導體勞動(dòng)力，NSF正在利用這一投資組合并建立一套量身定制的投資，包括與私營(yíng)部門(mén)建立可擴展的合作伙伴關(guān)系，以提高熟練的半導體制造勞動(dòng)力。 為了補充支持教育、研究和勞動(dòng)力培訓計劃各個(gè)方面的廣泛聯(lián)邦計劃，許多團體已經(jīng)或正在努力解決擴大半導體勞動(dòng)力的公認需求。例如，一個(gè)非營(yíng)利組織發(fā)起了納米技術(shù)和半導體學(xué)徒成長(cháng)計劃(gain)，該計劃由勞工部資助，在國家科學(xué)基金會(huì )的支持下，啟動(dòng)了國家人才中心，這是一個(gè)為學(xué)生匹配工作機會(huì )和發(fā)現他們技能不足的平臺。 半導體行業(yè)協(xié)會(huì )也在努力，包括開(kāi)發(fā)在線(xiàn)課程，以滿(mǎn)足其成員公司的勞動(dòng)力需求。解決更廣泛的STEM勞動(dòng)力需求的努力和戰略已經(jīng)有了很好的記錄，也適用于半導體勞動(dòng)力這一目標的重點(diǎn)是聯(lián)邦政府可以在擴大半導體勞動(dòng)力方面發(fā)揮作用的努力。連接、擴大和擴大成功的項目對于滿(mǎn)足半導體行業(yè)未來(lái)的勞動(dòng)力需求也至關(guān)重要，以確保美國在微電子領(lǐng)域的持續領(lǐng)導地位。下面討論的努力建立在這些STEM教育計劃的基礎上，重點(diǎn)是為微電子生態(tài)系統量身定制的努力。 在今后五年中，需要努力實(shí)現下列目標： 01 支持與微電子相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)學(xué)科的學(xué)習者和教育者 為了滿(mǎn)足預計的半導體勞動(dòng)力需求，需要做出重大努力來(lái)支持整個(gè)教育領(lǐng)域的教育工作者和學(xué)生。除了電子工程和計算機科學(xué)等傳統學(xué)科以外，隨著(zhù)半導體行業(yè)的不斷創(chuàng )新和多樣化，化學(xué)、化學(xué)工程、工業(yè)工程、環(huán)境工程和材料科學(xué)與工程等領(lǐng)域將變得越來(lái)越重要。雖然K-12教育是州和地方實(shí)體的責任，但可以做很多工作來(lái)為教師提供必要的資源和經(jīng)驗，使他們能夠向學(xué)生介紹微電子領(lǐng)域的職業(yè)機會(huì )�，F有的項目，如美國國家科學(xué)基金會(huì )的教師研究經(jīng)驗(RET)66和羅伯特·諾伊斯教師獎學(xué)金項目，致力于招聘、培訓和留住STEM教師。對于K-12學(xué)生來(lái)說(shuō)，提高對半導體行業(yè)就業(yè)機會(huì )的認識，以及高質(zhì)量的教學(xué)材料和令人興奮的動(dòng)手項目，可以幫助激發(fā)他們追求相關(guān)教育途徑的興趣。K-12教育工作者需要獲得高質(zhì)量的教學(xué)資源，這些資源與他們必須達到的國家標準相匹配。 對于一些熟練的技術(shù)職位，非學(xué)位課程，如證書(shū)、證書(shū)、文憑和其他可堆疊的證書(shū)比傳統的學(xué)位課程更合適。熟練的技術(shù)人員往往具有很強的地理聯(lián)系，因此在當前和新興半導體中心的區域努力對于培養這些人才尤為重要。行業(yè)、勞工和地區培訓項目之間的合作可以幫助發(fā)展知識和技能，并確定當地的職業(yè)道路。行業(yè)代表可以作為學(xué)生的寶貴導師，并在“培訓培訓師”項目中協(xié)助教育工作者。這些合作在促進(jìn)區域獲得與行業(yè)相關(guān)的制造工具和“無(wú)晶圓廠(chǎng)”(數字)資源以支持教育和培訓工作方面也發(fā)揮了重要作用。雖然半導體技術(shù)人員有許多成功的模式和現有的課程(見(jiàn)下面的對話(huà)框)，但要產(chǎn)生更大的影響，需要努力擴展、共享和不斷更新這些資源。 在本科和研究生階段，需要能夠適應半導體發(fā)展和創(chuàng )新加速的響應性教育和培訓系統�？焖侔l(fā)展的步伐要求工程和科學(xué)項目保持與時(shí)俱進(jìn)，以避免在教育和工業(yè)需求之間造成差距。為了避免日益擴大的差距，工業(yè)界、勞工和學(xué)術(shù)界必須共同努力，啟動(dòng)和促進(jìn)專(zhuān)業(yè)的本科和研究生水平的課程和項目，這些課程和項目必須靈活，能夠與新興的行業(yè)需求保持一致。盡早認識到跨學(xué)科的方法對于半導體研發(fā)中出現的挑戰是必要的，這將有助于培養面向未來(lái)的勞動(dòng)力。 非學(xué)位半導體勞動(dòng)力培訓計劃 非學(xué)位課程，如賓夕法尼亞州立大學(xué)納米技術(shù)教育和利用中心的微電子和納米制造證書(shū)課程(MNCP)，為半導體勞動(dòng)力提供了寶貴的培訓。該項目是社區學(xué)院和擁有潔凈室的研究密集型機構之間的合作項目，提供一個(gè)學(xué)期的課堂和體驗式培訓，為學(xué)生進(jìn)入微電子行業(yè)做好準備。本學(xué)期結束后，學(xué)生將成功通過(guò)ASTM國際納米技術(shù)表征、納米技術(shù)健康與安全、納米技術(shù)制造及相關(guān)基礎設施的三個(gè)認證考試。除了學(xué)術(shù)機構外，該項目還有12個(gè)美國半導體和微電子行業(yè)合作伙伴。 有必要為社區學(xué)院和四年制本科學(xué)生開(kāi)發(fā)新興主題的課程，并確保資源，使大量學(xué)生能夠有沉浸式的實(shí)驗室體驗。相關(guān)的體驗式學(xué)習對于微電子領(lǐng)域的高技能工作至關(guān)重要——課程是不夠的。然而，大多數美國教育機構目前沒(méi)有能力和資源提供實(shí)踐學(xué)習經(jīng)驗，使學(xué)生為微電子勞動(dòng)力做好充分準備。如上述目標2所述，利用CHIPS投資擴大研究基礎設施的合作努力將有助于滿(mǎn)足這些需求。利用虛擬和增強現實(shí)工具以及數字孿生可以進(jìn)一步幫助教育機構在沒(méi)有物理工具的情況下提供學(xué)習體驗�；谠频脑O計、數據管理、建模和仿真解決方案也可以通過(guò)加強行業(yè)研發(fā)與大學(xué)和小企業(yè)研究人員之間的合作，幫助避免培訓缺口。 學(xué)生直接與行業(yè)專(zhuān)業(yè)人士一起解決現實(shí)問(wèn)題的活動(dòng)可能是強大的學(xué)習經(jīng)驗。在職培訓模式，如在公共和私營(yíng)部門(mén)的研究實(shí)驗室、開(kāi)發(fā)中心和制造工廠(chǎng)的實(shí)習和學(xué)徒計劃，將對擴大這些機會(huì )至關(guān)重要。特別是，在最高度專(zhuān)業(yè)化的領(lǐng)域，在最先進(jìn)的設施中，與成熟的行業(yè)專(zhuān)業(yè)人士接觸和指導，可以幫助學(xué)生獲得最新的技能。結合學(xué)徒制、實(shí)習制、合作社制和其他在職培訓機會(huì )的公私合營(yíng)微電子培訓項目需要在全國范圍內擴大，以適應微電子技術(shù)發(fā)展和創(chuàng )新的步伐。重要的是，學(xué)習途徑的多樣性需要公平地支持所有美國人，發(fā)展應特別關(guān)注目前服務(wù)不足的地理區域和人口。在可能的情況下，將學(xué)徒和實(shí)習培訓轉化為大專(zhuān)或研究生學(xué)位的大學(xué)學(xué)分的機制，將使通往微電子職業(yè)的道路更容易導航。 支持學(xué)習者和教育工作者的主要行動(dòng)包括： 根據K-12教師的現有標準，在半導體教育相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的教學(xué)材料庫。 為課程、習題集和實(shí)驗室建立一個(gè)知識庫，教師可以貢獻并訪(fǎng)問(wèn)這些知識庫，以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)他們的課程。 促進(jìn)廣泛參與這些存儲庫的開(kāi)發(fā)，以確保它們跨越多個(gè)機構項目，并與各種CHIPS工作聯(lián)系起來(lái)，以改善教育工作者、學(xué)生和工人的資源共享和利用。 促進(jìn)和擴大以半導體為重點(diǎn)的教師培訓和研究機會(huì )項目，包括訪(fǎng)問(wèn)或臨時(shí)行業(yè)交流項目。 促進(jìn)教師和學(xué)生參觀(guān)主要研究設施和半導體制造基地的機會(huì )。 方便訪(fǎng)問(wèn)物理和虛擬工具的教師和學(xué)生的研究經(jīng)驗，以提供體驗式學(xué)習，將學(xué)生準備他們的職業(yè)生涯后完成他們的學(xué)位或認證。 利用公私和區域項目促進(jìn)師徒關(guān)系，以及實(shí)習和學(xué)徒等在職培訓項目。 與專(zhuān)業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì )和行業(yè)協(xié)會(huì )合作，開(kāi)發(fā)以教師為中心的課程，以更好地將半導體相關(guān)課程 促進(jìn)教師在行業(yè)環(huán)境中的休假和訪(fǎng)問(wèn)職位。 為行業(yè)研發(fā)領(lǐng)導者提供大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者職位。 建立合作設計工作室，專(zhuān)注于跨學(xué)科，促進(jìn)學(xué)生跨部門(mén)接觸。 開(kāi)發(fā)和部署工具、方法和最佳實(shí)踐，以促進(jìn)資源和機會(huì )的包容性和可及性使用。 02 促進(jìn)微電子領(lǐng)域有意義的公眾參與，提高對半導體行業(yè)職業(yè)機會(huì )的認識 非正式教育和與公眾的接觸對于提高對半導體行業(yè)職業(yè)機會(huì )的更廣泛認識和加強國內微電子勞動(dòng)力至關(guān)重要。由于熟練的半導體勞動(dòng)力需求因地區而異，強調社區更多地了解該行業(yè)的非正式機會(huì )可以使他們成為不斷增長(cháng)的生態(tài)系統中的積極合作伙伴。值得注意的是，在K-12階段，家長(cháng)、老師、指導顧問(wèn)、朋友和導師等都會(huì )影響學(xué)生的發(fā)展軌跡。培養對半導體、應用和勞動(dòng)力需求的共同基礎理解將有助于學(xué)生對半導體行業(yè)存在的機會(huì )做出明智的決定�？茖W(xué)中心和其他非正式STEM學(xué)習場(chǎng)所的半導體相關(guān)展示和內容可以作為簡(jiǎn)單的切入點(diǎn)，接觸到目前不在學(xué)校的人，培養好奇心、興趣并擴大認識。 全國非正式STEM教育網(wǎng)絡(luò )(NISE網(wǎng)絡(luò )) NISE Network70是一個(gè)由全國各地的科學(xué)教育專(zhuān)家組成的強大社區，主要由當地博物館和大學(xué)外展教育工作者組成，他們與當地圖書(shū)館、社區中心和學(xué)校合作。NISE網(wǎng)絡(luò )起源于納米非正式科學(xué)教育網(wǎng)絡(luò )，由美國國家科學(xué)基金會(huì )于2005-2016年支持。最初的NISE網(wǎng)絡(luò )覆蓋了超過(guò)3000萬(wàn)人，重點(diǎn)是培養對納米技術(shù)的認識和理解。NISE Net繼續增加與微電子勞動(dòng)力相關(guān)的許多科目的教育材料目錄。在美國所有州和地區都可以找到600多個(gè)NISE網(wǎng)絡(luò )合作伙伴，為美國各地提供這些課程。
地圖顯示NISE網(wǎng)絡(luò )參與機構。圖片來(lái)源:國家非正式STEM教育網(wǎng)絡(luò )，2005-2016年合作伙伴報告。 提高對半導體行業(yè)機遇意識的策略包括： 利用開(kāi)發(fā)博物館展覽和公開(kāi)活動(dòng)的項目，這些項目與經(jīng)過(guò)審查的、可操作的信息有關(guān)，并擴大對半導體及其應用的理解。 建立或連接到現有的非正式科學(xué)中心網(wǎng)絡(luò )，以便了解當地需求和關(guān)切的區域專(zhuān)家可以為內容開(kāi)發(fā)做出貢獻。 開(kāi)發(fā)和分發(fā)教學(xué)和演示套件，可以在微電子的年度活動(dòng)或慶�；顒�(dòng)中使用。 充分利用多媒體和社會(huì )媒體工具，在全美國擴大影響力和知名度。 利用競賽和挑戰來(lái)提高學(xué)生對半導體問(wèn)題的認識和激勵。 03 準備一個(gè)包容性的當前和未來(lái)的微電子勞動(dòng)力 在全國范圍內擴大微電子和相關(guān)教育，包括針對小型和農村學(xué)校、社區學(xué)院、傳統黑人學(xué)院和大學(xué)(HBCUs)、部落控制學(xué)院和大學(xué)(TCCUs)以及其他少數民族服務(wù)機構(msi)的努力，將為目前在半導體行業(yè)中代表性不足的人才提供機會(huì )。半導體行業(yè)中越來(lái)越多的多元化代表將支持創(chuàng )新，并營(yíng)造一個(gè)更具包容性和積極的專(zhuān)業(yè)環(huán)境，從而吸引更多的人才。過(guò)渡性項目可以幫助解決機會(huì )差距問(wèn)題，確保所有美國人都能從中受益。隨著(zhù)學(xué)生從高中轉到學(xué)位課程，從本科轉到研究生院，銜接課程可以加強成功所需的基礎技能和知識。努力提供綜合性服務(wù)，如兒童保育，可能有助于吸引雙職工研究人員，并產(chǎn)生倍增的影響。 解決當前和未來(lái)的微電子勞動(dòng)力挑戰將需要在教育工作者、培訓師、政策制定者、工會(huì )、專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì )和行業(yè)中開(kāi)發(fā)和使用技能需求清單。在微電子工業(yè)中，共同知識、技能和能力(KSAs)和技術(shù)能力的識別必須通過(guò)相關(guān)各方的合作來(lái)完成。將ksa映射到課程、技術(shù)和職業(yè)教育以及學(xué)習者的職業(yè)指導中，將提高學(xué)生加入半導體勞動(dòng)力的準備程度。這項工作需要定期更新，以跟上行業(yè)創(chuàng )新的步伐。 實(shí)習是許多學(xué)生第一次體驗他們在課堂上學(xué)習的STEM知識的令人興奮和有前途的應用。確保在高等教育的第一年到第二年的關(guān)鍵過(guò)渡階段提供這些機會(huì )，可以提供早期的職業(yè)機會(huì )，并加強學(xué)生與半導體行業(yè)的聯(lián)系。聯(lián)邦政府已經(jīng)在各機構的微電子實(shí)習項目上投入了大量資金。例如，NIST為高中、四年制大學(xué)、社區學(xué)院、職業(yè)學(xué)校和其他各種教育項目的學(xué)生提供帶薪暑期實(shí)習機會(huì )。 NSF最近與半導體研究公司建立了合作伙伴關(guān)系，以開(kāi)發(fā)與半導體進(jìn)步相關(guān)的NSF本科生研究經(jīng)驗(REU)計劃的新站點(diǎn)。這種新的伙伴關(guān)系將確保有多個(gè)團隊致力于微電子研究，幫助這些學(xué)生為研究生研究和/或該領(lǐng)域的職業(yè)生涯做好準備。 美國國家科學(xué)基金會(huì )新興和新技術(shù)體驗式學(xué)習(ExLENT)項目旨在提供包容性的體驗式學(xué)習經(jīng)驗，以培養新興技術(shù)的勞動(dòng)力，包括半導體和微電子此外，能源部支持數千名學(xué)生在其17個(gè)國家實(shí)驗室實(shí)習，使學(xué)生能夠在高中、技術(shù)學(xué)校、學(xué)院和大學(xué)以及其他教育項目中獲得體驗式學(xué)習。美國能源部還在其國家實(shí)驗室和許多大學(xué)和學(xué)院支持研究生和博士后獎學(xué)金。 還需要建立機制，以便更容易地招募和留住外國學(xué)生和專(zhuān)業(yè)人員，以滿(mǎn)足美國微電子工業(yè)的勞動(dòng)力需求。建立和留住擁有高等學(xué)歷的國內勞動(dòng)力還需要激勵措施，以與其他國家的招聘努力競爭，包括改善外國出生、在美國受過(guò)教育、擁有關(guān)鍵研發(fā)和制造業(yè)相關(guān)技能的學(xué)生的移民途徑經(jīng)過(guò)適當審查的國際學(xué)生交流，進(jìn)一步擴大使用制造設施的機會(huì )，并確保與國際盟友和伙伴的合作，也可以鼓勵有技能的外國學(xué)生支持美國的勞動(dòng)力需求。擴大其他國家，特別是在美國高等教育中代表性不足的國家的教育途徑的項目，將支持勞動(dòng)力需求并加速所需的增長(cháng)。這方面的例子包括讓其他國家的學(xué)生參與學(xué)術(shù)研究探索，從而促進(jìn)碩士和博士課程的招生。研究保護仍然是最重要的，但這些擔憂(yōu)必須與國際人才在美國創(chuàng )新生態(tài)系統中已經(jīng)發(fā)揮并將繼續發(fā)揮的積極作用相平衡。 幫助培養微電子勞動(dòng)力的策略包括： 有意參與并分享美國各地的教育項目和機會(huì )，確保地理多樣性，以及與HBCU、TCCUs、MSI、四年制大學(xué)和社區大學(xué)的聯(lián)系。 改善微電子教育程序的可訪(fǎng)問(wèn)性，使殘疾學(xué)生和不同學(xué)習方式的學(xué)生能夠訪(fǎng)問(wèn)。 鼓勵行業(yè)、學(xué)術(shù)界和其他相關(guān)利益相關(guān)者共同努力，確定、更新和映射半導體供應鏈上的ksa和技術(shù)能力。 擴大現有的帶薪實(shí)習和獎學(xué)金，為學(xué)生提供微電子培訓。 開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)放的平臺，提供低成本或免費的在線(xiàn)課程和可堆疊的證書(shū)，為未來(lái)的勞動(dòng)力發(fā)展提供職業(yè)跨越機會(huì )，以重新/提高技能。 提供遠程，虛擬和/或增強現實(shí)培訓，以模擬制造環(huán)境。 建立招聘和留住經(jīng)過(guò)適當審查的外國學(xué)生和研究人員的機制。 04 建立和推動(dòng)微電子研究和創(chuàng )新能力 為了提高美國的競爭力，它必須優(yōu)先考慮支持創(chuàng )新和創(chuàng )業(yè)的投資和戰略計劃。有機會(huì )提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，并最大限度地提高效率，以支持半導體設施。有必要鼓勵在教育后期的學(xué)生從事研究工作。這對于生活在服務(wù)水平不足的社區的第一代大學(xué)生來(lái)說(shuō)尤其重要，他們可能沒(méi)有榜樣、導師或資源來(lái)在這么小的時(shí)候決定自己的職業(yè)道路。NSF（國家科學(xué)基金會(huì )）支持的研究生非學(xué)術(shù)研究實(shí)習（INTERN）計劃為研究生提供了在學(xué)術(shù)環(huán)境之外工作的經(jīng)濟支持，以便他們能夠發(fā)展行業(yè)所需的專(zhuān)業(yè)技能。此外，各個(gè)階段的學(xué)生經(jīng)常會(huì )改變他們的興趣或職業(yè)計劃，因此需要敏捷而靈活的系統來(lái)將學(xué)生和現有員工重新定向到研發(fā)等新職業(yè)中。 除了滿(mǎn)足當前和未來(lái)勞動(dòng)力需求所需的人員外，學(xué)習過(guò)程還需要獲得最先進(jìn)的設施，設備和工具。如上文在目標2中所述，需要增加資源共享、同地辦公、虛擬學(xué)習環(huán)境和其他手段，以便為特定學(xué)術(shù)機構的學(xué)生提供跨多個(gè)機構或設施的重要學(xué)習資源。隨著(zhù)基礎設施的擴展以支持研發(fā)，學(xué)生也需要獲得這些資源�？梢酝ㄟ^(guò)遠程訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)、消除學(xué)生使用前沿工具的地理限制的旅行資助以及使學(xué)生在追求創(chuàng )新工作時(shí)易于跨越學(xué)術(shù)體系的機制來(lái)最大限度地減少訪(fǎng)問(wèn)障礙。 （1）在學(xué)生學(xué)術(shù)生涯的早期吸引和留住他們 為了擴大微電子研究生態(tài)系統，項目需要在學(xué)生學(xué)術(shù)生涯的早期吸引和留住學(xué)生，并鼓勵他們攻讀高級學(xué)位課程。國防部支持的可擴展非對稱(chēng)微電子參與（SCALE）計劃將國防部治理與國家公私學(xué)術(shù)合作伙伴關(guān)系的投入相結合，以吸引，發(fā)展和保留一支清晰的微電子團隊。SCALE是一個(gè)沉浸式的教育計劃，將政府和國防工業(yè)基地實(shí)習與一致的研究和指導相結合，以加深對美國公民本科生和研究生的理解和關(guān)系建設。 為了實(shí)現這些目標，SCALE制定了一套國家課程標準;為從K-12到博士的學(xué)生量身定制的有凝聚力的消息傳遞和招聘方法;一個(gè)行業(yè)支持的安全微電子生態(tài)系統中心，讓學(xué)生參與將研究過(guò)渡到特定任務(wù);和系統的計劃評估，以確保提高培訓和留住學(xué)生的有效性，以滿(mǎn)足勞動(dòng)力需求。
幫助發(fā)展和維持研發(fā)隊伍的戰略包括： 利用學(xué)院和大學(xué)的創(chuàng )業(yè)項目，包括商學(xué)院的重點(diǎn)項目，擴大人們對為提升美國領(lǐng)導力創(chuàng )造經(jīng)濟條件的興趣。 增加獎學(xué)金，供學(xué)生攻讀以研究、創(chuàng )新和創(chuàng )業(yè)為重點(diǎn)的STEM相關(guān)學(xué)科的高級學(xué)位。 如目標2所述，為學(xué)生提供旅行資助等機制，使他們能夠更方便地使用研究基礎設施，從而在整個(gè)研究發(fā)展過(guò)程中進(jìn)行培訓和工作。 提供獎學(xué)金；本科生、研究生和博士后獎學(xué)金；和其他基于工作的應用研究經(jīng)驗學(xué)習機會(huì )。 探索促進(jìn)學(xué)術(shù)機構和工業(yè)界之間更多交流項目或實(shí)習的機會(huì )。 目標4 創(chuàng )建一個(gè)充滿(mǎn)活力的微電子創(chuàng )新生態(tài)系統，以加速R&D向美國產(chǎn)業(yè)的轉型 芯片法案促成的歷史性投資不僅為填補R&D基礎設施的現有缺口提供了機會(huì )，還為振興生態(tài)系統和創(chuàng )造良性微電子創(chuàng )新循環(huán)提供了機會(huì )。當前學(xué)科、機構、學(xué)術(shù)界和行業(yè)的分工，加上跨越設施和談判復雜協(xié)議以訪(fǎng)問(wèn)工具和數字資源的挑戰，給技術(shù)開(kāi)發(fā)連續體中的新創(chuàng )新成熟帶來(lái)了嚴重障礙。下面討論的策略旨在減少或消除這些障礙，以促進(jìn)跨堆棧的合作，促進(jìn)研究基礎設施的訪(fǎng)問(wèn)，促進(jìn)學(xué)術(shù)界-工業(yè)界-政府的合作，并在各種努力之間建立橋梁，以創(chuàng )建一個(gè)路徑、反饋回路和移交網(wǎng)絡(luò )，從而使新創(chuàng )新加速向市場(chǎng)過(guò)渡。 一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的復雜研究生態(tài)系統 正如本報告所述，微電子R&D生態(tài)系統復雜且基礎設施密集。用戶(hù)設施網(wǎng)絡(luò )擴大了對制造和表征新材料和設備所需的專(zhuān)業(yè)工具的訪(fǎng)問(wèn)。這些用戶(hù)設施被描述為“民主化科學(xué)”，使缺乏資源的研究機構的研究人員能夠構建完整的工具集，為微電子研究做出貢獻，并擴大新進(jìn)展的創(chuàng )新基礎。美國國家科學(xué)基金會(huì )資助的國家納米技術(shù)協(xié)調基礎設施是用戶(hù)網(wǎng)絡(luò )之一，提供對微電子研究至關(guān)重要的數千種專(zhuān)業(yè)工具。 在這張網(wǎng)絡(luò )圖（下圖）中，NNCI的站點(diǎn)用黑色表示，灰點(diǎn)代表使用NNCI設施的學(xué)術(shù)機構。如圖所示，許多大學(xué)使用每個(gè)設施，許多大學(xué)利用多個(gè)站點(diǎn)，反映了生態(tài)系統的復雜性以及這些用戶(hù)設施對研究企業(yè)的深遠影響，有助于連接不同的創(chuàng )新者和項目。 一個(gè)充滿(mǎn)活力的生態(tài)系統包括技術(shù)開(kāi)發(fā)的所有方面，從早期研究概念到融入系統或產(chǎn)品。生態(tài)系統中的實(shí)體包括學(xué)術(shù)機構、供應鏈中的大小公司、非營(yíng)利財團和協(xié)會(huì )、國家實(shí)驗室和其他FFRDCs、初創(chuàng )企業(yè)、投資公司以及聯(lián)邦、州、地區和地方政府的部門(mén)和機構。除了研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)，生態(tài)系統必須包括所需的教育和培訓工作，以確保流程的每個(gè)階段都有合適的勞動(dòng)力。參與者包括學(xué)生和教育工作者、研究人員、開(kāi)發(fā)人員、科學(xué)家和工程師、企業(yè)家、工會(huì )官員、商業(yè)領(lǐng)袖和政策制定者。 R&D向商業(yè)實(shí)踐過(guò)渡需要很長(cháng)時(shí)間，這帶來(lái)了額外的挑戰。新技術(shù)從研究成果發(fā)表到創(chuàng )新成果批量商業(yè)化生產(chǎn)通常需要10到15年的時(shí)間。依賴(lài)復雜科學(xué)突破的技術(shù)可能需要更長(cháng)的時(shí)間。例如，極紫外光刻工具花了40多年才被納入大規模制造。如下所述，聯(lián)邦政府的支持和利益相關(guān)者之間的加強協(xié)調有助于應對這一挑戰并加快研究、開(kāi)發(fā)、演示和部署周期。 公共和私營(yíng)部門(mén)的利益相關(guān)者一致認為，保持半導體行業(yè)的領(lǐng)導地位需要美國以比競爭對手更快的速度進(jìn)行創(chuàng )新。加快R&D轉化為產(chǎn)品和服務(wù)的速度對于為公眾帶來(lái)廣泛利益、支持美國經(jīng)濟和維護國家安全至關(guān)重要。以目標1確定的領(lǐng)域為重點(diǎn)的充滿(mǎn)活力的創(chuàng )新文化是一個(gè)重要基礎，必須輔之以資源和政策，以加快這些創(chuàng )新的轉化。 持續的領(lǐng)導地位需要創(chuàng )造和支持一個(gè)良性循環(huán)，在這個(gè)循環(huán)中，R&D推動(dòng)創(chuàng )新的、面向市場(chǎng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)，包括漸進(jìn)式和變革性的進(jìn)步，反過(guò)來(lái)，這些技術(shù)又推動(dòng)新的見(jiàn)解和研發(fā)資金。R&D的卓越與R&D在產(chǎn)品和服務(wù)領(lǐng)域的快速轉型相結合，將成為美國及其盟友的一個(gè)重要和獨特的競爭優(yōu)勢。 需要建立機制來(lái)加強各機構之間以及學(xué)術(shù)界、政府和R&D工業(yè)界之間的溝通和協(xié)作。這種溝通和合作對于R&D表演者與政府和行業(yè)最終用戶(hù)之間的聯(lián)系以及增強研究人員對系統級設計和性能限制的了解至關(guān)重要。加強溝通和合作可以為研究方向提供信息，以確保進(jìn)步得以實(shí)施，并增加創(chuàng )新概念轉化為制造的可能性。此外，建立溝通途徑和合作將為新的研究進(jìn)展提供機會(huì )，以推動(dòng)能夠超越現有技術(shù)的顛覆性創(chuàng )新。 為了發(fā)展充滿(mǎn)活力的微電子生態(tài)系統，加速R&D向商業(yè)化的過(guò)渡，美國政府將在未來(lái)五年內努力實(shí)現以下目標： 01 支持、建設和連接中心、公私伙伴關(guān)系和聯(lián)盟，以深化微電子生態(tài)系統中各利益相關(guān)方之間的合作 聯(lián)邦機構經(jīng)常在共同感興趣的研究領(lǐng)域合作，并直接與整個(gè)微電子行業(yè)的公司合作，工業(yè)界通常直接參與特定項目的個(gè)人學(xué)術(shù)研究小組。然而，要確保微電子在未來(lái)的領(lǐng)先地位，需要深化合作以應對當前和未來(lái)的重大挑戰。在適當的情況下，大型研究中心和公私合作伙伴關(guān)系可以將多方聚集在一起。事實(shí)證明，建立和持續支持這些工作是一種有效的方法，有助于通過(guò)戰略組合團隊針對特定技術(shù)挑戰開(kāi)展協(xié)作。 例如，一些聯(lián)邦機構與半導體研究公司（SRC）合作，將基礎學(xué)術(shù)研究與長(cháng)期行業(yè)技術(shù)和勞動(dòng)力需求更緊密地結合起來(lái)。DARPA-SRC聯(lián)合大學(xué)微電子計劃（JUMP 2.0）及其前身集中體現了這種方法的成功。雖然工業(yè)界經(jīng)常與特定的學(xué)術(shù)研究人員達成雙邊協(xié)議，但聯(lián)邦政府資助的項目（如JUMP）有助于更廣泛的跨行業(yè)信息交流和建立共識。從更廣泛的社區角度來(lái)看，這些合作結構可以更快地確定需要資助的最高優(yōu)先級研究。這些結構還提供了行業(yè)合作伙伴對學(xué)術(shù)研究人員的快速反饋，政府參與者有助于確保廣泛的影響和公共部門(mén)投資回報。本節討論的深化合作的重點(diǎn)工作將有助于： 早期識別一組更全面的潛在障礙，以實(shí)現成熟和擴大新技術(shù)的規模，供更廣泛的行業(yè)和科學(xué)專(zhuān)家進(jìn)行研究，并設計公共和私人資助計劃來(lái)支持這項工作。 更廣泛地認識到生態(tài)系統不同部分的共同和獨特需求，包括教育項目、學(xué)術(shù)研究人員、政府資助的獨立研究實(shí)驗室和小企業(yè)的需求，以及開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、產(chǎn)品費用結構和服務(wù)來(lái)滿(mǎn)足這些需求。 為新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和成熟建立新方法，創(chuàng )造性地利用許多不同合作組織的獨特能力，包括政府資助的用戶(hù)設施和高度專(zhuān)業(yè)化企業(yè)的世界領(lǐng)先的儀器和其他資源。 通過(guò)開(kāi)發(fā)階段集中公共和私人資源推進(jìn)具有潛在變革性的技術(shù)，在這些階段，成本大幅增加，而最終技術(shù)成功和商業(yè)可行性的基本風(fēng)險仍然很高，從而使更多創(chuàng )新能夠比當前做法更快地進(jìn)入市場(chǎng)。 除了上面討論的用戶(hù)設施之外，NSF還有幾個(gè)支持大型多機構研究中心的項目，其中包括行業(yè)和其他成員。這些中心將學(xué)術(shù)研究人員聚集在一起，就共同的挑戰進(jìn)行合作并利用各種能力。這些計劃還為與大小公司和其他實(shí)體達成會(huì )員協(xié)議提供了一個(gè)框架，以解決知識產(chǎn)權等關(guān)鍵問(wèn)題。目前有幾個(gè)與R&D微電子公司相關(guān)的國家科學(xué)基金會(huì )中心，包括國家科學(xué)基金會(huì )工程研究中心、移動(dòng)計算和能源技術(shù)納米制造系統（NASCENT），專(zhuān)注于創(chuàng )造革命性的制造、設備、材料和建模，包括代表研究機構、材料供應商、設備制造商、集成設備制造商和前沿鑄造廠(chǎng)的大小公司。 其他例子包括國家科學(xué)基金會(huì )產(chǎn)業(yè)-大學(xué)合作研究中心（IUCRC）項目資助的幾個(gè)中心（其中國家科學(xué)基金會(huì )提供運營(yíng)資金，工業(yè)界提供大部分研究資金），例如中心硬件和嵌入式系統安全與信任中心(CHEST)和通信系統高頻電子與電路中心(CHECCS)。 能源部17個(gè)國家實(shí)驗室的微電子和半導體技術(shù)創(chuàng )新得益于卓越的物理學(xué)專(zhuān)業(yè)基礎；化學(xué)和化學(xué)工程；材料科學(xué)；等離子科學(xué)；同位素生產(chǎn)；納米制造；電氣、機械和系統工程和計算機科學(xué)。補充這一專(zhuān)業(yè)知識的是材料研究、器件設計和制造、表征以及建模和模擬方面的廣泛能力。能源部的國家實(shí)驗室具備開(kāi)發(fā)先進(jìn)微電子技術(shù)所需的特定能力，包括通過(guò)能源部五個(gè)納米科學(xué)研究中心和其他用戶(hù)設施提供的新型制造方法開(kāi)發(fā)和評估新材料和快速原型。桑迪亞國家實(shí)驗室的微系統工程、科學(xué)和應用（MESA）綜合體等設施還具備額外的R&D和生產(chǎn)能力。與這些實(shí)驗能力相輔相成的是模擬、建模和數據科學(xué)能力，從原子方法到量子和神經(jīng)形態(tài)技術(shù)、人工智能和機器學(xué)習以及超萬(wàn)億次高性能計算（HPC）。高性能計算能夠支持材料研究、電路和系統設計以及性能預測。通過(guò)能源部的用戶(hù)設施網(wǎng)絡(luò )，包括大學(xué)、工業(yè)和其他政府機構在內的廣大科學(xué)界可以獲得許多這些實(shí)驗和計算能力。 區域創(chuàng )新中心可以匯集多個(gè)合作伙伴，并通過(guò)整個(gè)供應鏈的協(xié)調促進(jìn)實(shí)驗室到市場(chǎng)路徑上的技術(shù)轉讓�；诨锇殛P(guān)系的區域中心有可能通過(guò)將大企業(yè)的管理能力與小企業(yè)、政府和學(xué)術(shù)研究實(shí)驗室的專(zhuān)長(cháng)結合起來(lái)，減少開(kāi)發(fā)和過(guò)渡的時(shí)間和成本。事實(shí)證明，在增強現有集群時(shí)，區域中心比試圖在沒(méi)有現有資本和人才基礎的情況下創(chuàng )建此類(lèi)生態(tài)系統更有效。NSF區域創(chuàng )新引擎和DOC經(jīng)濟發(fā)展管理局區域技術(shù)和創(chuàng )新中心（技術(shù)中心）計劃是支持這些努力的聯(lián)邦計劃的示例。此外，DOC芯片激勵計劃鼓勵支持地區半導體生態(tài)系統。 國防部微電子公共領(lǐng)域旨在利用和加強選定中心周?chē)膮^域生態(tài)系統，提供實(shí)驗室到工廠(chǎng)的能力。Commons hub生態(tài)系統不一定受到州界的限制，它旨在成為一個(gè)區域能力網(wǎng)絡(luò )，利用Commons的資金和學(xué)術(shù)、非營(yíng)利或行業(yè)機構的現有能力進(jìn)行潛在的增強，既可以作為創(chuàng )新的來(lái)源，也可以作為贊助活動(dòng)的舉辦地。 美國制造業(yè)研究所代表了另一種有效的模式，可以促進(jìn)多個(gè)制造業(yè)行業(yè)的行業(yè)需求和學(xué)術(shù)能力之間的交流。目前，五個(gè)研究所支持微電子制造基地的要素，包括增材制造和3D打印的相鄰部門(mén)、先進(jìn)機器人制造和數字制造工具。與這些和其他依賴(lài)微電子創(chuàng )新的部門(mén)（如工業(yè)自動(dòng)化和機器人、通信、高性能和下一代計算、健康科學(xué)和人工智能）的更多接觸將有助于為新的合作領(lǐng)域提供信息。根據芯片法案，國會(huì )授權并撥款建立了三個(gè)新的美國制造研究所，專(zhuān)注于半導體制造。增加對新模式和現有模式的支持可以擴展到新技術(shù)和新興技術(shù)，并使新的行業(yè)合作伙伴參與進(jìn)來(lái)，以加快新技術(shù)向制造業(yè)的過(guò)渡。 國家半導體技術(shù)中心預計將成為美國微電子創(chuàng )新生態(tài)系統的焦點(diǎn)。如《美國芯片法案》第9906（c）節所述，NSTC將是一個(gè)公私聯(lián)盟，包括美國國防部、美國國防部、美國能源部和美國國家科學(xué)基金會(huì )以及私營(yíng)部門(mén)實(shí)體。雖然NSTC的許多細節仍在制定中，但它將尋求吸納整個(gè)微電子價(jià)值鏈的成員——包括大小公司、大學(xué)、研究機構、能源部國家實(shí)驗室和其他FFRDCs以及非營(yíng)利組織——并將建立機制以促進(jìn)信息交流，吸引成員和外部投資者的私營(yíng)部門(mén)投資，并協(xié)調私營(yíng)部門(mén)和公共部門(mén)的投資。要發(fā)揮這些作用，NSTC既要作為中立協(xié)調者受到信任，又要被視為對公共和私人投資者的需求做出了回應，這需要世界領(lǐng)先的技術(shù)專(zhuān)長(cháng)和能夠適當平衡公共和私人部門(mén)利益的治理結構。 除了通過(guò)目標2下討論的技術(shù)中心網(wǎng)絡(luò )提供獲取實(shí)物資產(chǎn)的途徑外，NSTC還可能參與此處強調的若干戰略，以幫助連接社區。除了關(guān)鍵工具之外，微電子R&D設施群還必須擁有足夠數量的技術(shù)專(zhuān)家和科研人員來(lái)操作和改進(jìn)儀器，并創(chuàng )建一個(gè)卓越中心來(lái)解決其他實(shí)體權限之外的關(guān)鍵問(wèn)題。例如，學(xué)術(shù)研究人員可能會(huì )發(fā)現一種新材料，并進(jìn)行實(shí)驗和原型制作來(lái)證明這一概念。 然而，為了在設計和使用中采用新材料，必須在各種加工參數下精確了解缺陷結構，以充分預測其行為和性能。這種有針對性的研究超出了學(xué)術(shù)努力的范圍，但不太可能在工業(yè)實(shí)驗室中得到解決，因為這種材料尚未得到充分證明。同樣的概念也適用于整個(gè)堆棧；必要的研究介于早期研究和后期實(shí)施之間，在當前的美國生態(tài)系統中形成了一個(gè)缺口。 本報告中確定的努力旨在填補這一空白，通過(guò)利用整個(gè)生態(tài)系統中的公共和私人投資及專(zhuān)業(yè)知識，提供獲得所需基礎設施和科學(xué)專(zhuān)業(yè)知識的途徑，以幫助在技術(shù)發(fā)展道路上實(shí)現創(chuàng )新轉型。例如，NSTC將從學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、能源部國家實(shí)驗室和其他FFRDCs以及世界各地的其他機構補充專(zhuān)門(mén)的專(zhuān)業(yè)科學(xué)人員，以創(chuàng )建一個(gè)充滿(mǎn)活力的創(chuàng )新引擎，加快未來(lái)創(chuàng )新在制造業(yè)中的應用。 雖然這些方法中的每一種都促進(jìn)了每項具體工作中的知識和人才流動(dòng)，但必須促進(jìn)整個(gè)微電子技術(shù)開(kāi)發(fā)連續體的交流，以支持和加強整個(gè)生態(tài)系統。在某些情況下，可能需要具有成員資格的財團之間的直接聯(lián)系或其他合同協(xié)議，而在其他情況下，不太正式的安排可能就足夠了或更可取。需要確定和支持成熟和過(guò)渡研究突破的途徑，跨越基礎設施資源和科學(xué)專(zhuān)業(yè)知識的星座。技術(shù)開(kāi)發(fā)路徑不是一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性過(guò)程，因此反饋循環(huán)和分支將是必要的。同樣重要的是要注意到，單個(gè)研究人員或研究團隊很少在其整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行新的創(chuàng )新，因此也需要促進(jìn)實(shí)體之間的交接。 促進(jìn)眾多中心和聯(lián)盟之間信息共享和協(xié)作的關(guān)鍵行動(dòng)包括： 通過(guò)SML結構、咨詢(xún)委員會(huì )和其他適當的機制，深化監督、支持和指導相關(guān)中心和聯(lián)盟的眾多機構的政府官員之間的合作。 從每個(gè)機構中指定一名代表作為向導，幫助利益相關(guān)者在研究人員進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段中瀏覽復雜的設施和資助機會(huì )網(wǎng)絡(luò )。這些指南將通過(guò)SML緊密合作，并與中心/聯(lián)盟領(lǐng)導層合作。 開(kāi)發(fā)并發(fā)布每個(gè)中心/聯(lián)盟內可用的能力和特定工具的詳細信息。 每年召集中心主任和機構贊助人建立社區，提高對整個(gè)生態(tài)系統能力和活動(dòng)的認識。 支持共享活動(dòng)和網(wǎng)絡(luò )研討會(huì )，以提高研究人員對其他中心工作的認識。 促進(jìn)跨中心的研究交流和訪(fǎng)問(wèn)職位。 在評審委員會(huì )和表演者活動(dòng)中包括支持R&D微電子公司的美國主要政府機構的代表，以利用聯(lián)邦資金。 在適當的情況下，制定財團之間的準入協(xié)議。 在專(zhuān)利和其他知識產(chǎn)權以及標準開(kāi)發(fā)等問(wèn)題上利用培訓成果來(lái)提高研究人員對商業(yè)化關(guān)鍵步驟的認識。 進(jìn)行年度SML能力審查，并定期征求利益相關(guān)方的意見(jiàn)。 02 參與并利用芯片產(chǎn)業(yè)咨詢(xún)委員會(huì ) 加強和重振美國在微電子領(lǐng)域的領(lǐng)導地位需要廣泛的行業(yè)和學(xué)術(shù)利益相關(guān)者的密切參與、建議和監督。根據2021年美國芯片法案第9906（b）節的要求，商務(wù)部長(cháng)成立了一個(gè)工業(yè)咨詢(xún)委員會(huì )（IAC），以評估美國國內微電子行業(yè)的科技需求并為美國政府提供指導；分析微電子研究國家戰略在多大程度上有助于保持美國在微電子制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位；評估根據《2021年美國芯片法案》授權的研發(fā)計劃和活動(dòng)；并為新的公私合營(yíng)企業(yè)尋找機會(huì )，推進(jìn)微電子研究、開(kāi)發(fā)和國內制造的伙伴關(guān)系。該聯(lián)邦咨詢(xún)委員會(huì )向商務(wù)部長(cháng)提供定期報告，在積極識別新興R&D、制造技術(shù)和勞動(dòng)力需求以應對商業(yè)市場(chǎng)或地緣政治的未來(lái)戰略轉變方面也很有價(jià)值。 臨時(shí)行政委員會(huì )已開(kāi)始工作，設立了組織和公私伙伴關(guān)系工作組、R&D勞動(dòng)力工作組和研發(fā)工作組。關(guān)于每個(gè)工作組的任務(wù)和建議的更多信息可在臨時(shí)行政委員會(huì )網(wǎng)站上查閱。 在第一次會(huì )議上，委員會(huì )聽(tīng)取了關(guān)于微電子研究國家戰略草案的簡(jiǎn)要介紹，以及根據《聯(lián)邦公報》上公布的信息請求收到的公眾反應。討論和臨時(shí)行政委員會(huì )隨后發(fā)布的建議為本文件的修訂提供了信息。 參與和利用CHIPS IAC的關(guān)鍵行動(dòng)包括： SML審查委員會(huì )的建議，為機構間討論和機構行動(dòng)提供信息。 機構代表應要求酌情向臨時(shí)行政理事會(huì )通報最新情況。 03 激勵和協(xié)調微電子界應對R&D路線(xiàn)圖和重大挑戰中的關(guān)鍵技術(shù)挑戰 隨著(zhù)技術(shù)向越來(lái)越小的節點(diǎn)發(fā)展，在半導體行業(yè)中有效使用路線(xiàn)圖以使研究工作和相應投資與關(guān)鍵技術(shù)挑戰保持一致的歷史由來(lái)已久。如果行業(yè)技術(shù)路線(xiàn)圖得到廣泛信任并經(jīng)常更新，那么它們在通過(guò)關(guān)注創(chuàng )新者和讓投資者對商業(yè)可行性的時(shí)間表充滿(mǎn)信心來(lái)實(shí)現創(chuàng )新方面可能具有難以置信的價(jià)值。 此外，這樣的路線(xiàn)圖確定了預期進(jìn)步的邊界，這將激勵創(chuàng )新的R&D超越這些預期。如目標1所述，微電子的多樣化將需要多種路線(xiàn)圖來(lái)支持不同應用的各種性能指標。聯(lián)邦政府將繼續鼓勵并在適當的情況下資助由社區利益相關(guān)者制定的技術(shù)路線(xiàn)圖的制定，并參考對相關(guān)技術(shù)和經(jīng)濟因素的最新理解。 激勵和組織研發(fā)社區的另一種機制是明確重大挑戰，以幫助確定優(yōu)先研發(fā)方向。這些活動(dòng)必須廣泛地代表學(xué)術(shù)機構、研究實(shí)驗室和行業(yè)的利益相關(guān)者，并讓他們參與進(jìn)來(lái)。他們還必須關(guān)注需要廣泛專(zhuān)業(yè)知識的主題，以實(shí)現非漸進(jìn)式進(jìn)展并推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。 促進(jìn)制定路線(xiàn)圖和重點(diǎn)研究工作重大挑戰的關(guān)鍵戰略包括： 召開(kāi)研討會(huì )和會(huì )議，將社區聚集在一起以確定和解決關(guān)鍵問(wèn)題。 支持行業(yè)協(xié)會(huì )和其他組織領(lǐng)導路線(xiàn)圖制定工作。 04 促進(jìn)學(xué)術(shù)界、政府和工業(yè)界的交流，以擴大對需求和機遇的理解 除了學(xué)生實(shí)習之外，教師有機會(huì )在工業(yè)R&D或制造業(yè)環(huán)境或聯(lián)邦研究機構度過(guò)一段時(shí)間，也可以提供寶貴的經(jīng)驗和見(jiàn)解。同樣，在學(xué)術(shù)中心安插行業(yè)研究人員可以促進(jìn)信息交流，并為大學(xué)研究界提供背景。 隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)展越來(lái)越依賴(lài)于越來(lái)越精確的工程材料和工藝，儀器、診斷和實(shí)驗合成能力需要快速成熟的新想法，即使是大型私營(yíng)企業(yè)也將越來(lái)越遙不可及。因此，在政府資助的用戶(hù)設施和其他研究機構中，特別是在美國能源部國家實(shí)驗室和其他ffrdc中，世界領(lǐng)先的儀器、綜合能力和計算資源所發(fā)揮的作用預計將對創(chuàng )新管道變得越來(lái)越重要。要發(fā)揮這一作用，需要： 在政府資助機構和私營(yíng)部門(mén)組織之間開(kāi)發(fā)高效的合作方法，實(shí)現公平、靈活的短期和長(cháng)期安排，最大限度地減少合同談判所消耗的時(shí)間。 當機構收集要求并對政府資助的資源和活動(dòng)進(jìn)行技術(shù)和方案規劃時(shí)，包括擴大潛在利益相關(guān)者的范圍，包括了解私人資金如何用于擴大公共資助的項目，同時(shí)確保這些項目滿(mǎn)足任務(wù)需求。 擴大宣傳政府資助能力的活動(dòng)，除了旨在發(fā)展公私合作伙伴關(guān)系的計劃外，還支持教育和勞動(dòng)力發(fā)展計劃利用這些能力。 05 通過(guò)有針對性的計劃和投資支持創(chuàng )業(yè)、初創(chuàng )和早期企業(yè) 硅谷的歷史證明了初創(chuàng )企業(yè)在推動(dòng)微電子行業(yè)創(chuàng )新方面發(fā)揮的巨大作用。然而，設計和制造前沿電路的高資本成本以及制造業(yè)的整合等趨勢，在初創(chuàng )企業(yè)的需求與大型跨國公司的創(chuàng )新方式之間造成了特別大的不匹配。鑒于這些挑戰，需要有針對性的聯(lián)邦投資來(lái)促進(jìn)初創(chuàng )公司的創(chuàng )造和成功，努力將新技術(shù)推向市場(chǎng)。 聯(lián)邦資助的項目可以為企業(yè)家提供商業(yè)發(fā)展培訓和R&D基礎設施的使用權，還可以幫助啟動(dòng)私營(yíng)部門(mén)的伙伴關(guān)系和資本投資。已經(jīng)制定了多個(gè)聯(lián)邦計劃來(lái)支持創(chuàng )業(yè)精神，這些計劃可以推廣和/或復制，從而為該行業(yè)提供特定的機會(huì )，包括以下示例： 國家科學(xué)基金會(huì )的創(chuàng )新團隊（I-Corps）項目為學(xué)者提供培訓，通過(guò)提高他們對商業(yè)規劃和創(chuàng )業(yè)技能的理解來(lái)促進(jìn)初創(chuàng )企業(yè)的形成。能源部的能源I-Corps為能源部國家實(shí)驗室的企業(yè)家做了同樣的事情。 NSF融合加速器計劃為研究人員和創(chuàng )新者提供知識和機會(huì )，通過(guò)支持跨學(xué)科團隊（由不同專(zhuān)業(yè)、學(xué)科、部門(mén)和實(shí)踐社區組成）共同促進(jìn)創(chuàng )新和發(fā)現，加速解決方案在現實(shí)世界中的應用。 能源部先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室已在四個(gè)能源部國家實(shí)驗室建立了嵌入式企業(yè)家計劃，以幫助創(chuàng )新型初創(chuàng )企業(yè)開(kāi)發(fā)新的制造技術(shù)，并通過(guò)利用實(shí)驗室的專(zhuān)業(yè)知識和科學(xué)基礎設施更快地將其推向市場(chǎng)。 NIST技術(shù)成熟加速器項目為NIST的研究人員提供了一個(gè)平臺，向風(fēng)險資本家和商業(yè)專(zhuān)家推介尖端技術(shù)，獲勝者將獲得資金以加速他們的項目推向市場(chǎng)。 美國國家航空航天局發(fā)起了一項企業(yè)家挑戰賽，以確定創(chuàng )新想法和新參與者，從而開(kāi)發(fā)出有可能推進(jìn)該機構科學(xué)任務(wù)目標的新儀器和新技術(shù)。 DARPA創(chuàng )立了嵌入式創(chuàng )業(yè)倡議，以加速贊助研究的商業(yè)化。該計劃為市場(chǎng)戰略的制定提供資金，并與情報界的In-Q-Tel（IQT）風(fēng)險部門(mén)合作提供指導和投資者聯(lián)系。101 DARPA還利用能源部實(shí)驗室嵌入式創(chuàng )業(yè)計劃中的回旋加速器道路站點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)為微電子初創(chuàng )企業(yè)提供獎學(xué)金。 該機構的小企業(yè)創(chuàng )新研究（SBIR）和小企業(yè)技術(shù)轉讓?zhuān)⊿TTR）計劃提供了另一個(gè)支持小企業(yè)的機會(huì )，通過(guò)非稀釋性資本投資和廣泛的支持服務(wù)來(lái)促進(jìn)受支持公司的成功。有機構協(xié)調SBIR/STTR招標以支持共同感興趣的特定技術(shù)的例子�？鐧C構協(xié)調SBIR/STTR主題可以表明對美國創(chuàng )新和新興技術(shù)的承諾和興趣，尤其是對半導體行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的初創(chuàng )企業(yè)和小企業(yè)而言。 例如，農業(yè)部國家糧食和農業(yè)研究所的SBIR/STTR項目資助了一個(gè)將微電子技術(shù)應用于農業(yè)的項目，包括一套微型傳感器，為種植者提供植物水分脅迫的直接物理測量，以用于灌溉計劃。聯(lián)合機構主題可用于建立一個(gè)廣泛的實(shí)踐社區，有意納入創(chuàng )新型小企業(yè)并擴大與大學(xué)加速器的聯(lián)系，包括HBCUs和其他MSI。 美國空軍的商業(yè)“投資”集團AFVentures就是利用SBIR/STTR計劃的一個(gè)例子，該計劃通過(guò)提供額外資金來(lái)匹配投資組合中公司的私人投資來(lái)加速技術(shù)過(guò)渡。該計劃將獲得某種形式風(fēng)險資本獎勵的公司比例從10%提高到29%，在2015年之前的所有國防部獎項中，AFVentures組合目前只包括電子公司的一小部分獎勵。 有幾個(gè)聯(lián)邦政府項目使用風(fēng)險基金進(jìn)行股權融資，以直接支持早期公司并與私營(yíng)部門(mén)風(fēng)險社區合作。例如，IQT支持情報界的技術(shù)，HHS生物醫學(xué)高級研究和發(fā)展局（BARDA）最近啟動(dòng)了BARDA Ventures，以支持公共衛生的醫療對策。通過(guò)包含技術(shù)轉讓目標的公私伙伴關(guān)系將風(fēng)險資本基金與研究基礎設施相結合，已在其他國家的微電子部門(mén)證明了回報。風(fēng)險基金可以提供一條更直接的途徑來(lái)支持合作機構創(chuàng )造的創(chuàng )新成果的商業(yè)化�！睹绹酒ò浮窏l款要求在NSTC設立投資基金。該基金的細節正在制定中。 貸款和貸款擔保是另一種可以幫助初創(chuàng )公司的機制。小企業(yè)管理局通過(guò)與貸款機構合作向小企業(yè)提供貸款來(lái)降低風(fēng)險，并使獲得資本更加容易。美國能源部貸款項目辦公室管理三個(gè)不同的貸款項目，為一流項目提供從私人貸款機構無(wú)法獲得的債務(wù)資本，并提供靈活的定制融資。 除了直接支持和促進(jìn)合作外，初創(chuàng )企業(yè)和早期企業(yè)必須有機會(huì )為制定國際技術(shù)標準做出貢獻。通過(guò)參與由專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì )或行業(yè)協(xié)會(huì )組織的國際標準制定活動(dòng)，美國可以塑造全球技術(shù)發(fā)展，并支持進(jìn)入未來(lái)的國際市場(chǎng)。制定標準的活動(dòng)可能需要幾年的審議和原型制作，然后才能達成共識。正如《關(guān)鍵和新興技術(shù)國家標準戰略》所鼓勵的那樣，支持參與制定標準活動(dòng)的新機制將使那些追求尚未建立商業(yè)市場(chǎng)的新興技術(shù)的小企業(yè)能夠進(jìn)行急需的參與。 根據這一戰略，2023年9月，NIST CHIPS研發(fā)辦公室和許多其他美國政府項目、標準制定組織（SDO）和行業(yè)協(xié)會(huì )合作組織了CHIPS研發(fā)標準峰會(huì )。該活動(dòng)匯集了CHIPS for America領(lǐng)導者，SDO和半導體領(lǐng)域的行業(yè)聯(lián)盟，以?xún)?yōu)先考慮半導體和微電子標準活動(dòng);促進(jìn)半導體行業(yè)標準社區內的合作，協(xié)調和創(chuàng )新;并幫助識別標準創(chuàng )新的機會(huì )，并實(shí)現多樣化的標準能力。 推進(jìn)研發(fā)以支持制造和供應鏈安全 芯片法案的核心是建立一個(gè)強大的國內半導體制造業(yè)和彈性和安全的半導體供應鏈。此外，現有的計劃，如國防部的可信和可靠微電子（T&AM）計劃，通過(guò)獲得先進(jìn)的微電子技術(shù)來(lái)推動(dòng)國防系統的現代化，這些技術(shù)利用了最先進(jìn)的（SOTA）商業(yè)驅動(dòng)能力。T&AM計劃識別并努力減輕整個(gè)微電子供應鏈中的持續威脅。T&AM計劃由以下技術(shù)執行領(lǐng)域組成:先進(jìn)封裝和測試、SOTA微電子、抗輻射微電子和SOTA射頻/光電微電子；以及教育和勞動(dòng)力發(fā)展和微電子保障。 本報告介紹了支持制造業(yè)和將新技術(shù)轉化為生產(chǎn)的研發(fā)機會(huì )。除了通過(guò)國際合作使供應鏈多樣化之外，研發(fā)工作還有助于為關(guān)鍵礦物、材料或其他關(guān)鍵供應鏈挑戰提供替代品。對半導體供應鏈的持續分析和監控將為這些研發(fā)工作提供信息。 國際合作以及貿易和外交的作用 半導體供應鏈本質(zhì)上是全球性的，微電子創(chuàng )新生態(tài)系統也是如此，研究設施和人才遍布世界各地。本戰略中提出的目標和目的是在這一更廣泛的背景下制定的，需要在這一背景下加以解決。至關(guān)重要的是利用盟友和合作伙伴支持的資源和努力，促進(jìn)人才流動(dòng)和研究合作的機會(huì )，確保安全的供應鏈，并促進(jìn)保護研究、技術(shù)和知識產(chǎn)權的法律和監管框架。 半導體研發(fā)資金的最大來(lái)源來(lái)自美國的私營(yíng)公司。美國半導體行業(yè)一直將其年收入的大約20%投資于R&D，這一比例在其他任何國家的半導體行業(yè)中都是最高的。在2021年，這相當于在一年內為R&D分配了500多億美元。同年，全球半導體銷(xiāo)售額中約80%來(lái)自美洲以外。因此，美國公司依賴(lài)于保持在外國市場(chǎng)的銷(xiāo)售渠道，以繼續推動(dòng)使其成為全球領(lǐng)導者的創(chuàng )新。旨在打擊其他政府不公平貿易行為、補充支持美國制造業(yè)的國內政策并努力為技術(shù)出口創(chuàng )造公平競爭環(huán)境的貿易政策對于保持美國在微電子領(lǐng)域的領(lǐng)導地位至關(guān)重要。 美國政府機構，包括商務(wù)部和美國貿易代表辦公室，正在努力確保所有政府致力于通過(guò)基于市場(chǎng)的原則促進(jìn)半導體行業(yè)的健康發(fā)展，并確保公司及其產(chǎn)品的競爭力是創(chuàng )新、工業(yè)成功和國際貿易的主要驅動(dòng)力。DOC還與合作伙伴和盟友合作，加強美國和志同道合的經(jīng)濟體中公司的半導體供應鏈，以建立彈性并納入國家安全優(yōu)先事項，從而加強全球供應鏈。 技術(shù)外交是擴大與盟國和伙伴之間的合作的重要工具。利用有針對性的對話(huà)、特別工作組、諒解備忘錄、科技協(xié)議和其他有關(guān)微電子的重點(diǎn)工作，有助于加強雙邊和多邊合作。此外，一些機構正在努力支持國際研發(fā)合作，這些合作可用于推進(jìn)特定的研究目標，提供獲得研究基礎設施的途徑，并促進(jìn)技術(shù)交流。加強美國和國際研究人員、工業(yè)界和終端用戶(hù)利益相關(guān)者之間的溝通與合作，以支持新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和成熟，有助于加強整個(gè)微電子創(chuàng )新生態(tài)系統。 根據“芯片法案”的要求，美國國務(wù)院設立了國際技術(shù)安全與創(chuàng )新（ITSI）基金，以促進(jìn)安全可靠的電信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展和采用，并確保半導體供應鏈的安全和多樣化。加強世界的長(cháng)期經(jīng)濟安全取決于支持創(chuàng )新的能力，創(chuàng )新將推動(dòng)下一代半導體技術(shù)的發(fā)展。為了確保先進(jìn)半導體發(fā)展所需的更多樣化、更具彈性和更安全的全球半導體供應鏈，ITSI基金將支持確保關(guān)鍵礦產(chǎn)投入的努力，加強在研究安全和知識產(chǎn)權保護等問(wèn)題上的國際政策協(xié)調，擴大全球各行業(yè)的生產(chǎn)能力并使其多樣化，以及保護國家安全。 ITSI基金活動(dòng)實(shí)例 生態(tài)系統評論：2023年，美國國務(wù)院確定了五個(gè)根據美國微電子戰略擴大產(chǎn)能的目標國家——哥斯達黎加、巴拿馬、越南、菲律賓和印度尼西亞。ITSI正與經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（經(jīng)合組織）合作，在這些國家開(kāi)展獨立的生態(tài)系統審查，為封裝、測試和封裝分部門(mén)的能力建設提供路線(xiàn)圖。審查考察了勞動(dòng)力發(fā)展需求、基礎設施、行業(yè)特定法律、現有技術(shù)中心和行業(yè)優(yōu)勢等經(jīng)濟因素，以及激勵私營(yíng)部門(mén)投資ATP產(chǎn)能的經(jīng)濟和政策激勵措施。ITSI在這些國家的能力建設計劃將側重于吸引私人投資的勞動(dòng)力發(fā)展、縮小監管差距以及加強半導體設施的物理和知識產(chǎn)權保護。 APEP研討會(huì )：ITSI支持多邊伙伴關(guān)系以實(shí)現戰略目標，如美國經(jīng)濟繁榮伙伴關(guān)系（APEP）半導體勞動(dòng)力研討會(huì )：為21世紀熟練勞動(dòng)力建設技術(shù)能力。研討會(huì )將創(chuàng )建和擴大教育計劃，通過(guò)在整個(gè)拉丁美洲的行業(yè)和技術(shù)機構之間建立聯(lián)系來(lái)幫助滿(mǎn)足半導體勞動(dòng)力需求。 國際研究人員對美國在先進(jìn)半導體領(lǐng)域的領(lǐng)導地位至關(guān)重要。隨著(zhù)聯(lián)邦機構開(kāi)發(fā)加強合作的項目和場(chǎng)所，將考慮促進(jìn)本科、研究生和專(zhuān)業(yè)水平的國際研究人員與美國國內生態(tài)系統的接觸。需要為在美國工作或訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行技術(shù)交流的國際研究人員加強適當、有效的法律程序。這些努力需要改善接受持有各種美國非移民簽證的研究人員的流程，包括但不限于F-1s、H-1b和J-1s或基于就業(yè)的移民簽證類(lèi)別，包括學(xué)生、研究人員和專(zhuān)家。 國際合作的另一個(gè)機會(huì )是在教育和勞動(dòng)力發(fā)展領(lǐng)域。半導體公司在全球各地都有工廠(chǎng)，有幾種模式成功的培訓項目。發(fā)展特定工作類(lèi)別的技能和技術(shù)能力有助于解決熟練勞動(dòng)力短缺問(wèn)題。教育機構之間建立伙伴關(guān)系并共享課程和培訓資源有助于滿(mǎn)足對訓練有素的勞動(dòng)力的需求，并促進(jìn)員工流動(dòng)。 世界各地的初創(chuàng )企業(yè)和小企業(yè)也在半導體和相關(guān)技術(shù)方面進(jìn)行創(chuàng )新。Quad的技術(shù)、商業(yè)和投資論壇等現有機制和新機制可以用來(lái)與世界各地的初創(chuàng )企業(yè)和創(chuàng )新生態(tài)系統建立聯(lián)系。聯(lián)邦機構可以繼續促進(jìn)雙邊和多邊對話(huà)，為美國產(chǎn)業(yè)和投資者提供機會(huì )，突出有前途的技術(shù)和企業(yè)家，以擴大美國創(chuàng )新生態(tài)系統。 未來(lái)方向 芯片法案投資提供了一個(gè)獨特的機會(huì )，不僅可以激勵國內半導體制造業(yè)，還可以加強微電子R&D生態(tài)系統，提升美國未來(lái)的競爭地位。隨著(zhù)這些歷史性計劃的實(shí)施，半導體行業(yè)正在迅速發(fā)展，一切照舊不足以取得成功。各機構必須與學(xué)術(shù)界、工業(yè)界以及國際盟友和合作伙伴比以往任何時(shí)候都更加緊密地合作，以確保芯片投資建立一個(gè)充滿(mǎn)活力的生態(tài)系統，推動(dòng)未來(lái)的創(chuàng )新。美國政府R&D微電子公司的項目組合涵蓋了從早期基礎研究到制造過(guò)程的全部范圍，盡管每個(gè)項目都有特定的作用，但廣泛的項目需要仔細聯(lián)系起來(lái)，以促進(jìn)新研究進(jìn)展轉化為商業(yè)應用的途徑。 《美國芯片法案》要求微電子領(lǐng)導小組委員會(huì )“協(xié)調與微電子相關(guān)的研究、開(kāi)發(fā)、制造和供應鏈安全活動(dòng)以及聯(lián)邦機構的預算，并確保這些活動(dòng)符合”本文件中提出的戰略。為了更好地了解整個(gè)政府支持R&D微電子公司的努力，SML將對聯(lián)邦投資進(jìn)行組合審查，并在該戰略發(fā)布后180天內根據該戰略中確定的優(yōu)先事項對這些投資進(jìn)行交叉評估，此后每年進(jìn)行一次評估。這一審查將使各機構更好地了解彼此的方案和優(yōu)先事項，并為年度預算編制提供信息。鑒于該行業(yè)的動(dòng)態(tài)性和正在發(fā)生的一系列深刻的技術(shù)變革，該戰略保持敏捷并對不斷變化的環(huán)境做出響應至關(guān)重要。雖然這份戰略文件是一個(gè)起點(diǎn)，但年度審查將為各機構提供一個(gè)機會(huì )，不斷調整和集中努力保持進(jìn)展。隨著(zhù)新項目的建立，SML將在未來(lái)幾個(gè)月和幾年中作為機構間協(xié)調的論壇發(fā)揮關(guān)鍵作用，并將確保各個(gè)部門(mén)和機構的投資具有協(xié)同效應并得到充分利用，避免重復和缺口。 這一戰略的成功，以及CHIPS更廣泛的行動(dòng)，在很大程度上取決于解決巨大的勞動(dòng)力需求。SML教育和勞動(dòng)力機構間工作組將協(xié)調整個(gè)教育領(lǐng)域的機構間工作，并與可能成立的新實(shí)體（如專(zhuān)門(mén)的卓越中心）密切合作。國際外交和貿易在恢復美國半導體制造業(yè)領(lǐng)導地位和確保供應鏈安全的持續努力中發(fā)揮著(zhù)重要作用。正如本文通篇所述，與盟友和合作伙伴的接觸對于推進(jìn)該戰略的目標至關(guān)重要，而SML國際工作組是一個(gè)隨著(zhù)關(guān)鍵芯片條款的實(shí)施，機構間合作的論壇尤為重要。與世界各地的領(lǐng)先專(zhuān)家合作將有助于推進(jìn)微電子研究的前沿，支持互惠互利的知識伙伴關(guān)系，建立聯(lián)系專(zhuān)業(yè)知識和利用投資的網(wǎng)絡(luò )，并促進(jìn)獲得支持新創(chuàng )新的獨特研究基礎設施。 作為微電子革命的發(fā)源地，美國在半導體技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應用方面處于世界領(lǐng)先地位，這項技術(shù)現在支撐著(zhù)我們經(jīng)濟和安全的方方面面。然而，國際競爭非常激烈，無(wú)法保證繼續保持領(lǐng)先地位。對芯片法案的歷史性投資既提供了振興國內微電子R&D生態(tài)系統的令人興奮的機會(huì )，也帶來(lái)了確保這些投資保障國家長(cháng)期國家和經(jīng)濟安全的艱巨責任。當美國人把他們不同的專(zhuān)業(yè)知識、創(chuàng )業(yè)精神和動(dòng)力集中到一個(gè)共同的目標上時(shí)，美國就處于最強大的狀態(tài)。該戰略提供了一個(gè)框架來(lái)創(chuàng )建這一重點(diǎn)，不僅指導美國政府的工作，而且召集整個(gè)微電子R&D社區——創(chuàng )新者、教育工作者、盟友和合作伙伴以及政策制定者——來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)現美國巨大抱負所需的技術(shù)。 |
