美国微电子研究战略，详细版！

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编者按

编者按：近日，白宫科学技术政策办公室 (OSTP)发布了一项新战略，以加强美国的微电子研发 (R&D) 创新生态系统。正如两党《美国芯片法案》所呼吁的那样，国家微电子研究战略概述了未来五年的主要目标和行动。这些行动将建立在拜登-哈里斯政府的工业战略的基础上，以振兴国内制造业、创造高薪美国就业机会、加强供应链并帮助确保未来在半导体行业的领导地位，以促进美国及其盟国和合作伙伴的安全与繁荣。

为此我们编译了全文，给读者参考。

简介

几十年前，美国的创新激发了研究的进步，造就了今天的半导体产业。这一产业是全球性的，支撑着从健康到通信的方方面面，对美国的经济和安全至关重要。两党共同提出的《CHIPS 法案》所带来的巨额投资为重振这一关键领域的国内制造业、加强微电子研发（R&D）创新生态系统提供了机遇，从而提升了美国在未来的竞争地位。

本《国家微电子研究战略》提出了未来五年实现这些机遇所需的目标、关键需求和行动。该战略为联邦部门和机构、学术界、产业界、非营利组织以及国际盟友和合作伙伴提供了一个框架，以满足关键需求并建立微电子研发基础设施，从而支持未来半导体领域的发展。

正如本报告通篇所强调的那样，正在进行的大量 CHIPS 研发投资必须充分发挥杠杆作用，并与有助于微电子研发的各种现行计划、活动和资源相协调。在未来五年中，白宫和联邦各部门及机构将共同努力，推进四个相互关联的目标：

1

促进和加快未来微电子技术的研究进展

2

支持、建设和连接从研究到制造的微电子基础设施

3

为微电子研发到制造生态系统培养和维持技术人才队伍

4

创建一个充满活力的微电子创新生态系统，加速研发向美国产业的过渡

第一个目标侧重于若干领域的关键研究需求，这些领域是加快未来几代微电子系统所需的进步所必需的。研究领域包括：可提供新功能的材料；电路设计、模拟和仿真工具；新架构和相关硬件设计；先进封装和异构集成的工艺和计量；硬件完整性和安全性；以及将新创新成果转化为生产的制造工具和工艺，这些研究领域需要使用专用工具和设备。

第二个目标的重点是支持、扩大和连接研究基础设施，从小规模材料和器件级制造和表征，到原型设计、大规模制造以及高级装配、封装和测试。所需的工具包括软件（包括设计工具）和商业规模的生产和计量硬件。国内半导体产业的发展也将为全国提供更多的高薪工作机会。

目标三确定了支持学习者和教育者培养从研究到制造所需的技术人才的工作。

最后，第四个目标是着眼于整个研发领域，提出了创建充满活力的微电子创新生态系统的战略和行动，以加快新进展向商业应用的过渡。主要工作不仅支持微电子技术发展途径各阶段的行动，还将各种网络和活动连接起来，以建立微电子创新的良性循环。

这四个目标将在半导体产业的全球性质背景下实现。与半导体制造供应链一样，支持微电子创新生态系统的研究设施和人才也遍布世界各地。国际合作、贸易和外交是利用各种努力和资源、促进人才流动和研究合作、确保供应链安全的重要工具。

这一战略的实施将带来一个充满活力的创新生态系统，加速新的研究突破，支持这些进展向制造业的过渡，并为全美人民提供高薪工作。一个全面建设、四通八达的微电子研究基础设施将为研究人员实现突破奠定基础，并带来良性的创新循环。培育和支持微电子创新将有助于确保未来在半导体行业的领先地位，从而促进美国及其盟友和合作伙伴的安全与繁荣。

导言

微电子革命改变了社会。现代生活的几乎所有方面现在都依赖于半导体技术，包括通信、计算、娱乐、医疗保健、能源和交通。因此，微电子技术对美国的经济和国家安全至关重要。几十年来，联邦政府和私营部门在硬件和软件方面的研发投资推动了半导体行业的快速创新。

在保持或降低成本和功耗要求的同时，不断提高微电子性能和功能的激烈竞争推动了更小和更密集集成的微电子元件的制造。这种微型化要求在材料、工具和设计方面不断取得突破，使元件内的关键结构尺寸小到几个原子。特征尺寸的缩小使数字信息存储和处理能力大幅提高，同时，对通信、电源和传感至关重要的模拟和非硅技术也取得了许多重大进展。制造领域所需的进步不仅得益于对研发的大量投资，还得益于对制造先进集成电路和元件所需的制造和计量设备以及相关制造（"晶圆厂"）和封装设施的开发。这种规模制造的复杂性和成本--建立一个领先的硅制造厂现在需要花费数百亿美元--促使了该行业的大幅整合。如今，全球只有三家公司在竞争制造最新一代的先进逻辑器件。

2021 年 6 月，白宫发布了一份关于关键供应链（包括半导体制造和先进封装供应链）的报告--《建设有弹性的供应链，振兴美国制造业，促进基础广泛的增长》。该报告指出，尽管总部设在美国的半导体公司占全球收入的近一半，但美国国内进行的全球半导体制造份额已从 1990 年的 37% 下降到 12%，美国的封装份额也下降到 3%。8 正如该报告所讨论的，现代微电子制造是一个极其复杂的全球性过程，涉及数月内完成的数百个步骤，其中许多组件在多次穿越世界的过程中使用了国际专业技术和设施。报告认为，公共和私营部门需要采取行动，提高关键产品的国内制造能力，招募和培训国内劳动力，投资研发，并与美国的盟友和合作伙伴合作，共同加强供应链的复原力。

01

国家微电子研究战略——目标和目的

目标 1. 推动和加速未来微电子技术的研究进展

1.1: 加速研究和开发可提供新功能或增强功能的材料。

1.2: 提高电路设计、模拟和仿真工具的能力。

1.3: 开发未来系统所需的各种强大的处理架构和相关硬件。

1.4: 开发先进封装和异构集成的工艺和计量学。

1.5: 优先考虑硬件的完整性和安全性，将其作为整个堆栈协同设计战略的一个要素。

1.6：投资研发制造工具和工艺，以支持将创新成果转化为适合生产的制造工艺。

目标 2. 支持、构建和连接从研究到制造的微电子基础设施

2.1: 支持设备级研发制造和表征用户设施的联合网络。

2.2: 让学术界和小型企业研究人员有更多机会利用灵活的设计工具和晶圆级制造资源。

2.3: 为研究人员获取关键功能材料提供便利。

2.4：扩大利用先进的网络基础设施进行建模和模拟的机会。

2.5: 支持先进的研究、开发和原型设计，缩小实验室到实验室之间的差距。2.6: 支持先进的组装、封装和测试。

目标 3. 为微电子研发到制造生态系统培养和维持技术人才队伍

3.1: 支持与微电子学相关的科学和技术学科的学习者和教育者。

3.2: 促进公众对微电子技术的切实参与，提高对半导体行业职业机会的认识。

3.3: 培养一支具有包容性的当前和未来的微电子人才队伍。

3.4: 建设和推动微电子研究与创新能力。

目标 4. 创建一个充满活力的微电子创新生态系统，加速研发向美国产业的过渡

4.1: 支持、建立和协调各中心、公私合作伙伴关系和联盟，以深化微电子生态系统中各利益相关方之间的合作。

4.2: 参与并利用 CHIPS 工业咨询委员会。

4.3: 根据研发路线图和重大挑战，激励和调整微电子界的关键技术挑战。

4.4: 促进学术、政府和行业交流，扩大对需求和机遇的了解。

4.5: 通过有针对性的计划和投资，支持创业、初创企业和早期企业。

02

微电子技术已成为日常生活中许多方面必不可少的技术

半导体对美国的经济和国家安全至关重要，并已成为日常生活中许多方面的必需品。这里描述的例子包括汽车、医疗保健、航空航天、虚拟现实、金融系统、电子商务、太空卫星、国防、能源、计算、农业和电信。随着微电子设备的普及，对其关键性能的要求也越来越多样化，这就要求与摩尔定律所体现的特征尺寸的传统扩展方式不同。例如，卫星应用的要求包括经过验证的辐射加固技术，超级计算机最大限度地提高性能和速度，但传感器等边缘设备可能会优先考虑低功耗。这些针对特定应用的要求正在推动微电子技术的日益多样化，而异构集成和芯片组等方法将促进和推动微电子技术的多样化。

白宫供应链报告强调了半导体行业对美国经济的重要性，2022 年，半导体行业在美国出口销售总额中排名第五。9联邦政府也是微电子的重要消费者，它必须能够获得可信和可靠的微电子，以实现通信、导航、传感、关键基础设施、公共卫生和国家安全等基本功能。微电子技术是各种新兴技术的基础，包括量子信息科学、人工智能、先进的无线网络（6G 及以上）、安全可靠的医疗保健技术以及应对气候危机所需的清洁能源和节能技术。

03

芯片上的 ENIAC

为了说明计算技术在尺寸和规模上的重大变化，学生们设计并制作了 "芯片上的 ENIAC"，以庆祝第一台可编程电子通用数字计算机 "电子数字积分器和计算机（ENIAC：Electronic Numerical Integrator and Computer）"诞生 50 周年。ENIAC 包含 18,000 多个真空管，高约 8 英尺，深约 3 英尺，长约 100 英尺，重达 30 多吨。如左图所示，ENIAC 是通过电缆和开关手工编程的。右图描述的是 1995 年使用 0.5 微米互补金属氧化物半导体（CMOS）技术重现 ENIAC 的芯片，用晶体管取代了真空管。如果采用今天的技术，该芯片的体积将缩小约 1000 倍。在性能方面，ENIAC 的浮点运算速度约为每秒 500 次（FLOPS），而现在橡树岭国家实验室的 Frontier 超级计算机的浮点运算速度已超过 1,500,000,000,000,000（1,000,000,000,000,000 FLOPS）。

正是由于该行业对国家经济和安全的重要性，两党共同制定了《2022 年 CHIPS 法案》（《2022 年 CHIPS 和科学法案》A 分部），并拨款 520 多亿美元用于发展国家半导体制造基地和加速微电子研发。此外，最近的几份报告也强调了该行业的重要性。例如，在 2018 年的一份评估报告中，美国国防部（DOD）指出了微电子供应链面临的威胁，以及多个关键国防部门的相关研发和制造问题。2020-2023 年，国会研究服务部（CRS）研究了半导体行业面临的技术挑战、国内和全球供应链、为国家安全提供安全可信的半导体生产、相关联邦政策和研究投资，以及应对这些挑战的可能立法。国家安全委员会关于人工智能（AI）的最终报告指出，要保持国家在人工智能领域的领先地位，就必须在国内建立半导体工厂 。

04

晶体管到底有多小？

下面的图片显示了晶体管与蚂蚁相比的大小。蚂蚁图片周围的圆圈直径为 2 毫米（mm），即 0.002 米。下一张图片是用扫描电子显微镜（SEM）拍摄的蚂蚁眼睛，直径约为 150 微米（µm），即 0.00015 米。第三张图片是蚂蚁眼睛上的一根毛发。圆圈直径为 20 微米。第四张图片是毛发的扫描电镜特写图片，显示了毛发上的沟槽。直径为 1 微米（或一千纳米）。顶部的电子显微镜图像显示了集成电路晶体管的横截面，说明现代集成电路晶体管可以安装在蚂蚁眼睛毛发的沟槽中。该图像的直径仅为 50 纳米。

微电子研发对于继续推进技术和系统发展，实现加强国内制造和降低供应链风险的长期目标至关重要。此外，联邦信息征询书（RFIs） 的意见、利益相关者的建议以及来自公共和私营部门的多份其他报告都清楚地表明，强大、创新的国内研发工作对美国未来的竞争力和安全至关重要。综上所述，从这些资源中可以看出一系列关键的研发趋势和机遇：

• 设备及其应用的多样性不断增长，超越了传统的处理器和存储器，这就要求在多种规模和类型的信息系统中，在数据的生成、通信、存储和处理方面进行创新。

• 微电子技术对信息技术以外的领域至关重要，预计在电源管理、医疗设备和传感等领域将有巨大的增长。

• 全面的 "全栈 "研发方法为提高设备和系统的性能、可靠性和安全性提供了机会。尽管人们的注意力主要集中在基础器件的设计和扩展上，但未来在制造、计量、测试、验证和确认、异构集成和先进封装方面也将面临重大挑战。此外，挑战不仅限于硬件：器件、设计和制造、电路和系统集成的进步需要计算机体系结构、软件和应用层的同步创新。

• 集成设计提供了一种加速创新的方法。此外，它还能确保从一开始就捕捉到关键的系统属性，并在整个开发周期中加以考虑，包括性能、可靠性、能效和安全性。

• 美国的微电子研究生态系统在基础研究和早期应用研究方面依然表现出色，但需要对国内基础设施进行更多投资，重新重视制造科学与工程，并培养一支灵活的劳动力队伍，以便将创新成果高效地转化为产业成果。

• 以可承受的价格快速获得设计和原型制作能力，将使国内创新更快地从研发过渡到制造。从器件规模到晶圆规模，无论是接近或处于前沿工艺节点，还是对于模拟和非硅技术非常重要的更成熟节点，都需要具备相应的能力。学生和研究人员需要获得这些能力，以进行体验式劳动力培训。

• 获得准备充分的人才是整个价值链面临的重大挑战，需要短期和长期的解决方案。要使美国成为吸引高需求领域优秀外国人才的磁铁，就需要有受欢迎的途径。需要改进课程和外联工作，发展和扩大公平、包容和多样化的国内科学、技术、工程和数学（STEM）人才库，为微电子研发和半导体行业提供支持。

• 要确保整个创新生态系统取得成功，就必须与盟友和合作伙伴进行强有力的合作。半导体产业是全球性的，任何国家都无法单独汇集技术、供应链和专业知识来支持尖端研发和制造。科技外交将是吸引盟友和合作伙伴的重要工具。
  

• 提高微电子的能效对于可持续发展越来越重要。微电子使用的快速增长和能效提高的同步放缓正在带来新的经济和环境风险。为了降低这些风险，微电子研发投资必须关注能源效率和整个生命周期的可持续性，包括减少能源消耗。
  

• 为降低这些风险，微电子研发投资必须注重能源效率和整个生命周期的可持续性，包括减少使用稀缺材料或对环境有害的材料。

• 保护知识产权对于确保美国产业获得经济效益以维持私人研发投资至关重要。必须保护美国本土开发的关键知识产权，同时提高在合作中适当共享信息的能力。应用研究旨在提供技术判别因素，使微电子制造商在市场上获得战略优势。必须实施并有效执行保障措施（如网络安全、知识产权执法等），以确保关键创新不会在无意中或不适当地受到侵犯。
  

05

什么是 "堆栈"？

在本报告中，"堆栈 "或 "全堆栈 "指的是组成右图所示完整微电子系统所需的全部科学技术要素，从最基本的硬件（如材料和电路）一直到高级软件及其应用。(背景图片为最先进芯片的横截面。图片来源：NIST）。

这些趋势和机遇为本文件中提出的目标、需求和战略提供了依据，这些目标、需求和战略旨在通过合作研究、利用先进的基础设施以及整个微电子研发企业的共同设计文化来加快创新和转化的步伐。必须重点发展和维持一个充满活力、相互联系的微电子生态系统，以确保美国在这一重要领域的领先地位。

微电子创新生态系统

微电子创新生态系统非常复杂，是资本、知识和研发极其密集的产业。目前，全球尖端微电子制造仅依赖于少数几家公司，研究人员利用先进工艺的机会十分有限。不需要大批量生产的学术界、政府和产业界研究人员获得推进研发前沿所需的能力有限，这极大地限制了他们开发创新并将其过渡到前沿制造的能力。获得尖端能力的机会有限也限制了为劳动力发展提供体验式培训的机会。CHIPS 法案的投资旨在解决这些问题。

除了当前 CMOS 技术的领先优势之外，微电子行业还面临着与创新步伐加快以及学术界、能源部 (DOE) 国家实验室和其他联邦政府资助的研发中心 (FFRDC)、非营利性实验室、政府机构和大小公司所涌现的多样化技术爆炸性增长相关的深刻变化。需要建立并加强将新的研究进展转化为应用的有效途径，以确保美国从研发投资中获益，并确保关键知识产权 (IP) 可用于国内制造。此外，随着制造业面临新的挑战，必须将这些技术需求反馈给研究界。

作为国家研发生态系统的一部分，有 20 多个联邦机构为研发提供资金，活动的性质由各机构的任务决定2商务部 (DOC)、美国国家航空航天局 (NASA)、美国国家科学基金会 (NSF)、国土安全部 (DHS)、卫生与公众服务部 (HHS)、国防部、能源部和其他联邦机构既支持校内研发（在政府设施和能源部国家实验室内进行），也支持校外研发（由学术界、产业界和其他组织通过赠款、合同和其他协议进行）。联邦研究资金所支持的研发活动范围广泛，这就要求对所开发的知识产权加以保护，防止无意、强迫或胁迫的技术转让。各机构还通过各种机制支持各级教育的劳动力发展，包括支持正规和非正规学习、实习和奖学金；课程开发；以及协调努力，扩大对科学、技术、工程和数学的参与。虽然每个机构都有以任务为导向的优先事项，决定了其微电子相关研究的重点，但正如下文和本战略通篇所讨论的那样，目前有多种机构间机制来协调研发优先事项和计划，并确保研究成果的共享，实现互利。

在微电子创新生态系统中，联邦资金的一个重要组成部分是对技术开发过程中基础设施的支持。对于早期阶段的研究，学术机构、政府设施、能源部国家实验室和其他 FFRDCs 都有许多设施，特别是用于材料和器件制造与表征的设施。联邦投资的另一个领域是网络基础设施，包括建模、模拟和数据。与 "国家纳米技术计划"（NNI：National Nanotechnology Initiative ） 相连的几个用户设施网络为学术界、工业界和政府的研究人员提供了使用支持微电子研发的成套工具和科学专业知识的机会。这些设施极大地拓宽了小型企业和机构研究人员的参与范围，而这些企业和机构自己是无法购买这些设备的。这有助于实现需要专业设施和设备的创新的民主化，特别是在半导体研发和制造方面。

一旦在设备层面实现了概念验证，由于缺乏必要的先进开发能力，创新在当前的美国生态系统中往往会受到阻碍。需要对国内材料供应、设计、制造和封装能力进行投资，以解决实验室到制造（实验室到制造）之间的差距。需要进行投资，以支持和维持新设备和架构的先进原型和放大，以及相关的制造和计量仪器，并配合所需的软件和应用设计。此外，研究人员和学生利用这些能力将为扩大国内微电子人才队伍提供实践经验培训。

2021 年《美国 CHIPS 法案》授权多项计划帮助弥合实验室到实验室之间的差距，而 2022 年《CHIPS 法案》则为这些计划拨款。2021 年美国 CHIPS 法案》第 9903 节授权国防部建立国家微电子研发网络，以实现美国微电子创新从实验室到工厂的过渡。第9906节指示国防部建立一个国家半导体技术中心，以开展先进半导体技术的研究和原型开发；在NIST建立一个微电子研究计划，以开展半导体计量研究和开发；建立一个国家先进封装制造计划，以加强半导体先进测试、组装和封装能力；以及最多三个专注于半导体制造的美国制造研究所。

在更广泛的美国研发生态系统中，全国各地有许多地区性创新中心，由产业集群组成，辅以联邦政府支持的学术中心，通常侧重于特定技术和/或地方研究优势。这些地方中心是宝贵的国家资源，确保它们与包括微电子在内的整个研发生态系统的其他要素良好结合，将加强国家创新基础。

美国半导体行业在研发方面投入巨大，预计 2022 年将达到近 600 亿美元。为了保持其世界领先的研发支出，美国公司必须有机会进入外国市场，凭借卓越的技术参与竞争并取得胜利。贸易政策必须保护美国公司在全球市场不受歧视。与盟友和合作伙伴的合作和协调将有助于解决国家安全问题，并帮助美国公司在激烈的全球技术领先竞争中站稳脚跟。

白宫和联邦各部门及机构认识到，开放是研发领先的基础，国际人才流动对全球企业的成功至关重要。然而，正如《第 33 号国家安全总统备忘录实施指南》（NSPM-33）中所明确指出的，美国政府及其合作伙伴必须加强研发保护，防止外国政府的干预和利用，尽职尽责地保护知识资本和财产。保护措施可包括：改进基于风险的研究合作和拟议外国投资评估流程；美国专家积极参与国际标准组织；在研究安全方面与国际合作伙伴进行更密切的协调；以及在整个微电子研发界开展有关该主题重要性的宣传和教育活动。

全政府方法

认识到微电子技术对我们的健康、环境、经济和国家安全的重要作用，美国政府正在采取整体行动，以保持和提升美国及其盟国在这一重要领域的全球领导地位。2022 年 8 月 25 日，拜登总统发布了《关于实施 2022 年 CHIPS 法案的行政命令》，确定了实施的优先事项，并成立了 CHIPS 实施指导委员会，以协调政策制定，确保在行政部门内有效实施该法案。指导委员会由白宫科技政策办公室（OSTP）、国家安全委员会（NSC）和国家经济委员会（NEC）的主任共同主持，成员包括国务院、财政部、国防部、商务部、劳工部和能源部的部长；管理和预算办公室（OMB）主任；小企业管理局局长、国家情报局局长、总统国内政策助理、经济顾问委员会主席、国家网络总监、国家科学基金会主任以及国家标准与技术研究所所长。该委员会确保对整个政府正在进行的工作和投资的了解，并协调内阁层面的政策制定。

根据《2021 财年威廉-麦克-索恩伯里国防授权法案》第 9906(a)条，OSTP 在国家科学技术委员会下设立了微电子领导力小组委员会（SML）。小组委员会成员包括商务部、国防部、能源部、卫生与公众服务部、国家科学基金会、国务院、国土安全部和国家情报局局长办公室。代表白宫的部门包括：OSTP、OMB、NEC、NSC 和美国贸易代表办公室。

同样根据第 9906(a)条，小组委员会负责制定本《国家微电子研究战略》；协调与微电子有关的研究、开发、制造和供应链安全活动以及联邦机构的预算；并确保这些活动与本战略保持一致。作为负责协调未来十年微电子工作的机构，SML 正在制定结构框架和活动，以最好地发挥这一作用，包括建立以教育和劳动力发展以及国际参与为重点的工作组。各参与机构正在利用各自的权力推动研发工作，促进支持美国产业的政策，保护知识产权，确保国内获得安全的微电子技术。各机构还共同支持改善 STEM 教育和提高 STEM 领域参与度的活动，以及培训和扩大各级微电子人才队伍的活动。联邦政府正在与盟友和合作伙伴接触和合作，以加强全球微电子创新生态系统和安全供应链。在白宫的协调下，这些努力不仅将促进新的研究进展，推动微电子创新，还将帮助这些进展向制造业过渡，为全美国人民提供高薪工作。

正如以下各节所详述的，白宫和联邦各部门和机构将与学术界、产业界、非营利组织以及国际盟友和合作伙伴共同努力，为未来微电子技术的研究进展提供动力；建立最佳实践，确保高效、负责任地执行研发工作；支持和连接微电子研究基础设施；扩大、培训和支持多样化的劳动力队伍；以及促进研发工作向产业的快速过渡。

目标1

促进和加快未来微电子技术的研究进展

联邦政府支持的研发工作在为微电子技术的进步奠定基础，以及培养设计、制造和应用开发所需的研究人员和熟练技术人员方面发挥了重要作用。微电子技术的日益多样化和创新步伐的加快，以及全球制造和供应链面临的日益增长的风险，都要求联邦政府重新重视研发投资，以改变这些发展轨迹，确保国家未来的健康、经济领先地位和安全。要想取得成功，就必须制定战略，让研发生态系统的所有部门都参与进来，并充分利用教育、劳动力、制造业、贸易以及地区经济发展的努力和政策。联邦机构必须与产业界、学术界以及合作伙伴和盟友合作，通过合作研究、利用先进的基础设施以及整个微电子研发企业的共同设计文化，加快创新和转化的步伐。

在过去的六十年里，计算能力和能源效率取得了令人难以置信的进步，这在一定程度上得益于持续的微型化（材料、设计、计量学和制造领域的同步进步为其提供了支持）。然而，随着最小器件特征尺寸接近原子尺度，晶体管的这种扩展趋势不可能无限期地持续下去。此外，一些新兴应用需要异质器件和材料。因此，半导体行业已进入一个快速而深刻的变革时期，仅靠硅基器件的不断微型化已无法维持性能的提升。

例如：

• 数据的爆炸式增长和机器学习（ML）带来的人工智能的出现，推动了 "内存计算 "和其他新型内存密集型和以内存为中心的架构的发展，这些架构有望克服 "冯-诺依曼瓶颈"--在独立的内存和计算元件之间来回传输数据所造成的能效低下和高延迟。

• 随着芯片内和芯片间数据传输速率的提高，以前仅用于光纤长距离链路的光子互联技术正与电子器件集成在先进的封装中，以高效地传输数据。
  

• 材料和器件方面的进步使得利用毫米波和太赫兹系统进行超高频自由空间通信成为可能。
  

• 先进的光子技术有望提供专用的人工智能/机器学习（AI/ML）硬件，以低功耗和超高速运行。
  

一、自第一台数字计算机问世以来微电子器件规模的巨大进步

本图展示了集成电路或芯片上元件数量随时间推移而发生的变化，以及促成不同进展浪潮的一些技术创新。作为参考，第一台使用真空管制造的可编程电子通用数字计算机 ENIAC 是 1945 年的第一点。第一个晶体管于 1947 年发明，由锗制成，长约 1 厘米。第一个硅晶体管在几年后问世。第一块硅集成电路于 1959 年底问世。20 世纪 60 年代初，随着第一个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）集成电路的发明，元件的数量开始成倍增长。每当进展放缓时，制造科学、材料和器件设计方面的进步都会为这一领域重新注入活力。在第一波浪潮中，晶体管（这些芯片的基本构件）尺寸的缩小直接导致了芯片上元件数量的急剧增加和单个晶体管成本的大幅降低--摩尔定律就是在这种情况下产生的。最初的平面集成电路从小规模集成（SSI）到中大规模集成（MSI）到大规模集成（LSI）再到超大规模集成（VLSI）。在第二次浪潮中，新材料的引入，包括从铝到铜互连的过渡，提高了速度、功率和可靠性，并使晶体管尺寸进一步缩小。第三次浪潮始于使用鳍式场效应晶体管（FinFET）的平面晶体管向三维（3D）晶体管的过渡，从而实现了更高的性能提升和持续的微型化。由于缩小晶体管尺寸的技术（目前只有几个原子宽）已达到物理极限，因此需要采取新的策略。我们正处于 "第四波微电子浪潮 "的起点，告别了器件缩放的时代，进入了一个由异构技术和三维器件集成创新驱动更高性能的时代。在继续努力缩小晶体管尺寸的同时，必须开发新的工具、制造方法和电路架构，以实现持续进步。

• 电子设计自动化（EDA）领域正在发生一场革命，包括人工智能/ML、云平台和设计技术协同优化（DTCO）的应用，这将使设计人员能够更快、更可靠地创建更加复杂的集成电路，并针对几乎所有可以想象到的应用进行优化。这些电路将极大地提高速度和效率，并影响从数据中心到边缘计算和物联网（IoT）等各个信息技术领域的性能。

• 目前正在部署针对特定应用优化性能的异构和特定领域计算架构，以加快解决问题的速度。

• 随着微机电系统（MEMS）与处理和智能的集成，它们正变得越来越复杂和强大。

• 在将半导体系统与生物分子、生物、神经形态和生物启发系统集成方面正在取得进展，这些系统有朝一日可能会在能效方面带来前所未有的改进，并在计算、人工智能、机器人、传感和医疗保健等领域提供其他独特功能，超越任何一个领域自身的潜力。

• 随着不同应用需求的差异，极端可靠性以及在低温、高温或低功耗条件下的运行将改变功耗、性能、面积和成本等标准指标，从而推动新设备、架构和算法的发展。

• 随着电子产品向更多异构架构发展，性能指标也变得更加复杂。异构集成--将不同的材料、器件和电路集成在一起以创建高功能、高性能系统的科学技术--是实现持续进步的关键。然而，随着越来越多的不同组件被集成在一起，要使它们无缝地协同工作所面临的物理、电子、光学和软件挑战也变得更加复杂。

• 系统异构性和复杂性的急剧增加也要求研发人员关注设计流程，将安全性和可靠性放在首位，并在整个设计、制造和生产过程中整合形式和经验验证。

正如导言中所提到的，人们呼吁不仅要支持塑造和推动微电子学的基础科学和工程学，包括计算机科学、计算架构、物理学、化学和材料科学，而且要广泛接受集成设计原则，在此原则下，这些不同方面的研究相互协同，相互指导，并考虑到可持续发展。为了确保最终用途的能力和要求能够为研究提供参考，并确保研究突破能够迅速融入开发工作，堆栈的各个层面之间进行开放式交流是必不可少的。只有这样的综合方法才能保证系统的关键属性，如安全性、可靠性和耐辐射性从一开始就被设计进去，并在整个开发周期中得到考虑。最后，随着生产、运行和最终回收微电子系统所需的资源预计会增加，估算整个生命周期总能耗和成本的综合方法将需要整个供应链的投入和专业知识，以确定开发更高效架构和流程的机会。

二、集成设计

集成设计是指由应用驱动的从堆栈顶部到底部的持续双向信息流。将最终用户的需求与研发联系起来，对于快速、集中的技术开发以及将研发成果投放市场至关重要。右图展示了堆栈各层次之间的双向信息流：从材料到电路的物理模型；材料和工艺；架构、器件和电路；异构集成和封装；算法和软件；以及通信和网络。

未来微电子领域的领先地位需要工业界克服器件物理和制造方面的重大挑战。因此，需要进行深入创新，以确定新型材料和器件，并将其从实验室过渡到实验室，从而实现功能和性能的持续进步。要成功建立从实验室到制造厂的途径，就必须重新关注基础科学与制造技术之间的交叉。要满足信息与计算技术（ICT）系统对存储、带宽和处理能力日益增长的需求，以及 ICT 以外应用领域的预期增长，就需要从器件到系统、从设计到工艺技术的研究与开发。这一战略的核心是需要获得设计和制造设施，包括那些配备有非常规材料和/或工艺的设施，这些设施通常与硅（Si）- CMOS 技术相结合。需要充分利用堆栈各个层面的创新，以便在尖端硅（Si）-CMOS 的复杂可扩展设计方面取得进一步进展。

此外，还需要在表征工具和技术方面取得进展，以便对新材料和新设计进行详细而全面的研究，并以前所未有的空间分辨率、灵敏度、带宽和吞吐量进行研究。电路和系统的复杂性不断增加，包括那些在多个物理域中与信号一起工作并在多个物理域中相互作用的电路和系统，这就需要有互补的多模式计量工具以及新的建模和仿真能力来测量性能并提供必要的数据，以支持 EDA、DTCO 和系统技术共同优化 (STCO)。随着这些模型的复杂程度不断提高，它们将越来越多地为制造工艺的改进提供信息。

除了在硬件-软件堆栈之间进行协调外，还需要通过研究成果的协同流动在整个研发界进行协调，以取得最佳成果。大学和小型企业的研究人员必须能够使用设计工具、制造设施和相关基础设施来测试他们的想法。商业制造设施将从与新型技术方法的早期测试者的合作中受益。同样，从美国大学毕业的高级研究人员在这些领域的技能培训也将使企业的研发工作受益匪浅。这种合作的一个重要方面必须是建立和维护有效的研究安全措施，以防止研发活动造成意外的技术转让。

未来五年，美国政府的研发工作将重点关注以下目标：

01

加速研发可提供新功能或功能增强的材料

材料研发是满足所有部门和应用领域新需求的核心。要实现能源效率、信息速度和带宽、新型计算架构和可持续发展等目标，就必须采用新材料和改良材料。例如，碳化硅（SiC）、磷化铟（InP）、氮化铝（AlN）或金刚石等新兴基底材料正在开发中。许多新型宽带隙和超宽带隙材料在电力电子和射频电子（6G 及更远）领域的应用前景广阔，而氮化硅（SiN）和铌酸锂（LiNbO3）薄膜材料虽已面世，但仍需加以改进，以推动光子应用和下一代无线通信的发展。新型多铁性和忆阻性材料正在扩大纳米电子器件的功能范围。

然而，尽管取得了许多令人兴奋的突破，但将新材料引入复杂的微电子工艺流程通常需要数十年的努力和数十亿美元的资金，才能完成从概念验证到生产制造的过程。为使新型材料和新兴材料发挥其潜力，需要采用新方法来大幅缩短部署时间和降低成本。

半导体材料及相关研究生态系统中各实体（包括国家实验室、私营公司和财团）之间的协调，将为器件、互连、电路和系统先进材料的部署提供途径。作为 "材料基因组计划"（MGI：Materials Genome Initiative）的一部分而开发的 "材料创新基础设施 "等框架可发挥重要作用，围绕开发微电子新能力或功能增强的重大挑战组织材料界。

支持新能力所需的先进材料研发要素包括：

• 重点研究新兴有机和无机材料，包括二维（2D）材料；显示量子效应/特性的材料；用于高能效电子产品和极端环境的宽带隙和超宽带隙材料；优化高带宽互连的材料；用于超高频操作（光学、电气和机电）的材料；实现非冯-诺依曼架构的材料；以及生物-非生物混合系统。

• 探索可无缝集成到现有工艺流程中的材料，例如，可在生产线后端（BEOL）增加功能，以提高性能并实现更大程度的三维集成。

• 加大力度改进现有的块状衬底材料，加快新材料的开发和应用。
  

• 统一半导体材料数据基础设施，以促进知识共享和加速创新。

• 采用新的建模、表征和计量方法，快速、精确地确定与实际应用相关的所有参数。- 开展研发工作，加快开发可制造的合成工艺和适用于新兴材料的生产工具。
  

• 确保纯度、物理性质和来源的新测量方法和标准，以加速材料研发。

• 研究如何在整个生命周期内提高加工、制造和供应链的可持续性和循环性（再利用、再循环），包括更环保的材料和提取工艺，以及更广泛地使用地球上丰富的元素，以减少供应链的脆弱性。

• 获得可采用非常规材料和/或工艺的制造设施，可能与 Si-CMOS 技术进行异质组合。

• 建立新的重点设施，对新型和非常规材料的工艺进行验证和放大。

02

提高电路设计、模拟和仿真工具的能力

适用于新材料、新设备、新电路和新架构的电路设计、模拟和仿真工具对于持续创新和设备扩展至关重要。

提高数字工具能力的战略方法包括以下方面的努力：

• 创建、开发并广泛提供可促进设计、建模、仿真和探索新形式计算架构和计算处理器（包括数字和模拟/混合信号）的工具；支持使用先进封装的设计；并纳入包括尺寸、重量、功耗、成本、安全和保障在内的目标。

• 在 EDA 工具中进一步集成人工智能和 ML 以及基于物理的方法，以支持创新电路和系统架构的设计与开发。

• 开发集成了仿真和优化功能的高级综合工具和 EDA 系统与流程，缩短学习曲线，降低集成电路设计人员的入门门槛。

• 改进材料和器件验证方法，推进材料、元件和电路特性的测量，以生成提高 EDA 工具保真度所需的可靠统计参数。

• 改进 DTCO 和 STCO 方法和平台，实现全栈协同优化。

• 推进正式和端到端验证方法的开发，包括器件相关材料数据和输入信息，以克服电路和系统设计与仿真中的瓶颈，从而管理日益复杂的异构系统。

03

开发未来系统所需的各种强大处理架构和相关硬件

机器学习、增强现实/虚拟现实 (AR/VR)、图像/信号处理等先进计算资源的快速增长和利用，对性能和能耗提出了更高的要求，不断挑战最先进的 Si-CMOS 设计的极限。非冯诺依曼计算架构，如神经形态、以内存为中心、深度学习、异步计算、混合以及利用量子效应的设计，将在广泛的商业和国家安全应用中发挥越来越大的作用。除了基于标准Si-CMOS的系统外，采用低温CMOS、模拟/混合信号技术、光子学、自旋电子学和量子器件的新方法也在迅速涌现。要充分利用这些多样化的处理架构和器件类型，需要在整个堆栈中进行创新。

主要的研发需求包括：

• 进一步了解这些架构实现最佳性能所需的算法、编程模型和编译器。

• 以硬件、软件和标准为重点，努力提高设备的可编程性和可编程抽象性。
  

• 优化制造和设计能力，以生产这些新型处理架构。

• 除新型集成电路设计外，新型架构还能实现非冯-诺依曼元件与传统计算架构的优化集成。

• 人工智能和 ML 方法，以应对与异构集成逻辑内存设备产生的预期高数据速率和大数据量相关的挑战。

• 量子信息科学研究，包括量子计算、量子网络和量子传感，除了需要先进的制造能力和奇特的材料外，还需要大量新的系统设计方法。

• 量子支持技术，如低温电子学和光子学，以便与量子系统对接。

• 大型传感器网络提取和提炼信息的高能效处理架构，包括传感器技术、模拟处理架构，以及采用经典和生物启发方法的极端分布式边缘计算。

• 极端环境中传感、信号处理和计算应用的设计流程和架构。

• 超越高性能计算的电路创新，以满足能源、医疗保健、交通和通信领域的需求。

04

为先进封装和异质集成开发工艺和计量学

异质集成包括几种不同技术（如 Si CMOS、MEMS、III-V 混合信号和光子学）的集成，这些技术本身就是多个系统集成的结果。这方面的例子包括使用各种方法在单芯片、多芯片或基板上的芯片37 上进行集成，如 2.5D 和 3D 堆叠、高密度再分布、光学封装和测试、扇出、混合接合、高级中间膜、高密度焊接凸块、铜互连和通孔。异构集成的成功可带来更高的产量、更低的成本、更强的功能、IP 的重复使用，从而加快设计迭代和定制，并提高能效。从高性能计算到医疗保健，再到定位、导航和定时，集成在各个应用领域都至关重要。目前，异构集成和实现异构集成的先进封装技术的发展速度超过了传统封装技术。尽管海外组装和测试设施在传统封装领域占据主导地位，但这种增长为美国提供了在关键领域建立领先地位的难得机会。

要成功确保美国在先进封装领域的领先地位，并从异质集成中获益，就必须解决许多相互关联的研究难题，包括材料、制造工艺、能源、成本、产量和有效建模。

主要研究挑战包括：

• 用于基板、封装/模塑和芯片到芯片互连的新材料，以扩大可用的设计空间，为此，与材料供应商的合作和伙伴关系至关重要。

• 在机电一体化、机器视觉和机器人技术等领域取得进展，以支持开发具有成本效益的自动化敏捷系统，用于大批量和多品种封装和组装。
  

• 创新的互连技术，以提高能效和密度。
  

• 新的高速方法，可在组装前检测组件，并在组装过程中监控接口，以减少缺陷组件或组件间接口的缺陷。
  

• 增强工具计量和检测能力，包括从红外线到 X 射线波长的新型光源和高速检测器。
  

• 跨越多种长度尺度（二维和三维）和物理特性的新计量学，以应对新兴异质集成和先进封装工艺与技术带来的独特测量挑战。

• 改进完整系统的热、机械和电磁行为的物理建模，并开发新的高分辨率方法来测量这些行为，以验证模型的准确性和系统性能。

• 集成设计工具和方法，确保电路、架构和封装的协同设计，最大限度地提高系统性能和 IP 重复利用率。

05

优先考虑硬件完整性和安全性，将其作为整个堆栈协同设计战略的一个要素

面对来自对手的威胁，从电路到软件等组件都有可能被植入恶意改动，再加上需要为后量子计算时代的加密和数据安全做好准备，因此完整性和网络安全必须成为系统设计的基础组成部分。近年来，网络安全威胁已从集中在软件堆栈高层的攻击发展到逐步降低计算层次，直至芯片级。除了提高安全性外，还需要在整个堆栈中取得进展，以支持增强隐私保护--个人和组织控制谁能访问和控制其数据，以及在多大程度上能将其数据与自己联系起来的能力。40 设计过程必须允许硬件、软件和安全/隐私限制之间的反复。为了满足经济和国家安全需求，同时维护隐私，必须将安全性作为一种限制因素纳入协同设计研发中，并将其与功耗、性能、面积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开发：

• 准确的威胁模型，以支持对不同安全方法的成本效益权衡分析。

• 高层次的完整性和安全性概念模型（类似于计算机科学中的抽象层），以帮助协同设计领域的各学科进行更有效的交流与合作。
  

• 新的自动化和支持结构，使应用程序能够在安全系统上构建，并支持新应用程序的普遍采用。
  

• 协同设计卓越中心，其中安全是每个硬件重点领域的主要设计制约因素。
  

• 保护数据和减少对硬件信任的新方法，如同态加密、加密存储系统、安全计算、隔离加密和多方计算。
  

• 确保集成电路 IP 来源和完整性的方法。
  

• 用于评估和基准测量性能的标准测试文章、方法和分析，以促进不同组织之间的测量可重复性。
  

• 高通量测量和检测系统，以验证电路硬件。

06

投资研发所需的制造工具和工艺，以支持创新转化为具有生产价值的制造工艺

随着研发提供新材料和设备，研究也需要开发制造工具和工艺，以实现这些新技术的大规模生产。虽然重要的制造技术将继续在微米尺度上取得进步，但许多尖端技术已经并将继续在纳米尺度上取得进步，甚至在某些特征上达到原子尺度。为了满足对增强设备性能和能源效率的需求，需要相应地开发具有前所未有精度的制造工艺、工具和计量。所谓的“超精密制造”(UPM)是历史悠久的小规模制造的下一步。对超精密的需求也提供了一个机会，可以利用纳米尺度上独特的材料特性，如隧道或磁性和自旋相互作用，来实现强大的新功能。新颖的制造方法只有在规模达到商业规模时才会有效。因此，先进的制造业研发以扩大工艺和工具以满足制造业的需求是必不可少的。

相反，也有机会开发更灵活的制造方法，使成本效益高，高混合，小批量生产，以支持日益多样化的商业和国防需求。此外，在更大的特征尺寸上推进制造技术，以提高产量，减少工艺和设备的变化，并使成本具有竞争力，资源高效的国内制造成为可能。

对新工具和新工艺的主要研发需求包括:

• 超精密表征，先进的光刻和计量工具，以及改进的质量控制，包括精确的参考结构在10纳米以下的尺度。

• 新颖的模式方法，包括减法和加法，支持新兴需求，如3D架构，大面积基板，高混合，小批量制造电路和封装。

• 改进工艺，如区域选择性原子层沉积和蚀刻，以支持减小特征尺寸和更复杂的器件几何形状。

• 高通量实验和建模方法，加上光学，电子和扫描探针显微镜检查工具的新功能，以提高速度，吞吐量，产量，精度和准确性。

• 混合计量方法，将来自多种测量工具的数据与新的ML方法相结合，以利用数据并实现流程优化。

• 集成了基于AI/ML/物理的模型，能够消化晶圆厂的实时过程数据，用于高级预测分析，以测量和提高产量，并实现半导体和微电子制造业的晶圆厂虚拟化。

• 进一步发展和使用原位计量，以加速实时过程控制的集成，减少过程的可变性，这是昂贵的非原位计量的关键驱动因素。

• 这个领域的进展需要在多模态测量、软件集成和工具开发的集成方面取得进展。

• 快速、高分辨率、非破坏性技术，用于表征缺陷和杂质，并将其与性能和可靠性相关联。

• 具有更高分辨率、灵敏度、准确性和吞吐量的表面、埋藏特征、接口和设备的物理特性表征。

• 应用第一性原理材料研究与高性能计算开发准确的材料-过程相互作用模型。

• 数字孪生应用的进步，使制造流程的精确建模和快速迭代和融合成为可能。

• 提高能源和资源效率，并在生产过程中使用环保化学物质。

目标2

支持，建立和桥梁微电子基础设施，

从研究到生产

正如该战略所强调的那样，微电子研发是极其基础设施密集型的，从早期研究到制造，每个开发阶段都需要获得适当的设施和相关的专业知识。此外，每个阶段的资源必须连接起来，以确保新的创新能够沿着技术发展的道路迅速发展。

从历史上看，美国没有为微电子研发提供集中、开放的设施，这些设施配备了设计和制造工具、测试和与尖端技术制造环境相关的专业知识，限制了研究人员推进创新的机会。认识到生态系统中的这一差距，国会授权并为CHIPS法案中的几个项目拨款，以帮助建立支持国内研究成熟的设施，并使用制造相关设备获得先进的原型能力。

此外，微电子的持续多样化，以最好地解决特定用例，导致各种研发利益相关者的一系列复杂需求。研究人员需要直接访问美国的设施，这些设施配备了制造工具、测试能力，以及熟练的技术人员来维护和操作它们。这种基础设施支持使研究人员能够在领先(或接近领先)的制造环境中展示新设备、互连、电路、系统和制造工艺的潜力。拥有最先进的设备、设计工具和熟练的技术人员的协调良好的设施群对于提高异构集成的领导地位也至关重要。

半导体研发基础设施存在于一个连续体中，支持从探索新材料到实施新系统架构的活动。现代半导体和微电子系统令人难以置信的复杂性，通过使堆栈中的每个级别明智地抽象并告知相邻级别的关键特征，作为双向信息流协同设计方法的一部分，可以最好地管理。材料特性被抽象为器件模型，器件行为被纳入电路模型，电路被纳入体系结构，依此类推直至应用。同样地，应用程序和软件的特性决定了架构，架构指导电路设计等等。

随着研发重点的提升，基础设施必须保持一致，以确保每一级的科技发展都能持续发展，并为下一级的科技发展提供信息，最终为商业设计和制造提供信息。在堆栈的最底层，需要最大的灵活性来加速新材料的研究和开发，从而实现突破性的性能。当这些材料被识别出来时，它们必须提供给研究团体，以整合到设备中，以确定是否可以实现预期的性能优势。

再往上说，与可靠和稳健的制造工艺相比，设备的灵活性就不那么重要了，因为制造工艺可以实现可重复和可靠的设备性能测量。在电路层面，访问文档化和支持的工艺设计套件(PDK)模块和基础电路IP，例如，标准单元库，辅以强大的测试和表征能力，是必不可少的。在封装级，单片和系统级封装设计的适应性集成和特性，包括先进的芯片功能，需要支持中小型原型设计。创建这样一个全方位的研发生态系统将需要支持和扩大成本有效获取创新所需的基础设施。该基础设施包括三个关键组件:硬件和软件工具、数据和数据共享基础设施，以及充分利用工具和数据的专业知识。能够负担得起并及时获得这些工具和数据，也是培训和维持研究和制造劳动力专业知识的必要先决条件。

支持研发连续体所需的基础设施包括用于材料、结构、设备、制造工艺、计量和表征工具的早期开发设施，以及使用标准化流程访问领先的原型设施。CHIPS法案的投资旨在弥合早期研发和原型之间的差距，使新材料，工艺和计量的实验成为可能。随着用户技术的成熟和能力的发展，需要跨部门和机构的协作机制来促进工作从一个设施到另一个设施的过渡。

值得注意的是，虽然在以下目标下强调了支持微电子研究基础设施(目标2)的几个项目，但它们在推进研究以帮助确保技术领先地位(目标1)、教育和培训未来劳动力(目标3)以及帮助连接更广泛的生态系统(目标4)方面也发挥着关键作用。

联邦政府在今后五年的努力将实现下列目标：

01

支持设备级研发制造和表征用户设施的联合网络

支持电子、光子和微机械器件的新概念，推进“More-Moore”和“More-Than-Moore”解决方案，需要越来越复杂和昂贵的表征和制造工具和设施。半导体材料的合成和表征，以及器件的制造和测量，涉及使用不同工具集的多个步骤。在微电子领域工作的研究人员需要使用配备全套制造和表征工具的用户设施，这些设施需要持续的资本投资才能保持当前状态。除了仪器之外，有效的用户设施还需要专业人员来最大限度地操作专用工具，并培训新用户，这有助于降低访问障碍，并在教育和劳动力发展中发挥重要作用。

幸运的是，微电子研发社区可以建立在现有设施的基础上，包括作为NNI一部分建立的用户设施。位于全国各地的用户设施和其他共享研究基础设施为来自政府、工业界和学术界的研究人员提供了访问先进实验室、设备和专业知识的机会。在多个联邦机构的支持下，许多这些基础设施中心通过提供洁净室、表征工具、材料科学和合成实验室以及建模和仿真工具，促进了微电子相关的研发。除了提供研究活动之外，这些中心还作为一个强大的培训和劳动力发展引擎。

例如，NSF资助的国家纳米技术协调基础设施(NNCI)是一个由全国16个站点组成的网络，涉及29所大学和其他合作组织，并提供使用制造和表征工具的用户设施的访问。除了向政府、工业界和学术界的研究人员提供71个不同设施的2200多种独立工具外，NNCI网络还支持专家人员协助研究人员，并提供一整套教育、培训和推广工作。由于NSF的用户设施的第四次迭代主要集中在纳米电子学上，这些设施已经为成千上万的研究人员提供了服务，并帮助培训了几代学生。

此外，获得微电子研究所需的昂贵的专业设备为无法在现场购买和安置类似设备的机构或小企业的学生、教师和研究人员提供了机会，扩大了参与和扩大了研究社区。除了NNCI和其他主要的大学中心外，美国政府还通过能源部的五个纳米尺度科学研究中心(nsrc)和NIST纳米科学与技术中心(CNST)纳米实验室提供国家实验室设施。这五个nsrc是美国能源部在纳米尺度上跨学科研究的首要用户中心，是包含新科学、新工具和新计算能力的国家计划的基础。这些实验室包含洁净室、纳米制造资源、独一无二的签名仪器以及除主要用户设施外通常无法获得的其他仪器。NIST NanoFab提供了广泛的商业，最先进的工具集，包括光刻，薄膜沉积和纳米结构表征的先进能力，以及全职技术支持人员。

最后，其他共享的基础设施，如表征实验室、计算和建模资源、光和中子源，以及制造机构，在开发未来的材料、工艺、设计、标准和劳动力方面发挥作用。

研发制造和表征设施的主要需求包括：

• 对现有设施进行差距分析，然后努力解决现有设施内的能力差距，并在需要时建立新的能力，以全面解决堆栈中不同区域和级别的需求。

• 定期更新可搜索共享研究资源的公共注册表，使研究人员能够轻松识别最符合其需求的项目和中心。

• 支持先进的制造技术，能够将新兴的低尺寸纳米材料和纳米器件以及其他“超过摩尔”的解决方案纳入设计，以及使用成熟和最先进的技术制造的电路，用于中小型原型设计。

• 必要时与盟国和伙伴国的国际实体达成协议，为美国的研究人员提供使用尖端制造设备的机会，以弥合目前国内的差距。

• 资金模型，使用影响指标主要侧重于满足广泛和多样化用户群的需求，使设施能够获得足够的最先进的工具，在其重点领域建立临界质量，支持专家设施技术人员指导和帮助用户，并根据需要提供持续的资本重组，以保持最先进和最先进的实践能力。

• 激励培训和教育的成功指标和资助机制，包括支持地理位置不利的研究人员前往研究中心。

• 减少设施准入障碍，包括通过与研究界的联系，负担得起的运营成本/费用，以及简单、公平的准入模式，包括改进远程操作技术的实施，进一步扩大每个设施的地理覆盖范围，促进公平准入。

• FAIR(findable, accessible, interoperable, and reusable)的数据管理系统，以最大限度地提高研究团体对设施中产生的信息的访问。

02

为学术和小型企业研究界提供更灵活的设计工具和晶圆级制造资源

目前，设计工具的成本，特别是pdk、装配设计套件(ADKs)和EDA，加上代工制造运行的成本，对于小企业和学术研究团体，以及政府机构、DOE国家实验室和其他ffrdc以及非营利实验室的努力来说，可能是令人望而却步的。此外，对于在代工厂制造的晶圆，特别是在中间流程中制造的晶圆，在更灵活的研究设施中进行进一步加工，没有完善的途径。《芯片法案》的投资将通过对基础设施的投资和新的公私合作伙伴关系的补充，帮助解决国内设备级研发和先进原型之间的差距。这些努力旨在为晶圆级研发提供高效、经济的共享资源网络，并建立一个芯片研发生态系统。

改善获得设计工具和制造资源的关键需求包括：

• 灵活且经济实惠的模型，包括成熟节点的潜在开源功能，为国内研究人员扩展高级pdk，标准单元库和某些IP(即内存控制器，内核等)的可用性，同时保护商业IP和专有信息。

• 与EDA供应商建立更广泛的合作伙伴关系，使设计工具，包括高级合成工具，以显着降低的成本提供给更多的大学和小企业研究人员，并在需要时加速特定领域EDA功能的开发。DARPA工具箱计划(Toolbox Initiative47)和国防部快速保证微电子原型(RAMP)的努力是为研发社区提供设计工具和经过验证的知识产权的例子。在可能的情况下，项目应该促进研发中使用的pdk的标准化，以增加设计和制造供应商之间的互操作性。

• 适用于成熟技术和新兴技术的无障碍设计工具和工具环境，包括安全的基于云的解决方案，可以确保捕获和严格保护知识产权，确定知识产权的来源和权利，并尊重出口管制和其他法律和监管边界。

• 标准化许可协议和保密协议，最大限度地减少知识产权共享的障碍，缩短创新周期。

• 访问建模和仿真所需的高性能计算资源，以支持在产生原型成本之前评估电路性能。

• 增加制造设施的多项目晶圆产能，并以公平的小规模制造能力为补充，以降低集成电路和先进封装/异构集成的成本和设计测试周期时间，并扩大获取和加速创新。

• 具有标准接口的标准“即插即用”小芯片的库和供应，以及这些接口的开放源参考实现。

• 创建并使用先进的封装研究设施，以加速先进封装的创新、异构集成和芯片生态系统的发展。

03

便于关键功能材料的研究获取

如果没有超纯的、几乎不存在缺陷的材料和同位素，微电子工业就不可能发展。新的电子、磁性和光子器件的发展同样依赖于适当功能材料的供应。这些材料包括III-V型半导体(以及由它们制成的量子点和量子阱材料)、薄膜铌酸锂、绝缘体上的碳化硅、金刚石和许多多铁性材料和压电材料。

然而，其中许多材料只能从海外供应商那里获得。其他材料可以在国内获得，但往往只能从一个大学实验室获得，其向外部研究小组提供的能力有限，有时质量不稳定。加强国内生态系统的努力可能为支持材料供应商和鼓励开发新材料工艺提供机会，从而降低研究人员的采购成本。

确保强大和高质量的国内功能材料供应以加快器件开发和集成研究步伐的策略包括：

• 与美国材料供应商合作，确保国内产能的维持和扩大。努力包括确保继续在国内开发和获取支持制造业所需的机构知识和专门技术。
  

• 支持处于材料开发前沿的美国研究机构，使其拥有所需的专职人员，以扩大向国内研究人员提供新材料的能力。需要工业参与的重点研究资助可以用于建立合作，以开发材料供应并将研究专业知识转移到商业部门。

• 投资传统和创新方法，包括MGI方法，以缩短从有前途的材料的演示到衬底供应的可用性的路径，包括批量衬底合成和薄膜沉积/外延，以提供高纯度和低缺陷密度的衬底材料在足够的尺寸和规模。

04

扩大对建模和仿真的高级网络基础设施的访问

在物理，制造和计量学的限制下进行创新，需要在投资于先进的原型或昂贵的实验之前，在数字模拟中展示对电路性能和制造工艺的深刻理解。需要改进的建模和仿真工具，充分利用硬件加速器的高级合成和电路和系统的仿真，特别是那些基于新材料、器件、互连和集成CMOS架构的工具。同样，需要基于丰富物理数据集的综合物理模型来模拟复杂的、相互依赖的制造过程。考虑到计算数据托管的挑战，通用云资源可能会不足，因此需要为微电子研发需求量身定制的网络基础设施支持。

支持访问网络基础设施进行建模和仿真的关键行动包括：

• 提供对领导级计算和其他网络基础设施的访问，包括美国能源部国家实验室、其他ffrdc和nsf资助的设施。

• 促进用户，系统开发人员，计量和原型设备之间的密切协调，以确保高质量数据集的可用性，从而能够构建准确的材料，工艺，设备和系统模型。

• 与实体基础设施及其产出建立密切联系，以有效地支持整个研发社区并协助技术转让。

05

支持先进的研究，开发和原型设计，以弥合实验室到工厂的差距

正如2.1节所详述的，虽然早期研究基础设施的基础很强，但在美国生态系统中，获得更先进的基础设施尤其具有挑战性。CHIPS法案提供了一个独特的机会来支持和提供访问先进的原型资源，这些资源将提供关键的国内能力，以加速将研究创新插入使用领先的CMOS工艺的硅片上，以及其他关键材料和技术，如用于混合信号和电力电子的化合物半导体。这些努力需要确定资助模式，使用主要集中于满足用户需求的影响指标，使设施能够获得足够的最先进的工具，支持技术人员来指导和帮助用户，并根据需要提供持续的资本重组，以维持最先进和状态实践能力。提供维护良好和紧密整合的资源，也将最大限度地提高学生、研究人员、工业和政府最终用户之间非正式学习和合作的机会。下面讨论的每个项目都将利用现有能力，扩大能力并开发目前国内生态系统中不具备的新能力。

《美国芯片法案》第9903(b)条要求国防部建立一个国家微电子研究与开发网络，该网络被称为微电子共享网络或简称为共享网络。Commons是一个能够开发微电子材料、工艺、设备和建筑设计的项目，重点关注国防需求。Commons将满足对工艺、材料、设备和体系结构的开发需求，并在它们从研究过渡到实验室的小批量原型，最后过渡到制造原型，可以展示所需的体积和特性，以确保降低制造风险。大规模的原型制作是高风险和昂贵的，中小型公司和大学很难将实验室与制造或“实验室到工厂”之间的过渡连接起来，从研究想法到实现这些想法到制造。公地将利用非传统的国防创新者(例如，初创公司和大学)，并降低阻碍他们将实验室原型发展为制造原型的能力的一些现有障碍。Commons是一个区域性“枢纽”网络，拥有早期到中期的开发能力，并将“核心”与后期能力相关联。核心将与中心密切合作，使其努力与商业流程保持一致，以促进技术的过渡。进一步的成熟将利用后续的程序和资源。微电子公共领域专注于对国防和新兴商业市场至关重要的六个技术领域:电磁战、安全边缘计算、人工智能硬件、量子技术、5G/6G技术和商业跨越式技术。除了为研究基础设施做出贡献外，Commons还支持这些领域的研究和劳动力发展活动。

《美国芯片法案》第9906(c)条要求建立国家半导体技术中心(NSTC)。除了开展和支持竞争前的研究和劳动力发展活动外，NSTC还将建立并提供先进的原型能力，以满足美国研究界的广泛需求。NSTC的重要功能将包括执行材料特性、仪器计量和高级工艺节点测试的能力。这些功能将使组织不仅仅是已建立的集成设备制造商进行这种类型的研究，并增加研发范围，大公司可以迅速进入制造业。通过与下面2.6节中描述的封装计划密切合作，NSTC将为前沿节点提供先进的测试、组装和封装能力，并支持制造业自动化的改进，为提高美国未来在全球制造能力和竞争力中的份额奠定基础。NSTC被设想为一个拥有附属技术中心的中央总部，将包括新建立的能力的组合，同时也利用现有实体的资源使用该模型，NSTC将创建并提供对物理资产的访问，如端到端原型设施、数字资产和IP，包括设计工具、参考流程、工艺设计套件和数据集，并将汇总和管理对商业设施中多项目晶圆服务的访问需求。

虽然Commons将在与NSTC支持的技术和设备开发的相同范围内做出一些努力，但Commons在其应用重点和期望的产品化范围中有一组特定的目标，以解决国防特定的优先事项。国家科学技术委员会与公共领域之间的密切协调与合作，以及目标4中讨论的美国政府其他相关努力之间的密切协调与合作，将确保这些努力是协同的，而不是重复的。

此外，DARPA正在下一代微系统制造(NGMM)计划下建立一个互补的国内研发中心，用于制造三维异构集成(3DHI)微系统微电子创新的下一个主要浪潮预计将来自于通过先进封装集成异质材料、器件和电路的能力，从而产生一个紧密耦合的系统，该系统可以扩展到第三维度，其性能超过当前单片方法所能提供的性能。

目前，从事3DHI研究的美国公司依赖于海上设施。这个开放的国内3DHI研发中心将带来更广泛的创新浪潮，将促进共享学习，并将确保初创企业、学术界和国防工业基地能够从事低量产品的3DHI研发。该中心的3DHI是指将来自不同材料系统的单独制造组件堆叠在一个封装内，以产生一个在功能和性能方面提供革命性改进的微系统。具体来说，这些微系统将把不同的晶圆或芯片集成到垂直堆叠的架构中。所涉及的技术包括但不限于化合物半导体、光子学和MEMS系统，并扩展到功率、模拟和射频领域，以及数字逻辑和存储器。初始阶段将专注于数字、射频、光子、传感器或功率器件的最先进的封装、组装和测试。重点将放在开发基线工艺模块，以及初始预商业3DHI试验线能力和相关的3D组装设计套件。

下一阶段将进一步优化3DHI工艺模块，加大研发力度提高封装自动化程度，并实施中心运营接入模式。最终的结果将是一个开放的研发中心，供学术界、中小型企业、国防和商业公司以及政府机构的研究人员使用，以全面解决3DHI原型的设计、封装、组装和测试问题。

弥合实验室到晶圆厂差距的关键行动包括：

• 对现有设施进行差距分析，然后努力解决现有设施内的能力差距，并在需要时建立新的能力，以全面解决目标1中确定的每个研发优先领域的进一步发展。

• 必要时与盟国和伙伴国的国际实体签订协议，为美国的研究人员提供使用尖端制造设备的机会，以弥合目前国内的差距，促进合作。

• 开发“fab-to-lab”生态系统，使研究人员能够将在最先进的制造设施中制造的基板和预先填充的测试结构和/或设备带入研究设施，并添加新材料或设备，以实现高吞吐量，高质量的创新技术测量。

• 减少设施使用的障碍，包括通过与研发界的联系，负担得起的获取和运营成本，以及简单、公平的获取模式;通过实施远程接入技术和多个项目晶圆计划改善接入，这可以进一步扩大每个设施的地理覆盖范围，促进接入的公平性。

06

支持高级组装、封装和测试

微电子元件的封装、组装和测试方面的创新是美国保持领导地位的关键。随着半导体制造达到通过减小晶体管特征尺寸来实现性能和效率提高的极限，工业界已经转向使用3D系统和异构集成来实现更高性能的新方法。当前一代的高性能设备集成了多种技术，不仅包括不同的硅基工艺，还包括化合物半导体、光子学和其他专业技术。这些方法对互连设备和子系统的能力提出了更高的要求——这是高级封装的一个关键方面。3D和异构集成的互连技术和标准的改进也可以促进微电子新供应链结构的发展，其中国内能力将增强美国的安全和竞争力。

先进的测试、组装和封装能力也需要用于验证从研发过程中产生的先进原型。《美国芯片法案》第9906(d)条要求努力建立先进的封装制造计划，以加强国内能力。为了实施本部分，国家先进封装制造计划(NAPMP)已经在NIST内建立，以支持制造的计量和光刻等能力，包括材料表征，仪器仪表，测试和标准。该项目将与NSTC保持一致，密切合作，并可能利用NSTC的资源。

随着前沿电子产品的趋势向先进的异构集成方向发展，先进封装和原型设计之间的重叠预计将大幅增加。与微电子创新的其他方面一样，组装、封装和测试能力的开发和部署需要在整个生态系统中进行协调，并在制造和研发社区之间进行直接和密切的沟通。

加快发展国内先进封装生态系统的关键行动包括：

• 建立并密切协调NGMM和NAPMP的研发和试点生产设施，以确保它们互补和相互支持。

• 开发机会，实现ADK、封装相关设计工具和其他数字资源的安全共享，并充分利用整个生态系统的互补努力。

• 促进对芯片的访问，包括制造测试车辆，可用于封装研发社区，以实现新的芯片集成方案的快速开发和测试。

• 制定计划，提高自动化水平和先进封装测试和组装设备的性能，使国内封装具有成本竞争力。

• 致力于开发新的基板材料和相关的制造技术，以支持密度和信号性能的改进。

• 支持行业在适当的时候开发和引入芯片和先进的封装标准，以最大限度地提高创新和市场接受的潜力。NAPMP开发的制造测试车辆将用于探索和验证集成方案及其相关标准。

• 支持组件、集成方案和测试方法的开发和验证，以确保复杂的先进封装系统的安全性。

目标3

培养和维持微电子研发到制造生态系统

的技术劳动力

美国在微电子领域的领导地位需要强大的国内劳动力来支持从研究到制造的整个生态系统。半导体行业委托进行的一项经济分析报告显示，截至2020年，半导体产业为美国提供的直接和间接就业岗位总计185万个。自2021年发布该分析以来，该行业在美国研发、设计和制造活动中直接雇用的人数从27.7万人增加到2023年的34.5万人。这些工作的所有教育水平的平均工资都明显高于其他行业，这与美国劳工统计局(Bureau of Labor Statistics)的数据一致。美国劳工统计局的数据显示，半导体和电子元件制造业工人的收入比私营部门员工的平均收入高出近50%。

在该行业中，高需求的STEM职业主要是工程和计算机软件开发，他们通常需要学士学位或更高的学位才能就业。对有学位的专业人才的竞争越来越激烈，尤其是在博士阶段。在2010-2019年期间，行业对计算机和信息科学以及数学博士的招聘大幅增加，公司对计算机和信息科学家博士的招聘增加了103%，在此期间，公司对数学科学家博士的招聘增加了160%。在半导体和其他电子元件制造行业，外国出生的科学家和工程师占高技能技术工人的41%。这与数据一致，数据显示，在所有科学和工程职业中，外国出生的人占30%，在工程、计算机科学和数学职业中，他们拥有一半以上的博士学位。在美国完成STEM研究生教育的外国学生获得永久公民身份的选择相对有限，因此许多人返回本国或其他对高技能移民有更简化移民程序的国家。在过去的十年里，在美国接受教育的高技能工人中，越来越多的人回到了自己的祖国或其他国家。此外，在过去十年中，大学毕业后选择进入微电子行业的国内学生人数有所下降。

为了满足当前和未来的半导体人才需求，需要制定战略来发展、吸引和留住更多的国内和国外人才，从熟练的技术人员到博士级的研究人员和教育工作者。这些战略必须让所有利益相关者都参与进来，包括雇主、工会、教育机构、政府机构、行业组织，以及专注于为代表性不足和服务不足的人群提供培训的项目，并支持创造符合“好工作原则”的职位。

考虑到一系列公共和私营部门的报告和利益相关者的投入，揭示了与半导体劳动力需求相关的几个关键发现和挑战。行业对高技能人才的竞争非常激烈，包括国际竞争，再加上劳动力老龄化和与其他技术部门的竞争。尽管对于美国公司来说，要找到需要高级学位和美国公民身份的职位的候选人尤其具有挑战性，但在所有教育和工作水平上追求机会的学生却不够多，他们具备这一劳动力所需的知识和技能。利益相关者还必须共同努力，消除阻碍某些群体获得该行业高薪工作的历史性和根深蒂固的系统性不平等——这既是增加国内人才库的要求，也是通过多元化和包容性的劳动力最大化创新的要求。

除了上述目标2中讨论的芯片基础设施投资的劳动力组成部分外，《芯片与科学法案》第102(d)条还为微电子劳动力发展活动设立了NSF基金。根据这一规定，可以支持范围广泛的活动，包括开发面向行业的课程和教学模块，以及努力将微电子内容更多地纳入各级教育的STEM课程。学习活动和体验也可以得到支持，包括提供物理、模拟和/或远程访问具有行业标准流程和工具的培训设施的努力，以及为k - 12学生提供非正式的动手微电子学习机会。此外，该条款还为教师的研究和专业发展计划的制定和实施提供了条件，并通过激励雇用微电子关键领域的教师来扩大微电子领域的学术研究能力。最终，该基金将为创新的教育途径铺平道路，将高中、职业和技术教育、军事、高等教育和研究生课程与工业联系起来，并通过创建和维护一个可公开访问的数据库和在线门户网站，使材料得以传播。

NSF在投资STEM教育方面有着悠久的历史。NSF的项目广泛投资于K-12学校、社区学院和大学的学习者，以及对现有工人的再培训，以及对那些寻求进入新兴领域劳动力的人的技能提升。为了在美国培养多样化的微电子和半导体劳动力，NSF正在利用这一投资组合并建立一套量身定制的投资，包括与私营部门建立可扩展的合作伙伴关系，以提高熟练的半导体制造劳动力。

为了补充支持教育、研究和劳动力培训计划各个方面的广泛联邦计划，许多团体已经或正在努力解决扩大半导体劳动力的公认需求。例如，一个非营利组织发起了纳米技术和半导体学徒成长计划(gain)，该计划由劳工部资助，在国家科学基金会的支持下，启动了国家人才中心，这是一个为学生匹配工作机会和发现他们技能不足的平台。

半导体行业协会也在努力，包括开发在线课程，以满足其成员公司的劳动力需求。解决更广泛的STEM劳动力需求的努力和战略已经有了很好的记录，也适用于半导体劳动力这一目标的重点是联邦政府可以在扩大半导体劳动力方面发挥作用的努力。连接、扩大和扩大成功的项目对于满足半导体行业未来的劳动力需求也至关重要，以确保美国在微电子领域的持续领导地位。下面讨论的努力建立在这些STEM教育计划的基础上，重点是为微电子生态系统量身定制的努力。

在今后五年中，需要努力实现下列目标：

01

支持与微电子相关的科学和技术学科的学习者和教育者

为了满足预计的半导体劳动力需求，需要做出重大努力来支持整个教育领域的教育工作者和学生。除了电子工程和计算机科学等传统学科以外，随着半导体行业的不断创新和多样化，化学、化学工程、工业工程、环境工程和材料科学与工程等领域将变得越来越重要。虽然K-12教育是州和地方实体的责任，但可以做很多工作来为教师提供必要的资源和经验，使他们能够向学生介绍微电子领域的职业机会。现有的项目，如美国国家科学基金会的教师研究经验(RET)66和罗伯特·诺伊斯教师奖学金项目，致力于招聘、培训和留住STEM教师。对于K-12学生来说，提高对半导体行业就业机会的认识，以及高质量的教学材料和令人兴奋的动手项目，可以帮助激发他们追求相关教育途径的兴趣。K-12教育工作者需要获得高质量的教学资源，这些资源与他们必须达到的国家标准相匹配。

对于一些熟练的技术职位，非学位课程，如证书、证书、文凭和其他可堆叠的证书比传统的学位课程更合适。熟练的技术人员往往具有很强的地理联系，因此在当前和新兴半导体中心的区域努力对于培养这些人才尤为重要。行业、劳工和地区培训项目之间的合作可以帮助发展知识和技能，并确定当地的职业道路。行业代表可以作为学生的宝贵导师，并在“培训培训师”项目中协助教育工作者。这些合作在促进区域获得与行业相关的制造工具和“无晶圆厂”(数字)资源以支持教育和培训工作方面也发挥了重要作用。虽然半导体技术人员有许多成功的模式和现有的课程(见下面的对话框)，但要产生更大的影响，需要努力扩展、共享和不断更新这些资源。

在本科和研究生阶段，需要能够适应半导体发展和创新加速的响应性教育和培训系统。快速发展的步伐要求工程和科学项目保持与时俱进，以避免在教育和工业需求之间造成差距。为了避免日益扩大的差距，工业界、劳工和学术界必须共同努力，启动和促进专业的本科和研究生水平的课程和项目，这些课程和项目必须灵活，能够与新兴的行业需求保持一致。尽早认识到跨学科的方法对于半导体研发中出现的挑战是必要的，这将有助于培养面向未来的劳动力。

非学位半导体劳动力培训计划

非学位课程，如宾夕法尼亚州立大学纳米技术教育和利用中心的微电子和纳米制造证书课程(MNCP)，为半导体劳动力提供了宝贵的培训。该项目是社区学院和拥有洁...