“美国国家半导体技术中心”即将成立！放出信号将力推突破性技术创新

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2021年11月10日，MITRE公司与MITRE Engenuity基金会联合发布白皮书《美国国家半导体技术创新与发展未来愿景》(American Innovation，American Growth：A Vision for the National Semiconductor Technology Center)。报告呼吁成立美国国家半导体技术中心（NSTC）以确保技术创新能力促进实现半导体技术领域的增长。

由于摩尔定律的二维缩放的物理极限临近，半导体逻辑电路马上将面临根本性的改造，人工智能、物联网和通信技术的快速发展也需要模拟和存储技术的突破性创新。因此，美国现在需要大力且迅速投资于美国国内原型制造能力和推广突破性半导体技术。

美国半导体技术创新与发展未来愿景

编译：学术plus观察员 麦客

本文主要内容及关键词1.美国的半导体危机：美国在半导体研发上全球领先，研发投资与销售额均世界第一；但制造能力正在下降，且没有最先进的制造节点2.战略整合：成立MITRE Engenuity半导体联盟，跨部门机构整合美国半导体行业多元化力量；洛马、雷声、微软、高通、AMD、英特尔、美光、哈佛商学院、斯坦福大学等
3.关键问题：美国缺乏突破性半导体技术的原型制造、扩展和转移制造能力，急需将关键的新兴半导体技术原型化并扩展到美国国内生产，从而保证未来信息通信方案的基础，进而增强美国的实力、国家安全和经济弹性3.填补美国半导体生态的空白（具体问题）：资金缺乏使得突破性创新技术陷入“死亡之谷”；必须鼓励公司进行大胆的探索并承担风险，其中全栈创新是确保美国下一代技术安全性的关键；目前缺乏协调整个堆栈的创新实体
4.呼吁成立美国半导体技术中心（NSTC）：NSTC的七项工作原则，四项核心职能以及其工作效果评估标准5.未来展望：NSTC必须支持和响应国防部和情报部门的特殊需求，为关键军工行业与作战需求提供重要保障；仅靠NSTC还不够，需要创建美国领导层的整体战略与政策环境

内容主要整理自外文网站相关资料

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预计对美国半导体技术中心（NSTC）和相关项目的拨款将达105亿美元。

1.半导体危机

毫无疑问，美国是全球半导体研发的发动机。

过去十年，美国在研发上的投资几乎是世界其他国家投资总和的两倍。从许多方面来看，美国的创新正在引领美国的增长。按2015年收入计算，全球前20家半导体公司中有一半在美国，约占全球销售额的50%。然而，在这些数字之下隐藏着更复杂、不断变化的竞争格局。

从产品设计到交付给客户，单个半导体芯片经过1000多个生产步骤，涉及70多个国家。其中—些是在盟国或美国境内，但许多步骤，尤其是制造已经被转移到海外。美国目前仅拥有全球半导体制造能力的12%，低于1990年的37%，并且没有最先进的制造节点。相比之下，台积电(TSMC)所在的台湾占先进(小于10nm)逻辑半导体制造能力的47%。中国正在利用1500亿美元在2030年前获得全球40％新的制造能力，使其预期市场份额达到25%。

2. 战略整合

鉴于半导体行业如此庞大和多样化，对美国的经济和国家安全利益都至关重要，所以在美国半导体技术中心(NSTC)的投资需要从跨部门以及更高站位的战略视角来进行决策，而不能仅局限于该中心的利益范围。为此，成立MITRE Engenuity半导体联盟，以整合美国半导体行业力量。

战略性跨部门参与

该联盟召集了来自10多家美国主要半导体公司的多元化专家团队（团队专家涉及半导体价值链整个环节），并组成了半导体联盟的核心工作组。还将定期与初创企业、大学、主要行业协会、投资者和政府各部门的利益相关者接触，以确保考虑到整个半导体生态系统的各方观点。独立的非盈利组织

MITRE Engenuity半导体联盟作为—个公正、独立和客观的非营利组织，在半导体行业没有经济利益。因此，能够客观调解各方意见，并围绕共同的主题和想法建立共识。如：实施《NSTC协议》的主要原则，协调美国政府在先进半导体技术方面的计划和项目；确保美国政府的投资明显提高了美国的经济弹性和国家安全等。

3.关键问题

解决美国半导体竞争力的关键

对于复杂的全球半导体行业来说，有效地将创新转化为国内增长需要战略性和有针对性的投资。

由于美国缺乏突破性半导体技术的原型制造、扩展和转移制造能力，从而使得美国在半导体领域的领导地位受到威胁，而这些技术也正是国家安全和经济弹性所必需的未来信息和通信解决方案的基础。为了确保美国在下—代半导体技术中的领导地位，加强美国将世界领先的研发转化为国内成熟、可制造的技术创新的能力至关重要！

目前，美国已经处于领导下一代半导体技术设计的强势地位。过去10年，美国在半导体研发资助方面领先于世界其他地区，拥有多所世界领先的研发大学，并在电子设计自动化工具市场上处于领先地位(占96％的市场份额），制造设备(占52%）和核心IP（知识产权）（占52%）。然而，在把新想法转化为工业商业竞争优势上，美国目前面临两个重要的制约因素：

3.1 跨越“死亡之谷”的困难

虽然美国半导体行业已经成功将许多突破性技术推向市场，但还有很多有前途的创新由于缺乏资金而导致早期技术被无限期搁置或过早放弃，即陷入了“死亡之谷”。

具体来说，原因有二，其一，相关的大学研究和政府资助项目很多，但这些资金来源通常无法保证能够持续地将技术推进至工厂生产阶段。

比如：国家科学基金会(NSF)和能源部(DOE)对早期基础研究和实验室开发的资助；半导体研究公司(SRC)也赞助这种类型的大学研究；其他政府资助，如DARPA以项目驱动为重点，可灵活解决技术的成熟度和扩展度，但无法完全保证资金支持续到技术进入工业生产之中。

另—方面，工业投资一般会倾向于投资于有能力超越实验室环境的技术，即低风险投资。

目前，美国只有少数几家公司（如英特尔和美光）拥有资源、基础设施和专业知识，可以弥合基础研究资金来源和行业投资将技术转化为商业生产之间的差距。风险投资(VC)有时会填补其他行业的资金缺口，但半导体行业的VC资金已大幅减少。投资者倾向于选择上市时间快、退出期限为5至7年、资本支出低、技术风险低的软件驱动型公司。在半导体行业，突破性技术通常需要10年以上的时间才能商业化，制造晶圆厂需要花费数十亿美元，技术风险很高。没有投资，许多想法就没有从“实验室到工厂到市场”的国内路径。

        

图1：启动视角和挑战

资金不足

除了风险投资的稀缺，半导体初创企业的资本投资，现有的政府资助项目都无法满足初创企业的需求。—家开发颠覆性新技术的公司报告称，小企业创新研究（SBIR）总共五笔拨款仍低于运行—批晶圆的成本。

争夺设施使用权

据报道，一个B系列公司大致有9000万美元的融资，将其一家研发代工厂保留的一个沉积设备让给了—家中国公司。初创公司报告称，这种情况很常见。

延迟上市时间

初创公司报告称，无法进入晶圆厂的洁净室空间，导致其创新产品在准备上市时出现重大延误。—家筹资超过1亿美元的公司估计，缺乏融资渠道已使其上市时间推迟了两年。

3.2 探索的复杂性，追求“全栈”创新

为了实现真正的下一代技术进步，公司必须进行大胆的探索并承担风险。孤立地迭代开发各方面的新技术是不够的，而是需要探索革命性的新思想：需要将许多元素聚集在—起，创造—种实用的新技术。这些元素构成了“计算堆栈”(见图2)。

“全栈”创新就是计算堆栈所有元素的创新。以智能手机为例，必须在计算堆栈的每一层都进行创新，才能将手机改造成像手持式计算机一样的功能。

同样，全栈创新对于开发下一代半导体和支持半导体的技术至关重要，包括但不限于用于AI、内存计算、量子计算机和封装的下一代处理器。此外，采用全栈方法对于确保下一代技术的安全性也非常重要。攻击者通常会找到堆栈中最薄弱的链路来访问并破坏系统。当一个新系统以零敲碎打的方式创建时，而不是关注整个堆栈，它所包含的不同元素之间往往会有更多的安全漏洞。全栈创新是确保美国可以开发对私人和政府用户都安全的下一代复杂技术关键。

图2：计算堆栈

3.3 美国半导体生态系统面临的双重困难

（1）太保守。领导美国公司倾向于利用现有的技术，而不是探索大胆但有风险的计划，但正是这些有风险的计划才有可能颠覆计算堆栈并带来下一代计算范例。

（2）缺乏整体协调。公司也倾向于专注于堆栈的一个子集，在半导体行业中没有协调实体来推动和实现集体全栈创新。当需要新的半导体材料和工艺来实现新的解决方案时尤其如此。如果没有明确定义的、协调的和资源充足的跨组织协作来开发突破性技术，就更难实现革命性的想法，没有更有效地将单个元素的创新集成到功能性最终用户解决方案中。总之，如图3所示，美国目前缺乏一个能够协调整个堆栈的创新实体，将创新从实验室推动到大规模制造阶段，正是这一点限制了美国将创新转化为美国增长的能力。

图3：探索生态系统的空白

4. NSTC

美国半导体技术中心(NSTC)的原则与、核心职能与评估标准

4.1 NSTC的七项工作原则

为创建—个能够填补上述生态系统空白并响应国防授权法案（NDAA）明确的呼吁，开展“加强整个国内生态系统” 的工作，必须需要跳出思维框框，不受现有组织或倡议的范围和利益的限制。建议遵循以下工作原则：

• 提高NSTC治理有效性：如有效规避利益冲突，或陷入短期利益的局限性
• 专注革命性创新：NSTC应专注于各种类型半导体的革命性创新，而非进化性创新（例如，不仅是前沿的逻辑电路），并应推动协作性的全栈创新，从而填补生态系统的空白
• 拓宽创新渠道：初创公司和老牌公司都应该有机制参与NSTC，并从多种渠道获得突破性创新。
• 激发创新突破：NSTC应该发起突破性挑战，促进思想竞争，以确保NSTC投资于技术上最有前途、 商业上最有影响力的载体，而不是把所有鸡蛋放在—个篮子里
• 技术落地：NSTC应该将突破性技术从“实验室到工厂”，从而实现美国创新的国内制造
• 基础设施开发与利用：为了最有效地利用其资源，NSTC应利用全国各地的相关现有设施，建设或获得新的基础设施，根据需要填补空白，以完成其技术任务
• 充分发挥NSTC的所有职能：应该以相互促进的方式将技术原型和扩展与投资和劳动力开发结合在一起，也应该与现有和未来的政府和行业投资相互促进

4.2 NSTC的4项核心职能

NSTC的四项基本核心职能分别为：启动突破性挑战、管理战略投资基金、提供探索性基础设施和设施接入，以及推动劳动力发展。为了获得最大影响力，四项核心职能需要相互协同配合，如图5所示。

图5：NSTC核心职能的相互协助

为了确保 NSTC专注于革命性的目标，并围绕—系列共同的问题协调创新，NSTC应该推出—系列突破性挑战，而突破性挑战应具备以下特点：

• —旦实现，将对美国经济和国家安全具有重要应用价值，并有可能在此过程中产生溢出创新；
• 聚焦大约7到12年后的行业发展水平；
• 解决任何公司或组织都无法独自解决的问题，即需要跨组织协作的工作。

4.2 NSTC的评估标准

2021年NDAA会议指出，美国半导体战略必须：(I)加快微电子的国内开发和生产并加强国内微电子劳动力；(II) 确保美国微电子研发领域处于全球领先地位。然而，NDAA没有具体提出NSTC的工作评估标准。为此，报告提出一套衡量标准来评估NSTC的工作。其中参考了对美国竞争力至关重要的行业中的复杂和尖端技术等相关评估标准，如：能效发动机计划、NASA COTS和人类基因组计划等。具体标准如下：

• 无障碍网络：在美国各地建立—个无障碍的国内设施网络，让创新者能够快速且容易尝试有风险的新想法。
• 振兴国内半导体制造业：增加美国半导体初创公司的数量，鼓励公司利用国内设施进行原型制作、扩大规模，并最终实现国内生产，增加美国晶圆厂和代工厂的新产品、新工具和新工艺流程，包括根据2021年NDAA协议第9902条建造的晶圆厂和代工厂。
• 加强院校项目合作：通过与大学、社区学院和职业项目合作，提供课程开发、体验式培训和职业机会，为美国强大的半导体劳动力做出贡献。
• 加强对国外研发中心的吸引力：促使美国成为全球创新和制造业的中心／磁石，让美国和外国公司将研发中心和制造设施迁至美国。
• 扩展突破性技术：从每个突破性挑战成功原型化和扩展至少一项代表基础变革的半导体行业突破性技术，从而实现向国内制造的过渡。

此外，应将这些指标设计的更加具体和可衡量，这对帮助美国未来几十年有效提升领导力、复原力以及保护国家安全至关重要。

 图6：成功的衡量标准

5.未来措施

5.1 保证资金的持续性

为维持初始投资的影响，NSTC必须联合企业和政府保证资金和资源的持续性。但是一方面，NSTC不可能在几年内实现自给自足，并且尖端装备耗资巨大，仅光刻机就耗资高达数亿美元，若没有持续的投资，NSTC很难保持足够的收入来跟上技术的发展。

5.2 与其他美国投资方协调

NSTC若要取得成功，必须与NDAA在半导体行业的其他投资合作，并与美国NSTC现有的研发半导体生态系统合作。

5.3 加强美国国家安全态势

为加强美国的经济弹性和国家安全，NSTC必须突破性的技术来支持和响应国防部和情报部门的需求：其系统和任务能力依靠一系列微电子技术，除了逻辑电路和存储器之外，在包括模拟、射频和混合信号波形生成、检测和处理（例如GaAs、GaN、SiGe）等领域有特殊需求；并广泛用于雷达、电子战和高度竞争环境中的通信；抗辐射电路；微电子保证；进入领先的微电子行业和安全。

6.4 创建一个整体战略来维持美国领导层

随着技术和经济实力成为现代主战场，确保美国在下一代半导体领域的领导地位势在必行，但仅靠NSTC的力量远远不够。美国还应考虑并解决其他政策因素，如：税收政策及其对资本密集型和资产密集型企业、出口管制、环境许可法规的影响、美国外国投资委员会(CFIUS)的审查和技术工人的移民途径等因素。总体而言，美国需要—个支撑性的政策环境来补充NSTC的作用，才能保证有前途的技术能够落地美国、并进一步商业化。

结 语

2021年国防授权法案（NDAA）要求创建国家半导体技术中心（NSTC）是加强美国将美国创新转化为美国增长的能力的独特机会。为了实现这—承诺，NSTC必须从战略高度进行机构设计，并打破历史沉珂，利用现代全球半导体供应链的现实，并在技术和商业实践的全新方向上采取行动，以增强美国半导体生态系统的先天优势。

（全文完）

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