芯片如何领先？美国计划这样做！
简 要
从为数据中心供电到控制“毅力”号火星探测器，现在世界对半导体的需求比几年前更高。与过去一样，满足这些需求并使美国经济在技术上处于领先地位将需要新的创新，这可以通过投资半导体研发(R&D)实现。要使一项创新具有商业价值，在大规模生产之前必须经过五个研发阶段。每个连续的阶段都越来越具有挑战性：1-2项创新要达到量产，需要大量的初始投资组合。
研发是支撑美国技术领先地位的创新良性循环的关键部分。创新产生了先进的技术和产品，当它们被用于商业生产时，就会为未来的研发提供大量投资所需的资金。为了开发这些创新，美国半导体行业仅在2021年就在研发上投资了500亿美元。随着2022年《芯片与科学法案》的通过，联邦政府准备对半导体研发进行有史以来最大的单笔投资。半导体研发的国家战略应该针对美国研发生态系统中的关键缺口进行投资，以重振创新渠道，使研发与商业优先事项相一致，并加强美国的技术竞争力。
虽然美国拥有创新所需的世界级国家实验室、大学和公司，但其半导体研发生态系统在引导投资、资源、促进合作和将创新带到市场(即实验室到工厂的差距)方面面临挑战。如果不加以解决，这些挑战将限制生态系统的有效性。与此同时，其他地区正在采取措施缓解这些挑战，并通过欧盟的《芯片法案》和韩国的“K-Semiconductor Belt”计划等举措，提高自身研发生态系统的有效性。2022年芯片和科学法案的资金将通过建立两个新的实体，国家半导体技术中心(NSTC)和国家先进封装制造计划(NAPMP)，扩大现有美国半导体研发机构的范围和影响。
NSTC和NAPMP为美国的研发生态系统提供了一个关键的框架、重点和资金，确保技术创新，为保持美国半导体行业的长期领先地位铺平道路。NSTC和NAPMP补充了旨在提高国内半导体产能的《芯片法》的强大条款。
NSTC和NAPMP应该紧密合作，并充分吸收业界的声音，以最有效地提高美国的技术竞争力，鼓励商业收购。根据我们与业界领袖的广泛磋商，NSTC和NAPMP应在半导体行业广泛开展合作，并通过在五个关键领域的投资来增强美国研发生态系统的能力。
NSTC和NAPMP的五个主要投资领域
1、过渡与尺度寻径研究
NSTC和NAPMP应起到弥合早期研发和大规模生产之间差距的作用。两者都应加强研发生态系统进行研发和商业化技术的能力，这些技术距离生产还有5至15年的时间，这些技术的区域领导地位尚未确定。NSTC和NAPMP可以成为工业和其他机构协调研发工作的中心，允许工业参与其感兴趣的项目，并使各机构能够将自己的资金集中用于各自的任务。
2&3、研究基础设施和开发基础设施
NSTC和NAPMP应该在扩大、升级和提供机构与研发重点相一致的技术开发能力方面发挥积极作用。这两项计划既不能平均分配资金，也不能将投资集中在单一技术或地点。相反，两者都必须根据技术需求，在高度分布式网络的好处和规模的好处之间取得平衡。具体来说，关键是NSTC和NAPMP应尽可能利用现有的基础设施来利用CHIPS的资金，并通过利用现有资源实现更快的学习。这对于加速和扩大商业化努力的试点和原型设计尤为重要。NSTC和NAPMP将为研究工作提供的主要支持是通过原型和扩大规模建立有前途的技术过渡路径。
4、协同发展
NSTC和NAPMP应该通过召集公司解决复杂的技术问题来支持全堆栈创新，这些技术问题可以从跨全计算堆栈的协作中受益，并加速技术、工具和方法的开发。例如，创建下一代数据中心需要集合先进材料、新的计算架构、封装、软件等方面的专业知识。特别是，NAPMP可以召集技术专家为电气和电子工程师协会(IEEE)和联合电子设备工程理事会(JEDEC)等组织提供输入，例如在开发异构集成、芯片和安全技术的其他组件的集成标准时。
5、劳动力
NSTC和NAPMP应促进一系列项目，扩大美国半导体研发渠道和劳动力的规模和技能，以捍卫和加强美国研发生态系统及其所支撑的经济竞争力。如果没有这些努力，高技能研发人员包括半导体设计、制造和价值链其他活动的人员的供应不足可能会限制创新的步伐。
半导体研发是将创新思想转化为技术进步和能力，从而创造出更多、更先进的半导体的过程
半导体，或芯片，在现代世界的运作中无处不在，而且越来越重要。从驱动数据中心分析历史上前所未有的大量数据，到在充满挑战的环境中控制火星漫游者“毅力”号，当今世界对半导体的要求比几年前更高。要满足这些需求，并使美国经济中依赖半导体的公司能够创新，就需要对半导体研发(R&D)进行持续的投资。
自半导体行业诞生以来，研发一直是其成功的关键因素。之前的SIA报告主要关注半导体设计或半导体制造期间的活动，而本报告将讨论半导体研发的作用及其在技术竞争力中的重要性。
一般来说，一项创新必须经过研发的五个阶段才能具有商业价值。这些阶段在许多重要方面有所不同，包括投资组合中潜在创新的数量、生态系统协作的水平、投资需求和技术挑战。(见表1)
当一个潜在的创新从新的想法转变为生产规模的采用时，生态系统中跨组织的协作水平就会发生变化。扩展知识基础的基础研究被认为是“pre-competitive。”基础研究通常涉及公司、政府和研发生态系统中的其他组织之间的合作，很少考虑与供应链或竞争相关的因素。随着潜在的创新越来越接近于批量生产，供应链和竞争相关的考虑也越来越多，更多的研发发生在组织内部而不是组织之间。
并非所有潜在的创新都能量产。许多潜在创新的投资组合需要少数创新成功达到量产。整个投资成本和技术挑战贯穿于各个阶段，即使剩下的可行的潜在创新的数量在下降。考虑到投资需求、技术挑战和生态系统基础设施的限制，许多潜在的创新往往无法通过原型和试验的“死亡谷”。即使他们取得了进展，与规模相关的成本和人才限制也可能令人生畏——财务风险可能会大上几个数量级。(见表2)
半导体研发非常重要，是支撑美国技术领先地位的创新良性循环的一部分
创新能否成功地通过研发阶段是至关重要的。当创新被用于批量生产时，就会产生卓越的技术和产品。先进的技术和产品反过来提高了美国的市场份额和利润率，并为未来的研发提供了大量投资所需的资金。(见表3)
创新的良性循环代表着机遇，它不会自动发生。它依赖于贯穿这五个阶段的潜在创新的持续渠道。从历史上看，美国的研发生态系统在整个过程中都支持创新。
例如，美国军方在20世纪80年代需要性能超过硅极限的半导体材料。美国海军研究办公室(ONR)和国防高级研究计划局(DARPA)确定并促进了学术界和工业界的合作，通过创新阶段推进复合半导体材料，并使其适应工业用途。由此产生的材料，如氮化镓，目前被用于民用和军事应用，是美国工业的强项领域。许多公司现在投资于复合半导体材料，用于从电动汽车到移动网络到国防的一系列应用。
研发是一个关键的竞争战场。对于美国技术的长期领先地位来说，最重要的半导体创新能够在美国的研发渠道中实现商业化至关重要。如果缺乏对创新商业化的支持，可能会加速其他竞争国家和地区(包括对手)的努力。
创新的良性循环提供了一个宝贵的机会，但它的实现是不确定的。幸运的是，未来几年有机会加强美国的研发生态系统，并通过下一代半导体技术延伸创新的良性循环和美国的技术领先地位。除了390亿美元的半导体制造奖励拨款外，2022年《芯片和科学法案》还为半导体研发和技术从实验室向市场过渡提供130亿美元的资金。这130亿美元是本报告的重点。随着《芯片与科学法案》的颁布，国会和政府认识到半导体研发对美国的重要性。
随着改进计算技术的策略的改变，下一代的进步将需要沿着现有和新的维度进行创新。对现有领域的投资需求(如晶体管缩放)正在上升。与此同时，先进封装和异构集成等领域的机会正在出现。要制造出未来几年美国经济所需的芯片，就需要多学科的创新。
极端紫外线(EUV)光刻技术作为一个创新的例子，开始于美国的研发，但在海外实现了商业化。光刻是半导体制造中的一种工艺，它利用光在硅晶圆等材料上产生极小的图案。EUV光刻是这一工艺的一个高度先进的版本，用于许多最先进的芯片，如在领先的智能手机中发现的那些芯片。美国的公共投资在支持EUV光刻技术方面发挥了早期和持续的作用，而韩国和日本也进行了类似的投资。
在20世纪80年代后期，新的应用推动了晶体管持续扩展的需求。虽然EUV的潜力是众所周知的，但由于技术和其他挑战，许多业内人士认为EUV是不可行的。然而，DARPA资助了先进光刻计划，该计划对EUV反射测量进行了早期研究。SEMATECH是一家从事研发以推进芯片制造的非营利财团，该公司与工业界和学术界的合作超过15年，以获取和建设仅工业界认为风险太大的基础设施和专业知识。包括阿斯麦、英特尔、三星和台积电在内的多家公司投资了100 - 170亿美元，将EUV技术成熟为商业上可行的技术。今天，阿斯麦是唯一一家有能力以商业上可行的方式实现EUV光刻技术的公司。截至2022年7月，只有台积电、三星和英特尔在使用EUV开发半导体工艺技术。
为了满足这些需求，美国半导体行业正在不断增加投资，仅2021年就在研发上投资500亿美元。尽管如此，今天的美国研发生态系统在提供所需的创新方面面临挑战。在美国，重要的研发推动者和基础设施缺乏或有限，跨计算堆栈的协作开发机制也很有限。
半导体推动了所有现代技术的革命性进步。芯片还将支持未来“必赢”技术的进步，包括人工智能(AI)、量子计算和先进无线网络，使美国在半导体领域继续保持领先地位对我们的未来至关重要。一项半导体研发的国家战略，重点是重振创新渠道，并使其与商业优先事项保持一致，将解决美国研发生态系统中的关键差距，并在未来几十年加强美国的技术竞争力和领导地位。
在美国的研发生态系统中，政府、学术界和私营企业都在资助和实施推动商业创新的研发方面发挥着重要作用。
半导体研发生态系统目前由广泛的机构组成，包括政府机构、学术机构、私营企业和合作伙伴。(见表4)
每一个都在促进创新的各个阶段发挥着独特而重要的作用。这些机构包括研发的资助者和执行者。资助研发的机构也可以进行研发，而进行研发的机构可以从一系列资助者那里获得资金。
政府
政府机构(如国防部、能源部、国家科学基金会、国家标准与技术研究所)是生态系统研发的重要资助者。这些政府机构为那些过于遥远、过于不确定或过于困难的研究提供必要的支持，使单个公司难以将其转化为竞争优势。
政府相关实体(例如，空军研究实验室、国家标准与技术研究所材料测量实验室)也进行研究。此外，政府在形成研发生态系统的基础设施(如资助大学纳米实验室)、促进因素(如投资基础研究)和政策(如制定设施许可规则)方面也发挥着重要作用。综合起来，这些因素促进了私营行业投资和研发，以实现潜在的半导体创新。
学术界
学术界是研发的关键执行者:学术界进行基础研究、应用研究和原型开发。它还在培训半导体劳动力方面发挥着重要作用。学术界在扩大知识基础和传播研究成果方面发挥着重要作用，这些成果可被工业上的成熟公司和初创公司使用。
私企
私营企业既是研发的资助者，也是研发的执行者。现在有很多公司为半导体和相关服务提供资金、原型、规模和商业化。进行半导体研发的公司主要有以下几种：
集成设备制造商(IDMs)是从事设计和制造的垂直集成公司。这些公司结合资源和专业知识来弥合基础研究和生产之间的差距，但在美国只有少数这样的公司(如英特尔、美光、三星和德州仪器)。
无晶圆厂设计公司(如高通、AMD、NVIDIA和苹果)专注于半导体设计，这是半导体价值链中增值最高的部分。这些公司约占私营部门研发的55%，并与其他公司合作进行半导体制造。
代工厂满足IDM和无晶圆厂设计公司的制造需求。代工厂通常只专注于制造别人设计的芯片(例如，TSMC，三星代工厂，英特尔代工厂服务和GlobalFoundries)。代工厂投资于与制造技术相关的研发，在先进制造中占有很大份额。
半导体设备和材料公司(如，应用材料，ASML, EMD电子，Lam Research，东京电子)开发生产芯片所需的先进工艺和检测系统。设备和材料公司投资于新的工艺技术、材料和制造方法的研发，使半导体技术路线图成为可能，并对半导体行业的研发投资做出了重大贡献，与一些美国芯片制造商持平。
合作伙伴和其他行业联盟
此外，公私伙伴关系(PPPs)包括由公共资助的私营部门利益攸关方运营的一系列组织。公私伙伴关系的例子包括联邦资助的研发中心(FFRDCs)和SEMATECH。公私伙伴关系可以是研发的资助者或执行者。PPPs的例子包括:
联邦资助研究与发展中心(FFRDCs)，包括国家实验室，是由学术机构或私人公司运营的公私合作伙伴关系，由联邦政府资助并为联邦政府进行研究。
半导体公司及其供应商为各种目的而建立的行业联盟。例如，半导体研究公司(SRC)是一个由半导体公司和政府机构组成的财团，为一百多所大学的高科技研究提供资金。它的项目涵盖了从人工智能到汽车的一系列应用。
非学术研究组织与美国研发生态系统合作开展基础研究。(见附录:非学术研究组织)
美国的研发机构
上面讨论的组织是美国研发生态系统的主要参与者。虽然硅谷或北德克萨斯州等地确实存在集群，但美国半导体研发生态系统的重要利益相关者分布在全国各地。(见表5)专注于研发或试点的晶圆厂至少可以在29个州找到，在生产晶圆厂和有半导体项目的大学拥有额外的研发专长。
美国研发生态系统面临若干挑战，包括与试点和原型相关的挑战，这些挑战阻碍了生态系统的有效性。
一个运行良好的研发生态系统通过为研发工作提供方向、资源和协作来支持创新。美国保留了强大的国家实验室、大学和公司的组合，但其研发生态系统目前在提供所需创新方面依然面临挑战。这些挑战包括：
方向
许多不同的政府机构和部门为半导体研发提供公共投资。这些机构和部门肩负着重要的使命，经常采取一系列措施进行合作，但它们的最终需求和目标往往与私营企业不同。因此，可能会产生一些差距，导致充足的研发投资无法达到技术领域——例如，依赖于材料、架构、封装和软件方面的协作创新的超低功耗计算领域——这些领域能够保证美国持续拥有技术竞争力和大规模生产的能力。
资源配置
美国缺乏或限制研发所需的重要基础设施。例如，大学研究人员和创业公司在很大程度上无法实现亚60nm制造，这使得美国的半导体硬件创业公司更难在美国实现和发展他们的想法。相关基础设施的缺乏或不足阻碍了整体生态系统提供的进步。
协作
创新的重要机会存在于需要跨计算堆栈不同层协作的协同优化等领域。在计算堆栈的任何给定层推进研发通常需要个人和组织具有高度的专业能力，而美国研发生态系统缺乏跨公司整合能力以应对这些挑战。
其他地区正在采取措施缓解这些挑战，提高其研发生态系统的效率
世界各地正在采取措施加强其半导体研发生态系统，它们为缓解国内研发生态系统中的这些挑战而使用的方法包括：
方向：
台湾科技部通过评估整体半导体研发及其对行业需求的覆盖范围来支持产业。
资源：
日本政府将在先进芯片制造、成熟芯片生产和研发方面投资68亿美元。
协作：
韩国将建设“K-Semiconductor Belt”，以实现整个计算堆栈中的区域连接，从而简化协作并支持整个计算堆栈的创新。
虽然美国在半导体研发公共投资方面的绝对投资量一直超高于其他地区，但其他地区为研发提供了更慷慨的支持。其他地区也在扩大对半导体的投资。就在2021以来，日本、新加坡、韩国、欧盟（以及西班牙等个别欧盟成员国）都宣布了支持其国内半导体产业的立法。中国大陆也在投资1000多亿美元支持国内半导体产业。换句话说，美国以外其他地区正在采取措施加强自己的研发生态系统，缩小与美国的差距。美国国防部高级研究计划局（DARPA）的电子复兴计划（ERI）等近期项目表明，公众越来越认识到公共资助半导体研发的重要性。通过现有和新实体在这一领域持续的美国公共投资可以缓解美国研发生态系统中的挑战，加快创新步伐，并扩大美国的技术竞争力。
负责现有半导体研发公共投资的实体将继续在美国研发生态系统中发挥重要作
公共部门和私营企业实体计划在2022年为美国的半导体研发投资600亿美元。私营企业提供了约500亿美元（约89%），公共投资提供了约60亿美元（大约11%）。《芯片与科学法案》为《芯片法案》2023财年的半导体相关研发项目提供了55亿美元的资金，在支出之前一直可用。（见图6）
许多现有的公共研发资金组织在美国半导体研发生态系统中发挥着重要而独特的作用。（见图7）
作为对这些实体的补充，《芯片法案》建立了重要的新组织，并为应对美国研发生态系统的挑战提供了机会
认识到美国半导体制造和研发的重要性，国会于2021颁布了《为美国生产半导体创造有益激励法案》（《芯片法案》），并作为2022年《芯片和科学法案》的一部分提供资金。《芯片法案》是数十年来支持美国半导体制造业的最重要的联邦法案，旨在确保美国在本土制造更多芯片的能力和在美国推进芯片制造技术的能力。
《芯片和科学法案》在五年内拨款520亿美元，用于支持半导体制造、研发和技术转型，并将资金提前几年拨付。在这些资金中，390亿美元（占总数的75%）用于公共财政援助，用于美国设施和设备的建设、现代化或扩建。其余130亿美元用于研发和技术从实验室向市场的过渡。（见图8）与现有努力相比，《芯片法案》构成了半导体研发公共投资的一大扩张。
芯片法案确立了与研发相关的两大创新计划：
国家半导体技术中心（NSTC）。这是一种公私合作伙伴关系，通过促进先进的研发和原型设计，加强美国的技术竞争力和供应链安全，提升美国在半导体领域的领导地位。
国家先进封装制造计划（NAPMP）。NAPMP是NIST的一部分，旨在加强美国研发生态系统中的半导体先进测试、组装和封装能力。
《芯片法案》确立了某些高层目标，美国商务部在如何构建NSTC和NAPMP方面保留了很大的自由裁量权。为响应其信息请求，国防部收到了200多个利益相关者关于激励措施、基础设施和研发需求的详细反馈，以支持强大的国内半导体研发生态系统。
通过与SIA成员的广泛讨论和投入，本报告提供了一个综合的、高水平的行业视角，阐述了如何最有效地部署芯片研发资金，以支持美国的技术竞争力。
美国制造研究所：美国制造研究所最初成立于2014年，旨在提升美国制造业的全球竞争力并促进创新。自成立以来，在美国各地建立了16个研究所，以振兴美国制造业，每个研究所都在一个特定的行业部门内。
研究机构是美国创新的关键资源，支持创新管道的初始阶段。它们用于明确有前途的高影响技术，然后管理在学术和工业研究实验室执行的相应研发项目，以进一步推进这些技术。成功完成这些项目后，所创造的技术可以转移到工业或其他方面的开发设施，用于测试、试验和扩展到制造业。
2022年《芯片和科学法案》授权设立最多3个美国制造研究所，以支持半导体制造相关工作，包括提高自动化、先进封装和测试以及劳动力技能培训。这些研究所的资金包括在《芯片法案》和科学法案的总体研发资金中。
通过该美国制造业研究所开发的具体项目将成为该行业创新技术的关键渠道，并将转移到NSTC或NAPMP进行测试、试点和扩展。该研究所和其他机构在技术创新过程中的作用在图表4中得到了阐明
NSTC和NAPMP应通过在几个领域的投资来提升美国的经济竞争力
认识到私营产业在美国经济和技术竞争力中的中心地位，国会授权NSTC作为公私合作伙伴，并通过美国商务部建立了NSTC。国家科学技术委员会领导层应寻求包括学术界和政府，特别是工业界的声音，以最有效地提高美国的技术和经济竞争力。
根据我们与行业领导者的讨论，NSTC和NAPMP应通过在五个关键领域的投资来增强美国研发生态系统的能力。（见图9）
过渡和缩放路径查找研究
目前，美国半导体公司与多家现有的知名组织合作，如微电子中心（IMEC）和美国半导体研究联盟（SRC），以满足许多研发需求。为了最有效地支持美国的技术和经济竞争力，NSTC和NAPMP应该扩大而不是复制这些组织。换言之，尽管NSTC和NAPMP基础设施可以支持早期研究，但它们的主要重点应该是成熟和扩展那些准备好超越早期研究的技术。NSTC和NAPMP应将政府、学术界和工业界的研究中心聚集在一起，评估哪些对美国公司具有商业利益的技术可能需要但没有获得技术过渡和扩展的资金。
与《2030年半导体十年计划》中讨论的五个高级别挑战相一致，NSTC和NAPMP应加强美国研发生态系统的能力，以实施和商业化从生产开始5到15年的研发技术。这种未来技术发展的重点很重要：鉴于半导体研发的时间延长，今天重大技术进步所需的投资是多年前做出的。NSTC和NAPMP应在新兴领域（如CMOS以外的材料、先进封装、异质集成和掩蔽基础设施）建立和加强研发生态系统的能力，而不是复制目前在海外或国内设施中发现的能力，在这些领域，地区领导地位尚未确定。
尽管研发资金应包括对核心半导体技术和封装技术的重视，但在这两个领域的产品实现突破的时间线可能存在差异。从广义上讲，核心半导体技术的研发应强调长期的、潜在的革命性努力，创新将源于材料、工艺流程和工具的改进。这些创新将来自以下领域：
用于逻辑、存储器、模拟3D堆叠设备的高级架构
以内存为中心的计算
单片集成功能
用于超CMOS计算和新型范例的先进材料
二维材料
先进功能材料
替代范例，如光子或神经形态高压和功率材料
高功率材料
先进的射频材料
一般流程开发
先进的光刻技术
先进光源的开发和EUV改进
金属化的改进
设计创新
跨更广泛应用的卓越领域专用加速器
混合信号设计，集成智能和传感能力
安全设计
工具改进
将人工智能集成到设计工具中，实现更高的设计抽象
模拟和RF电路的优秀工具
具有增强的全栈优化和启用硬件软件协同设计能力的工具
环境可持续性
GWP较低的工艺气体
光刻和其他化学品，以改善的环境状况满足同时功能需求，以及极低浓度的检测和处理技术
在保护自然资源（能源、水等）的同时满足苛刻运营要求的制造工艺
另一方面，封装工作应包括有助于解决中短期行业挑战的技术。与基本的半导体材料和工艺进步相比，新封装方法的规模化可以更快、更便宜地实现。在NSTC和NAPMP成立后的5至10年内，或者在一些罕见的情况下，更早地预期包装突破会影响商业部门，这并非不合理。这些创新将来自以下领域：
先进的测试和验证功能
测试设计和数据分析，以减少设计误差
测试自动化和AI/ML工具的集成
模拟、RF和混合信号测试
异构集成
制定集成行业标准
Chiplet IP开发和访问
新型计算范式（光子、量子等）的集成方法
先进的封装和高密度互连（<100μm IO间距）
面板和晶圆级高带宽、低延迟、高密度2.5D和3D堆叠和组装方法
混合键合、硅通孔和高级插入层开发
先进的热压键合技术可提高器件寿命
热管理和串扰、噪声和寄生降低
灵活、受限的外形尺寸封装
工具改进
封装级协同设计工具
优良的电气、热力、机械建模和设计工具
装配和对准自动化
通过投资于不同投资领域和时间线的路径研究，NSTC和NAPMP可以在20年内持续改进核心技术。尽管以上讨论的技术领域被归类为核心半导体或封装技术，但这些领域的研究人员和外部专家之间需要进行重大协调和相互交流。
原型和试点基础设施
NSTC和NAPMP必须不仅仅是资助或协调现有的研究工作。这两者应在促进使用原型设施或高级模拟和建模软件方面发挥积极作用。他们还必须扩大从实验室到制造厂的技术过渡的能力，如原型和试点，并确保研究人员和初创企业能够获得这些能力。通过促进获得这些能力，NSTC和NAPMP将扩大潜在创新的范围，使其能够从基础研究到扩展并达到商业用途。
半导体研发能力在技术和地理上广泛分布于整个美国生态系统。为了管理好公共投资，NSTC既不能平均分配资金，也不能将投资集中在单一技术或地点。在NSTC/NAPMP指导委员会的指导下，NSTC应扩展和升级现有机构的能力和基础设施。
由于与成本和时间有关的原因，扩大和提升机构的能力非常重要。改善现有设施比建设全新设施更便宜、更快。新的半导体研发设施可能需要数年的时间来建造——如果NSTC试图建造新设施，这些设施可能会在建造完成时落后或过时。
扩张和升级具有极大的经济效益。NSTC在评估要加强哪些机构的研发基础设施时，必须平衡高度分布式网络的效益与规模效益。鉴于每个研发相关设施的总成本通常很高，我们的分析表明，NSTC应扩大规模，优先升级大学和研究中心的更少、更容易获得的最先进设施，以最大限度地提高有限公共投资的影响。然而，设施升级必须着眼于相对于成本最大化影响。举个例子，将几所大学的晶圆能力从200毫米升级到300毫米，很容易耗尽NSTC的所有资金，但同时只能提供很少真正新颖的能力。
在某些情况下，NSTC/NAPMP指导委员会可能会发现，在财务上更谨慎的做法是利用现有的国内产业能力，而不是升级低产量的研究能力。举例来说，这可能是尝试基础设施利用行业标准工艺流程来利用300mm晶圆生产能力的情况。NSTC提供的重心可能会为协商外部能力的使用提供新的可能性。例如，协调商业晶圆厂的多项目晶圆运行，或获得竞争前技术的商业设计工具。
封装研发的基础设施应包括2.5D和3D堆叠和高密度再分配、光学封装和测试、混合键合设备、高级内插层（硅、玻璃和高密度有机）工具以及热压键合设备。用于高密度焊料凸点、铜沉积和通孔制造的设备也将至关重要。此外，需要重点关注先进的衬底工艺和流程。封装、组装和测试（PAT）的一个主要挑战是国内制造的经济性。虽然传统的PAT是劳动密集型的，但在美国，先进的封装将更加技术化和自动化密集，其经济效益必须反映这一点才能具有竞争力。此外，还需要新的测试能力。与NSTC一样，协商设计工具的使用将是NAPMP的重要任务。
目前，NSTC和NAPMP可以为半导体服务组织采用许多成功的模式作为指导。一个例子是IMEC，它提供了许多对技术开发管道至关重要的研发和原型开发能力。其他例子包括美国制造研究所（Manufacturing USA institutes），通过与研究机构合作，建立新的原型基础设施，创建区域创新中心；桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory’s Microsystems and Engineering Sciences Applications，简称MESA），提供小批量商业铸造服务和额外的设计、制造、封装，并向政府和学术研究人员提供测试。NSTC和NAPMP基础设施可以从这些现有工作中汲取灵感，但必须超越这些现有组织可以提供的低容量服务。正是这种能力允许创新材料、设计和广泛的技术在研究和原型设计层面扩大到更高的产量，才赋予了NSTC和NAPMP与众不同的价值。
协同开发
正如摩尔定律所描述的，随着开发和设计成本的上升，改进计算技术的工程方法正在发生变化。（见图10）需要从材料和设计、到系统架构和软件的整个计算堆栈的创新，以开启半导体发展的下一阶段。全堆栈创新很难实现：现代半导体公司通常在堆栈的不同层高度专业化，而美国的研发生态系统目前缺乏协调这种合作的机制。
NSTC和NAPMP应通过召集公司解决复杂的技术问题来支持全栈创新，这些问题需要跨整个计算栈进行协作，并加快技术、工具和方法的开发。例如，云计算数据中心需求的快速增长加剧了对半导体的需求，这种半导体能够在低功耗的情况下提供高计算能力。创建满足这一需求的下一代系统需要汇集先进材料、新计算架构、封装、软件等方面的专业知识。NAPMP可以召集技术专家和利益相关者（包括政府机构的专家），在为异构集成、chiplets和其他安全技术组件制定集成标准时，向IEEE和JEDEC等团体提供意见。双方应负责扩大和升级美国研发和原型生态系统的基础设施和能力，以满足这些生态系统的需求。
鉴于创新在协同开发、协同优化和异构集成等领域的重要性，NSTC和NAPMP必须在整个行业广泛合作。然后，这两家机构可以利用其在整个行业中广泛而具有代表性的网络，构建多元化的技术和基础设施研发组合，促进更有效的合作开发，并保持广泛的行业合作伙伴网络。（见图11）
劳动力
半导体行业是研发密集型行业，依靠高技能工人进行研发，从而实现所需的创新。虽然美国拥有许多世界上最好的研究人员，但熟练人才的短缺威胁着创新的步伐。与此同时，其他地区急于吸引本国国民回国，并提供广泛的政策支持，以加强国内研发生态系统。（见图12）在这些相互竞争的努力中，NSTC和NAPMP必须加强美国半导体研发管道和劳动力的规模和技能，以保护美国研发生态系统及其支撑的经济竞争力。
NSTC和NAPMP可以促进一系列项目，以扩大美国半导体研发队伍。根据我们的研究，行业领导者认为NSTC和NAPMP的关键步骤包括：
投资美国STEM教育：
支持本科生和研究生级别的课程开发和标准化，以扩大具备先决STEM技能的员工队伍。为K-12级别的学生提供机会，让他们参与到半导体行业中，了解半导体技术并对其着迷。NSTC和NAPMP中心可以与美国大学合作或帮助建立工程夏令营，以接触半导体研发。与合作机构和公司合作，提供奖学金和研究奖学金，有助于增加在该领域攻读4年以上学位的学生人数。
吸引STEM员工加入该行业：
通过学徒、实习和导师计划，教育和培训学生并使其获得半导体行业的职业机会。与社区和技术学院合作，制定计划，将更多的技术人员和贸易人员带到该领域，并提高对半导体职业道路的认识。与具有现有基础STEM技能的员工（如资深就业组织）的再培训和交叉培训计划合作。
促进灵活的工作授权：
促进灵活的工作授权，例如可选的实践培训，使外籍人士能够在美国工作，或者如果他们毕业于美国大学，具备对行业至关重要的技能，则能够获得与其主要学习领域直接相关的临时工作。
此外，NSTC和NAPMP必须加强员工的技能。根据我们的研究，行业领导者认为NSTC和NAPMP的关键步骤应包括：
投资于劳动力再培训和提高技能
随着行业探索创新的新维度，这些项目可以确保美国研发生态系统的员工具备推动未来进步的良好条件。
加快新员工的准备
鉴于半导体研发所需的专业技能、新员工在有效从事重要研发之前需要时间，NSTC和NAPMP可以建立预计划，使工人能够更快地为研发做出贡献。
目前，高技能研发人员的流动可能会限制创新的步伐。通过扩大这些劳动力的供应并提升他们的技能，NSTC和NAPMP可以加强整个美国研发生态系统。
美国可以采用一系列最佳做法来确保公共投资的成功
《芯片法案》是美国对半导体研发公共投资的重大扩展。美国可以采取多项行动，确保该投资补充现有公共投资，并重振美国创新的良性循环，以加强研发生态系统。
培育规模：美国研发生态系统将更好地服务于更少、更容易获得和一流的集群，包括物理基础设施和劳动力专业知识，而不是许多不太适合行业研发需求的集群。考虑到维护一个可能过时的大型设施的成本，培育规模可以使一定数量的公共投资以更具影响力的方式使用。
关注影响：研发的公共投资应与可识别的目标保持一致，包括关注有影响力的新技术和潜在的商业可行性。投资应该有助于创新理念的商业化，并灵活解决为有前途的技术固定创新管道的障碍。
合作：美国半导体研发生态系统包含许多现有有效的组织和项目，在可能的情况下，公共投资应该增加和协调这些组织和项目，而不是复制。
展望未来：从技术和财务角度来看，公共投资应支持美国研发生态系统，以满足未来5至15年的需求。未来3-5年技术进步所需的基础设施和使能因素已基本建成。鉴于该行业的研究需求可能从多年到几十年不等，金融投资必须是长期可预测的。
结论
通过合并此处讨论的投资，2030年美国研发生态系统的特点应该是新半导体产品、工具和工艺的更大管道，从事半导体研发的更大、更熟练的劳动力，以及从基础研究到商业化的加速时间进程。自成立以来，美国研发生态系统实现了创新的良性循环，这有助于美国的技术领先地位。该生态系统依然强大，拥有世界级的国家实验室和大学，以及仅在2021就在半导体研发方面投入了前所未有的500亿美元的公司。2022年《芯片和科学法案》的资金以及随后在NSTC和NAPMP中建立的行业主导实体将为振兴创新管道提供一次千载难逢的机会，并将在接下来的几十年中扩大美国的技术竞争力。
附录：非学术研究机构
私营企业还与美国和其他地区的非学术研究组织合作进行基础研究。这包括微电子中心（IMEC）和美国半导体研究联盟（SRC）和CEA Leti等组织。虽然美国公司和研究人员并不局限于与美国研究机构合作，但欧洲和亚洲的非学术研究机构通常比美国同行规模更大、资源更好。（见图13）
附录：其他地区对于半导体的支持
虽然美国在半导体研发公共投资方面的绝对投资继续超过其他地区，但其他地区为研发提供了更慷慨的支持。
在美国，由公共投资资助的半导体专用研发占总份额的23.3%。相比之下，中国大陆、欧盟、台湾、日本和韩国的这一比例为35.7%。（见图14）
附录：半导体初创企业的风险资本融资
在供应链瓶颈和芯片高需求的背景下，中国和美国的半导体初创公司近年来筹集了大量风险资本资金。部分由于对人工智能和机器学习芯片的强劲预期需求，全球风险投资在2021前三个月创下交易价值26.4亿美元的季度记录。其中70%的资金由中国半导体初创公司筹集，美国筹集了15%。美国对半导体初创企业的风险投资达到了20年来的最高水平。（见图15）
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