美国加强其国内半导体产业所需要的支柱

 

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美国加强其国内半导体产业所需要的支柱

远望智库开源情报中心 忆竹 编译

美国所有主要的国防系统和平台的性能都依赖于半导体，美国微电子能力的削弱直接威胁到美国保卫自己和盟友的能力。

《竞争法》和《美国国际合作署法》是确保美国在21世纪的竞争力和国家安全的一项国家战略。美参众两院已立法要求拨款520亿美元来支持美国的半导体研究和生产。他们还批准了几个项目，既扩大美国半导体制造能力，又支持先进芯片的持续研发。关键问题是如何将这些意图最好地转化为现实。

美国内半导体行业面临着多种挑战，如国际竞争、资本投资要求、劳动力需求、供应链缺口，以及实现有前途的技术商业化所需的风险资本资金和技术支持的短缺。解决这些问题需要关注以下几点:

税收激励:竞争性授予的联邦激励计划如何支持公司和财团在美国建立、扩展和现代化半导体制造设施和基础设施的投资？

劳动力发展:联邦政府对全国劳动力发展的支持如何解决当前美国半导体制造业和研发劳动力的缺口？联邦政府如何帮助确保产业链的每个环节都有足够的工人——拥有合适的技能，并得到合适的课程和培训计划的支持——使整个半导体行业能够通过位于美国的工厂进行国际竞争？

封装:联邦支持如何帮助确保美国在先进半导体封装领域拥有最先进的能力，包括领先的工具、设施、专业知识、制造基础设施、熟练工人管道以及对知识产权保护和富有成效的国际合作的运营支持？

研究与开发:创建一个公私合营的国家半导体技术中心(NSTC)如何帮助整合美国现有的研究、设计和制造能力，解决美国现有微电子基础设施中的差距，并在该行业面临前所未有的技术挑战时帮助协调美国的研究和投资？

一、创建NSTC（国家半导体技术中心）

       

虽然NSTC的详细参数、结构和运营需要国会和拜登政府进一步澄清，但NSTC显然是一家将在美国研究基地和现有及设想的国内半导体设计和制造业务之间运营的企业。

为了使新机构产生最大的影响，它不应该复制美国在基础和应用研究、劳动力发展以及技术开发和转让方面的现有能力。相反，它应该作为一种机制，连接并实现现有机构和项目之间的合作，以解决美国半导体生态系统中公认的机会领域。

这意味着NSTC利用现有研究和生产设施中的专业知识和先进设施的战略优势，增强其他人的潜力，并有选择地投资新的能力——所有这些都在一个网络结构中连接起来。

二、利用现有的美国研究资产

       

建立一个新的研究机构来解决美国半导体产业链中几十年来形成的差距，是一个令人生畏的挑战。有两个因素正好极大地增强了NSTC的成功前景:(1)美国机构已经在解决这些挑战的一些因素，并可以通过新的联邦投资得到加强和利用；(2)美国和其他国家过去和现在成功的研究机构的案例可以作为丰富的先例和最佳实践的来源。NSTC的一项重要职能将是与现有工作流程密切协调工作，以找出差距，集中精力和资源以取得最佳效果，利用而不是重复正在进行的机构工作。

现有研究中介领域的主要组织包括:

（1）半导体研究公司(SRC):美国在技术密集型产业的全球竞争中享有的最大的单一资产是其一流的研究型大学系统，迄今为止是世界上最好的。SRC是由美国半导体行业成立的一个联盟，旨在支持以大学为主的研究团队的研究，重点关注半导体生产链所有环节中“蓝天”基础研究和早期产品开发之间的空间。通过将大量最有才华的学生集中在与行业直接相关的研究课题上，随着时间的推移，SRC已经使成千上万的学生进入了半导体行业。

（2）国家标准与技术研究所(NIST): NIST是商务部的一个分支，几十年来一直支持半导体研究和行业标准的发展。它目前有近50个与半导体相关的项目正在进行中，包括基础研究和应用研究。NIST拥有一系列可供工业研究使用的设备，包括两个纳米制造设施以及用于制造定制芯片的测量工具和仪器。

（3）国家实验室:能源部监管着一个由17个国家实验室组成的系统，这些实验室拥有深厚的科学和工程专业知识以及强大的研究设备和基础设施。国家实验室的任务是将技术转移到工业中，并且已经开发了大量的机构机制来推动这一过程。三十多年来，桑迪亚国家实验室与半导体行业在许多项目上进行了合作。

（4）纳米科学与工程学院(CNSE): CNSE是纽约州大学(SUNY)的一部分。除了提供科学和工程教育，CNSE还运营着学术界最先进的200-300毫米晶圆制造设施。它拥有一系列由一些世界领先的半导体公司组成的研究联盟，包括IBM、格罗方德和应用材料等公司。在美国没有其他教育和研究机构拥有类似的资产。

联邦政府资助的研发中心和大学附属研究中心:这些是联邦政府资助的企业，旨在解决联邦政府无法通过内部研究或研究合同满足的长期研究需求。其中一些实体如麻省理工学院林肯实验室（MITLL），从事先进的微电子研究和开发。

（5）美国制造协会:美国制造业倡议由联邦政府创立，是一个遍布全国的研究机构网络，旨在通过公私大学合作开发许多不同领域的制造技术。这些协会寻求解决美国半导体行业面临的一些同样的挑战，包括弥合研究和商业领域之间的“死亡之谷”的需要。许多这样的研究所正在从事专门的微电子主题，如光子集成电路、宽带隙半导体和柔性电子学。

（6）Sematech（美国半导体制造技术战略联盟）：美国NSTC最突出的机构先例是Sematech，这是一个成立于1988年的行业和政府研究联盟。与NSTC一样，Sematech计划也是在美国半导体制造能力迅速削弱威胁到美国竞争力和国家安全的时候出现的。与NSTC一样，Sematech被视为更广泛的国家努力的一部分，以重获行业领先地位。对于当前目标而言，重要的是Sematech与SRC、联邦实验室以及后来的CNSE（纳米科学+工程学院）密切合作，追求其目标。

Sematech在其形成阶段的使命并没有完全确定，通过一系列的行业和政府集思广益会议和研讨会而开始成熟。这些改进对于解决其最初几年运作中的初期挑战是必要的。NSTC努力正接近这样一个定义阶段。政策制定者应该注意Sematech在早期为应对特殊挑战而引入的几种方法:

（1）制订路线图:Sematech创新了国际半导体技术路线图(ITRS)，“可能是任何行业有史以来最好的路线图”，帮助保持摩尔定律预期的效率提升。最重要的是，在Sematech内部形成的路线图是一种工具，通过这种工具，每年对Sematech的1亿美元联邦投资带动了每年80～90亿美元的私人投资。

（2）制定通用标准:Sematech成为制定通用标准的工具，使以前不兼容的工具和软件能够互操作，这给设备公司、工具和材料供应商带来了巨大的成本和运营负担。特别是Sematech帮助美国公司开发和部署了计算机集成制造(CIM)。目前出现的“超越摩尔定律”的前景表明，制定和采用行业接受的共同标准的体制机制是必要的。

（3）提高绩效:Sematech引入了一个“盲基准”系统，成员单位可以在匿名的基础上将其绩效指标与其他成员进行比较。这个过程产生了一个“叫醒电话”，使落后的成员单位能够采取激进的措施来改善他们的运营。一个类似的项目“钢铁侠”促进了设备制造商与日本同类工具的性能对比。Sematech建立了设备生产力团队，以确定特定工具的常见问题，并分享如何使工具以最高效率运行的信息。结果是制造产量和质量稳步提高。

（4）支撑供应链:Sematech加深了设备制造商与其设备和材料供应商之间的关系，建立了一种称为SEMI-Sematech的持续合作工具。Sematech为供应商定义了技术目标，使他们能够将开发工作集中在几个明确理解的目标上，并为供应商提供了在工厂环境中测试、基准测试、评估并最终改进其设备的机会。Sematech还通过研究合同向供应商提供资金。

（5）降低成本和风险:Sematech使成员公司能够通过共同努力降低研究成本，也许更重要的是，该联盟通过在竞争前但真实的制造环境中调试新设备和流程，降低了与制造投资相关的风险。当成员投资于他们自己的新设施时，他们可以使用已经被证明有效的设备和工艺，这种动力加速了整个行业的发展周期，并使其能够超越日本竞争对手。

（6）利用联邦实验室:联邦实验室集中了极高质量的专业知识和研究基础设施，应该成为任何全面努力的一部分，以重振美国在半导体制造领域的领导地位。在行业和联邦实验室之间的关系不融洽的时候，Sematech扮演了“媒人”的关键角色，促进了行业和实验室的合作，这对行业领先的设备制造商和较小的设备制造商来说尤其宝贵——例如，桑迪亚实验室的能力质量“经常超过Sematech的需求。”

三、外围支撑机构和研究组织

       

NSTC作为领先的技术研究组织可以从研究美国和外国领先的民用研究机构的体制结构和运作实践中受益。除了上面已经提到的Sematech和CNSE（纳米科学+工程学院），这些组织还包括:

台湾工业技术研究院(ITRI): ITRI在短短几十年内将台湾从一个农业经济地区发展成为世界上卓越的高科技产业之一，功不可没。通过培训、许可和资金，ITRI创建了台积电(TSMC)，今天它是世界上最先进的芯片代工制造商。

德国弗劳恩霍夫协会(FhG):弗劳恩霍夫协会被广泛认为是世界上最好的工业应用研究机构。弗劳恩霍夫协会是对德国制成品出口实力和德国工程的卓越声誉负有最大责任的公共组织。

大学间微电子中心(IMEC): IMEC是位于比利时鲁汶的世界领先的研究机构。它完全是国际性的，雇用了来自90个国家的4000名研究人员，并在包括美国在内的世界各地经营着许多研发中心。考虑到执行其使命的现实，NSTC必然需要外国合作伙伴，IMEC的制度文化、金融模式(没有一家公司或政府占据其预算的大部分)以及召集竞争对手进行富有成效的合作的技能是重要的参考点。

加拿大工业研究援助计划(IRAP): IRAP在加拿大国家研究委员会的支持下运作，是加拿大研究基地和该国中小企业之间的桥梁。IRAP在加拿大国内外都享有很高的声誉。

ARPA-E，美国能源部高级能源研究计划署(简称ARPA-E):美国政府研究机构，促进能源领域具有革命性商业潜力的研究项目。该机构成立于2009年，美国国家科学、工程和医学科学院在2017年进行的绩效评估得出结论称，尽管没有足够的时间来确定其工作是否会产生改变游戏规则的技术，但有明确的指标表明该机构正在朝着其使命和目标前进。

贝尔实验室:贝尔实验室曾经是美国电话电报公司（AT&T）的研发分部。尽管它后来被拆分并被一系列的所有者吸收，贝尔实验室在其全盛时期——跨越了20世纪的大部分时间——被公认为世界上最重要的研究和创新中心。贝尔实验室尤其值得一提，因为它成功地参与了探索性研究(其科学家获得了无数诺贝尔奖)和创新，在创新中，它率先采用了晶体管(所有数字产品的基本构件)等变革性技术，以及第一台继电器数字计算机、第一个卫星通信系统、第一个硅太阳能电池、第一个电子电话交换系统和第一个蜂窝电话系统。根据一项评估，贝尔实验室是“楼下有工厂的象牙塔”，即使是追求纯科学发现的研究人员也很清楚他们的知识可以而且将会投入实际应用。

四、半导体研究机构的关键属性

       

尽管这些组织在国家创新体系中的作用以及它们的结构和业务做法有很大不同，但它们有着共同的重要特征。

1）构建网络：半导体研究机构在研究和应用之间架起了一座桥梁。上面提到的所有组织都是连接国家研究基地和以新产品和工业流程形式出现的工业需求的“桥梁”。这有三个方面:

a.他们连接研究界:这包括大学、公共和私人实验室以及创新型小企业。这培养了一个专家群体，他们共同熟悉许多科学学科所追求的相关科学主题。

b.他们与商业界建立了密切的关系:这使人们对工业的具体技术需求有了更深的认识，并着眼于新兴科学发现的潜在商业和工业应用。

c.他们是整合者:他们的基础设施具有物理和组织特征，能够以新产品和工业流程的形式将来自多个学科的知识(“打破筒仓”)与工业的实际需求相整合。

2）技术集成：为了在桥梁功能方面取得成功，研究企业必须掌握整合的过程，召集多个科学领域以及具有不同工作文化的公司，并缩小研究界和工业界之间的差距，以生产商业产品和制造流程。每个组织的实施方式各不相同，在建立NSTC时应考虑使用的所有方法。

3）专家人员和设备:领先的研究机构通常运营着装备精良的物理站点，配备了非常称职的工程师和科学家，行业和学术合作伙伴在共同的工作环境中追求技术目标(例如，CNSE、IMEC、贝尔实验室、ITRI和弗劳恩霍夫)。

4）建立跨社区的联系:一些组织有明确设计的内部结构，以弥合学术学科之间以及研究社区和行业之间的障碍。在ITRI，这些实验室采取“技术集成实验室”的形式；在弗劳恩霍夫，整合功能是通过将与科学基地有密切联系的内部“研究单位”与熟悉行业需求的“业务单位”配对来实现的。值得注意的是，IMEC成功地召集了来自许多国家和学术领域的非常多样化的研究人员进行富有成效的合作。

5）知识共享:最好的研究企业已经成功地创建了庞大而复杂的知识共享和转移网络，将研究和商业界的各个部分联系起来。这些研究既有正式的(如弗劳恩霍夫),也有非正式的，其基础是人际关系网和对研究人员群体的培养(如ITRI、IRAP、ARPA-E)。

5）网络建设:IRAP和ARPA-E没有物理站点，但使它们不仅仅是资助机构的是内部结构、方法和专注于弥合研究和商业化之间差距的专业人员。他们不是简单地发放补助金，然后等待结果；他们全程参与项目的监督、指导和参与。如果有必要，他们会引入额外的技术和商业专业知识，进行战略性的路线调整，并将他们的执行者与金融支持者和行业合作伙伴联系起来。ARPA-E和IRAP都是以一小群精英为中心，这些精英通常都有学术和商业背景。IRAP工业技术顾问(ITA)被视为他们所监管项目的“可信赖的顾问”。ARPA-E项目团队包括技术走向市场专家，他们的唯一关注点是将相关技术转化为商业成果或工业应用。

五、明确定义的使命和角色

       

目前，NSTC在现有半导体创新体系中的使命和位置尚未准确定义，这是一个必须尽快解决的门槛挑战。它设想建立一个机构，“解决摩尔定律转变和后CMOS研究新材料、架构、工艺、设备和应用，”这表明NSTC有望追求需要探索新科学主题的技术突破，至少有一些项目涉及长期视野。与此同时，它设想了一个“弥合研发和商业化之间的差距”的中心，这意味着专注于更平淡无奇的工业应用研究任务，这一任务可以产生具有直接价值的短期结果。经验表明，一个单一的研究机构通常不能同时成功地完成这两项任务，贝尔实验室和IMEC是重要的例外。

为了澄清NSTC的使命，决策者应该考虑成功的民用研究企业在其国家创新体系中的作用:

(1)提供战略重点:Sematech的任务是进行应用研究，重点非常明确:使美国工业在硅基CMOS器件的半导体制造方面重新获得世界领先地位。它并不寻求开发革命性的产品或新的工艺路线，而是为了其成员的利益，在工厂环境中改进、提炼、标准化和展示制造工艺和工具。预期的和实际的结果不是技术突破，而是美国半导体制造能力和支持这种提高所需的材料和设备行业的竞争力的巨大全行业提高。

(2)定义项目:弗劳恩霍夫协会的使命非常明确，只限于应用研究。它的项目持续时间很短(六个月到两年)，预计会在这段时间内产生有用的结果。因此，弗劳恩霍夫的项目产生的是具有直接实际和商业应用的渐进式技术改进，而不是突破性创新。然而，数十年来弗劳恩霍夫创造的数千项增量技术成就的累积效应——经常被组合在一起以开发更广泛的能力，如工厂自动化和绿色技术——构成了战后德国制造业卓越质量、性能和声誉的基础。

(3)构建生态系统:ITRI将自己视为“未来产业的摇篮”，是一个在台湾创造新的高科技产业的机构。它不是从事基础研究或追求技术突破，而是扫描世界寻找有前途的新兴技术，获得知识产权，并将其应用于自己的实验室，以发展和完善国内制造能力，通常效率和速度惊人。ITRI的突破性创新在本质上是组织性和制度性的:通过剥离自身的大部分来创建新的公司和行业；半导体代工商业模式的开拓；以及国内小企业有条不紊的合理化，形成近乎完整的产业链。

（3）实现科学转化:IMEC强调探索与工业潜在相关的基础科学主题。由于欧洲不是大规模半导体设备制造的主要基地，IMEC寻求确保欧洲保持半导体研究和技术的领先地位，保持在适当时机扩大制造规模的能力。事实证明，IMEC在开发世界领先的半导体生产和设计设备方面表现尤为突出。

（4）开展应用研究:CNSE的重点是纳米技术的应用研究，应用于半导体工业，并日益广泛地应用于其他技术密集型部门。

（5）为围栏而战:ARPA-E的创建完全是为了追求可与DARPA相媲美的变革性技术突破——如互联网、个人计算、GPS、智能武器和其他共同定义现代世界关键要素的技术。像DARPA一样，ARPA-E也没有自己的研究机构，它通过一个小型的精英项目经理小组来执行任务，这些项目经理被赋予了非凡的决策权和自主权。ARPA-E并不从事弗劳恩霍夫式的“增量”应用研究——用棒球的说法，它“向围栏摆动”，寻求改变游戏规则的本垒打，而不是单打和双打。

（6）连接小企业:IRAP的任务是通过将小企业与国家研究基地的相关部分连接起来，支持加拿大广阔地理空间中的小企业的技术改进。它本身并不进行基础或应用研究，但像ARPA-E一样，它依靠一个人数不多但技术高超的技术顾问团队提供建议，并分配政府资金来支持有前途的私人创新努力。

原文作者：

苏杰·希瓦库玛，美国战略和国际研究中心(CSIS)创新项目主任和高级研究员

查尔斯·韦斯纳，CSIS创新项目高级顾问(非常驻)

托马斯·豪厄尔，丹顿律师事务所高级律师。