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2025年6月，美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)（SIA）發(fā)布《半導(dǎo)體研發(fā)項(xiàng)目——美國(guó)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力的必要?jiǎng)?chuàng)新》報(bào)告，介紹了美國(guó)CHIPS研發(fā)辦公室（CRDO）為促進(jìn)半導(dǎo)體創(chuàng)新而實(shí)施的芯片研發(fā)計(jì)劃（CHIPS），該計(jì)劃包括以下項(xiàng)目：國(guó)家應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目（NAPMP）、國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（NSTC）、美國(guó)智能技術(shù)與創(chuàng)新計(jì)劃（SMART USA）和芯片計(jì)量學(xué)計(jì)劃（Metrology）。

報(bào)告指出，近年來，半導(dǎo)體創(chuàng)新的重要途徑不斷涌現(xiàn)，并將繼續(xù)擴(kuò)展，這需要新的合作和技術(shù)開發(fā)方法。在過去的幾十年里，芯片行業(yè)計(jì)算性能的提升主要通過“微縮”來實(shí)現(xiàn)——將芯片上的功能微型化，并在單個(gè)硅片上容納更多的晶體管。“摩爾定律”預(yù)測(cè)芯片上的晶體管數(shù)量每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番。幾十年來，這種創(chuàng)新模式帶來了顯著的效益，摩爾定律的進(jìn)程仍在繼續(xù)。然而，新的創(chuàng)新前沿為計(jì)算性能的飛躍發(fā)展帶來了巨大的希望。這些新方法超越了摩爾定律，并呼吁“全?！睉?zhàn)略——在軟件、材料、設(shè)計(jì)、架構(gòu)和封裝方面進(jìn)行創(chuàng)新——并需要整個(gè)價(jià)值鏈的協(xié)作。

芯片研發(fā)計(jì)劃（CHIPS）是對(duì)美國(guó)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造產(chǎn)能5400億美元投資的重要補(bǔ)充。過去，半導(dǎo)體行業(yè)的產(chǎn)品周期以兩年為一個(gè)周期，但隨著行業(yè)向新型創(chuàng)新戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，產(chǎn)品周期正在加速。美國(guó)必須贏得全球半導(dǎo)體創(chuàng)新核心的競(jìng)爭(zhēng)，才能保持這些國(guó)內(nèi)設(shè)施長(zhǎng)期處于領(lǐng)先地位。

報(bào)告關(guān)鍵要點(diǎn)

l  為了贏得全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位的競(jìng)爭(zhēng)，美國(guó)必須保持其在半導(dǎo)體創(chuàng)新領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

l  CHIPS研發(fā)項(xiàng)目有潛力實(shí)施一項(xiàng)積極、全面且與行業(yè)保持一致的戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略反映了行業(yè)最新的創(chuàng)新軌跡。

l  這些項(xiàng)目在向獲獎(jiǎng)?wù)卟渴鹳Y源方面取得了進(jìn)展，其中多個(gè)項(xiàng)目目前正在進(jìn)行中。這些項(xiàng)目已開始開發(fā)所需的基礎(chǔ)設(shè)施，小型場(chǎng)地和大型設(shè)施的最終合同已簽訂，目前正在進(jìn)行合同談判。需要取得更多進(jìn)展，以制定符合行業(yè)優(yōu)先事項(xiàng)和大批量生產(chǎn)需求的研究議程，并開始實(shí)施該議程。

l  隨著這些項(xiàng)目的持續(xù)實(shí)施，它們必須維持在適當(dāng)?shù)乃?，并保持?duì)以行業(yè)為導(dǎo)向的規(guī)劃的承諾。

芯片研發(fā)項(xiàng)目概述

美國(guó)商務(wù)部管理的4個(gè)項(xiàng)目旨在滿足美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)不斷發(fā)展的技術(shù)發(fā)展需求。這些項(xiàng)目在編制過程中充分考慮了行業(yè)的意見，而持續(xù)的行業(yè)洞察對(duì)于確保這些項(xiàng)目始終與行業(yè)合作伙伴保持密切聯(lián)系至關(guān)重要。

1．通過先進(jìn)封裝技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新

先進(jìn)封裝是一種新型半導(dǎo)體技術(shù)，有望加速人工智能和高性能計(jì)算（AI和HPC）領(lǐng)域最強(qiáng)大芯片的性能提升。它還將促進(jìn)更快速、更經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)和制造可定制系統(tǒng)，以滿足高混合、小批量市場(chǎng)的需求，例如對(duì)國(guó)家安全至關(guān)重要的國(guó)防應(yīng)用。過去，最先進(jìn)的芯片性能受限于單個(gè)二維硅片（即“系統(tǒng)級(jí)芯片”，SOC）上能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。

NAPMP的使命是制定一項(xiàng)整體戰(zhàn)略，以解決這些緊迫的挑戰(zhàn)，并促進(jìn)國(guó)內(nèi)先進(jìn)封裝產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。NAPMP戰(zhàn)略圍繞六個(gè)已確定的研究領(lǐng)域構(gòu)建：（1）材料與基板；（2）設(shè)備、工具與工藝；（3）電力輸送與熱管理；（4）光子學(xué)與連接器；（5）協(xié)同設(shè)計(jì)、EDA；（6）Chiplet生態(tài)系統(tǒng)。

附錄一詳述了六個(gè)研發(fā)重點(diǎn)領(lǐng)域及其對(duì)半導(dǎo)體創(chuàng)新的重要性。截至2025年6月，NAPMP已敲定3億美元的資金用于其首個(gè)研發(fā)資助項(xiàng)目，重點(diǎn)關(guān)注材料和基板領(lǐng)域。此外，該項(xiàng)目還簽訂了一份價(jià)值11億美元的合同，用于建立其旗艦項(xiàng)目先進(jìn)封裝試點(diǎn)設(shè)施（APPF）。該設(shè)施將與位于亞利桑那州的國(guó)家技術(shù)中心（NSTC）試點(diǎn)設(shè)施共址并協(xié)同運(yùn)營(yíng)。業(yè)界也在熱切等待關(guān)于另外五個(gè)研發(fā)項(xiàng)目的資助決定，但最終的資助金額（總額達(dá)16億美元）尚未公布。

APPF將投資于集成制造先進(jìn)封裝工藝流程，以便新技術(shù)能夠在商業(yè)化的封裝規(guī)模上得到驗(yàn)證。在該設(shè)施中驗(yàn)證創(chuàng)新的可行性將大大降低技術(shù)開發(fā)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，并使其能夠更高效地集成到商業(yè)化的先進(jìn)封裝運(yùn)營(yíng)中。隨著APPF計(jì)劃的發(fā)展，需要與業(yè)界持續(xù)合作，以確保該設(shè)施成功建立強(qiáng)大的美國(guó)先進(jìn)封裝行業(yè)。

2．創(chuàng)新全半導(dǎo)體技術(shù)棧

半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新日益強(qiáng)調(diào)協(xié)作，NSTC旨在為整個(gè)美國(guó)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)建立長(zhǎng)期的研發(fā)資源，使成熟的行業(yè)參與者、初創(chuàng)企業(yè)和學(xué)術(shù)界能夠在國(guó)內(nèi)取得廣泛成功。幾十年來，計(jì)算機(jī)硬件創(chuàng)新和計(jì)算機(jī)軟件創(chuàng)新一直處于相對(duì)獨(dú)立的循環(huán)中。硬件供應(yīng)商通過集成更多晶體管來制造更強(qiáng)大的處理器，而軟件供應(yīng)商則編寫程序來執(zhí)行客戶的計(jì)算工作負(fù)載。

美國(guó)商務(wù)部指定Natcast（美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步中心）作為專門的非營(yíng)利組織，負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)NSTC，并通過一項(xiàng)長(zhǎng)期資助協(xié)議提供63億美元資金。NSTC的三大總體目標(biāo)是：

l  擴(kuò)大美國(guó)的技術(shù)領(lǐng)先地位；

l  減少原型設(shè)計(jì)和制造的時(shí)間和成本；

l  建立并維持半導(dǎo)體勞動(dòng)力發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)。

作為公私合作項(xiàng)目，NSTC的工作由美國(guó)商務(wù)部和由半導(dǎo)體供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)頂尖技術(shù)專家組成的專家技術(shù)顧問委員會(huì)共同指導(dǎo)。為了提供實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所需的基礎(chǔ)設(shè)施，NSTC正在建設(shè)三個(gè)主要設(shè)施：

（1）原型設(shè)計(jì)和先進(jìn)封裝試點(diǎn)設(shè)施：NSTC致力于將新型制造和先進(jìn)封裝技術(shù)規(guī)?；?，使其具備商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，并促進(jìn)“實(shí)驗(yàn)室到工廠”的轉(zhuǎn)型。新技術(shù)通常始于學(xué)術(shù)界，并以小規(guī)模和低產(chǎn)量進(jìn)行演示。一旦概念驗(yàn)證完成，就必須開展大量的開發(fā)工作，使技術(shù)成熟，以便在商業(yè)市場(chǎng)中部署。事實(shí)上，如果不將晶圓送入完全集成的制造流程并測(cè)量其整體性能，就無法評(píng)估一項(xiàng)新技術(shù)的價(jià)值。原型設(shè)計(jì)和先進(jìn)封裝試點(diǎn)設(shè)施將為這一能力提供完整、集成的制造流程。該設(shè)施將位于亞利桑那州立大學(xué)研究園區(qū)。初步計(jì)劃于2026年在亞利桑那州立大學(xué)啟動(dòng)，新設(shè)施將于2028年底竣工。

（2）EUV加速器：極紫外（EUV）光刻技術(shù)已被證明是制造先進(jìn)半導(dǎo)體不可或缺的重要工具，EUV光刻技術(shù)（以及其繼任者高數(shù)值孔徑（NA）EUV光刻技術(shù)）的持續(xù)發(fā)展對(duì)于行業(yè)跟上尖端制造技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。同時(shí)，相關(guān)行業(yè)中支持光刻技術(shù)的領(lǐng)域也必須同步推進(jìn)其技術(shù)發(fā)展。國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)委員會(huì)（NSTC）EUV加速器的任務(wù)是讓這一重要工具的使用更加普及，并支持整個(gè)行業(yè)共同開發(fā)創(chuàng)新，更快地將新的EUV技術(shù)推向市場(chǎng)。該設(shè)施預(yù)計(jì)將于2025年夏季投入使用。

（3）設(shè)計(jì)協(xié)作設(shè)施（DCF：Design Collaboration Facility）：確定晶圓上數(shù)十億個(gè)晶體管的布局以執(zhí)行大規(guī)模計(jì)算工作是一項(xiàng)極其復(fù)雜的任務(wù)。半導(dǎo)體價(jià)值鏈的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)包括開發(fā)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件的公司、組裝設(shè)計(jì)模塊庫以用于芯片設(shè)計(jì)的IP提供商，以及使用EDA軟件和IP模塊設(shè)計(jì)完整芯片系統(tǒng)的無晶圓廠公司。DCF將支持設(shè)計(jì)研發(fā)，并配備一個(gè)全新的“設(shè)計(jì)使能網(wǎng)關(guān)”，通過集中訪問EDA軟件和數(shù)據(jù)庫，降低芯片初創(chuàng)企業(yè)的門檻。通過利用國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)委員會(huì)（NSTC）及其成員的集體購買力，DCF將加快研發(fā)進(jìn)度，并顯著降低與實(shí)驗(yàn)芯片和架構(gòu)的設(shè)計(jì)和開發(fā)相關(guān)的不斷增長(zhǎng)的成本。該設(shè)施預(yù)計(jì)將于2025年夏季投入使用。

與其他旨在支持在《芯片法案》授權(quán)到期前到期的定期研究計(jì)劃的芯片研發(fā)項(xiàng)目不同，NSTC的使命和活動(dòng)旨在超越《芯片法案》，并長(zhǎng)期獲得私營(yíng)部門資金的支持。盡管在制定技術(shù)議程方面仍有大量工作要做，但NSTC正在啟動(dòng)長(zhǎng)期項(xiàng)目和架構(gòu)，以在未來數(shù)十年內(nèi)成為半導(dǎo)體行業(yè)研究聯(lián)盟。

3．利用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)新

美國(guó)智能技術(shù)與創(chuàng)新計(jì)劃（SMART USA）（基于孿生技術(shù)的半導(dǎo)體制造高級(jí)研究機(jī)構(gòu)）是一家新成立的美國(guó)制造業(yè)研究所，旨在推動(dòng)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展。數(shù)字孿生是物理系統(tǒng)的虛擬表示，并保持實(shí)時(shí)連接。這種架構(gòu)使工程師能夠虛擬地（使用真實(shí)數(shù)據(jù)流）模擬和優(yōu)化流程，然后將結(jié)果直接應(yīng)用于物理系統(tǒng)，而無需像物理試驗(yàn)?zāi)菢邮艿劫Y源密集度和時(shí)間限制。最終，數(shù)字孿生技術(shù)能夠賦能數(shù)字領(lǐng)域的更多創(chuàng)新，利用人工智能降低開發(fā)成本，并加速技術(shù)上市，領(lǐng)先于全球競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

數(shù)字孿生可以在多個(gè)層面創(chuàng)建。單個(gè)制造步驟可以進(jìn)行孿生，以快速優(yōu)化晶圓加工條件。在更廣泛的層面上，可以對(duì)制造流程中的關(guān)鍵“層”（用于圖案化特征的少數(shù)相關(guān)步驟）進(jìn)行孿生，以了解如何協(xié)同優(yōu)化這些步驟，從而形成更好的芯片。整個(gè)晶圓廠也可以進(jìn)行孿生，以優(yōu)化整個(gè)工廠的運(yùn)營(yíng)。通過在這些不同層面創(chuàng)建數(shù)字孿生，SMART USA的目標(biāo)是將美國(guó)芯片研發(fā)和制造成本降低40%以上，并將開發(fā)周期縮短35%以上。

美國(guó)智能技術(shù)與創(chuàng)新計(jì)劃（SMART USA）研究所的主要舉措包括：

l  創(chuàng)建“數(shù)字骨干”——一個(gè)用于開發(fā)、測(cè)試和部署數(shù)字孿生的國(guó)家級(jí)平臺(tái)。

l  建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以確保數(shù)字孿生開發(fā)和使用的互操作性、安全性和一致性。

l  建立一個(gè)由晶圓廠、封裝、組裝和測(cè)試中心組成的國(guó)家級(jí)共享設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，以支持應(yīng)用研究。

l  推出一個(gè)數(shù)字市場(chǎng)，供各組織共享和交流數(shù)字孿生技術(shù)、數(shù)據(jù)和最佳實(shí)踐。

l  通過課程開發(fā)和培訓(xùn)，擴(kuò)大具備數(shù)字孿生能力的勞動(dòng)力隊(duì)伍，利用數(shù)字孿生技術(shù)為超過10萬名半導(dǎo)體工人做好準(zhǔn)備。

除了2.85億美元的聯(lián)邦資金外，SMART USA還獲得了來自行業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴超過7億美元的非約束性承諾，五年內(nèi)總投資超過10億美元。SMART USA將聯(lián)合美國(guó)頂尖研究人員和創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，共同致力于打造強(qiáng)大、有競(jìng)爭(zhēng)力且可持續(xù)發(fā)展的國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造生態(tài)系統(tǒng)。

4．計(jì)量：通過精度、驗(yàn)證和數(shù)字資產(chǎn)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新

在芯片上圖案化更小特征的能力，以及將多個(gè)芯片堆疊在一起實(shí)現(xiàn)三維異構(gòu)集成的能力，有望提升半導(dǎo)體產(chǎn)品的性能。然而，鑒于行業(yè)對(duì)絕對(duì)精度的要求及其對(duì)誤差的極高容忍度，制造商依賴于快速、準(zhǔn)確、精確地表征新特征并評(píng)估其產(chǎn)品價(jià)值的能力。

例如，隨著特征尺寸的減小，我們工具的分辨率也必須降低，同時(shí)又不影響測(cè)量的保真度。此外，由于我們將多個(gè)元件堆疊在一起用于先進(jìn)封裝應(yīng)用，制造商必須能夠在將更多元件投入封裝之前驗(yàn)證結(jié)構(gòu)完整性和埋置界面處的粘附性等指標(biāo)。

半導(dǎo)體計(jì)量是一門測(cè)量芯片物理特性和電氣特性的科學(xué)。CHIPS計(jì)量項(xiàng)目正在進(jìn)行一系列高影響力的投資，旨在提升行業(yè)對(duì)非破壞性工廠工藝以及實(shí)驗(yàn)室工藝開發(fā)和故障分析進(jìn)行關(guān)鍵測(cè)量的能力。

這些投資包括在NIST開發(fā)新工具功能的硬件項(xiàng)目，以及生成參考文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)集和軟件庫等數(shù)字資產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)《CHIPS法案》的最終目標(biāo)，計(jì)量項(xiàng)目正在激勵(lì)大學(xué)、聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家、初創(chuàng)企業(yè)和企業(yè)，在國(guó)內(nèi)推動(dòng)世界領(lǐng)先的測(cè)量科學(xué)發(fā)展。