2025年6月，美國半導體協(xié)會（SIA）發(fā)布《半導體研發(fā)項目——美國技術領導力的必要創(chuàng)新》報告，介紹了美國CHIPS研發(fā)辦公室（CRDO）為促進半導體創(chuàng)新而實施的芯片研發(fā)計劃（CHIPS），該計劃包括以下項目：國家應用關鍵技術項目（NAPMP）、國家科學技術委員會（NSTC）、美國智能技術與創(chuàng)新計劃（SMART USA）和芯片計量學計劃（Metrology）。
報告指出，近年來，半導體創(chuàng)新的重要途徑不斷涌現，并將繼續(xù)擴展，這需要新的合作和技術開發(fā)方法。在過去的幾十年里，芯片行業(yè)計算性能的提升主要通過“微縮”來實現——將芯片上的功能微型化，并在單個硅片上容納更多的晶體管?！澳柖伞鳖A測芯片上的晶體管數量每兩年就會翻一番。幾十年來，這種創(chuàng)新模式帶來了顯著的效益，摩爾定律的進程仍在繼續(xù)。然而，新的創(chuàng)新前沿為計算性能的飛躍發(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、設計、架構和封裝方面進行創(chuàng)新——并需要整個價值鏈的協(xié)作。
芯片研發(fā)計劃（CHIPS）是對美國國內半導體制造產能5400億美元投資的重要補充。過去，半導體行業(yè)的產品周期以兩年為一個周期，但隨著行業(yè)向新型創(chuàng)新戰(zhàn)略轉型，產品周期正在加速。美國必須贏得全球半導體創(chuàng)新核心的競爭，才能保持這些國內設施長期處于領先地位。
報告關鍵要點
l 為了贏得全球技術領導地位的競爭，美國必須保持其在半導體創(chuàng)新領域的領先地位。
l CHIPS研發(fā)項目有潛力實施一項積極、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 這些項目在向獲獎者部署資源方面取得了進展，其中多個項目目前正在進行中。這些項目已開始開發(fā)所需的基礎設施，小型場地和大型設施的最終合同已簽訂，目前正在進行合同談判。需要取得更多進展，以制定符合行業(yè)優(yōu)先事項和大批量生產需求的研究議程，并開始實施該議程。
l 隨著這些項目的持續(xù)實施，它們必須維持在適當的水平，并保持對以行業(yè)為導向的規(guī)劃的承諾。
芯片研發(fā)項目概述
美國商務部管理的4個項目旨在滿足美國半導體行業(yè)不斷發(fā)展的技術發(fā)展需求。這些項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)洞察對于確保這些項目始終與行業(yè)合作伙伴保持密切聯系至關重要。
1．通過先進封裝技術進行創(chuàng)新
先進封裝是一種新型半導體技術，有望加速人工智能和高性能計算（AI和HPC）領域最強大芯片的性能提升。它還將促進更快速、更經濟地設計和制造可定制系統(tǒng)，以滿足高混合、小批量市場的需求，例如對國家安全至關重要的國防應用。過去，最先進的芯片性能受限于單個二維硅片（即“系統(tǒng)級芯片”，SOC）上能夠實現的功能。
NAPMP的使命是制定一項整體戰(zhàn)略，以解決這些緊迫的挑戰(zhàn)，并促進國內先進封裝產業(yè)的蓬勃發(fā)展。NAPMP戰(zhàn)略圍繞六個已確定的研究領域構建：（1）材料與基板；（2）設備、工具與工藝；（3）電力輸送與熱管理；（4）光子學與連接器；（5）協(xié)同設計、EDA；（6）Chiplet生態(tài)系統(tǒng)。
附錄一詳述了六個研發(fā)重點領域及其對半導體創(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研發(fā)資助項目，重點關注材料和基板領域。此外，該項目還簽訂了一份價值11億美元的合同，用于建立其旗艦項目先進封裝試點設施（APPF）。該設施將與位于亞利桑那州的國家技術中心（NSTC）試點設施共址并協(xié)同運營。業(yè)界也在熱切等待關于另外五個研發(fā)項目的資助決定，但最終的資助金額（總額達16億美元）尚未公布。
APPF將投資于集成制造先進封裝工藝流程，以便新技術能夠在商業(yè)化的封裝規(guī)模上得到驗證。在該設施中驗證創(chuàng)新的可行性將大大降低技術開發(fā)過程中的風險，并使其能夠更高效地集成到商業(yè)化的先進封裝運營中。隨著APPF計劃的發(fā)展，需要與業(yè)界持續(xù)合作，以確保該設施成功建立強大的美國先進封裝行業(yè)。
2．創(chuàng)新全半導體技術棧
半導體行業(yè)的創(chuàng)新日益強調協(xié)作，NSTC旨在為整個美國半導體生態(tài)系統(tǒng)建立長期的研發(fā)資源，使成熟的行業(yè)參與者、初創(chuàng)企業(yè)和學術界能夠在國內取得廣泛成功。幾十年來，計算機硬件創(chuàng)新和計算機軟件創(chuàng)新一直處于相對獨立的循環(huán)中。硬件供應商通過集成更多晶體管來制造更強大的處理器，而軟件供應商則編寫程序來執(zhí)行客戶的計算工作負載。
美國商務部指定Natcast（美國國家半導體技術進步中心）作為專門的非營利組織，負責運營NSTC，并通過一項長期資助協(xié)議提供63億美元資金。NSTC的三大總體目標是：
l 擴大美國的技術領先地位；
l 減少原型設計和制造的時間和成本；
l 建立并維持半導體勞動力發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)。
作為公私合作項目，NSTC的工作由美國商務部和由半導體供應鏈各環(huán)節(jié)頂尖技術專家組成的專家技術顧問委員會共同指導。為了提供實現這些目標所需的基礎設施，NSTC正在建設三個主要設施：
（1）原型設計和先進封裝試點設施：NSTC致力于將新型制造和先進封裝技術規(guī)?；蛊渚邆渖虡I(yè)應用價值，并促進“實驗室到工廠”的轉型。新技術通常始于學術界，并以小規(guī)模和低產量進行演示。一旦概念驗證完成，就必須開展大量的開發(fā)工作，使技術成熟，以便在商業(yè)市場中部署。事實上，如果不將晶圓送入完全集成的制造流程并測量其整體性能，就無法評估一項新技術的價值。原型設計和先進封裝試點設施將為這一能力提供完整、集成的制造流程。該設施將位于亞利桑那州立大學研究園區(qū)。初步計劃于2026年在亞利桑那州立大學啟動，新設施將于2028年底竣工。
（2）EUV加速器：極紫外（EUV）光刻技術已被證明是制造先進半導體不可或缺的重要工具，EUV光刻技術（以及其繼任者高數值孔徑（NA）EUV光刻技術）的持續(xù)發(fā)展對于行業(yè)跟上尖端制造技術的發(fā)展至關重要。同時，相關行業(yè)中支持光刻技術的領域也必須同步推進其技術發(fā)展。國家半導體技術委員會（NSTC）EUV加速器的任務是讓這一重要工具的使用更加普及，并支持整個行業(yè)共同開發(fā)創(chuàng)新，更快地將新的EUV技術推向市場。該設施預計將于2025年夏季投入使用。
（3）設計協(xié)作設施（DCF：Design Collaboration Facility）：確定晶圓上數十億個晶體管的布局以執(zhí)行大規(guī)模計算工作是一項極其復雜的任務。半導體價值鏈的設計環(huán)節(jié)包括開發(fā)電子設計自動化（EDA）軟件的公司、組裝設計模塊庫以用于芯片設計的IP提供商，以及使用EDA軟件和IP模塊設計完整芯片系統(tǒng)的無晶圓廠公司。DCF將支持設計研發(fā)，并配備一個全新的“設計使能網關”，通過集中訪問EDA軟件和數據庫，降低芯片初創(chuàng)企業(yè)的門檻。通過利用國家半導體技術委員會（NSTC）及其成員的集體購買力，DCF將加快研發(fā)進度，并顯著降低與實驗芯片和架構的設計和開發(fā)相關的不斷增長的成本。該設施預計將于2025年夏季投入使用。
與其他旨在支持在《芯片法案》授權到期前到期的定期研究計劃的芯片研發(fā)項目不同，NSTC的使命和活動旨在超越《芯片法案》，并長期獲得私營部門資金的支持。盡管在制定技術議程方面仍有大量工作要做，但NSTC正在啟動長期項目和架構，以在未來數十年內成為半導體行業(yè)研究聯盟。
3．利用數字孿生技術創(chuàng)新
美國智能技術與創(chuàng)新計劃（SMART USA）（基于孿生技術的半導體制造高級研究機構）是一家新成立的美國制造業(yè)研究所，旨在推動美國半導體產業(yè)價值鏈中的數字孿生技術發(fā)展。數字孿生是物理系統(tǒng)的虛擬表示，并保持實時連接。這種架構使工程師能夠虛擬地（使用真實數據流）模擬和優(yōu)化流程，然后將結果直接應用于物理系統(tǒng)，而無需像物理試驗那樣受到資源密集度和時間限制。最終，數字孿生技術能夠賦能數字領域的更多創(chuàng)新，利用人工智能降低開發(fā)成本，并加速技術上市，領先于全球競爭對手。
數字孿生可以在多個層面創(chuàng)建。單個制造步驟可以進行孿生，以快速優(yōu)化晶圓加工條件。在更廣泛的層面上，可以對制造流程中的關鍵“層”（用于圖案化特征的少數相關步驟）進行孿生，以了解如何協(xié)同優(yōu)化這些步驟，從而形成更好的芯片。整個晶圓廠也可以進行孿生，以優(yōu)化整個工廠的運營。通過在這些不同層面創(chuàng)建數字孿生，SMART USA的目標是將美國芯片研發(fā)和制造成本降低40%以上，并將開發(fā)周期縮短35%以上。
美國智能技術與創(chuàng)新計劃（SMART USA）研究所的主要舉措包括：
l 創(chuàng)建“數字骨干”——一個用于開發(fā)、測試和部署數字孿生的國家級平臺。
l 建立行業(yè)標準，以確保數字孿生開發(fā)和使用的互操作性、安全性和一致性。
l 建立一個由晶圓廠、封裝、組裝和測試中心組成的國家級共享設施網絡，以支持應用研究。
l 推出一個數字市場，供各組織共享和交流數字孿生技術、數據和最佳實踐。
l 通過課程開發(fā)和培訓，擴大具備數字孿生能力的勞動力隊伍，利用數字孿生技術為超過10萬名半導體工人做好準備。
除了2.85億美元的聯邦資金外，SMART USA還獲得了來自行業(yè)和學術合作伙伴超過7億美元的非約束性承諾，五年內總投資超過10億美元。SMART USA將聯合美國頂尖研究人員和創(chuàng)新機構，共同致力于打造強大、有競爭力且可持續(xù)發(fā)展的國內半導體制造生態(tài)系統(tǒng)。
4．計量：通過精度、驗證和數字資產實現創(chuàng)新
在芯片上圖案化更小特征的能力，以及將多個芯片堆疊在一起實現三維異構集成的能力，有望提升半導體產品的性能。然而，鑒于行業(yè)對絕對精度的要求及其對誤差的極高容忍度，制造商依賴于快速、準確、精確地表征新特征并評估其產品價值的能力。
例如，隨著特征尺寸的減小，我們工具的分辨率也必須降低，同時又不影響測量的保真度。此外，由于我們將多個元件堆疊在一起用于先進封裝應用，制造商必須能夠在將更多元件投入封裝之前驗證結構完整性和埋置界面處的粘附性等指標。
半導體計量是一門測量芯片物理特性和電氣特性的科學。CHIPS計量項目正在進行一系列高影響力的投資，旨在提升行業(yè)對非破壞性工廠工藝以及實驗室工藝開發(fā)和故障分析進行關鍵測量的能力。
這些投資包括在NIST開發(fā)新工具功能的硬件項目，以及生成參考文獻、數據集和軟件庫等數字資產。為了實現《CHIPS法案》的最終目標，計量項目正在激勵大學、聯邦實驗室的科學家、初創(chuàng)企業(yè)和企業(yè)，在國內推動世界領先的測量科學發(fā)展。
