OSTP 半导体行业观察
简介
几十年前，美国的创新激发了研究的进步，造就了今天的半导体产业。这一产业是全球性的，支撑着从健康到通信的方方面面，对美国的经济和安全至关重要。两党共同提出的《CHIPS 法案》所带来的巨额投资为重振这一关键领域的国内制造业、加强微电子研发（R&D）创新生态系统提供了机遇，从而提升了美国在未来的竞争地位。
本《国家微电子研究战略》提出了未来五年实现这些机遇所需的目标、关键需求和行动。该战略为联邦部门和机构、学术界、产业界、非营利组织以及国际盟友和合作伙伴提供了一个框架，以满足关键需求并建立微电子研发基础设施，从而支持未来半导体领域的发展。
正如本报告通篇所强调的那样，正在进行的大量 CHIPS 研发投资必须充分发挥杠杆作用，并与有助于微电子研发的各种现行计划、活动和资源相协调。在未来五年中，白宫和联邦各部门及机构将共同努力，推进四个相互关联的目标： 1 促进和加快未来微电子技术的研究进展 2 支持、建设和连接从研究到制造的微电子基础设施 3 为微电子研发到制造生态系统培养和维持技术人才队伍 4 创建一个充满活力的微电子创新生态系统，加速研发向美国产业的过渡
第一个目标侧重于若干领域的关键研究需求，这些领域是加快未来几代微电子系统所需的进步所必需的。研究领域包括：可提供新功能的材料；电路设计、模拟和仿真工具；新架构和相关硬件设计；先进封装和异构集成的工艺和计量；硬件完整性和安全性；以及将新创新成果转化为生产的制造工具和工艺，这些研究领域需要使用专用工具和设备。
第二个目标的重点是支持、扩大和连接研究基础设施，从小规模材料和器件级制造和表征，到原型设计、大规模制造以及高级装配、封装和测试。所需的工具包括软件（包括设计工具）和商业规模的生产和计量硬件。国内半导体产业的发展也将为全国提供更多的高薪工作机会。
目标三确定了支持学习者和教育者培养从研究到制造所需的技术人才的工作。
最后，第四个目标是着眼于整个研发领域，提出了创建充满活力的微电子创新生态系统的战略和行动，以加快新进展向商业应用的过渡。主要工作不仅支持微电子技术发展途径各阶段的行动，还将各种网络和活动连接起来，以建立微电子创新的良性循环。
这四个目标将在半导体产业的全球性质背景下实现。与半导体制造供应链一样，支持微电子创新生态系统的研究设施和人才也遍布世界各地。国际合作、贸易和外交是利用各种努力和资源、促进人才流动和研究合作、确保供应链安全的重要工具。
这一战略的实施将带来一个充满活力的创新生态系统，加速新的研究突破，支持这些进展向制造业的过渡，并为全美人民提供高薪工作。一个全面建设、四通八达的微电子研究基础设施将为研究人员实现突破奠定基础，并带来良性的创新循环。培育和支持微电子创新将有助于确保未来在半导体行业的领先地位，从而促进美国及其盟友和合作伙伴的安全与繁荣。
导言
微电子革命改变了社会。现代生活的几乎所有方面现在都依赖于半导体技术，包括通信、计算、娱乐、医疗保健、能源和交通。因此，微电子技术对美国的经济和国家安全至关重要。几十年来，联邦政府和私营部门在硬件和软件方面的研发投资推动了半导体行业的快速创新。
在保持或降低成本和功耗要求的同时，不断提高微电子性能和功能的激烈竞争推动了更小和更密集集成的微电子元件的制造。这种微型化要求在材料、工具和设计方面不断取得突破，使元件内的关键结构尺寸小到几个原子。特征尺寸的缩小使数字信息存储和处理能力大幅提高，同时，对通信、电源和传感至关重要的模拟和非硅技术也取得了许多重大进展。制造领域所需的进步不仅得益于对研发的大量投资，还得益于对制造先进集成电路和元件所需的制造和计量设备以及相关制造（"晶圆厂"）和封装设施的开发。这种规模制造的复杂性和成本--建立一个领先的硅制造厂现在需要花费数百亿美元--促使了该行业的大幅整合。如今，全球只有三家公司在竞争制造最新一代的先进逻辑器件。
2021 年 6 月，白宫发布了一份关于关键供应链（包括半导体制造和先进封装供应链）的报告--《建设有弹性的供应链，振兴美国制造业，促进基础广泛的增长》。该报告指出，尽管总部设在美国的半导体公司占全球收入的近一半，但美国国内进行的全球半导体制造份额已从 1990 年的 37% 下降到 12%，美国的封装份额也下降到 3%。8 正如该报告所讨论的，现代微电子制造是一个极其复杂的全球性过程，涉及数月内完成的数百个步骤，其中许多组件在多次穿越世界的过程中使用了国际专业技术和设施。报告认为，公共和私营部门需要采取行动，提高关键产品的国内制造能力，招募和培训国内劳动力，投资研发，并与美国的盟友和合作伙伴合作，共同加强供应链的复原力。
01 国家微电子研究战略——目标和目的
目标 1. 推动和加速未来微电子技术的研究进展
1.1: 加速研究和开发可提供新功能或增强功能的材料。 1.2: 提高电路设计、模拟和仿真工具的能力。 1.3: 开发未来系统所需的各种强大的处理架构和相关硬件。 1.4: 开发先进封装和异构集成的工艺和计量学。 1.5: 优先考虑硬件的完整性和安全性，将其作为整个堆栈协同设计战略的一个要素。 1.6：投资研发制造工具和工艺，以支持将创新成果转化为适合生产的制造工艺。
目标 2. 支持、构建和连接从研究到制造的微电子基础设施
2.1: 支持设备级研发制造和表征用户设施的联合网络。 2.2: 让学术界和小型企业研究人员有更多机会利用灵活的设计工具和晶圆级制造资源。 2.3: 为研究人员获取关键功能材料提供便利。 2.4：扩大利用先进的网络基础设施进行建模和模拟的机会。 2.5: 支持先进的研究、开发和原型设计，缩小实验室到实验室之间的差距。2.6: 支持先进的组装、封装和测试。
目标 3. 为微电子研发到制造生态系统培养和维持技术人才队伍
3.1: 支持与微电子学相关的科学和技术学科的学习者和教育者。 3.2: 促进公众对微电子技术的切实参与，提高对半导体行业职业机会的认识。 3.3: 培养一支具有包容性的当前和未来的微电子人才队伍。 3.4: 建设和推动微电子研究与创新能力。
目标 4. 创建一个充满活力的微电子创新生态系统，加速研发向美国产业的过渡
4.1: 支持、建立和协调各中心、公私合作伙伴关系和联盟，以深化微电子生态系统中各利益相关方之间的合作。 4.2: 参与并利用 CHIPS 工业咨询委员会。 4.3: 根据研发路线图和重大挑战，激励和调整微电子界的关键技术挑战。 4.4: 促进学术、政府和行业交流，扩大对需求和机遇的了解。 4.5: 通过有针对性的计划和投资，支持创业、初创企业和早期企业。
02 微电子技术已成为日常生活中许多方面必不可少的技术
半导体对美国的经济和国家安全至关重要，并已成为日常生活中许多方面的必需品。这里描述的例子包括汽车、医疗保健、航空航天、虚拟现实、金融系统、电子商务、太空卫星、国防、能源、计算、农业和电信。随着微电子设备的普及，对其关键性能的要求也越来越多样化，这就要求与摩尔定律所体现的特征尺寸的传统扩展方式不同。例如，卫星应用的要求包括经过验证的辐射加固技术，超级计算机最大限度地提高性能和速度，但传感器等边缘设备可能会优先考虑低功耗。这些针对特定应用的要求正在推动微电子技术的日益多样化，而异构集成和芯片组等方法将促进和推动微电子技术的多样化。
白宫供应链报告强调了半导体行业对美国经济的重要性，2022 年，半导体行业在美国出口销售总额中排名第五。9联邦政府也是微电子的重要消费者，它必须能够获得可信和可靠的微电子，以实现通信、导航、传感、关键基础设施、公共卫生和国家安全等基本功能。微电子技术是各种新兴技术的基础，包括量子信息科学、人工智能、先进的无线网络（6G 及以上）、安全可靠的医疗保健技术以及应对气候危机所需的清洁能源和节能技术。
03 芯片上的 ENIAC
为了说明计算技术在尺寸和规模上的重大变化，学生们设计并制作了 "芯片上的 ENIAC"，以庆祝第一台可编程电子通用数字计算机 "电子数字积分器和计算机（ENIAC：Electronic Numerical Integrator and Computer）"诞生 50 周年。ENIAC 包含 18,000 多个真空管，高约 8 英尺，深约 3 英尺，长约 100 英尺，重达 30 多吨。如左图所示，ENIAC 是通过电缆和开关手工编程的。右图描述的是 1995 年使用 0.5 微米互补金属氧化物半导体（CMOS）技术重现 ENIAC 的芯片，用晶体管取代了真空管。如果采用今天的技术，该芯片的体积将缩小约 1000 倍。在性能方面，ENIAC 的浮点运算速度约为每秒 500 次（FLOPS），而现在橡树岭国家实验室的 Frontier 超级计算机的浮点运算速度已超过 1,500,000,000,000,000（1,000,000,000,000,000 FLOPS）。
正是由于该行业对国家经济和安全的重要性，两党共同制定了《2022 年 CHIPS 法案》（《2022 年 CHIPS 和科学法案》A 分部），并拨款 520 多亿美元用于发展国家半导体制造基地和加速微电子研发。此外，最近的几份报告也强调了该行业的重要性。例如，在 2018 年的一份评估报告中，美国国防部（DOD）指出了微电子供应链面临的威胁，以及多个关键国防部门的相关研发和制造问题。2020-2023 年，国会研究服务部（CRS）研究了半导体行业面临的技术挑战、国内和全球供应链、为国家安全提供安全可信的半导体生产、相关联邦政策和研究投资，以及应对这些挑战的可能立法。国家安全委员会关于人工智能（AI）的最终报告指出，要保持国家在人工智能领域的领先地位，就必须在国内建立半导体工厂 。
04 晶体管到底有多小？
下面的图片显示了晶体管与蚂蚁相比的大小。蚂蚁图片周围的圆圈直径为 2 毫米（mm），即 0.002 米。下一张图片是用扫描电子显微镜（SEM）拍摄的蚂蚁眼睛，直径约为 150 微米（µm），即 0.00015 米。第三张图片是蚂蚁眼睛上的一根毛发。圆圈直径为 20 微米。第四张图片是毛发的扫描电镜特写图片，显示了毛发上的沟槽。直径为 1 微米（或一千纳米）。顶部的电子显微镜图像显示了集成电路晶体管的横截面，说明现代集成电路晶体管可以安装在蚂蚁眼睛毛发的沟槽中。该图像的直径仅为 50 纳米。
微电子研发对于继续推进技术和系统发展，实现加强国内制造和降低供应链风险的长期目标至关重要。此外，联邦信息征询书（RFIs） 的意见、利益相关者的建议以及来自公共和私营部门的多份其他报告都清楚地表明，强大、创新的国内研发工作对美国未来的竞争力和安全至关重要。综上所述，从这些资源中可以看出一系列关键的研发趋势和机遇：
设备及其应用的多样性不断增长，超越了传统的处理器和存储器，这就要求在多种规模和类型的信息系统中，在数据的生成、通信、存储和处理方面进行创新。 微电子技术对信息技术以外的领域至关重要，预计在电源管理、医疗设备和传感等领域将有巨大的增长。 全面的 "全栈 "研发方法为提高设备和系统的性能、可靠性和安全性提供了机会。尽管人们的注意力主要集中在基础器件的设计和扩展上，但未来在制造、计量、测试、验证和确认、异构集成和先进封装方面也将面临重大挑战。此外，挑战不仅限于硬件：器件、设计和制造、电路和系统集成的进步需要计算机体系结构、软件和应用层的同步创新。 集成设计提供了一种加速创新的方法。此外，它还能确保从一开始就捕捉到关键的系统属性，并在整个开发周期中加以考虑，包括性能、可靠性、能效和安全性。 美国的微电子研究生态系统在基础研究和早期应用研究方面依然表现出色，但需要对国内基础设施进行更多投资，重新重视制造科学与工程，并培养一支灵活的劳动力队伍，以便将创新成果高效地转化为产业成果。 以可承受的价格快速获得设计和原型制作能力，将使国内创新更快地从研发过渡到制造。从器件规模到晶圆规模，无论是接近或处于前沿工艺节点，还是对于模拟和非硅技术非常重要的更成熟节点，都需要具备相应的能力。学生和研究人员需要获得这些能力，以进行体验式劳动力培训。 获得准备充分的人才是整个价值链面临的重大挑战，需要短期和长期的解决方案。要使美国成为吸引高需求领域优秀外国人才的磁铁，就需要有受欢迎的途径。需要改进课程和外联工作，发展和扩大公平、包容和多样化的国内科学、技术、工程和数学（STEM）人才库，为微电子研发和半导体行业提供支持。 要确保整个创新生态系统取得成功，就必须与盟友和合作伙伴进行强有力的合作。半导体产业是全球性的，任何国家都无法单独汇集技术、供应链和专业知识来支持尖端研发和制造。科技外交将是吸引盟友和合作伙伴的重要工具。
提高微电子的能效对于可持续发展越来越重要。微电子使用的快速增长和能效提高的同步放缓正在带来新的经济和环境风险。为了降低这些风险，微电子研发投资必须关注能源效率和整个生命周期的可持续性，包括减少能源消耗。
为降低这些风险，微电子研发投资必须注重能源效率和整个生命周期的可持续性，包括减少使用稀缺材料或对环境有害的材料。 保护知识产权对于确保美国产业获得经济效益以维持私人研发投资至关重要。必须保护美国本土开发的关键知识产权，同时提高在合作中适当共享信息的能力。应用研究旨在提供技术判别因素，使微电子制造商在市场上获得战略优势。必须实施并有效执行保障措施（如网络安全、知识产权执法等），以确保关键创新不会在无意中或不适当地受到侵犯。
05 什么是 "堆栈"？
在本报告中，"堆栈 "或 "全堆栈 "指的是组成右图所示完整微电子系统所需的全部科学技术要素，从最基本的硬件（如材料和电路）一直到高级软件及其应用。(背景图片为最先进芯片的横截面。图片来源：NIST）。
这些趋势和机遇为本文件中提出的目标、需求和战略提供了依据，这些目标、需求和战略旨在通过合作研究、利用先进的基础设施以及整个微电子研发企业的共同设计文化来加快创新和转化的步伐。必须重点发展和维持一个充满活力、相互联系的微电子生态系统，以确保美国在这一重要领域的领先地位。
微电子创新生态系统
微电子创新生态系统非常复杂，是资本、知识和研发极其密集的产业。目前，全球尖端微电子制造仅依赖于少数几家公司，研究人员利用先进工艺的机会十分有限。不需要大批量生产的学术界、政府和产业界研究人员获得推进研发前沿所需的能力有限，这极大地限制了他们开发创新并将其过渡到前沿制造的能力。获得尖端能力的机会有限也限制了为劳动力发展提供体验式培训的机会。CHIPS 法案的投资旨在解决这些问题。
除了当前 CMOS 技术的领先优势之外，微电子行业还面临着与创新步伐加快以及学术界、能源部 (DOE) 国家实验室和其他联邦政府资助的研发中心 (FFRDC)、非营利性实验室、政府机构和大小公司所涌现的多样化技术爆炸性增长相关的深刻变化。需要建立并加强将新的研究进展转化为应用的有效途径，以确保美国从研发投资中获益，并确保关键知识产权 (IP) 可用于国内制造。此外，随着制造业面临新的挑战，必须将这些技术需求反馈给研究界。
作为国家研发生态系统的一部分，有 20 多个联邦机构为研发提供资金，活动的性质由各机构的任务决定2商务部 (DOC)、美国国家航空航天局 (NASA)、美国国家科学基金会 (NSF)、国土安全部 (DHS)、卫生与公众服务部 (HHS)、国防部、能源部和其他联邦机构既支持校内研发（在政府设施和能源部国家实验室内进行），也支持校外研发（由学术界、产业界和其他组织通过赠款、合同和其他协议进行）。联邦研究资金所支持的研发活动范围广泛，这就要求对所开发的知识产权加以保护，防止无意、强迫或胁迫的技术转让。各机构还通过各种机制支持各级教育的劳动力发展，包括支持正规和非正规学习、实习和奖学金；课程开发；以及协调努力，扩大对科学、技术、工程和数学的参与。虽然每个机构都有以任务为导向的优先事项，决定了其微电子相关研究的重点，但正如下文和本战略通篇所讨论的那样，目前有多种机构间机制来协调研发优先事项和计划，并确保研究成果的共享，实现互利。
在微电子创新生态系统中，联邦资金的一个重要组成部分是对技术开发过程中基础设施的支持。对于早期阶段的研究，学术机构、政府设施、能源部国家实验室和其他 FFRDCs 都有许多设施，特别是用于材料和器件制造与表征的设施。联邦投资的另一个领域是网络基础设施，包括建模、模拟和数据。与 "国家纳米技术计划"（NNI：National Nanotechnology Initiative ） 相连的几个用户设施网络为学术界、工业界和政府的研究人员提供了使用支持微电子研发的成套工具和科学专业知识的机会。这些设施极大地拓宽了小型企业和机构研究人员的参与范围，而这些企业和机构自己是无法购买这些设备的。这有助于实现需要专业设施和设备的创新的民主化，特别是在半导体研发和制造方面。
一旦在设备层面实现了概念验证，由于缺乏必要的先进开发能力，创新在当前的美国生态系统中往往会受到阻碍。需要对国内材料供应、设计、制造和封装能力进行投资，以解决实验室到制造（实验室到制造）之间的差距。需要进行投资，以支持和维持新设备和架构的先进原型和放大，以及相关的制造和计量仪器，并配合所需的软件和应用设计。此外，研究人员和学生利用这些能力将为扩大国内微电子人才队伍提供实践经验培训。
2021 年《美国 CHIPS 法案》授权多项计划帮助弥合实验室到实验室之间的差距，而 2022 年《CHIPS 法案》则为这些计划拨款。2021 年美国 CHIPS 法案》第 9903 节授权国防部建立国家微电子研发网络，以实现美国微电子创新从实验室到工厂的过渡。第9906节指示国防部建立一个国家半导体技术中心，以开展先进半导体技术的研究和原型开发；在NIST建立一个微电子研究计划，以开展半导体计量研究和开发；建立一个国家先进封装制造计划，以加强半导体先进测试、组装和封装能力；以及最多三个专注于半导体制造的美国制造研究所。
在更广泛的美国研发生态系统中，全国各地有许多地区性创新中心，由产业集群组成，辅以联邦政府支持的学术中心，通常侧重于特定技术和/或地方研究优势。这些地方中心是宝贵的国家资源，确保它们与包括微电子在内的整个研发生态系统的其他要素良好结合，将加强国家创新基础。
美国半导体行业在研发方面投入巨大，预计 2022 年将达到近 600 亿美元。为了保持其世界领先的研发支出，美国公司必须有机会进入外国市场，凭借卓越的技术参与竞争并取得胜利。贸易政策必须保护美国公司在全球市场不受歧视。与盟友和合作伙伴的合作和协调将有助于解决国家安全问题，并帮助美国公司在激烈的全球技术领先竞争中站稳脚跟。
白宫和联邦各部门及机构认识到，开放是研发领先的基础，国际人才流动对全球企业的成功至关重要。然而，正如《第 33 号国家安全总统备忘录实施指南》（NSPM-33）中所明确指出的，美国政府及其合作伙伴必须加强研发保护，防止外国政府的干预和利用，尽职尽责地保护知识资本和财产。保护措施可包括：改进基于风险的研究合作和拟议外国投资评估流程；美国专家积极参与国际标准组织；在研究安全方面与国际合作伙伴进行更密切的协调；以及在整个微电子研发界开展有关该主题重要性的宣传和教育活动。
全政府方法
认识到微电子技术对我们的健康、环境、经济和国家安全的重要作用，美国政府正在采取整体行动，以保持和提升美国及其盟国在这一重要领域的全球领导地位。2022 年 8 月 25 日，拜登总统发布了《关于实施 2022 年 CHIPS 法案的行政命令》，确定了实施的优先事项，并成立了 CHIPS 实施指导委员会，以协调政策制定，确保在行政部门内有效实施该法案。指导委员会由白宫科技政策办公室（OSTP）、国家安全委员会（NSC）和国家经济委员会（NEC）的主任共同主持，成员包括国务院、财政部、国防部、商务部、劳工部和能源部的部长；管理和预算办公室（OMB）主任；小企业管理局局长、国家情报局局长、总统国内政策助理、经济顾问委员会主席、国家网络总监、国家科学基金会主任以及国家标准与技术研究所所长。该委员会确保对整个政府正在进行的工作和投资的了解，并协调内阁层面的政策制定。
根据《2021 财年威廉-麦克-索恩伯里国防授权法案》第 9906(a)条，OSTP 在国家科学技术委员会下设立了微电子领导力小组委员会（SML）。小组委员会成员包括商务部、国防部、能源部、卫生与公众服务部、国家科学基金会、国务院、国土安全部和国家情报局局长办公室。代表白宫的部门包括：OSTP、OMB、NEC、NSC 和美国贸易代表办公室。
同样根据第 9906(a)条，小组委员会负责制定本《国家微电子研究战略》；协调与微电子有关的研究、开发、制造和供应链安全活动以及联邦机构的预算；并确保这些活动与本战略保持一致。作为负责协调未来十年微电子工作的机构，SML 正在制定结构框架和活动，以最好地发挥这一作用，包括建立以教育和劳动力发展以及国际参与为重点的工作组。各参与机构正在利用各自的权力推动研发工作，促进支持美国产业的政策，保护知识产权，确保国内获得安全的微电子技术。各机构还共同支持改善 STEM 教育和提高 STEM 领域参与度的活动，以及培训和扩大各级微电子人才队伍的活动。联邦政府正在与盟友和合作伙伴接触和合作，以加强全球微电子创新生态系统和安全供应链。在白宫的协调下，这些努力不仅将促进新的研究进展，推动微电子创新，还将帮助这些进展向制造业过渡，为全美国人民提供高薪工作。
正如以下各节所详述的，白宫和联邦各部门和机构将与学术界、产业界、非营利组织以及国际盟友和合作伙伴共同努力，为未来微电子技术的研究进展提供动力；建立最佳实践，确保高效、负责任地执行研发工作；支持和连接微电子研究基础设施；扩大、培训和支持多样化的劳动力队伍；以及促进研发工作向产业的快速过渡。
目标1 促进和加快未来微电子技术的研究进展
联邦政府支持的研发工作在为微电子技术的进步奠定基础，以及培养设计、制造和应用开发所需的研究人员和熟练技术人员方面发挥了重要作用。微电子技术的日益多样化和创新步伐的加快，以及全球制造和供应链面临的日益增长的风险，都要求联邦政府重新重视研发投资，以改变这些发展轨迹，确保国家未来的健康、经济领先地位和安全。要想取得成功，就必须制定战略，让研发生态系统的所有部门都参与进来，并充分利用教育、劳动力、制造业、贸易以及地区经济发展的努力和政策。联邦机构必须与产业界、学术界以及合作伙伴和盟友合作，通过合作研究、利用先进的基础设施以及整个微电子研发企业的共同设计文化，加快创新和转化的步伐。
在过去的六十年里，计算能力和能源效率取得了令人难以置信的进步，这在一定程度上得益于持续的微型化（材料、设计、计量学和制造领域的同步进步为其提供了支持）。然而，随着最小器件特征尺寸接近原子尺度，晶体管的这种扩展趋势不可能无限期地持续下去。此外，一些新兴应用需要异质器件和材料。因此，半导体行业已进入一个快速而深刻的变革时期，仅靠硅基器件的不断微型化已无法维持性能的提升。
例如： 数据的爆炸式增长和机器学习（ML）带来的人工智能的出现，推动了 "内存计算 "和其他新型内存密集型和以内存为中心的架构的发展，这些架构有望克服 "冯-诺依曼瓶颈"--在独立的内存和计算元件之间来回传输数据所造成的能效低下和高延迟。 随着芯片内和芯片间数据传输速率的提高，以前仅用于光纤长距离链路的光子互联技术正与电子器件集成在先进的封装中，以高效地传输数据。
材料和器件方面的进步使得利用毫米波和太赫兹系统进行超高频自由空间通信成为可能。
先进的光子技术有望提供专用的人工智能/机器学习（AI/ML）硬件，以低功耗和超高速运行。
一、自第一台数字计算机问世以来微电子器件规模的巨大进步
本图展示了集成电路或芯片上元件数量随时间推移而发生的变化，以及促成不同进展浪潮的一些技术创新。作为参考，第一台使用真空管制造的可编程电子通用数字计算机 ENIAC 是 1945 年的第一点。第一个晶体管于 1947 年发明，由锗制成，长约 1 厘米。第一个硅晶体管在几年后问世。第一块硅集成电路于 1959 年底问世。20 世纪 60 年代初，随着第一个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）集成电路的发明，元件的数量开始成倍增长。每当进展放缓时，制造科学、材料和器件设计方面的进步都会为这一领域重新注入活力。在第一波浪潮中，晶体管（这些芯片的基本构件）尺寸的缩小直接导致了芯片上元件数量的急剧增加和单个晶体管成本的大幅降低--摩尔定律就是在这种情况下产生的。最初的平面集成电路从小规模集成（SSI）到中大规模集成（MSI）到大规模集成（LSI）再到超大规模集成（VLSI）。在第二次浪潮中，新材料的引入，包括从铝到铜互连的过渡，提高了速度、功率和可靠性，并使晶体管尺寸进一步缩小。第三次浪潮始于使用鳍式场效应晶体管（FinFET）的平面晶体管向三维（3D）晶体管的过渡，从而实现了更高的性能提升和持续的微型化。由于缩小晶体管尺寸的技术（目前只有几个原子宽）已达到物理极限，因此需要采取新的策略。我们正处于 "第四波微电子浪潮 "的起点，告别了器件缩放的时代，进入了一个由异构技术和三维器件集成创新驱动更高性能的时代。在继续努力缩小晶体管尺寸的同时，必须开发新的工具、制造方法和电路架构，以实现持续进步。
正如导言中所提到的，人们呼吁不仅要支持塑造和推动微电子学的基础科学和工程学，包括计算机科学、计算架构、物理学、化学和材料科学，而且要广泛接受集成设计原则，在此原则下，这些不同方面的研究相互协同，相互指导，并考虑到可持续发展。为了确保最终用途的能力和要求能够为研究提供参考，并确保研究突破能够迅速融入开发工作，堆栈的各个层面之间进行开放式交流是必不可少的。只有这样的综合方法才能保证系统的关键属性，如安全性、可靠性和耐辐射性从一开始就被设计进去，并在整个开发周期中得到考虑。最后，随着生产、运行和最终回收微电子系统所需的资源预计会增加，估算整个生命周期总能耗和成本的综合方法将需要整个供应链的投入和专业知识，以确定开发更高效架构和流程的机会。
二、集成设计
集成设计是指由应用驱动的从堆栈顶部到底部的持续双向信息流。将最终用户的需求与研发联系起来，对于快速、集中的技术开发以及将研发成果投放市场至关重要。右图展示了堆栈各层次之间的双向信息流：从材料到电路的物理模型；材料和工艺；架构、器件和电路；异构集成和封装；算法和软件；以及通信和网络。
未来微电子领域的领先地位需要工业界克服器件物理和制造方面的重大挑战。因此，需要进行深入创新，以确定新型材料和器件，并将其从实验室过渡到实验室，从而实现功能和性能的持续进步。要成功建立从实验室到制造厂的途径，就必须重新关注基础科学与制造技术之间的交叉。要满足信息与计算技术（ICT）系统对存储、带宽和处理能力日益增长的需求，以及 ICT 以外应用领域的预期增长，就需要从器件到系统、从设计到工艺技术的研究与开发。这一战略的核心是需要获得设计和制造设施，包括那些配备有非常规材料和/或工艺的设施，这些设施通常与硅（Si）- CMOS 技术相结合。需要充分利用堆栈各个层面的创新，以便在尖端硅（Si）-CMOS 的复杂可扩展设计方面取得进一步进展。
此外，还需要在表征工具和技术方面取得进展，以便对新材料和新设计进行详细而全面的研究，并以前所未有的空间分辨率、灵敏度、带宽和吞吐量进行研究。电路和系统的复杂性不断增加，包括那些在多个物理域中与信号一起工作并在多个物理域中相互作用的电路和系统，这就需要有互补的多模式计量工具以及新的建模和仿真能力来测量性能并提供必要的数据，以支持 EDA、DTCO 和系统技术共同优化 (STCO)。随着这些模型的复杂程度不断提高，它们将越来越多地为制造工艺的改进提供信息。
除了在硬件-软件堆栈之间进行协调外，还需要通过研究成果的协同流动在整个研发界进行协调，以取得最佳成果。大学和小型企业的研究人员必须能够使用设计工具、制造设施和相关基础设施来测试他们的想法。商业制造设施将从与新型技术方法的早期测试者的合作中受益。同样，从美国大学毕业的高级研究人员在这些领域的技能培训也将使企业的研发工作受益匪浅。这种合作的一个重要方面必须是建立和维护有效的研究安全措施，以防止研发活动造成意外的技术转让。
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发表于 2024-4-3 09:00:33