美国专家的半导体发展建议！

a)从2023年开始，此后每年，网络与信息技术研究与开发(NITRD)项目应整理并公布所有联邦机构的半导体年度投资数据。

b) NSTC应鼓励所有半导体研发投资的机构充分利用NSTC的设施和能力。我们建议NSTC与其他机构以及公私合作伙伴扩大共同资助项目，在这些项目中，研究议程具有协同作用，例如，国防高级研究计划局(DARPA)的电子复兴计划，由NSF计算机与信息科学与工程理事会赞助的半导体未来研究，以及由半导体研究公司实现的广泛的多部门合作。

c)商务部长应制定并定期评估绩效指标，以评估CHIPS和《科学法案》举措的进展、有效性、结果和影响，并每年向总统报告。

半导体对于现代生活的各个方面都是必不可少的——包括工作、学习、商业、通信、运输、航空航天、国防、医疗保健和许多其他行业。自20世纪40年代以来，联邦政府通过与工业界和学术界的深入合作，在半导体工业的发展中发挥了核心作用，使美国成为半导体收入方面的世界领导者。半导体工业协会的分析发现，全球半导体收入为5560亿美元，其中美国公司占了47%的市场份额;半导体是美国第四大出口产品;该行业直接雇用了近30万美国人，间接增加了160万个就业机会。半导体不仅对我们的经济实力至关重要，而且对我们的国家安全也至关重要。半导体为智能武器和精确制导弹药提供了“情报”，几乎所有军事系统都需要半导体。

基于半导体的超级计算机被用于密码分析、设计武器系统以及确保核储备的安全和可靠性。因此，我们的国防依赖于我们在微电子系统设计和开发方面的全球领导地位，以及执行这项重要工作的熟练半导体劳动力。新型冠状病毒(COVID-19)大流行导致对依赖半导体的产品的需求空前增长，导致供应链中断，突显出半导体的极端重要性和半导体生态系统的脆弱性。在半导体领域的领先地位是确保我们的经济繁荣和国家安全的国家优先事项，这一点从未如此明确。

虽然总部位于美国的公司在收入方面领先世界，但我们在半导体领域的领先地位近年来一直在下降，而亚洲的能力一直在增强。由于认识到半导体的战略重要性，亚洲许多国家的政府都通过产业政策进行了大量投资，以扩大其业务范围和能力。例如，韩国的半导体收入近年来增长迅速，目前占全球市场的21%，这是由于他们在内存和存储技术方面的进步。中国台湾现在是制造业的主要地区，生产世界上92%的尖端半导体。

2014年6月，中国政府公布了一项雄心勃勃的计划，承诺在未来10年投入1500亿美元推进半导体研究、开发和制造，目标是到2030年成为半导体领域的世界领导者。2019年，中国宣布成立第二只半导体基金，承诺再投资290亿美元。最近，韩国和欧盟也宣布了大量投资。今天，大约有12%的半导体是在美国制造的，延续了从1990年37%的长期下降趋势。2021年，85%的半导体制造设备运往亚洲国家(28%运往中国)，而只有7%的制造设备运往北美。

如果美国不增加在半导体制造业的投资，据估计，到2030年，我们国家的半导体产量将占世界总产量的不到10%，而中国的半导体产量将占全球总产量的近30%。自半导体行业诞生以来，初创企业一直是其成功的关键驱动因素。然而，美国半导体创业公司的资金却没有跟上其他国家的步伐。据2022年5月的新风险投资报告显示，只有18%的半导体初创公司位于美国，相比之下，59%的半导体初创公司位于中国。同样，美国联邦政府对半导体相关研发(R&D)活动的资助在国内生产总值(gdp)中所占的比例一直相对平稳，而该领域成功所需的投资规模却大幅增加。2017年1月，PCAST向奥巴马总统发布了一份报告，确定了确保美国在全球半导体生态系统中长期领导地位的行动。这份报告的核心发现是，美国只有通过创新和跑得更快才能保持领导地位。今天情况仍然如此，采取行动的需要已变得更加迫切。

为了扭转美国半导体领导地位下降的局面，拜登政府采取了大胆行动，投资、制定和实施了一项全面战略，以重建国内半导体生态系统，加强美国在日益激烈的全球竞争中的领导地位。2021，作为2021财政年度《国防授权法案》的一部分，两党共同制定的《为美国生产半导体（芯片）的有益激励法案》被制定为法律。

随后，2022年8月9日，拜登总统签署了《芯片与科学法案》，该法案拨款507亿美元用于半导体投资，包括支持美国制造业的激励措施以及《美国芯片法案》授权的半导体研发投资。

《芯片和科学法案》是一项历史性的、改变游戏规则的投资，有可能扭转我国在全球半导体生态系统中地位下降的轨迹，为我们提供了一次千载难逢的机会，确保美国在未来几十年里成为半导体领域的明确领导者。为了补充促进半导体制造业的努力，该行业和联邦政府的努力已经很好地覆盖了半导体制造业，本报告就拜登政府如何在整个美国半导体生态系统中最大限度地利用该法案拨付的110亿美元研发投资，以造福于我们的经济和国家安全提出了建议。

在过去二十年中，半导体技术变得越来越复杂，需要更多的投资来开发下一代技术。目前，半导体开发的成本接近数亿美元，用于技术前沿的设计，以及数十亿美元的原型制作和制造投资。由于这些高成本，能够参与研发的公司和学术机构越来越少，这对美国半导体创新的未来有着严重的影响。

这个问题可以通过创建公司和学术界可以共享的国家研发基础设施来解决。如果没有共享的基础设施，大多数公司、研究人员和企业家将继续面临重大的创新障碍。《芯片和科学法案》为商务部提供资金，以创建国家半导体技术中心（NSTC）和国家先进封装制造计划（NAPMP），提供支持和支持美国半导体研发所需的共享基础设施。NSTC将建立先进的半导体和封装原型设施，供学术界、初创企业和知名公司使用。该中心将在共享环境中实现快速、低成本的原型制作，同时推进美国的研究议程，加快半导体劳动力发展。与NSTC合作，NAPMP将制定一项国家计划，以加强美国半导体先进测试、组装和封装能力。这一基础设施将能够展示新的创新，而不需要个别机构对设施进行重大投资，也不需要目前所需的较长交付周期。我们强烈支持这些倡议，并为其结构、治理和实施提供建议。

建议1：商务部长应在2023年底前将NSTC建立为公私合作的独立法人实体。商务部长应选择一个董事会，董事会应监督NSTC和NAPMP，以确保投资的协同效应和一致性。董事会成员应包括来自政府、行业和学术界的广泛代表。NSTC是美国半导体史上最大的同类企业。唯一一家类似的企业是SEMATECH，它是美国半导体公司和国防高级研究计划局（DARPA）于1987年成立的公私合作企业，最初的投资规模要小得多，为5亿美元。

NSTC的成功实施需要正确的结构、治理和指导原则。PCAST建议将NSTC建立为公私合作伙伴关系，以促进整个美国半导体生态系统的参与、合作和创新。商务部应鼓励学术界、行业和政府广泛参与NSTC。行业参与应涵盖半导体生态系统的所有方面，包括材料和设备供应商、电子设计自动化公司、无晶圆厂设计公司、集成设备制造商、代工厂和系统公司。联邦政府的参与应包括在半导体领域具有深厚专业知识的机构，例如国家科学基金会（NSF）和DARPA等。

商务部长应将NSTC和NAPMP的治理合并，以增加投资的协同效应，减少基础设施重复的可能性。监督这两项举措的董事会应由美国半导体行业的成员以及学术界和美国政府的代表组成。董事会应选择一名独立的NSTC首席执行官（CEO），并成立一个技术咨询委员会来指导研究议程。NAPMP可以作为NSTC内的一个独立实体进行管理，并有自己的预算，同时为更大的NSTC研究议程做出贡献并参与其中。图1说明了一个建议的NSTC治理和运营模型。

在尽可能的情况下，NSTC应与美国以外的类似组织（如欧洲大学间微电子中心和联盟国家的半导体公司）合作，以利用资源、现有基础设施和能力。此类参与应反映互惠原则、研究安全原则以及与共同价值观的一致性。然而，从全球竞争和国家安全的角度来看，由于这项工作的战略性质，任何外国实体都不应成为董事会或技术咨询委员会的成员。

图1：NSTC拟定结构

建议2：商务部长应确保NSTC成立章程，包括在地理上分散的模型中建立原型能力，该模型包括六个围绕主要技术推力（如高级逻辑）的卓越联盟（COE）；先进内存；模拟和混合信号；生命科学应用；设计和方法；和包装。包装COE应包括NAPMP倡议的预算和目标。

与SEMATECH等以前的工作不同，在SEMATECH，基础设施只有一个中心位置，我们认为，鉴于要涵盖的技术的广度，NSTC基础设施应该构建在分布式区域模型中。这也将在全国范围内分配创造就业机会。NSTC应与学术机构联系起来，以支持教育和劳动力发展，并为开展学术研究提供设施。

为了实现这些结果，NSTC原型基础设施应尽可能利用现有生态系统和基础设施，必要时扩充区域和学术基础设施。作为一种模式，NSTC可以组织大约六个COE，包括广泛的学术、行业和地区代表：1）先进内存；2）高级逻辑；3）模拟和混合信号；4）架构、设计和工具；5）包装（包括NAPMP倡议的任务）；6）新兴技术，包括生命科学。这六个方面代表了强大而充满活力的美国半导体生态系统所需的关键技术。

每个COE本质上都应该是高度多学科和跨职能的，具有原型制作能力和涵盖材料、装置、设备、建模、测试和其他学科的研究议程。每个COE的原型开发能力都应该支持学术、创业和行业活动。COE之间的强有力协调对于提供支持建议8和9中概述的研究议程和重大挑战的集成系统和解决方案至关重要。此外，NSTC的基础设施也有机会与其他联邦倡议一起发挥作用，如国防部的微电子共享计划，该计划旨在提供从实验室到工厂的原型开发能力，以加强美国国防相关的微电子创新。以下提供了特遣队所属装备活动的实例。

• 卓越联盟活动示例
  

模拟和混合信号COE可以具有下一代模拟、混合信号、电源管理和高压设备、射频和高速技术以及智能传感的研究和原型制作能力。这些活动可以支持通信基础设施、智能城市、自动驾驶汽车、绿色能源以及医疗、保健和健康领域的广泛学术和商业应用。高级逻辑COE可以为下一代高级逻辑、内存、芯片以及3D和异构集成提供研究和原型制作能力。先进内存COE可以专注于未来几代内存的研究和原型制作能力、新的内存技术概念，以及内存与计算和高级3D内存概念的异构集成。这两项COE活动将支持广泛的学术和商业应用，以实现领先半导体工艺技术和产品的领导地位。他们还将在与2.5D/3D封装和异构集成相关的领域与封装COE密切合作。

一个强大的知识产权（IP）框架，包括专利、商标、版权和商业秘密，对于保持美国半导体的领先地位和NSTC的长期成功至关重要。所有权和许可的知识产权框架对于降低初创企业和学术研究人员的进入壁垒，以及缩短通过访问启用知识产权从“实验室到工厂”所需的时间也至关重要。我们建议，由COE资助开发的所有知识产权（即会员费、政府资助、州或大学资助）应作为研究和商业产品的非排他性、免版税的永久许可证授予声誉良好的COE成员。知识产权的所有权将由发明人或发明人各自的机构保留。实践NSTC创建的IP所需的任何预先存在的IP都将由预先存在IP的所有者预先确定。如果NSTC选择使用此预先存在的IP，则应尽可能以最佳条款向成员授予许可。在最终的IP框架和安全定义中，应采用半导体研究公司（Semiconductor research Corporation）和欧洲大学间微电子中心（Interuniversity Microelectronics Centre）等既定研究模式的最佳实践。

半导体集成电路、芯片、设计和制造的复杂性和精密性要求训练有素的微电子工作人员具备广泛的科学、技术、工程和数学（STEM）学科和教育水平的知识和技能。半导体行业中超过50%的工人拥有学士或研究生学位。此外，与半导体行业相关的其他工作都是需要熟练技术劳动力的高薪工作。半导体工业协会的一项研究估计，《芯片与科学法案》的制造业激励措施将在未来几年内为美国创造额外的280000个新工作岗位，其中42000个直接在半导体行业创造，101000个用于支持供应链，而其余的工作岗位则是通过工资支出创造的。许多新的工作岗位将集中在高技能的工程师和技术员岗位上，但美国的大学、学院而职业学校目前的毕业生人数远远达不到满足这一需求所需的人数。

为了吸引更多的学生学习半导体，课程必须抓住他们的兴趣和想象力。要做到这一点，重要的是让学生小组能够创新，并获得构建自己的半导体芯片的实践经验。由于构建硬件所需的时间较长以及芯片设计和原型制作过程的整体复杂性，这在当今的芯片设计方法中是不可能的。小团队快速展示想法的能力是20世纪80年代半导体革命的动力，也是今天吸引学生进入计算机科学领域的关键力量。因此，迫切需要通过创造激励性的课程体验和提供动手芯片设计和原型制作的机会来重新激发学生对半导体的兴趣。这需要更新教育课程和学术研究及培训设施，以跟上芯片设计和制造技术的发展。还迫切需要通过带薪实习和学徒制为学生提供实际工作经验。

建议三：商务部长应与国家科学基金会主任协调，支持在2023年底前建立国家微电子教育和培训网络，并在未来5年内拨款10亿美元，用于升级教育实验室设施，支持课程开发，并促进该领域的教师招聘。

为了确保美国微电子生态系统拥有健康的人才管道，以促进其蓬勃发展，并保持在半导体研究、设计和制造领域的全球领导地位，需要采用新的方法来吸引和培训规模更大、更多样化的劳动力。2021年的一项调查发现，在半导体劳动力中，黑人员工占4%，西班牙裔员工占13%，这落后于制造业和美国整体劳动力。此外，截至2019年，半导体劳动力中女性员工不到25%。在大多数半导体公司中，只有不到1%的领导职位是由女性担任的。当我们希望增加半导体领域的工人总数时，我们必须从所有的背景和地理区域吸引全国的人才。为了拥有广泛而多样化的劳动力队伍，我们必须接触到学生所在的地方。有才华的学生分布在全国各地，他们在各种类型的机构。必须做出明确的努力，为所有学生和工人创造机会，特别是那些在STEM和微电子教育方面历史上服务不足的学生和工人，并在全国范围内提供高薪工作。为此，国家微电子学培训网络应包括对分布在全国各地的至少50所大学和学院的实验室设施和设备进行升级，包括为少数民族服务的机构（例如：历史上的黑人学院和大学，西班牙裔服务机构，亚裔美国人和太平洋岛民服务机构，以及部落学院和大学）；课程开发并向大学、社区学院和职业学校传播；以及在全国各地的学术机构招聘新的微电子学教师。

• 振兴美国微电子学教育和支持劳动力发展的建议

1. 在5年内投入7.5亿美元（每年1.5亿美元），用于升级现有的教育和研究实验室设施和设备，这些设施和设备对于半导体设计、制造、封装和测试方面的实践学习和培训至关重要，并用于支付50个中心学术机构实验室中的实践学习和培训项目的运营成本。

2. 在5年内投入1亿美元（每年2000万美元），用于支持课程开发和在全国学术机构网络（包括大学、社区学院和职业学校）中共享课程。大学课程将包括芯片设计和学生设计的芯片原型制作课程，而社区学院和职业学校的课程将包括技术培训。网络内的几所大学将得到资助，以维护芯片设计和原型制作的软件工具和流程，然后网络内的所有学术机构都可以利用这些工具和流程。

3. 5年内5000万美元（每年1000万美元），用于支持大学获得符合行业标准的电子设计自动化和技术计算机辅助设计软件工具、设计流程和多项目晶片制造在半导体铸造厂中运行以用于教学和研究目的。类似于金属氧化物硅实施服务、Muse Semiconductor或example.com的组织europractice-ic.com可以充当多项目晶圆运行的聚合器，并维护工艺设计套件、库和附带的培训材料。

4. 在5年内投入1亿美元（每年2000万美元），以激励至少100名新教师和教学人员的聘用，最终使美国高等教育系统的微电子产品产量每年增加10000名来自各个教育领域的新毕业生。这笔资金可用于帮助支付新教师招聘前3至5年的工资和福利费用，并为新教师招聘提供启动资金。值得注意的是，对于那些以实验为导向的研究人员来说，启动成本很容易超过100万美元。

建议四：商务部长应确保NSTC资助的研究（见下文建议8）每年为整个教育领域提供约2500份奖学金和研究奖学金。

由于高等教育的高成本可能会阻碍学生入学，商务部应确保NSTC资助的研究每年通过研究奖学金（针对研究生）和奖学金（针对本科生和社区大学生）支持大约2500名学生，以激励他们追求和完成与微电子学相关的学位。这些研究金和奖学金中的部分或全部可以与工业界合作提供，以保证毕业后的就业。国家科学基金会有现有的选择和管理程序，以授予奖学金和研究奖学金，可以利用适当的这一NSTC资助的研究。

建议五：国土安全部应实施现有的法律和监管机构，为新提交的基于就业的第二优先高级学位移民申请提供溢价处理，寻求国家利益豁免，以在微电子领域工作。

虽然长期教育投资对于培养半导体行业的下一代人才至关重要，但美国还必须制定政策，吸引和留住世界各地最有才华、最有动力和受过高等教育的人才。作为拜登政府对这些政策的承诺的象征，2022年1月，五项此类机构政策以国际STEM人才招聘和保留为重点。其中一项政策更新是提供指导，详细说明何时可以考虑高级STEM学位持有者参与具有实质价值的工作，这些工作是国家利益豁免移民申请的一部分。这一类是为可以自我请愿的个人保留的，因为他们的努力奋进和贡献的重要性。应继续在这方面作出努力，以评估是否可以采取进一步的机构行动。例如，为了确保美国公司能够接触到全球领先的人才，在微电子领域工作的高级学位专家首次提交签证申请时，应提供额外的处理。此外，需要立法更新国家的管理移民法规，以反映各种现代现实，包括当移民是根据他们的技能和教育来选择时，原籍国不应该是问题。在等待这种全面改革的同时，一个中间步骤是根据现行法律授予高级STEM学位持有者合法的永久居民身份，而不考虑每个国家或世界范围内从事微电子工作的个人的数量上限。

一个健康的创业生态系统对美国半导体行业的繁荣至关重要。事实上，今天领先的半导体公司都是从初创公司起步的，从20世纪60年代末的英特尔和先进微设备公司到20世纪80年代的高通公司，再到20世纪90年代初的英伟达和博通公司。初创公司可以比老牌公司更灵活，可以瞄准新兴市场和新技术。初创企业是将大学和其他研究实体（例如， DARPA）的重要技术和产品推向市场的良好工具，也是从成熟公司剥离出不再符合公司战略方向的重要技术和产品的绝佳工具。尽管初创公司很重要，但半导体开发成本的上升和半导体市场的整体规模在过去十年中导致了行业的巨大整合。从2010年的160家公司增加到2020年底的97家。自2013年以来，半导体初创公司每年占风险资本投资的比例都不到1%（图2）。

图2：自2001年以来美国风险资本在半导体领域的投资比例

来源：f Pear Ventures提供，使用2022年8月从Crunchbase检索的原始数据。

大多数风险投资机构都倾向于需要最少投资并且有可能在4-6年内获得10倍收益的创业技术。与软件或服务创业公司相比，半导体创业公司在上市或被收购之前需要更多的资金（数千万至数亿美元），需要更长的时间才能达到这一阶段，并且投资回报率低几个数量级。例如，所需的投资范围从数千万美元的简单模拟、电源和传感元件到高达5亿美元的前沿半导体。高成本主要是由于设计复杂性、电子设计自动化工具、IP许可、工具和制造成本。这抑制了新公司和新产品的创建。在过去几年中，由于对人工智能和新应用的兴趣，对半导体初创公司的投资有所增加，从2018-2020年期间的每年约60笔交易增加到2021年的75笔交易。然而，这些对半导体的投资远远超过了中国的投资，该基金在2020年资助了400多家企业。为了帮助降低进入壁垒并鼓励更多半导体领域的初创企业，我们建议采取以下行动。

建议六：商务部长应确保到2023年底，NSTC建立一个5亿美元的投资基金，为半导体初创企业提供资金支持和实物原型和工具。

一个投资基金将抵消半导体初创公司的高资本要求和他们需要很长时间才能达到正现金流。这将创造一个公平的竞争环境，使这些投资更具吸引力，从而促进更多半导体初创公司的创建，并支持和加速半导体生态系统中的创新。NSTC投资基金可以直接投资于半导体初创企业或半导体孵化器，提供行业专业知识、培育和指导，以及资金支持。NSTC投资基金将通过在种子前和种子轮投资早期阶段的公司产生最大的影响，这通常是最高的风险。NSTC还应保留向合格的初创企业提供实物支持的能力，以降低或零成本获得原型和工具。

建议七：商务部长应确保NSTC在2025年底前创建或资助创建一个具有完整软件堆栈的“chiplet”平台，以便初创企业和学术机构能够将其定制的chiplet与NSTC支持的小芯片平台集成，来展示新的创新，以显著减少投资和时间。

许多半导体设计复杂性都可以在产品的非创新部分找到（尤其是前沿的片上系统）。许多初创公司和学术机构面临的挑战是，他们必须获得并集成几个关键的IP组件，从微处理器到高速接口，再到定制存储器，这些组件只是一个工作系统所需的基本组件，然后才能添加创新的“秘方”。

软件开发通常通过向复杂的、但已存在的和工作的代码库添加少量或适量的代码来避免类似的挑战。我们也可以通过构建一个“小芯片”生态系统来进行芯片设计，这将允许在已经运行的硬件/软件平台上添加小型/适度但具有创新性的硬件和代码，以快速、廉价地捕捉创新的影响。要做到这一点，必须提供一个平台系统芯片，与一个支持软件栈，提供一个接口，其中包含系统的创新部分的“小芯片”可以使用先进的封装连接。这样的生态系统将使初创企业或学术机构能够只设计系统的创新部分（硬件和软件），同时大幅降低其开发成本和所需投资。这类似于苹果的App Store和Google Play如何改变软件设计和交付，让更多的人更快、更简单地创建和销售他们的程序。我们预计，通过软件创建一个小芯片生态系统，将使一个SoC芯片初创公司所需的资本减少一个数量级，并将产品上市所需的时间减少两倍或更多。减少这些障碍反过来将为半导体初创公司带来更多的产品开发机会，也使学术创新变得更简单、更快、更便宜。NSTC应建立在与该“小芯片”生态系统相关的现有项目的基础上，包括DARPA作为电子研究计划和其他行业工作的一部分正在进行的工作。

美国在全球半导体生态系统中的领导地位需要在多个关键的相互关联的技术领域中取得显著和持续的进步。在每个领域内，都存在大量技术挑战，需要基础研究和原型开发能力来引导新的解决方案从研究原型到规模扩大和商业采用。

建议八：商务部长应确保NSTC的成立章程将年度资金的相当大一部分（约30%至50%）用于直接资助国家研究议程。研究议程应具有广泛性，并涉及以下领域：材料、工艺和制造技术；封装和互连技术；高能效计算和特定领域加速器；设计自动化工具和方法；半导体和系统安全；半导体和生命科学。

虽然NSTC的大部分资金将用于急需的设备和基础设施，但我们认为，大部分资金也应用于直接资助研究和合作。一个广泛而有力的研究议程对NSTC的成功和美国的全球竞争力至关重要。

下面，我们确定了一些关键的研究主题，作为NSTC研究议程的一部分，这些主题将非常有影响力。最终的研究议程应由NSTC执行团队在NSTC技术咨询理事会的指导下提出。

（a）材料、工艺和制造技术

摩尔定律，即集成电路上的晶体管数量每两年翻一番，从而提高性能，已经支配半导体行业50多年。然而，这种趋势近年来已经减缓，并且基本的物理挑战阻碍了晶体管尺寸的持续减小和性能的改进。下一代材料、工艺技术和大批量制造解决方案需要创新，以继续缩小芯片尺寸，并在性能、能效和成本方面取得必要的进步。

NSTC的研究议程应包括实现先进逻辑、先进存储器、模拟、混合信号和射频器件所需的材料、工艺和制造技术，这些都是构建完整系统所必需的。此外，用于异构集成的基础工艺技术（即，在同一芯片上混合不同技术）和3D堆叠（即，将芯片堆叠在彼此的顶部以产生更密集和更有能力的芯片）是关键的。为了确保从实验室的初始想法快速过渡到大批量生产，材料和设备的开发应与器件和工艺技术同步进行。这些活动将主要在高级逻辑、先进存储器以及模拟和混合信号COE中进行。

(b)封装和互连技术

近年来，随着用于减小芯片尺寸的传统技术已经放慢，封装和互连技术对于性能、密度和系统级的持续改进已经变得更加重要。这需要在芯片、封装、设计、架构和系统层面进行创新和联合开发。由NAPMP提供资金的包装卓越中心是推进该领域研究和提供原型能力的关键资源。

需要在各种工艺技术中开发成本效益高的晶圆键合技术、先进的建模能力和高效的功率传输系统，以实现异构集成和3D堆叠解决方案。此外，还应建立能够连接小芯片生态系统中的逻辑、存储器和模拟组件的行业标准接口。先进的封装和互连技术还必须提供安全的即插即用技术和标准，以实现各种半导体组件的无缝集成，这对未来美国半导体技术和供应链实力至关重要。

(c)高能效计算和特定领域加速器

特定领域加速器，即，专注于特定应用的专用芯片，随着半导体技术扩展速度放缓，具有继续扩展性能和能效的潜力，并且它们对于实现建议9中所述的重大挑战至关重要。该领域的一个挑战是研究特定领域加速器的架构和设计方法，这些架构和方法对于算法和应用的快速变化更有弹性。弹性可以来自于引入针对域的可编程性。这些加速器可以推动多个感兴趣领域的进步，包括人工智能和机器学习（云端和边缘的推理和训练）、图形分析、安全、通信、生物信息学以及连续和离散优化。此外，还需要对加速器与处理器、存储器系统和片上系统的其余部分之间的接口进行标准化研究。

特定领域的硬件专门化通常需要对软件堆栈进行重大修改，以正确利用加速器。由于维护整个软件堆栈的开销很大，因此加速器的实际使用远远落后于其设计。因此，对于快速变化的应用领域，一个关键的挑战是自动化可编程加速器和将应用程序映射到加速器的编译器的协同设计。我们建议进行投资，以支持全面的软件生态系统，使编写和执行新的应用程序高效，并可供各种加速器访问。

(d)设计自动化工具和方法

设计自动化工具和方法的创新对于缩短产品上市时间、实现更高水平的性能和系统集成至关重要。提高设计水平，使芯片和IP可以从高级描述（寄存器传输级以上）编译，就像编译软件一样，这有可能大大提高设计效率。人工智能可以应用于设计过程的每一步，以提高生产率和改善结果质量。设计工具（其中一些基于人工智能）可以极大地提高模拟、混合信号和RF电路的生产率，而这些电路目前主要是手工设计的。

此外，下一代异构架构还需要仿真和虚拟原型技术来支持对硬件和软件的指数级增长的复杂性进行验证。

(e)半导体和系统安全

犯罪和国家支持的网络攻击对美国构成了越来越大的威胁。为了实现安全系统，必须考虑系统的各个方面，包括传感器、数据转换器、计算、内存、存储和通信，同时提供抵御侧通道攻击的鲁棒性并确保供应链的安全性。对于安全半导体芯片的设计存在巨大的机会。为了最大限度地提高效率，必须将安全性作为设计的一个组成部分，而不是在芯片设计完成后再添加。

学术界、行业和政府利益相关方有机会将可信的系统实施方法标准化。具体的机会是将算法和软件/系统设计师与芯片设计师聚集在一个卓越的中心，开发下一代安全系统。尽管开源安全方法对于创新和透明性来说是最好的，但它们仍然令行业不快。我们必须解决这种不情愿，使美国能够继续成为标准化安全方法的全球领导者。

我们设想该领域的研究议程应包括但不限于以下内容：

(1)针对完全安全的端到端硬件和软件解决方案而设计，这些解决方案能够抵御针对操作、数据和通信的各种形式的攻击;（2）芯片设计工具链中的安全性，其将使得端到端安全解决方案能够通过设计来验证;（3）覆盖芯片制造、封装和系统集成的安全硬件供应链;（4）后量子密码的实现;(5)为安全通信和交易实施低功率加密技术;(6)用于处理加密数据的其它隐私保护硬件实现。

(f)半导体与生命科学

半导体对人类健康具有积极影响的应用实例很多，从可穿戴式心脏监护仪、葡萄糖传感器、医疗机器人和超声成像到起搏器和脑深部刺激器等植入式设备。COVID-19大流行表明，生命科学领域的创新可以以前所未有的速度发生，从生产快速检测技术到突破性的基于mRNA的疫苗。半导体有潜力在疾病的早期检测和预防、连续监测和治疗中发挥核心作用。美国是生命科学研发的全球领导者，其中一些计划已经利用微电子的潜力来推进神经科学和生物医学研究。我们相信，鉴于机器学习、异构集成以及设备性能和尺寸改进的巨大能力，这一进程甚至可以进一步加快。一些示例研究方向包括但不限于：以下内容：（1）多模态神经科学解决方案，其能够实现各种疾病的监测、缓解或治愈;（2）可植入和可摄取的电子器件;（3）将半导体与生物学结合以用于特定的感测功能;（4）下一代可佩戴生物传感器和执行器。

这些系统将需要集成不同的技术，例如基于各种材料甚至生物细胞的传感器、嵌入式机器学习和其他处理、存储器、安全通信和执行器，以及能够在恶劣环境中很好地发挥作用的材料（例如，在人体内）。由于这些系统必须依靠微小的能源甚至是能量收集来工作，因此迫切需要开发超低功耗解决方案。

材料实验是关键，但传统的半导体晶圆厂并不适合引入生命科学所需的非标准或“脏材料”。还需要获得先进的包装，能够为恶劣环境引入新材料。NSTC COE可以提供对这些关键原型制作设施和打包解决方案。

最后，访问大型匿名数据集来训练机器学习模型将加快这些领域的研究，并有助于解决生命科学新硬件解决方案缓慢的审批流程。NSTC COE应与政府机构、大学、医疗中心、医疗技术、半导体和保险公司合作，以改善研究人员对大型数据集的访问。

建议九：NSTC应确定一系列全国性的重大挑战，这些挑战通过NSTC行业成员和NSTC资助的研究之间的合作来实现。这些重大挑战应涵盖三个互补领域，这三个领域将受益于大规模的全国性合作：先进的计算进入zettascale时代；显著降低设计复杂性；生命科学应用中应用的半导体。

对于未来的大规模创新，需要在流程、设备、架构、设计、应用和系统级别进行广泛而深入的协作。NSTC非常适合推动NSTC资助的研究团队、NSTC产业成员、初创企业和政府之间的大规模和全国性合作，以推动能力的逐步提高。我们建议国家科学技术委员会将建议8中规定的一部分研究经费分配给几个成为全国性重大挑战的大型项目。这些重大挑战将制定雄心勃勃的目标，目标是在5至10年的时间范围内大幅提高业绩和/或能力。我们建议这些重大挑战涵盖以下主题：

（a）先进计算进入zettascale时代：美国应该是第一个建造zettascale超级计算机的国家，目标是比目前最快的超级计算机快1000倍，而每次运行所需的能量仅为目前系统的百分之一。这一令人难以置信的计算能力将使极其复杂的计算能够以不同于今天所能完成的规模和效率来完成，而且将在预测气候变化、了解和预测野火活动、设计疫苗、个性化癌症治疗、了解人类大脑等领域掀起新一轮科学发现浪潮。此外，这种高效计算能力的大幅提升可能会带来下一代体验，如虚拟实境（metaverse）和互联网上新形式的感官交互。实现这些目标需要逻辑、存储器、混合信号和封装技术的革命性进步，因此需要NSTC COE之间的跨学科研究。

（b）降低设计复杂性：创建平台、方法和工具，以降低设计复杂性，并使芯片制造所需的工时仅为现在的十分之一。由于技术缩放/集成以及对功率、性能、面积、可制造性、可靠性和安全性的日益苛刻的要求，半导体设计成本和复杂性已显著增加。这些问题因劳动力短缺而进一步恶化。设计工具和方法的进步既可以提高劳动力的生产率，也可以降低初创企业的准入门槛，从而鼓励美国半导体行业拥有更大、更多样化的参与者。

（c）生命科学中的半导体：创建一个高能效、可扩展且安全的平台架构，用于监控和治疗健康、保健和疾病。该平台应该是无缝的和微创的，帮助患者和医生感知、驱动、监测、缓解症状和治疗各种情况。创建一个这样的工具库将带来远远超出今天的进步。为了推动最具影响力的应用，需要在传感、计算和通信方面进行重大改进。例如，今天的神经探针可以记录来自数千个位点的电信号，并从数百到数千个神经元收集数据。其目标是将记录信号的神经元数量增加100到1000倍。同样，我们需要从人体收集大量数据，并将这些数据保密，这就需要创建一套超低功耗的安全解决方案，其能耗仅为当今解决方案的百分之一。

联邦政府对半导体的投资涉及商务部、能源部、国防部、NSF、卫生与公众服务部以及其他机构。美国政府已经并将致力于进行重大投资，以振兴美国半导体生态系统，并采取各种举措来实现这一目标。有效协调这些举措对于减少工作重复和最大限度地利用纳税人的钱并使其获得回报至关重要。因此，美国应该制定一个有凝聚力的国家战略，加速向强大的、世界领先的半导体产业迈进。

联邦政府对半导体的投资涉及商务部、能源部、国防部、NSF、卫生与公众服务部以及其他机构。美国政府已经并将致力于进行重大投资，以振兴美国半导体生态系统，并采取各种举措来实现这一目标。有效协调这些举措对于减少工作重复和最大限度地利用纳税人的钱并使其获得回报至关重要。因此，美国应该制定一个有凝聚力的国家战略，加速向强大的、世界领先的半导体产业迈进。建议十：为了提高联邦半导体投资工作的透明度，衡量整个行业在联邦层面的进展，并最大限度地利用此类投资，我们建议如下：

（a）从2023年开始，网络和信息技术研究与开发（NITRD）计划应每年整理并公布所有联邦机构的半导体年度投资数据。

（b）NSTC应鼓励所有进行半导体研发投资的机构充分利用NSTC的设施和能力。我们建议NSTC与其他机构和公私合作伙伴扩大和共同资助项目，其中研究议程是协同的，包括，例如，DARPA的电子复兴计划，由NSF计算机和信息科学与工程理事会赞助的半导体未来研究，以及由半导体研究所促成的广泛的多部门合作。

（c）商务部长应制定并定期评估绩效措施，以评估《芯片和科学法案》倡议的进展、有效性、成果和影响，并每年向总统报告。

NSTC的潜在指标可能包括但不限于：

• NSTC COE的绩效和时间表以及项目里程碑的年度审查，以及实现重大挑战目标的进展情况

• 每年来自非联邦成员的收入（包括实物捐助）

• 提交和授予的专利和版权数量

• 使用NSTC设施进行原型开发的组织（初创企业、大学、行业）数量

• 由NSTC直接或实物捐助资助的半导体初创公司数量

• 大学聘用人数：

• 获得资助的学生人数

• 发表的关于NSTC研究的论文数量

• 获得劳动力发展基金资助的学生人数

• 对美国的经济价值，衡量标准为：

• 技术领导地位

• 美国半导体供应链的稳健性

• 支持和创造的直接和间接就业机会

• 通过半导体实现国家安全

这份衡量标准列表并不全面。然而，在建立NSTC的早期就按投资阶段定义成功的度量标准是非常重要的，以确保明确和普遍理解的目标。

我们正处于美国半导体创新和国际竞争力的决定性时刻。两党共同通过的《芯片和科学法案》提供了一个千载难逢的机会。这是我们在这一对现代生活几乎每个方面都至关重要的关键技术领域重新确立全球领导地位的新一代机会。这10项建议的实施将为振兴美国半导体研发生态系统奠定坚实的基础，显著加快创新速度，增强我们在这一关键领域的经济竞争力，为下一代奠定坚实的基础。

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