美国半导体研究 ： 通过创新实现领导力

American 半导体研究： Acknowledgements 如果没有我们的BCG同事RamiroPalma，RajVaradarajan，AniketPatil和AmitRai以及我们的SIA同事JimmyGoodrich， EricBreckenfeld，RobertCasanova和SusieZhiSu的贡献，这份报告是不可能的。 半导体行业协会(SIA) 半导体行业协会（SIA）是半导体行业的代言人，半导体行业是美国最大的出口行业之一，也是美国经济实力，国家安全和全球竞争力的关键驱动力。半导体——实现现代技术的微型芯片——为改变我们生活和经济的令人难以置信的产品和服务提供动力。半导体行业在美国和美国直接雇用了超过25万的工人。S.2021年半导体公司销售总额为2580亿美元。SIA占美国的99%S.半导体行业的收入和近三分之二的非美国S.芯片公司通过这一联盟，SIA寻求通过与国会、政府和全球主要行业利益相关者合作，加强半导体制造、设计和研究的领导地位，以鼓励推动创新、推动业务和推动国际竞争的政策。了解更多信息。www.semiconductors.org. 目录 Page1 Page3 Page5 Page7 Page10 Page11 Page12 Page14 Page16 Page24 Page25 执行摘要 半导体研发是将创新思想转化为技术进步和能力的过程，以创造更多，更先进的半导体 半导体研发很重要，是支持美国技术领先地位的创新良性循环的一部分 在美国的研发生态系统中，政府、学术界和私营企业都在资助和实施推动商业创新的研发方面发挥着重要作用。 美国研发生态系统面临若干挑战，包括与试点和原型设计相关的挑战，这些挑战阻碍了生态系统的有效性。 其他地区正在采取措施缓解这些挑战并提高其研发生态系统的相对有效性 负责半导体研发现有公共投资的实体将继续在美国研发生态系统中发挥重要作用 作为对这些实体的补充，CHIPS法案建立了重要的新组织，并为应对挑战提供了机会美国研发生态系统 NSTC和NAPMP应通过在多个领域的投资来提高美国的经济竞争力美国可以采用一系列最佳实践来确保这项公共投资的成功 Appendix 执行摘要 从为数据中心供电到控制火星漫游者Perseverance，与几年前相比 ，世界现在对半导体的需求更多。与过去一样，满足这些需求以及在美国经济中实现技术领先地位将需要通过对半导体研发（R＆D ）的投资来实现新的创新。到 如果一项创新在商业上有用，则在扩展到批量生产之前，必须遍历研发的五个阶段。每个连续的阶段都越来越具有挑战性：1-2项创新需要大量的初始赌注才能达到批量生产。 研发是支持美国的创新良性循环的关键部分。S.技术领先。创新产生了卓越的技术和产品，这些技术和产品用于商业生产时，可提供对未来研发进行大量投资所需的资金。为了发展这些创新，美国S.半导体行业仅在2021年就投入了500亿美元用于研发。随着2022年《芯片与科学法案 》的通过，联邦政府已准备就绪。 进行有史以来最大的半导体研发投资。半导体研发的国家战略应将这项投资针对美国研发生态系统中的关键差距，以振兴创新渠道，以使 研发与商业优先，并加强美国的技术竞争力。 虽然美国拥有世界一流的国家实验室、大学和创新所需的公司，但其半导体研发生态系统在引导投资、提供资源、促进合作以及将创新推向市场(即实验室与晶圆厂之间的差距)方面面临挑战。如果不加以解决，这些挑战将限制生态系统的有效性。 与此同时，其他地区正在采取措施缓解这些挑战，并通过欧盟自己的芯片法案和韩国的“K-半导体带”倡议等举措提高自身研发生态系统的有效性。 2022年CHIPS和科学法案的资金将通过建立两个新的实体，即国家半导体技术中心（NSTC）和国家先进封装制造计划（NAPMP），扩大现有美国半导体研发组织的范围和影响。 NSTC和NAPMP为美国研发生态系统提供了一个关键的框架、重点和资金，确保技术创新为维持美国半导体的长期领导地位铺平道路。NSTC和NAPMP补充了旨在提高国内半导体产能的强有力的《CHIPS法案》条款。 NSTC和NAPMP应彼此紧密结合，并应彻底纳入行业声音 为了最有效地促进美国的技术竞争力并鼓励商业收购。根据我们与行业领导者的广泛磋商， NSTC和NAPMP应该在半导体行业广泛合作，并支持美国的研发 通过在五个关键领域的投资来增强生态系统的能力。 NSTC和NAPMP的五个关键投资领域 1 过渡和扩展寻路研究 NSTC和NAPMP应有助于弥合早期研发与规模生产之间的差距。两者都应加强研发生态系统进行研发和将距离生产5至15年的技术商业化的能力，这些技术的区域领导地位尚未确定。NSTC和NAPMP可以成为协调行业和其他机构的研发工作的中心，允许行业参与其感兴趣的计划，并使机构能够将自己的资金集中在各自的任务上。 2&3研究基础设施和 发展基础设施 5 劳动力 NSTC和NAPMP应在扩大，升级和提供与研发重点相一致的机构技术开发能力方面发挥积极作用。这两项举措既不能平均分配资金，也不能将投资集中在单一技术或地点。相反，两者都必须根据技术需求平衡高度分布式网络的优势与规模优势。具体来说，它。 至关重要的是，NSTC和NAPMP在可能的情况下使用现有基础架构，以利用CHIPS资金并通过从可用资源中受益来实现更快的学习。这对于试点和原型设计以加速和扩大商业化工作尤为重要。NSTC和NAPMP将为研究工作提供的主要支持是通过原型设计和放大为有前途的技术建立过渡路径 。 NSTC和NAPMP应推广一系列扩大规模和技能的计划捍卫和加强美国研发生态系统及其所支撑的经济竞争力。如果没有这些努力，高技能的研发人员（半导体设计，制 造和价值链的其他活动）的供应不足可能会限制创新的步伐。2 4协同发展 NSTC和NAPMP应通过召集公司解决复杂的技术问题来支持全栈创新，这些问题将从整个计算堆栈的协作中受益加快技术、工具和方法的发展。1例如，创建下一代数据中心需要汇集先进材料、新计算体系结构、包装、软件等方面的专业知识。特别是，NAPMP可以召集技术专家向组织提供输入 例如,在开发用于异构集成、小芯片和安全技术的其他组件的集成标准时,类似于电气和电子工程师协会(IEEE)和联合电子设备工程委员会(JEDEC)。 1.2030年半导体十年计划确定了计算堆栈的8个高级组件：应用程序，软件，算法，架构，电路，设备，结构和材料。 2.有关半导体价值链的七项差异化活动的更多信息，请参见BCGxSIA的《加强全球半导体价值链》 半导体研发是将创新思想转化为技术进步和能力的过程，以创造更多，更先进的半导体 半导体或芯片在现代世界的功能中无处不在，并且对现代世界的功能越来越重要。从为数据中心提供动力，分析历史上前所未有的数据量，到控制火星探测器在充满挑战的环境中的毅力，世界要求更多 与几年前相比，今天来自其半导体。满足这些需求-并在整个美国经济-将需要对半导体研发（R＆D）进行持续投资。 自成立以来，研发一直是半导体行业成功的关键因素。虽然以前的 SIA报告集中在发生的活动上 在半导体设计或半导体制造期间，本报告将讨论半导体研发的作用及其在技术竞争力中的重要性。 Ingeneral,aninnovationmusttraversefivephasesofR&Dtobecommerciallyuseful.Thesephasesdifferinimportantways,includinginthenumberofpotentialinnovationsin aportfolioandinthelevelsofecosystemcollaboration,investmentneeds,andtechnicalchallenges.(seeExhibit1) 随着潜在的创新从新想法到生产规模的采用，生态系统中各组织之间的协作水平也会发生变化。基础研究 扩大知识基础被认为是“竞争前”。基础研究通常涉及研发生态系统中公司、政府和其他组织之间的合作，供应链或 与竞争相关的考虑因素。随着潜在的创新越来越接近在批量生产中使用，与供应链和竞争相关的考虑因素也在增加，并且更多的研发发生在组织内部而不是组织之间。 并非所有潜在的创新都能实现批量生产。少数创新要成功实现批量生产，需要许多潜在创新的组合。总体投资成本和技术 尽管剩余的可行的潜在创新数量下降，但挑战会分阶段出现。鉴于投资需求、技术挑战和生态系统基础设施的局限性，许多潜在的创新往往无法穿越原型和试点的“死亡之谷”。即使他们取得了进展，与规模扩张相关的成本和人才限制也可能令人生畏——财务风险可能会高出几个数量级。 （见附件2） 半导体研发很重要，是支持美国技术领先地位的创新良性循环的一部分 创新成功穿越研发阶段的能力至关重要。在批量生产时，创新会产生卓越的技术和产品。 卓越的技术和产品反过来提高了美国的市场份额和利润率，并提供了对未来研发进行大规模投资所需的资金。 创新的良性循环代表着机会，不会自动发生。它取决于贯穿五个阶段的潜在创新的持续管道。从历史上看，美国研发生态系统在整个过程中都支持创新。 例如，美国军方在1980年代需要性能超出硅极限的半导体材料。海军研究办公室（ONR）和国防高级研究计划局（DARPA）确定并促进了学术界与工业界的合作，以推进 化合物半导体材料通过创新的阶段，并将其定制为工业用途。所产生的材料，如氮化镓，今天用于民用 和军事应用，是一个有实力的领域 美国工业。现在，许多公司都投资于化合物半导体材料，用于从电动汽车到移动网络的各种应用 为了防御。 研发是关键的竞争战场。对于美国的长期技术领先地位至关重要的是，最重要的半导体创新可以在 缺乏对创新商业化支持的美国研发管道可能会加速包括对手在内的其他竞争国家和地区的努力。 创新的良性循环提供了宝贵的机会，但其实现尚不确定。幸运的是，未来几年将有机会加强 聚光灯: Extreme 紫外线光刻 作为在美国开始研发但在海外商业化的创新的一个例子，请考虑极紫外（EUV）光刻。光刻是 半导体制造，利用光在硅片等材料上产生极小的图案。EUV光刻是该工艺的高度先进版本，用于许多最先进的芯片，如领先智能手机中的芯片。U.S.公共投资在支持EUV光刻技术方面发挥了早期和持续的作用，同时在韩国和日本进行了平行投资。 在1980年代后期，新的应用推动了对晶体管持续扩展的需求。尽管EUV的潜力是众所周知的，但业内许多人认为，鉴于技术原因，EUV不可行 和其他挑战。尽管如此，DARPA还是资助了高级光刻计划，该计划对EUV反射计进行了早期研究。SEMATECH是一个非营利性联盟，致力于研发以推进芯片制造，并与业界和学术界合作超过15年，以获取和构建业界认为风险过高的基础设施和专业知识。包括ASML，英特尔，三星和台湾半导体制造公司（TSMC）在内的一系列公司投资了100亿至170亿美元，将EUV成熟为一种商业上可行的技术。ASML今天是唯一一家能够以商业上可行的方式实施EUV光刻技术的公司。截至2022年7月，只有台积电，三星和英特尔正在使用EUV开发半导体工艺技术。 美国研发生态系统，延长创新的良性循环-以及美国的技术领先地位 -通过下一代半导体技术。除了为半导体制造奖励拨款390亿美元外 ，2022年的《芯片与科学法案》还为 半导体研发和技术从实验室到市场的过渡。这130亿美元是本报告的重点。随着《芯片和科学法案》的颁布，国会和政府认识到半导体研发对美国的重要性。 Thestrategiesforimprovingcomputationtechnologieschange. Investmentneedsinexistingdimensionslike 晶体管的规模正在上升。与此同时，先进封装和异构集成等领域的机会正在出现。需要跨多个学科的创新来