執(zhí)行概要

　　半導(dǎo)體是當今信息時代的基礎(chǔ)，是全球經(jīng)濟的支柱。它們對美國的經(jīng)濟和國家安全至關(guān)重要，并為數(shù)據(jù)中心、通信、汽車、航空航天和國防、個人計算設(shè)備、工業(yè)、娛樂、醫(yī)療保健和許多其他市場提供“智能”。從經(jīng)濟和技術(shù)的角度來看，要保持世界領(lǐng)先地位，半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位至關(guān)重要。目前，美國是全球半導(dǎo)體收入的領(lǐng)導(dǎo)者，但這種領(lǐng)導(dǎo)地位正受到前所未有的全球競爭對手的挑戰(zhàn)。例如，美國制造的半導(dǎo)體在全球所占的份額已從1990年的37%下降到今天的12%。與此同時，亞洲國家，特別是中國，一直在半導(dǎo)體制造和研發(fā)(R&D)方面大舉投資，以提高本國能力，并增強其在全球市場的影響力。

　　美國要保持半導(dǎo)體行業(yè)的世界領(lǐng)先地位，該行業(yè)的大部分附加值必須發(fā)生在美國。PCAST積極支持兩黨《芯片與科學(xué)法案》的通過，其中包括為一個千載難逢的機遇提供大量資金，以果斷加強美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)，以應(yīng)對日益加劇的全球競爭。這項投資表明我們國家致力于維持和發(fā)展我們的國內(nèi)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)，并為美國人民帶來利益，包括高質(zhì)量的就業(yè)機會、技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

　　工業(yè)界和政府支持和加速半導(dǎo)體制造的努力正在進行中：作為拜登政府努力在美國擴大半導(dǎo)體制造的一部分，許多新項目正在計劃中，并準備破土動工。然而，對一個強大和健康的美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)同樣重要的研發(fā)計劃卻沒有得到同樣多的關(guān)注。為了填補這一空白，本報告就拜登政府如何最大限度地利用《芯片和科學(xué)法案》中的半導(dǎo)體研發(fā)資金提供建議，通過創(chuàng)建強大的半導(dǎo)體研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施、教育和培訓(xùn)下一代半導(dǎo)體勞動力以及推動我們的國家研究和創(chuàng)新議程，為美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的長期健康和競爭力實現(xiàn)最大利益。

　　《芯片與科學(xué)法案》為商務(wù)部在5年內(nèi)投資110億美元用于半導(dǎo)體研發(fā)，其中包括一個國家半導(dǎo)體技術(shù)中心(NSTC)和一個國家先進封裝制造計劃(NAPMP)，此外，該法案還撥款390億美元用于國內(nèi)半導(dǎo)體制造的財政援助。這是半導(dǎo)體研發(fā)領(lǐng)域歷史性的重大投資，可以決定性地加強美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)。為了實現(xiàn)這一目標，NSTC和NAPMP必須激發(fā)公共和私營部門之間的廣泛合作，發(fā)展和培養(yǎng)美國的半導(dǎo)體人才，并推動雄心勃勃的研究和創(chuàng)新議程。

　　執(zhí)行本報告中列出的10項建議將為重振美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)奠定堅實的基礎(chǔ)。這些措施中的每一項都可以由拜登政府發(fā)起，采用全面的公私合作關(guān)系，以維持和發(fā)展我們的國內(nèi)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)。我們相信，這些舉措的實施可以改變我們目前的發(fā)展軌跡，重建我們在半導(dǎo)體領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。

　　建議

　　1. 商務(wù)部長應(yīng)在2023年底前將NSTC確立為公私合作關(guān)系中的獨立法律實體。商務(wù)部長應(yīng)選擇一個董事會，該董事會應(yīng)監(jiān)督NSTC和NAPMP，以確保投資的協(xié)同作用和一致性。委員會成員應(yīng)包括來自政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛代表。

　　2. 商務(wù)部長應(yīng)確保NSTC的創(chuàng)始章程包括在地理分散的模型中建立原型能力，該模型包括最多六個圍繞先進邏輯等主要技術(shù)推進的卓越聯(lián)盟(COE)；先進存儲；模擬和混合信號；生命科學(xué)應(yīng)用程序；設(shè)計和方法；封裝。COE應(yīng)該包含NAPMP計劃的預(yù)算和目標。

　　3.商務(wù)部長應(yīng)與國家科學(xué)基金會(NSF)主任協(xié)調(diào)，支持在2023年底前建立一個國家微電子教育和培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)，并在未來5年撥出約10億美元的資金，用于升級教育實驗室設(shè)施，支持課程開發(fā)，并促進該領(lǐng)域的教師招聘。

　　4. 商務(wù)部長應(yīng)確保NSTC資助的研究(見下文建議8)每年在教育領(lǐng)域支持約2500個獎學(xué)金和研究助理獎學(xué)金。

　　5. 國土安全部應(yīng)執(zhí)行現(xiàn)有的法律和監(jiān)管機構(gòu)，為尋求國家利益豁免、以微電子行業(yè)就業(yè)為基礎(chǔ)的高學(xué)歷移民新提交的移民申請?zhí)峁﹥?yōu)先處理。

　　6. 商務(wù)部長應(yīng)確保到2023年底，NSTC創(chuàng)建一個約5億美元的投資基金，為半導(dǎo)體初創(chuàng)企業(yè)提供資金支持和實物原型和工具。

　　7. 商務(wù)部長應(yīng)確保NSTC在2025年底前創(chuàng)建或資助創(chuàng)建一個具有完整軟件堆棧的“chiplet”平臺，以便初創(chuàng)企業(yè)和學(xué)術(shù)機構(gòu)能夠?qū)⑵涠ㄖ频腸hiplet與NSTC支持的chiplet平臺集成，從而在大幅減少投資和時間的情況下展示新的創(chuàng)新。

　　8. 商務(wù)部長應(yīng)確保NSTC創(chuàng)始章程將年度資金的很大一部分，大約30%到50%，直接資助一項國家研究議程。這一研究議程應(yīng)該是廣泛的性質(zhì)，并解決以下領(lǐng)域：材料，過程和制造技術(shù)；封裝和互連技術(shù)；節(jié)能計算和領(lǐng)域特定加速器；設(shè)計自動化工具和方法；半導(dǎo)體和系統(tǒng)安全；還有半導(dǎo)體和生命科學(xué)。

　　9. NSTC應(yīng)該確定一系列全國性的重大挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)通過NSTC產(chǎn)業(yè)成員和NSTC資助的研究之間的合作來實現(xiàn)。這些巨大的挑戰(zhàn)應(yīng)該跨越三個相互補充的領(lǐng)域，從大規(guī)模的全國性合作中受益：先進計算進入zttascale時代；顯著降低設(shè)計復(fù)雜度；以及在生命科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用半導(dǎo)體。

　　10. 為了提高對聯(lián)邦半導(dǎo)體投資努力的可見性，在聯(lián)邦層面衡量整個行業(yè)的進展，并最大化此類投資的杠桿作用，我們建議如下:

　　a)從2023年開始，此后每年，網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)研究與開發(fā)(NITRD)項目應(yīng)整理并公布所有聯(lián)邦機構(gòu)的半導(dǎo)體年度投資數(shù)據(jù)。

　　b) NSTC應(yīng)鼓勵所有半導(dǎo)體研發(fā)投資的機構(gòu)充分利用NSTC的設(shè)施和能力。我們建議NSTC與其他機構(gòu)以及公私合作伙伴擴大共同資助項目，在這些項目中，研究議程具有協(xié)同作用，例如，國防高級研究計劃局(DARPA)的電子復(fù)興計劃，由NSF計算機與信息科學(xué)與工程理事會贊助的半導(dǎo)體未來研究，以及由半導(dǎo)體研究公司實現(xiàn)的廣泛的多部門合作。

　　c)商務(wù)部長應(yīng)制定并定期評估績效指標，以評估CHIPS和《科學(xué)法案》舉措的進展、有效性、結(jié)果和影響，并每年向總統(tǒng)報告。

　　重振美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)

　　半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

　　半導(dǎo)體對于現(xiàn)代生活的各個方面都是必不可少的——包括工作、學(xué)習(xí)、商業(yè)、通信、運輸、航空航天、國防、醫(yī)療保健和許多其他行業(yè)。自20世紀40年代以來，聯(lián)邦政府通過與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的深入合作，在半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了核心作用，使美國成為半導(dǎo)體收入方面的世界領(lǐng)導(dǎo)者。半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會的分析發(fā)現(xiàn)，全球半導(dǎo)體收入為5560億美元，其中美國公司占了47%的市場份額;半導(dǎo)體是美國第四大出口產(chǎn)品;該行業(yè)直接雇用了近30萬美國人，間接增加了160萬個就業(yè)機會。半導(dǎo)體不僅對我們的經(jīng)濟實力至關(guān)重要，而且對我們的國家安全也至關(guān)重要。半導(dǎo)體為智能武器和精確制導(dǎo)彈藥提供了“情報”，幾乎所有軍事系統(tǒng)都需要半導(dǎo)體。

　　基于半導(dǎo)體的超級計算機被用于密碼分析、設(shè)計武器系統(tǒng)以及確保核儲備的安全和可靠性。因此，我們的國防依賴于我們在微電子系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)方面的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，以及執(zhí)行這項重要工作的熟練半導(dǎo)體勞動力。新型冠狀病毒(COVID-19)大流行導(dǎo)致對依賴半導(dǎo)體的產(chǎn)品的需求空前增長，導(dǎo)致供應(yīng)鏈中斷，突顯出半導(dǎo)體的極端重要性和半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。在半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位是確保我們的經(jīng)濟繁榮和國家安全的國家優(yōu)先事項，這一點從未如此明確。

　　雖然總部位于美國的公司在收入方面領(lǐng)先世界，但我們在半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位近年來一直在下降，而亞洲的能力一直在增強。由于認識到半導(dǎo)體的戰(zhàn)略重要性，亞洲許多國家的政府都通過產(chǎn)業(yè)政策進行了大量投資，以擴大其業(yè)務(wù)范圍和能力。例如，韓國的半導(dǎo)體收入近年來增長迅速，目前占全球市場的21%，這是由于他們在內(nèi)存和存儲技術(shù)方面的進步。中國臺灣現(xiàn)在是制造業(yè)的主要地區(qū)，生產(chǎn)世界上92%的尖端半導(dǎo)體。

　　2014年6月，中國政府公布了一項雄心勃勃的計劃，承諾在未來10年投入1500億美元推進半導(dǎo)體研究、開發(fā)和制造，目標是到2030年成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的世界領(lǐng)導(dǎo)者。2019年，中國宣布成立第二只半導(dǎo)體基金，承諾再投資290億美元。最近，韓國和歐盟也宣布了大量投資。今天，大約有12%的半導(dǎo)體是在美國制造的，延續(xù)了從1990年37%的長期下降趨勢。2021年，85%的半導(dǎo)體制造設(shè)備運往亞洲國家(28%運往中國)，而只有7%的制造設(shè)備運往北美。

　　如果美國不增加在半導(dǎo)體制造業(yè)的投資，據(jù)估計，到2030年，我們國家的半導(dǎo)體產(chǎn)量將占世界總產(chǎn)量的不到10%，而中國的半導(dǎo)體產(chǎn)量將占全球總產(chǎn)量的近30%。自半導(dǎo)體行業(yè)誕生以來，初創(chuàng)企業(yè)一直是其成功的關(guān)鍵驅(qū)動因素。然而，美國半導(dǎo)體創(chuàng)業(yè)公司的資金卻沒有跟上其他國家的步伐。據(jù)2022年5月的新風(fēng)險投資報告顯示，只有18%的半導(dǎo)體初創(chuàng)公司位于美國，相比之下，59%的半導(dǎo)體初創(chuàng)公司位于中國。同樣，美國聯(lián)邦政府對半導(dǎo)體相關(guān)研發(fā)(R&D)活動的資助在國內(nèi)生產(chǎn)總值(gdp)中所占的比例一直相對平穩(wěn)，而該領(lǐng)域成功所需的投資規(guī)模卻大幅增加。2017年1月，PCAST向奧巴馬總統(tǒng)發(fā)布了一份報告，確定了確保美國在全球半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)中長期領(lǐng)導(dǎo)地位的行動。這份報告的核心發(fā)現(xiàn)是，美國只有通過創(chuàng)新和跑得更快才能保持領(lǐng)導(dǎo)地位。今天情況仍然如此，采取行動的需要已變得更加迫切。

　　為了扭轉(zhuǎn)美國半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)地位下降的局面，拜登政府采取了大膽行動，投資、制定和實施了一項全面戰(zhàn)略，以重建國內(nèi)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)，加強美國在日益激烈的全球競爭中的領(lǐng)導(dǎo)地位。2021，作為2021財政年度《國防授權(quán)法案》的一部分，兩黨共同制定的《為美國生產(chǎn)半導(dǎo)體（芯片）的有益激勵法案》被制定為法律。

　　隨后，2022年8月9日，拜登總統(tǒng)簽署了《芯片與科學(xué)法案》，該法案撥款507億美元用于半導(dǎo)體投資，包括支持美國制造業(yè)的激勵措施以及《美國芯片法案》授權(quán)的半導(dǎo)體研發(fā)投資。

　　《芯片和科學(xué)法案》是一項歷史性的、改變游戲規(guī)則的投資，有可能扭轉(zhuǎn)我國在全球半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)中地位下降的軌跡，為我們提供了一次千載難逢的機會，確保美國在未來幾十年里成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的明確領(lǐng)導(dǎo)者。為了補充促進半導(dǎo)體制造業(yè)的努力，該行業(yè)和聯(lián)邦政府的努力已經(jīng)很好地覆蓋了半導(dǎo)體制造業(yè)，本報告就拜登政府如何在整個美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)中最大限度地利用該法案撥付的110億美元研發(fā)投資，以造福于我們的經(jīng)濟和國家安全提出了建議。

　　成立國家半導(dǎo)體技術(shù)中心（NSTC）

　　在過去二十年中，半導(dǎo)體技術(shù)變得越來越復(fù)雜，需要更多的投資來開發(fā)下一代技術(shù)。目前，半導(dǎo)體開發(fā)的成本接近數(shù)億美元，用于技術(shù)前沿的設(shè)計，以及數(shù)十億美元的原型制作和制造投資。由于這些高成本，能夠參與研發(fā)的公司和學(xué)術(shù)機構(gòu)越來越少，這對美國半導(dǎo)體創(chuàng)新的未來有著嚴重的影響。

　　這個問題可以通過創(chuàng)建公司和學(xué)術(shù)界可以共享的國家研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施來解決。如果沒有共享的基礎(chǔ)設(shè)施，大多數(shù)公司、研究人員和企業(yè)家將繼續(xù)面臨重大的創(chuàng)新障礙?！缎酒涂茖W(xué)法案》為商務(wù)部提供資金，以創(chuàng)建國家半導(dǎo)體技術(shù)中心（NSTC）和國家先進封裝制造計劃（NAPMP），提供支持和支持美國半導(dǎo)體研發(fā)所需的共享基礎(chǔ)設(shè)施。NSTC將建立先進的半導(dǎo)體和封裝原型設(shè)施，供學(xué)術(shù)界、初創(chuàng)企業(yè)和知名公司使用。該中心將在共享環(huán)境中實現(xiàn)快速、低成本的原型制作，同時推進美國的研究議程，加快半導(dǎo)體勞動力發(fā)展。與NSTC合作，NAPMP將制定一項國家計劃，以加強美國半導(dǎo)體先進測試、組裝和封裝能力。這一基礎(chǔ)設(shè)施將能夠展示新的創(chuàng)新，而不需要個別機構(gòu)對設(shè)施進行重大投資，也不需要目前所需的較長交付周期。我們強烈支持這些倡議，并為其結(jié)構(gòu)、治理和實施提供建議。

　　建議1：商務(wù)部長應(yīng)在2023年底前將NSTC建立為公私合作的獨立法人實體。商務(wù)部長應(yīng)選擇一個董事會，董事會應(yīng)監(jiān)督NSTC和NAPMP，以確保投資的協(xié)同效應(yīng)和一致性。董事會成員應(yīng)包括來自政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛代表。NSTC是美國半導(dǎo)體史上最大的同類企業(yè)。唯一一家類似的企業(yè)是SEMATECH，它是美國半導(dǎo)體公司和國防高級研究計劃局（DARPA）于1987年成立的公私合作企業(yè)，最初的投資規(guī)模要小得多，為5億美元。

　　NSTC的成功實施需要正確的結(jié)構(gòu)、治理和指導(dǎo)原則。PCAST建議將NSTC建立為公私合作伙伴關(guān)系，以促進整個美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的參與、合作和創(chuàng)新。商務(wù)部應(yīng)鼓勵學(xué)術(shù)界、行業(yè)和政府廣泛參與NSTC。行業(yè)參與應(yīng)涵蓋半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的所有方面，包括材料和設(shè)備供應(yīng)商、電子設(shè)計自動化公司、無晶圓廠設(shè)計公司、集成設(shè)備制造商、代工廠和系統(tǒng)公司。聯(lián)邦政府的參與應(yīng)包括在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有深厚專業(yè)知識的機構(gòu)，例如國家科學(xué)基金會（NSF）和DARPA等。

　　商務(wù)部長應(yīng)將NSTC和NAPMP的治理合并，以增加投資的協(xié)同效應(yīng)，減少基礎(chǔ)設(shè)施重復(fù)的可能性。監(jiān)督這兩項舉措的董事會應(yīng)由美國半導(dǎo)體行業(yè)的成員以及學(xué)術(shù)界和美國政府的代表組成。董事會應(yīng)選擇一名獨立的NSTC首席執(zhí)行官（CEO），并成立一個技術(shù)咨詢委員會來指導(dǎo)研究議程。NAPMP可以作為NSTC內(nèi)的一個獨立實體進行管理，并有自己的預(yù)算，同時為更大的NSTC研究議程做出貢獻并參與其中。圖1說明了一個建議的NSTC治理和運營模型。

　　在盡可能的情況下，NSTC應(yīng)與美國以外的類似組織（如歐洲大學(xué)間微電子中心和聯(lián)盟國家的半導(dǎo)體公司）合作，以利用資源、現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和能力。此類參與應(yīng)反映互惠原則、研究安全原則以及與共同價值觀的一致性。然而，從全球競爭和國家安全的角度來看，由于這項工作的戰(zhàn)略性質(zhì)，任何外國實體都不應(yīng)成為董事會或技術(shù)咨詢委員會的成員。

　　圖1：NSTC擬定結(jié)構(gòu)

　　建議2：商務(wù)部長應(yīng)確保NSTC成立章程，包括在地理上分散的模型中建立原型能力，該模型包括六個圍繞主要技術(shù)推力（如高級邏輯）的卓越聯(lián)盟（COE）；先進內(nèi)存；模擬和混合信號；生命科學(xué)應(yīng)用；設(shè)計和方法；和包裝。包裝COE應(yīng)包括NAPMP倡議的預(yù)算和目標。

　　與SEMATECH等以前的工作不同，在SEMATECH，基礎(chǔ)設(shè)施只有一個中心位置，我們認為，鑒于要涵蓋的技術(shù)的廣度，NSTC基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該構(gòu)建在分布式區(qū)域模型中。這也將在全國范圍內(nèi)分配創(chuàng)造就業(yè)機會。NSTC應(yīng)與學(xué)術(shù)機構(gòu)聯(lián)系起來，以支持教育和勞動力發(fā)展，并為開展學(xué)術(shù)研究提供設(shè)施。

　　為了實現(xiàn)這些結(jié)果，NSTC原型基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施，必要時擴充區(qū)域和學(xué)術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。作為一種模式，NSTC可以組織大約六個COE，包括廣泛的學(xué)術(shù)、行業(yè)和地區(qū)代表：1）先進內(nèi)存；2）高級邏輯；3）模擬和混合信號；4）架構(gòu)、設(shè)計和工具；5）包裝（包括NAPMP倡議的任務(wù)）；6）新興技術(shù)，包括生命科學(xué)。這六個方面代表了強大而充滿活力的美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)。

　　每個COE本質(zhì)上都應(yīng)該是高度多學(xué)科和跨職能的，具有原型制作能力和涵蓋材料、裝置、設(shè)備、建模、測試和其他學(xué)科的研究議程。每個COE的原型開發(fā)能力都應(yīng)該支持學(xué)術(shù)、創(chuàng)業(yè)和行業(yè)活動。COE之間的強有力協(xié)調(diào)對于提供支持建議8和9中概述的研究議程和重大挑戰(zhàn)的集成系統(tǒng)和解決方案至關(guān)重要。此外，NSTC的基礎(chǔ)設(shè)施也有機會與其他聯(lián)邦倡議一起發(fā)揮作用，如國防部的微電子共享計劃，該計劃旨在提供從實驗室到工廠的原型開發(fā)能力，以加強美國國防相關(guān)的微電子創(chuàng)新。以下提供了特遣隊所屬裝備活動的實例。

　　卓越聯(lián)盟活動示例

　　模擬和混合信號COE可以具有下一代模擬、混合信號、電源管理和高壓設(shè)備、射頻和高速技術(shù)以及智能傳感的研究和原型制作能力。這些活動可以支持通信基礎(chǔ)設(shè)施、智能城市、自動駕駛汽車、綠色能源以及醫(yī)療、保健和健康領(lǐng)域的廣泛學(xué)術(shù)和商業(yè)應(yīng)用。高級邏輯COE可以為下一代高級邏輯、內(nèi)存、芯片以及3D和異構(gòu)集成提供研究和原型制作能力。先進內(nèi)存COE可以專注于未來幾代內(nèi)存的研究和原型制作能力、新的內(nèi)存技術(shù)概念，以及內(nèi)存與計算和高級3D內(nèi)存概念的異構(gòu)集成。這兩項COE活動將支持廣泛的學(xué)術(shù)和商業(yè)應(yīng)用，以實現(xiàn)領(lǐng)先半導(dǎo)體工藝技術(shù)和產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)地位。他們還將在與2.5D/3D封裝和異構(gòu)集成相關(guān)的領(lǐng)域與封裝COE密切合作。

　　一個強大的知識產(chǎn)權(quán)（IP）框架，包括專利、商標、版權(quán)和商業(yè)秘密，對于保持美國半導(dǎo)體的領(lǐng)先地位和NSTC的長期成功至關(guān)重要。所有權(quán)和許可的知識產(chǎn)權(quán)框架對于降低初創(chuàng)企業(yè)和學(xué)術(shù)研究人員的進入壁壘，以及縮短通過訪問啟用知識產(chǎn)權(quán)從“實驗室到工廠”所需的時間也至關(guān)重要。我們建議，由COE資助開發(fā)的所有知識產(chǎn)權(quán)（即會員費、政府資助、州或大學(xué)資助）應(yīng)作為研究和商業(yè)產(chǎn)品的非排他性、免版稅的永久許可證授予聲譽良好的COE成員。知識產(chǎn)權(quán)的所有權(quán)將由發(fā)明人或發(fā)明人各自的機構(gòu)保留。實踐NSTC創(chuàng)建的IP所需的任何預(yù)先存在的IP都將由預(yù)先存在IP的所有者預(yù)先確定。如果NSTC選擇使用此預(yù)先存在的IP，則應(yīng)盡可能以最佳條款向成員授予許可。在最終的IP框架和安全定義中，應(yīng)采用半導(dǎo)體研究公司（Semiconductor research Corporation）和歐洲大學(xué)間微電子中心（Interuniversity Microelectronics Centre）等既定研究模式的最佳實踐。

　　教育和勞動力發(fā)展

　　半導(dǎo)體集成電路、芯片、設(shè)計和制造的復(fù)雜性和精密性要求訓(xùn)練有素的微電子工作人員具備廣泛的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）學(xué)科和教育水平的知識和技能。半導(dǎo)體行業(yè)中超過50%的工人擁有學(xué)士或研究生學(xué)位。此外，與半導(dǎo)體行業(yè)相關(guān)的其他工作都是需要熟練技術(shù)勞動力的高薪工作。半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會的一項研究估計，《芯片與科學(xué)法案》的制造業(yè)激勵措施將在未來幾年內(nèi)為美國創(chuàng)造額外的280000個新工作崗位，其中42000個直接在半導(dǎo)體行業(yè)創(chuàng)造，101000個用于支持供應(yīng)鏈，而其余的工作崗位則是通過工資支出創(chuàng)造的。許多新的工作崗位將集中在高技能的工程師和技術(shù)員崗位上，但美國的大學(xué)、學(xué)院而職業(yè)學(xué)校目前的畢業(yè)生人數(shù)遠遠達不到滿足這一需求所需的人數(shù)。

　　為了吸引更多的學(xué)生學(xué)習(xí)半導(dǎo)體，課程必須抓住他們的興趣和想象力。要做到這一點，重要的是讓學(xué)生小組能夠創(chuàng)新，并獲得構(gòu)建自己的半導(dǎo)體芯片的實踐經(jīng)驗。由于構(gòu)建硬件所需的時間較長以及芯片設(shè)計和原型制作過程的整體復(fù)雜性，這在當今的芯片設(shè)計方法中是不可能的。小團隊快速展示想法的能力是20世紀80年代半導(dǎo)體革命的動力，也是今天吸引學(xué)生進入計算機科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵力量。因此，迫切需要通過創(chuàng)造激勵性的課程體驗和提供動手芯片設(shè)計和原型制作的機會來重新激發(fā)學(xué)生對半導(dǎo)體的興趣。這需要更新教育課程和學(xué)術(shù)研究及培訓(xùn)設(shè)施，以跟上芯片設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展。還迫切需要通過帶薪實習(xí)和學(xué)徒制為學(xué)生提供實際工作經(jīng)驗。

　　建議三：商務(wù)部長應(yīng)與國家科學(xué)基金會主任協(xié)調(diào)，支持在2023年底前建立國家微電子教育和培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)，并在未來5年內(nèi)撥款10億美元，用于升級教育實驗室設(shè)施，支持課程開發(fā)，并促進該領(lǐng)域的教師招聘。

　　為了確保美國微電子生態(tài)系統(tǒng)擁有健康的人才管道，以促進其蓬勃發(fā)展，并保持在半導(dǎo)體研究、設(shè)計和制造領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，需要采用新的方法來吸引和培訓(xùn)規(guī)模更大、更多樣化的勞動力。2021年的一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在半導(dǎo)體勞動力中，黑人員工占4%，西班牙裔員工占13%，這落后于制造業(yè)和美國整體勞動力。此外，截至2019年，半導(dǎo)體勞動力中女性員工不到25%。在大多數(shù)半導(dǎo)體公司中，只有不到1%的領(lǐng)導(dǎo)職位是由女性擔(dān)任的。當我們希望增加半導(dǎo)體領(lǐng)域的工人總數(shù)時，我們必須從所有的背景和地理區(qū)域吸引全國的人才。為了擁有廣泛而多樣化的勞動力隊伍，我們必須接觸到學(xué)生所在的地方。有才華的學(xué)生分布在全國各地，他們在各種類型的機構(gòu)。必須做出明確的努力，為所有學(xué)生和工人創(chuàng)造機會，特別是那些在STEM和微電子教育方面歷史上服務(wù)不足的學(xué)生和工人，并在全國范圍內(nèi)提供高薪工作。為此，國家微電子學(xué)培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)包括對分布在全國各地的至少50所大學(xué)和學(xué)院的實驗室設(shè)施和設(shè)備進行升級，包括為少數(shù)民族服務(wù)的機構(gòu)（例如：歷史上的黑人學(xué)院和大學(xué)，西班牙裔服務(wù)機構(gòu)，亞裔美國人和太平洋島民服務(wù)機構(gòu)，以及部落學(xué)院和大學(xué)）；課程開發(fā)并向大學(xué)、社區(qū)學(xué)院和職業(yè)學(xué)校傳播；以及在全國各地的學(xué)術(shù)機構(gòu)招聘新的微電子學(xué)教師。

　　振興美國微電子學(xué)教育和支持勞動力發(fā)展的建議

　　1. 在5年內(nèi)投入7.5億美元（每年1.5億美元），用于升級現(xiàn)有的教育和研究實驗室設(shè)施和設(shè)備，這些設(shè)施和設(shè)備對于半導(dǎo)體設(shè)計、制造、封裝和測試方面的實踐學(xué)習(xí)和培訓(xùn)至關(guān)重要，并用于支付50個中心學(xué)術(shù)機構(gòu)實驗室中的實踐學(xué)習(xí)和培訓(xùn)項目的運營成本。

　　2. 在5年內(nèi)投入1億美元（每年2000萬美元），用于支持課程開發(fā)和在全國學(xué)術(shù)機構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（包括大學(xué)、社區(qū)學(xué)院和職業(yè)學(xué)校）中共享課程。大學(xué)課程將包括芯片設(shè)計和學(xué)生設(shè)計的芯片原型制作課程，而社區(qū)學(xué)院和職業(yè)學(xué)校的課程將包括技術(shù)培訓(xùn)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的幾所大學(xué)將得到資助，以維護芯片設(shè)計和原型制作的軟件工具和流程，然后網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有學(xué)術(shù)機構(gòu)都可以利用這些工具和流程。

　　3. 5年內(nèi)5000萬美元（每年1000萬美元），用于支持大學(xué)獲得符合行業(yè)標準的電子設(shè)計自動化和技術(shù)計算機輔助設(shè)計軟件工具、設(shè)計流程和多項目晶片制造在半導(dǎo)體鑄造廠中運行以用于教學(xué)和研究目的。類似于金屬氧化物硅實施服務(wù)、Muse Semiconductor或example.com的組織europractice-ic.com可以充當多項目晶圓運行的聚合器，并維護工藝設(shè)計套件、庫和附帶的培訓(xùn)材料。

　　4. 在5年內(nèi)投入1億美元（每年2000萬美元），以激勵至少100名新教師和教學(xué)人員的聘用，最終使美國高等教育系統(tǒng)的微電子產(chǎn)品產(chǎn)量每年增加10000名來自各個教育領(lǐng)域的新畢業(yè)生。這筆資金可用于幫助支付新教師招聘前3至5年的工資和福利費用，并為新教師招聘提供啟動資金。值得注意的是，對于那些以實驗為導(dǎo)向的研究人員來說，啟動成本很容易超過100萬美元。

　　建議四：商務(wù)部長應(yīng)確保NSTC資助的研究（見下文建議8）每年為整個教育領(lǐng)域提供約2500份獎學(xué)金和研究獎學(xué)金。

　　由于高等教育的高成本可能會阻礙學(xué)生入學(xué)，商務(wù)部應(yīng)確保NSTC資助的研究每年通過研究獎學(xué)金（針對研究生）和獎學(xué)金（針對本科生和社區(qū)大學(xué)生）支持大約2500名學(xué)生，以激勵他們追求和完成與微電子學(xué)相關(guān)的學(xué)位。這些研究金和獎學(xué)金中的部分或全部可以與工業(yè)界合作提供，以保證畢業(yè)后的就業(yè)。國家科學(xué)基金會有現(xiàn)有的選擇和管理程序，以授予獎學(xué)金和研究獎學(xué)金，可以利用適當?shù)倪@一NSTC資助的研究。

　　建議五：國土安全部應(yīng)實施現(xiàn)有的法律和監(jiān)管機構(gòu)，為新提交的基于就業(yè)的第二優(yōu)先高級學(xué)位移民申請?zhí)峁┮鐑r處理，尋求國家利益豁免，以在微電子領(lǐng)域工作。

　　雖然長期教育投資對于培養(yǎng)半導(dǎo)體行業(yè)的下一代人才至關(guān)重要，但美國還必須制定政策，吸引和留住世界各地最有才華、最有動力和受過高等教育的人才。作為拜登政府對這些政策的承諾的象征，2022年1月，五項此類機構(gòu)政策以國際STEM人才招聘和保留為重點。其中一項政策更新是提供指導(dǎo)，詳細說明何時可以考慮高級STEM學(xué)位持有者參與具有實質(zhì)價值的工作，這些工作是國家利益豁免移民申請的一部分。這一類是為可以自我請愿的個人保留的，因為他們的努力奮進和貢獻的重要性。應(yīng)繼續(xù)在這方面作出努力，以評估是否可以采取進一步的機構(gòu)行動。例如，為了確保美國公司能夠接觸到全球領(lǐng)先的人才，在微電子領(lǐng)域工作的高級學(xué)位專家首次提交簽證申請時，應(yīng)提供額外的處理。此外，需要立法更新國家的管理移民法規(guī)，以反映各種現(xiàn)代現(xiàn)實，包括當移民是根據(jù)他們的技能和教育來選擇時，原籍國不應(yīng)該是問題。在等待這種全面改革的同時，一個中間步驟是根據(jù)現(xiàn)行法律授予高級STEM學(xué)位持有者合法的永久居民身份，而不考慮每個國家或世界范圍內(nèi)從事微電子工作的個人的數(shù)量上限。

　　初創(chuàng)公司

　　一個健康的創(chuàng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對美國半導(dǎo)體行業(yè)的繁榮至關(guān)重要。事實上，今天領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司都是從初創(chuàng)公司起步的，從20世紀60年代末的英特爾和先進微設(shè)備公司到20世紀80年代的高通公司，再到20世紀90年代初的英偉達和博通公司。初創(chuàng)公司可以比老牌公司更靈活，可以瞄準新興市場和新技術(shù)。初創(chuàng)企業(yè)是將大學(xué)和其他研究實體（例如， DARPA）的重要技術(shù)和產(chǎn)品推向市場的良好工具，也是從成熟公司剝離出不再符合公司戰(zhàn)略方向的重要技術(shù)和產(chǎn)品的絕佳工具。盡管初創(chuàng)公司很重要，但半導(dǎo)體開發(fā)成本的上升和半導(dǎo)體市場的整體規(guī)模在過去十年中導(dǎo)致了行業(yè)的巨大整合。從2010年的160家公司增加到2020年底的97家。自2013年以來，半導(dǎo)體初創(chuàng)公司每年占風(fēng)險資本投資的比例都不到1%（圖2）。

　　大多數(shù)風(fēng)險投資機構(gòu)都傾向于需要最少投資并且有可能在4-6年內(nèi)獲得10倍收益的創(chuàng)業(yè)技術(shù)。與軟件或服務(wù)創(chuàng)業(yè)公司相比，半導(dǎo)體創(chuàng)業(yè)公司在上市或被收購之前需要更多的資金（數(shù)千萬至數(shù)億美元），需要更長的時間才能達到這一階段，并且投資回報率低幾個數(shù)量級。例如，所需的投資范圍從數(shù)千萬美元的簡單模擬、電源和傳感元件到高達5億美元的前沿半導(dǎo)體。高成本主要是由于設(shè)計復(fù)雜性、電子設(shè)計自動化工具、IP許可、工具和制造成本。這抑制了新公司和新產(chǎn)品的創(chuàng)建。在過去幾年中，由于對人工智能和新應(yīng)用的興趣，對半導(dǎo)體初創(chuàng)公司的投資有所增加，從2018-2020年期間的每年約60筆交易增加到2021年的75筆交易。然而，這些對半導(dǎo)體的投資遠遠超過了中國的投資，該基金在2020年資助了400多家企業(yè)。為了幫助降低進入壁壘并鼓勵更多半導(dǎo)體領(lǐng)域的初創(chuàng)企業(yè)，我們建議采取以下行動。

　　建議六：商務(wù)部長應(yīng)確保到2023年底，NSTC建立一個5億美元的投資基金，為半導(dǎo)體初創(chuàng)企業(yè)提供資金支持和實物原型和工具。

　　一個投資基金將抵消半導(dǎo)體初創(chuàng)公司的高資本要求和他們需要很長時間才能達到正現(xiàn)金流。這將創(chuàng)造一個公平的競爭環(huán)境，使這些投資更具吸引力，從而促進更多半導(dǎo)體初創(chuàng)公司的創(chuàng)建，并支持和加速半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)中的創(chuàng)新。NSTC投資基金可以直接投資于半導(dǎo)體初創(chuàng)企業(yè)或半導(dǎo)體孵化器，提供行業(yè)專業(yè)知識、培育和指導(dǎo)，以及資金支持。NSTC投資基金將通過在種子前和種子輪投資早期階段的公司產(chǎn)生最大的影響，這通常是最高的風(fēng)險。NSTC還應(yīng)保留向合格的初創(chuàng)企業(yè)提供實物支持的能力，以降低或零成本獲得原型和工具。

　　建議七：商務(wù)部長應(yīng)確保NSTC在2025年底前創(chuàng)建或資助創(chuàng)建一個具有完整軟件堆棧的“chiplet”平臺，以便初創(chuàng)企業(yè)和學(xué)術(shù)機構(gòu)能夠?qū)⑵涠ㄖ频腸hiplet與NSTC支持的小芯片平臺集成，來展示新的創(chuàng)新，以顯著減少投資和時間。

　　許多半導(dǎo)體設(shè)計復(fù)雜性都可以在產(chǎn)品的非創(chuàng)新部分找到（尤其是前沿的片上系統(tǒng)）。許多初創(chuàng)公司和學(xué)術(shù)機構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)是，他們必須獲得并集成幾個關(guān)鍵的IP組件，從微處理器到高速接口，再到定制存儲器，這些組件只是一個工作系統(tǒng)所需的基本組件，然后才能添加創(chuàng)新的“秘方”。

　　軟件開發(fā)通常通過向復(fù)雜的、但已存在的和工作的代碼庫添加少量或適量的代碼來避免類似的挑戰(zhàn)。我們也可以通過構(gòu)建一個“小芯片”生態(tài)系統(tǒng)來進行芯片設(shè)計，這將允許在已經(jīng)運行的硬件/軟件平臺上添加小型/適度但具有創(chuàng)新性的硬件和代碼，以快速、廉價地捕捉創(chuàng)新的影響。要做到這一點，必須提供一個平臺系統(tǒng)芯片，與一個支持軟件棧，提供一個接口，其中包含系統(tǒng)的創(chuàng)新部分的“小芯片”可以使用先進的封裝連接。這樣的生態(tài)系統(tǒng)將使初創(chuàng)企業(yè)或?qū)W術(shù)機構(gòu)能夠只設(shè)計系統(tǒng)的創(chuàng)新部分（硬件和軟件），同時大幅降低其開發(fā)成本和所需投資。這類似于蘋果的App Store和Google Play如何改變軟件設(shè)計和交付，讓更多的人更快、更簡單地創(chuàng)建和銷售他們的程序。我們預(yù)計，通過軟件創(chuàng)建一個小芯片生態(tài)系統(tǒng)，將使一個SoC芯片初創(chuàng)公司所需的資本減少一個數(shù)量級，并將產(chǎn)品上市所需的時間減少兩倍或更多。減少這些障礙反過來將為半導(dǎo)體初創(chuàng)公司帶來更多的產(chǎn)品開發(fā)機會，也使學(xué)術(shù)創(chuàng)新變得更簡單、更快、更便宜。NSTC應(yīng)建立在與該“小芯片”生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的現(xiàn)有項目的基礎(chǔ)上，包括DARPA作為電子研究計劃和其他行業(yè)工作的一部分正在進行的工作。

　　國家研究議程和重大挑戰(zhàn)

　　美國在全球半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)中的領(lǐng)導(dǎo)地位需要在多個關(guān)鍵的相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)領(lǐng)域中取得顯著和持續(xù)的進步。在每個領(lǐng)域內(nèi)，都存在大量技術(shù)挑戰(zhàn)，需要基礎(chǔ)研究和原型開發(fā)能力來引導(dǎo)新的解決方案從研究原型到規(guī)模擴大和商業(yè)采用。

　　建議八：商務(wù)部長應(yīng)確保NSTC的成立章程將年度資金的相當大一部分（約30%至50%）用于直接資助國家研究議程。研究議程應(yīng)具有廣泛性，并涉及以下領(lǐng)域：材料、工藝和制造技術(shù)；封裝和互連技術(shù)；高能效計算和特定領(lǐng)域加速器；設(shè)計自動化工具和方法；半導(dǎo)體和系統(tǒng)安全；半導(dǎo)體和生命科學(xué)。

　　雖然NSTC的大部分資金將用于急需的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，但我們認為，大部分資金也應(yīng)用于直接資助研究和合作。一個廣泛而有力的研究議程對NSTC的成功和美國的全球競爭力至關(guān)重要。

　　下面，我們確定了一些關(guān)鍵的研究主題，作為NSTC研究議程的一部分，這些主題將非常有影響力。最終的研究議程應(yīng)由NSTC執(zhí)行團隊在NSTC技術(shù)咨詢理事會的指導(dǎo)下提出。

　?。╝）材料、工藝和制造技術(shù)

　　摩爾定律，即集成電路上的晶體管數(shù)量每兩年翻一番，從而提高性能，已經(jīng)支配半導(dǎo)體行業(yè)50多年。然而，這種趨勢近年來已經(jīng)減緩，并且基本的物理挑戰(zhàn)阻礙了晶體管尺寸的持續(xù)減小和性能的改進。下一代材料、工藝技術(shù)和大批量制造解決方案需要創(chuàng)新，以繼續(xù)縮小芯片尺寸，并在性能、能效和成本方面取得必要的進步。

　　NSTC的研究議程應(yīng)包括實現(xiàn)先進邏輯、先進存儲器、模擬、混合信號和射頻器件所需的材料、工藝和制造技術(shù)，這些都是構(gòu)建完整系統(tǒng)所必需的。此外，用于異構(gòu)集成的基礎(chǔ)工藝技術(shù)（即，在同一芯片上混合不同技術(shù)）和3D堆疊（即，將芯片堆疊在彼此的頂部以產(chǎn)生更密集和更有能力的芯片）是關(guān)鍵的。為了確保從實驗室的初始想法快速過渡到大批量生產(chǎn)，材料和設(shè)備的開發(fā)應(yīng)與器件和工藝技術(shù)同步進行。這些活動將主要在高級邏輯、先進存儲器以及模擬和混合信號COE中進行。

　　(b)封裝和互連技術(shù)

　　近年來，隨著用于減小芯片尺寸的傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)放慢，封裝和互連技術(shù)對于性能、密度和系統(tǒng)級的持續(xù)改進已經(jīng)變得更加重要。這需要在芯片、封裝、設(shè)計、架構(gòu)和系統(tǒng)層面進行創(chuàng)新和聯(lián)合開發(fā)。由NAPMP提供資金的包裝卓越中心是推進該領(lǐng)域研究和提供原型能力的關(guān)鍵資源。

　　需要在各種工藝技術(shù)中開發(fā)成本效益高的晶圓鍵合技術(shù)、先進的建模能力和高效的功率傳輸系統(tǒng)，以實現(xiàn)異構(gòu)集成和3D堆疊解決方案。此外，還應(yīng)建立能夠連接小芯片生態(tài)系統(tǒng)中的邏輯、存儲器和模擬組件的行業(yè)標準接口。先進的封裝和互連技術(shù)還必須提供安全的即插即用技術(shù)和標準，以實現(xiàn)各種半導(dǎo)體組件的無縫集成，這對未來美國半導(dǎo)體技術(shù)和供應(yīng)鏈實力至關(guān)重要。

　　(c)高能效計算和特定領(lǐng)域加速器

　　特定領(lǐng)域加速器，即，專注于特定應(yīng)用的專用芯片，隨著半導(dǎo)體技術(shù)擴展速度放緩，具有繼續(xù)擴展性能和能效的潛力，并且它們對于實現(xiàn)建議9中所述的重大挑戰(zhàn)至關(guān)重要。該領(lǐng)域的一個挑戰(zhàn)是研究特定領(lǐng)域加速器的架構(gòu)和設(shè)計方法，這些架構(gòu)和方法對于算法和應(yīng)用的快速變化更有彈性。彈性可以來自于引入針對域的可編程性。這些加速器可以推動多個感興趣領(lǐng)域的進步，包括人工智能和機器學(xué)習(xí)（云端和邊緣的推理和訓(xùn)練）、圖形分析、安全、通信、生物信息學(xué)以及連續(xù)和離散優(yōu)化。此外，還需要對加速器與處理器、存儲器系統(tǒng)和片上系統(tǒng)的其余部分之間的接口進行標準化研究。

　　特定領(lǐng)域的硬件專門化通常需要對軟件堆棧進行重大修改，以正確利用加速器。由于維護整個軟件堆棧的開銷很大，因此加速器的實際使用遠遠落后于其設(shè)計。因此，對于快速變化的應(yīng)用領(lǐng)域，一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是自動化可編程加速器和將應(yīng)用程序映射到加速器的編譯器的協(xié)同設(shè)計。我們建議進行投資，以支持全面的軟件生態(tài)系統(tǒng)，使編寫和執(zhí)行新的應(yīng)用程序高效，并可供各種加速器訪問。

　　(d)設(shè)計自動化工具和方法

　　設(shè)計自動化工具和方法的創(chuàng)新對于縮短產(chǎn)品上市時間、實現(xiàn)更高水平的性能和系統(tǒng)集成至關(guān)重要。提高設(shè)計水平，使芯片和IP可以從高級描述（寄存器傳輸級以上）編譯，就像編譯軟件一樣，這有可能大大提高設(shè)計效率。人工智能可以應(yīng)用于設(shè)計過程的每一步，以提高生產(chǎn)率和改善結(jié)果質(zhì)量。設(shè)計工具（其中一些基于人工智能）可以極大地提高模擬、混合信號和RF電路的生產(chǎn)率，而這些電路目前主要是手工設(shè)計的。

　　此外，下一代異構(gòu)架構(gòu)還需要仿真和虛擬原型技術(shù)來支持對硬件和軟件的指數(shù)級增長的復(fù)雜性進行驗證。

　　(e)半導(dǎo)體和系統(tǒng)安全

　　犯罪和國家支持的網(wǎng)絡(luò)攻擊對美國構(gòu)成了越來越大的威脅。為了實現(xiàn)安全系統(tǒng)，必須考慮系統(tǒng)的各個方面，包括傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、計算、內(nèi)存、存儲和通信，同時提供抵御側(cè)通道攻擊的魯棒性并確保供應(yīng)鏈的安全性。對于安全半導(dǎo)體芯片的設(shè)計存在巨大的機會。為了最大限度地提高效率，必須將安全性作為設(shè)計的一個組成部分，而不是在芯片設(shè)計完成后再添加。

　　學(xué)術(shù)界、行業(yè)和政府利益相關(guān)方有機會將可信的系統(tǒng)實施方法標準化。具體的機會是將算法和軟件/系統(tǒng)設(shè)計師與芯片設(shè)計師聚集在一個卓越的中心，開發(fā)下一代安全系統(tǒng)。盡管開源安全方法對于創(chuàng)新和透明性來說是最好的，但它們?nèi)匀涣钚袠I(yè)不快。我們必須解決這種不情愿，使美國能夠繼續(xù)成為標準化安全方法的全球領(lǐng)導(dǎo)者。

　　我們設(shè)想該領(lǐng)域的研究議程應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容：

　　(1)針對完全安全的端到端硬件和軟件解決方案而設(shè)計，這些解決方案能夠抵御針對操作、數(shù)據(jù)和通信的各種形式的攻擊;（2）芯片設(shè)計工具鏈中的安全性，其將使得端到端安全解決方案能夠通過設(shè)計來驗證;（3）覆蓋芯片制造、封裝和系統(tǒng)集成的安全硬件供應(yīng)鏈;（4）后量子密碼的實現(xiàn);(5)為安全通信和交易實施低功率加密技術(shù);(6)用于處理加密數(shù)據(jù)的其它隱私保護硬件實現(xiàn)。

　　(f)半導(dǎo)體與生命科學(xué)

　　半導(dǎo)體對人類健康具有積極影響的應(yīng)用實例很多，從可穿戴式心臟監(jiān)護儀、葡萄糖傳感器、醫(yī)療機器人和超聲成像到起搏器和腦深部刺激器等植入式設(shè)備。COVID-19大流行表明，生命科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新可以以前所未有的速度發(fā)生，從生產(chǎn)快速檢測技術(shù)到突破性的基于mRNA的疫苗。半導(dǎo)體有潛力在疾病的早期檢測和預(yù)防、連續(xù)監(jiān)測和治療中發(fā)揮核心作用。美國是生命科學(xué)研發(fā)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，其中一些計劃已經(jīng)利用微電子的潛力來推進神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究。我們相信，鑒于機器學(xué)習(xí)、異構(gòu)集成以及設(shè)備性能和尺寸改進的巨大能力，這一進程甚至可以進一步加快。一些示例研究方向包括但不限于：以下內(nèi)容：（1）多模態(tài)神經(jīng)科學(xué)解決方案，其能夠?qū)崿F(xiàn)各種疾病的監(jiān)測、緩解或治愈;（2）可植入和可攝取的電子器件;（3）將半導(dǎo)體與生物學(xué)結(jié)合以用于特定的感測功能;（4）下一代可佩戴生物傳感器和執(zhí)行器。

　　這些系統(tǒng)將需要集成不同的技術(shù)，例如基于各種材料甚至生物細胞的傳感器、嵌入式機器學(xué)習(xí)和其他處理、存儲器、安全通信和執(zhí)行器，以及能夠在惡劣環(huán)境中很好地發(fā)揮作用的材料（例如，在人體內(nèi)）。由于這些系統(tǒng)必須依靠微小的能源甚至是能量收集來工作，因此迫切需要開發(fā)超低功耗解決方案。

　　材料實驗是關(guān)鍵，但傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶圓廠并不適合引入生命科學(xué)所需的非標準或“臟材料”。還需要獲得先進的包裝，能夠為惡劣環(huán)境引入新材料。NSTC COE可以提供對這些關(guān)鍵原型制作設(shè)施和打包解決方案。

　　最后，訪問大型匿名數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)模型將加快這些領(lǐng)域的研究，并有助于解決生命科學(xué)新硬件解決方案緩慢的審批流程。NSTC COE應(yīng)與政府機構(gòu)、大學(xué)、醫(yī)療中心、醫(yī)療技術(shù)、半導(dǎo)體和保險公司合作，以改善研究人員對大型數(shù)據(jù)集的訪問。

　　建議九：NSTC應(yīng)確定一系列全國性的重大挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)通過NSTC行業(yè)成員和NSTC資助的研究之間的合作來實現(xiàn)。這些重大挑戰(zhàn)應(yīng)涵蓋三個互補領(lǐng)域，這三個領(lǐng)域?qū)⑹芤嬗诖笠?guī)模的全國性合作：先進的計算進入zettascale時代；顯著降低設(shè)計復(fù)雜性；生命科學(xué)應(yīng)用中應(yīng)用的半導(dǎo)體。

　　對于未來的大規(guī)模創(chuàng)新，需要在流程、設(shè)備、架構(gòu)、設(shè)計、應(yīng)用和系統(tǒng)級別進行廣泛而深入的協(xié)作。NSTC非常適合推動NSTC資助的研究團隊、NSTC產(chǎn)業(yè)成員、初創(chuàng)企業(yè)和政府之間的大規(guī)模和全國性合作，以推動能力的逐步提高。我們建議國家科學(xué)技術(shù)委員會將建議8中規(guī)定的一部分研究經(jīng)費分配給幾個成為全國性重大挑戰(zhàn)的大型項目。這些重大挑戰(zhàn)將制定雄心勃勃的目標，目標是在5至10年的時間范圍內(nèi)大幅提高業(yè)績和/或能力。我們建議這些重大挑戰(zhàn)涵蓋以下主題：

　　（a）先進計算進入zettascale時代：美國應(yīng)該是第一個建造zettascale超級計算機的國家，目標是比目前最快的超級計算機快1000倍，而每次運行所需的能量僅為目前系統(tǒng)的百分之一。這一令人難以置信的計算能力將使極其復(fù)雜的計算能夠以不同于今天所能完成的規(guī)模和效率來完成，而且將在預(yù)測氣候變化、了解和預(yù)測野火活動、設(shè)計疫苗、個性化癌癥治療、了解人類大腦等領(lǐng)域掀起新一輪科學(xué)發(fā)現(xiàn)浪潮。此外，這種高效計算能力的大幅提升可能會帶來下一代體驗，如虛擬實境（metaverse）和互聯(lián)網(wǎng)上新形式的感官交互。實現(xiàn)這些目標需要邏輯、存儲器、混合信號和封裝技術(shù)的革命性進步，因此需要NSTC COE之間的跨學(xué)科研究。

　　（b）降低設(shè)計復(fù)雜性：創(chuàng)建平臺、方法和工具，以降低設(shè)計復(fù)雜性，并使芯片制造所需的工時僅為現(xiàn)在的十分之一。由于技術(shù)縮放/集成以及對功率、性能、面積、可制造性、可靠性和安全性的日益苛刻的要求，半導(dǎo)體設(shè)計成本和復(fù)雜性已顯著增加。這些問題因勞動力短缺而進一步惡化。設(shè)計工具和方法的進步既可以提高勞動力的生產(chǎn)率，也可以降低初創(chuàng)企業(yè)的準入門檻，從而鼓勵美國半導(dǎo)體行業(yè)擁有更大、更多樣化的參與者。

　　（c）生命科學(xué)中的半導(dǎo)體：創(chuàng)建一個高能效、可擴展且安全的平臺架構(gòu)，用于監(jiān)控和治療健康、保健和疾病。該平臺應(yīng)該是無縫的和微創(chuàng)的，幫助患者和醫(yī)生感知、驅(qū)動、監(jiān)測、緩解癥狀和治療各種情況。創(chuàng)建一個這樣的工具庫將帶來遠遠超出今天的進步。為了推動最具影響力的應(yīng)用，需要在傳感、計算和通信方面進行重大改進。例如，今天的神經(jīng)探針可以記錄來自數(shù)千個位點的電信號，并從數(shù)百到數(shù)千個神經(jīng)元收集數(shù)據(jù)。其目標是將記錄信號的神經(jīng)元數(shù)量增加100到1000倍。同樣，我們需要從人體收集大量數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保密，這就需要創(chuàng)建一套超低功耗的安全解決方案，其能耗僅為當今解決方案的百分之一。

　　美國政府協(xié)調(diào)和衡量標準

　　聯(lián)邦政府對半導(dǎo)體的投資涉及商務(wù)部、能源部、國防部、NSF、衛(wèi)生與公眾服務(wù)部以及其他機構(gòu)。美國政府已經(jīng)并將致力于進行重大投資，以振興美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)，并采取各種舉措來實現(xiàn)這一目標。有效協(xié)調(diào)這些舉措對于減少工作重復(fù)和最大限度地利用納稅人的錢并使其獲得回報至關(guān)重要。因此，美國應(yīng)該制定一個有凝聚力的國家戰(zhàn)略，加速向強大的、世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁進。

　　美國政府協(xié)調(diào)和衡量標準

　　聯(lián)邦政府對半導(dǎo)體的投資涉及商務(wù)部、能源部、國防部、NSF、衛(wèi)生與公眾服務(wù)部以及其他機構(gòu)。美國政府已經(jīng)并將致力于進行重大投資，以振興美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)，并采取各種舉措來實現(xiàn)這一目標。有效協(xié)調(diào)這些舉措對于減少工作重復(fù)和最大限度地利用納稅人的錢并使其獲得回報至關(guān)重要。因此，美國應(yīng)該制定一個有凝聚力的國家戰(zhàn)略，加速向強大的、世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁進。建議十：為了提高聯(lián)邦半導(dǎo)體投資工作的透明度，衡量整個行業(yè)在聯(lián)邦層面的進展，并最大限度地利用此類投資，我們建議如下：

　?。╝）從2023年開始，網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)研究與開發(fā)（NITRD）計劃應(yīng)每年整理并公布所有聯(lián)邦機構(gòu)的半導(dǎo)體年度投資數(shù)據(jù)。

　?。╞）NSTC應(yīng)鼓勵所有進行半導(dǎo)體研發(fā)投資的機構(gòu)充分利用NSTC的設(shè)施和能力。我們建議NSTC與其他機構(gòu)和公私合作伙伴擴大和共同資助項目，其中研究議程是協(xié)同的，包括，例如，DARPA的電子復(fù)興計劃，由NSF計算機和信息科學(xué)與工程理事會贊助的半導(dǎo)體未來研究，以及由半導(dǎo)體研究所促成的廣泛的多部門合作。

　　（c）商務(wù)部長應(yīng)制定并定期評估績效措施，以評估《芯片和科學(xué)法案》倡議的進展、有效性、成果和影響，并每年向總統(tǒng)報告。

　　NSTC的潛在指標可能包括但不限于：

　　NSTC COE的績效和時間表以及項目里程碑的年度審查，以及實現(xiàn)重大挑戰(zhàn)目標的進展情況

　　每年來自非聯(lián)邦成員的收入（包括實物捐助）

　　提交和授予的專利和版權(quán)數(shù)量

　　使用NSTC設(shè)施進行原型開發(fā)的組織（初創(chuàng)企業(yè)、大學(xué)、行業(yè)）數(shù)量

　　由NSTC直接或?qū)嵨锞柚Y助的半導(dǎo)體初創(chuàng)公司數(shù)量

　　大學(xué)聘用人數(shù)：

　　獲得資助的學(xué)生人數(shù)

　　發(fā)表的關(guān)于NSTC研究的論文數(shù)量

　　獲得勞動力發(fā)展基金資助的學(xué)生人數(shù)

　　對美國的經(jīng)濟價值，衡量標準為：

　　技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位

　　美國半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的穩(wěn)健性

　　支持和創(chuàng)造的直接和間接就業(yè)機會

　　通過半導(dǎo)體實現(xiàn)國家安全

　　這份衡量標準列表并不全面。然而，在建立NSTC的早期就按投資階段定義成功的度量標準是非常重要的，以確保明確和普遍理解的目標。

　　結(jié)語

　　我們正處于美國半導(dǎo)體創(chuàng)新和國際競爭力的決定性時刻。兩黨共同通過的《芯片和科學(xué)法案》提供了一個千載難逢的機會。這是我們在這一對現(xiàn)代生活幾乎每個方面都至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域重新確立全球領(lǐng)導(dǎo)地位的新一代機會。這10項建議的實施將為振興美國半導(dǎo)體研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)奠定堅實的基礎(chǔ)，顯著加快創(chuàng)新速度，增強我們在這一關(guān)鍵領(lǐng)域的經(jīng)濟競爭力，為下一代奠定堅實的基礎(chǔ)。

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