美国白宫发布《国家微电子研究战略》

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战略科技前沿

2024年3月15日，美国白宫科技政策办公室（OSTP）发布《国家微电子研究战略》，战略旨在确保美国在微电子领域继续保持全球领先地位。该战略由国家科学技术委员会微电子领导小组委员会制定，概述了美国微电子研究领域未来五年的发展目标、关键需求和行动方案，为美国联邦部门和机构、学术界、工业界、非盈利组织以及国际盟友和合作伙伴提供指导框架。报告提出了四大关键发展目标：（1）促进并加速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劳动力；（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。本文重点分析了前两大发展目标的关键研究领域，供参考。


一、促进并加速未来微电子技术研究进展的关键研究领
1. 新功能或功能增强材料

材料研发对于满足所有行业和应用领域的新兴需求至关重要。需要新的和改进的材料来实现能源效率、信息速度和带宽、新颖的计算架构和可持续发展方面的目标。

先进材料的关键研发要素包括：（1）新兴有机和无机材料，包括：二维（2D）材料；量子材料；用于高能效电子产品和极端环境的宽带隙和超宽带隙材料；优化高带宽互连的材料；超高频操作材料（光学、电气和机电）；实现非冯·诺依曼架构的材料；生物-非生物混合系统。（2）可以无缝集成到现有工艺流程中的材料。（3）改进现有块状衬底材料，并加快新衬底材料的开发和部署。（4）规范化半导体材料数据基础设施。（5）新的建模、表征和计量方法。（6）新型和新兴材料的可制造合成工艺和生产工具研发。（7）新的材料测量方法和标准以确保纯度、物理特性和来源。（8）在全生命周期中提高加工、制造和供应链的可持续性和循环性（再利用、回收）。（9）可以兼容非常规材料或工艺的制造设施。（10）可以原型证明和规模化生产新型和非常规材料的新工艺设施。

2. 电路设计、模拟和仿真工具

适用于新材料、器件、电路和架构的电路设计、模拟和仿真工具对于持续创新和器件规模化至关重要。

提高数字工具能力的战略方法包括：（1）创建、开发和提供广泛可用的工具。（2）进一步将人工智能和机器学习以及基于物理的方法集成到EDA工具中。（3）开发高级综合工具以及EDA系统和流程。（4）改进材料和器件验证方法并推进材料、组件和电路属性的测量。（5）改进DTCO（设计工艺协同优化）和STCO（系统技术协同优化）方法和平台。（6）推进规范化和端到端验证方法的开发。

3. 新的架构和相关硬件设计

非冯·诺依曼计算架构，如神经形态、以内存为中心、深度学习、异步计算、混合计算和量子计算，将在广泛的商业和国家安全应用中发挥越来越重要的作用。除了基于标准Si-CMOS的系统外，采用低温CMOS、模拟/混合信号技术、光子学、自旋电子学和量子器件的新方法正在迅速出现。

要充分利用多样化的处理架构和器件类型，需要对整个堆栈进行创新。主要研发需求包括：（1）加深对新架构实现最佳性能所需的算法、编程模型和编译器的理解。（2）增强器件可编程性和可编程抽象性。（3）优化新架构的制造和设计能力。（4）新的集成电路设计以及可实现非冯·诺依曼组件与传统计算架构最佳集成的新颖架构。（5）解决异构集成逻辑存储器的高数据速率和大数据量相关挑战的AI/ML方法。（6）量子信息科学研究，包括：量子计算、量子网络和量子传感。（7）量子支持技术，如可与量子系统对接的低温电子学和光子学。（8）用于大型传感器网络提取和提炼信息的高能效处理架构。（9）为极端环境中的传感、信号处理和计算应用设计流程和架构。（10）超越高性能计算的电路创新，以满足能源、医疗健康、交通和通信方面的需求。

4. 先进封装和异构集成的工艺和计量

要确保美国处于先进封装领域领导地位并从异构集成中获益，需要解决许多相互关联的研究挑战，包括材料、制造工艺、能源、成本、良率和经过验证的建模。主要研究挑战包括：（1）用于衬底、封装/模塑和晶粒到晶粒（die to die）互连的新材料。（2）机电一体化、机器视觉和机器人技术等领域进步。（3）可提高能效和密度的新互连技术。（4）新的高速检测及监控方法。（5）增强的工具计量和检测能力。（6）跨越多种长度尺度（2D和3D）和物理特性的新型计量技术。（7）改善整个系统的热、机械和电磁行为的物理建模，以及新的高分辨率方法。（8）电路、架构和封装的集成设计工具和方法。

5. 硬件完整性和安全性

鉴于从电路到软件都有可能被恶意更改，再加上需要为后量子密码学做好准备，硬件完整性和网络安全成为系统设计至关重要的基础组成部分。

提高硬件完整性和安全性的研发需求包括：（1）准确的威胁模型。（2）完整性和安全性的高级概念模型。（3）新的自动化和支持结构。（4）协同设计卓越中心。（5）保护数据和减少硬件信任的新方法，例如同态加密、加密存储系统、安全计算、隔离加密和多方计算。（6）确保集成电路IP来源和完整性的方法。（7）用于评估和基准测量性能的标准测试工件、方法和分析。（8）高通量测量和检测系统，以验证电路硬件。

6. 制造工具和工艺以实现创新成果转化于生产

随着研发部门提供新材料和设备，还需要研发制造工具和工艺，以实现这些新技术的大规模生产。虽然重要的制造技术进步将在微米尺度上继续进行，但许多尖端技术已经在纳米尺度甚至在原子尺度上进行，例如超精密制造。

新工具和新工艺的主要研发需求包括：

（1）超精密表征、先进的光刻和计量工具以及更好的质量控制，包括亚10纳米尺度的精确参考结构。（2）新的图案化方法，包括“减法式”和“加法式”，支持3D架构、大面积衬底以及高混合、小批量制造电路和封装等新兴需求。（3）改进区域选择性原子层沉积和蚀刻等工艺。（4）高通量实验和建模方法，结合光学、电子和扫描探针显微镜检测工具的新功能。（5）混合计量方法，将来自多个测量工具的数据与新的机器学习方法相结合以实现过程优化。（6）基于AI/ML/物理的集成模型，能够吸纳晶圆厂的实时过程数据进行高级预测分析，以测量和提高产量并实现晶圆厂虚拟化。（7）进一步开发和使用原位计量。（8）快速、高分辨率、无损技术。（9）表面、埋藏特征、界面和器件的物理特性表征。（10）将第一性原理材料研究与高性能计算相结合。（11）数字孪生应用的进步。（12）提高能源和资源效率，并在制造过程中使用环境友好化学品。


二、支持、扩展和连接从研究到制造的微电子基础设施的关键研究领域

1. 支持器件级研发制造和表征用户设施的联合网络

支持电子、光子和微机械设备的新概念，推动“延续摩尔”和“超越摩尔”解决方案的发展需要越来越复杂和昂贵的表征和制造工具以及设施。

研发制造和表征设施的主要研发需求包括：（1）对现有设施进行差距分析，努力解决现有设施内的能力差距并在必要时建立新能力。（2）定期更新共享研究资源的可搜索公共注册表。（3）支持先进的制造技术，能够将新兴的低维纳米材料和纳米器件以及其他“超越摩尔”解决方案整合到设计中；以及支持采用成熟和最先进技术制造电路，用于中小型原型设计。（4）必要时与盟国和伙伴国的国际实体达成协议，为美国研究人员提供尖端制造设施以弥合当前国内差距。（5）基于侧重满足广泛和多样化用户群需求的影响指标构建融资模式，并根据需要提供持续资助。（6）激励培训和教育的成功衡量标准和资助机制。（7）减少设施准入的障碍。（8）FAIR（可查找、可访问、可互操作和可重用）数据管理系统。

2. 促进学术界和小企业研究界访问灵活设计工具和晶圆级制造资源

目前，PDK、ADK和EDA设计工具成本以及代工厂制造成本，是小型企业和学术研究团体以及政府设施、能源部国家实验室和其他联邦政府资助的研发中心、非营利性实验室的研发工作难以承担的。

改善对设计工具和制造资源访问的主要研发需求包括：（1）灵活且经济实惠的模型，包括成熟节点的潜在开源功能。（2）与EDA供应商建立更广泛的合作伙伴关系以显著降低成本。（3）适用于成熟和新兴技术的可访问设计工具和工具环境，包括基于云的安全解决方案。（4）标准化的许可协议和保密协议。（5）访问建模和仿真所需的高性能计算资源，以支持在产生原型成本之前评估电路性能。（6）增加制造设施的多项目晶圆产能，并以小规模制造能力作为补充。（7）建立并提供具有标准接口的标准“即插即用”小芯片库，以及这些接口的开源参考实施方案。（8）先进封装研究设施的创建和访问，以加速先进封装、异构集成和小芯片生态系统的发展。

3. 促进关键功能材料的研究获取

III-V族半导体（以及由其制备的量子点和量子阱材料）、薄膜铌酸锂、绝缘体上碳化硅、金刚石、多铁性材料和压电材料等新材料引起了研发界的浓厚兴趣，并且正在器件、电路和系统层面积极开发。然而，其中许多材料只能从海外供应商处获得，或通常只能从国内单个大学实验室获得且质量不统一。

确保强大和高质量的国内功能材料供应战略，加快器件开发和集成研究的主要研究需求包括：（1）与美国的材料供应商合作并利用这些供应商确保维持和扩大国内产能。（2）支持材料开发前沿领域的美国研究机构扩大为国内研究人员提供新材料的能力。需要工业界参与的重点研究资助可用于建立合作。（3）投资传统和创新方法，包括材料基因组计划（MGI）方法。

4. 扩展对高级网络基础设施的访问以进行建模和仿真

在物理、制造和计量学的极限下进行创新，需要在数字仿真中展示对电路性能和制造工艺的深刻理解，然后再投资先进的原型设计或昂贵的实验。鉴于计算数据托管的挑战，通用云资源可能不足，并且需要根据微电子研发需求量身定制网络基础设施。

支持访问网络基础设施进行建模和仿真的关键行动包括：（1）提供对一流计算和其他网络基础设施的访问。（2）促进用户、系统开发人员以及计量和原型制作设施之间的密切协调。（3）与有形基础设施及其产出建立密切联系。

5. 支持先进的研究、开发和原型设计以弥合实验室与晶圆厂之间的差距

在美国生态系统中，虽然早期研究基础设施有坚实的基础，但获得更先进的基础设施尤其具有挑战性。《芯片法案》提供了一个独特机会来支持和提供对先进原型资源的访问。

弥合实验室与晶圆厂差距的关键研发行动包括：（1）对现有设施进行差距分析，然后努力解决现有设施内的能力差距，并在必要时建立新能力，以全面解决“目标一”中确定的每个研发优先领域的进一步发展。（2）必要时与盟国和伙伴国的国际实体签订协议，为美国研究人员提供使用尖端制造设施的机会，以弥合当前的国内差距并促进合作。（3）开发“从晶圆厂到实验室”的生态系统。

6. 支持先进的组装、封装和测试

随着半导体制造达到通过晶体管微缩来提高性能和效率的极限，业界已转向使用3D系统和异构集成的新方法来实现更高性能。当前这一代高性能器件集成了多种技术，不仅包括不同的硅基工艺，还包括化合物半导体、光子学和其他专业技术。这些方法对器件和子系统互连能力提出了更高要求，而这正是先进封装的关键所在。互连技术以及3D和异构集成标准的改进还能促进微电子新供应链结构的发展，而国内能力将增强美国的安全和竞争力。此外，还需要先进的测试、组装和封装能力来验证研发过程中出现的先进原型。

加快发展国内先进封装生态圈的主要行动包括：（1）建立并密切协调DARPA的“下一代微系统制造（NGMM）”项目和NIST的国家先进封装制造项目（NAPMP）的研发和中试生产设施，确保相辅相成、相互支持。（2）开发整个生态系统合作并充分利用互补性工作的机会，实现ADK、封装相关设计工具和其他数字资源的安全共享。（3）促进封装研发社区获得小芯片。（4）制定提高先进封测组装设备的自动化水平和性能的项目计划，实现国内封装的成本竞争力。（5）致力开发新衬底材料和相关制造技术，以支持密度和信号性能的改进。（6）支持行业在适当的时候制定和引入小芯片和先进封装标准。（7）支持组件、集成方案和测试方法的开发和验证。