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美國白宮發(fā)布《國家微電子研究戰(zhàn)略》
來源:江蘇省技術(shù)性貿(mào)易措施信息平臺 時間: 2024-10-16
2024年3月15日,，美國白宮科技政策辦公室（OSTP）發(fā)布國家科學(xué)技術(shù)委員會微電子領(lǐng)導(dǎo)小組委員會制定的《國家微電子研究戰(zhàn)略》,，戰(zhàn)略旨在確保美國在微電子領(lǐng)域繼續(xù)保持全球領(lǐng)先地位,。該戰(zhàn)略概述了美國微電子研究領(lǐng)域未來五年的發(fā)展目標(biāo)、關(guān)鍵需求和行動方案,，為美國聯(lián)邦部門和機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)界,、工業(yè)界,、非盈利組織以及國際盟友和合作伙伴提供指導(dǎo)框架,。報告確定的關(guān)鍵研究領(lǐng)域包括：
一、促進(jìn)并加速未來微電子技術(shù)研究進(jìn)展的關(guān)鍵研究領(lǐng)
1. 新功能或功能增強(qiáng)材料
材料研發(fā)對于滿足所有行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的新興需求至關(guān)重要,。需要新的和改進(jìn)的材料來實(shí)現(xiàn)能源效率,、信息速度和帶寬、新穎的計算架構(gòu)和可持續(xù)發(fā)展方面的目標(biāo),。
先進(jìn)材料的關(guān)鍵研發(fā)要素包括：（1）新興有機(jī)和無機(jī)材料,，包括：二維（2D）材料；量子材料,；用于高能效電子產(chǎn)品和極端環(huán)境的寬帶隙和超寬帶隙材料,；優(yōu)化高帶寬互連的材料；超高頻操作材料（光學(xué),、電氣和機(jī)電）,；實(shí)現(xiàn)非馮·諾依曼架構(gòu)的材料；生物-非生物混合系統(tǒng),。（2）可以無縫集成到現(xiàn)有工藝流程中的材料,。（3）改進(jìn)現(xiàn)有塊狀襯底材料，并加快新襯底材料的開發(fā)和部署,。（4）規(guī)范化半導(dǎo)體材料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施,。（5）新的建模、表征和計量方法,。（6）新型和新興材料的可制造合成工藝和生產(chǎn)工具研發(fā),。（7）新的材料測量方法和標(biāo)準(zhǔn)以確保純度、物理特性和來源,。（8）在全生命周期中提高加工,、制造和供應(yīng)鏈的可持續(xù)性和循環(huán)性（再利用、回收）,。（9）可以兼容非常規(guī)材料或工藝的制造設(shè)施,。（10）可以原型證明和規(guī)模化生產(chǎn)新型和非常規(guī)材料的新工藝設(shè)施,。
2. 電路設(shè)計,、模擬和仿真工具
適用于新材料、器件,、電路和架構(gòu)的電路設(shè)計,、模擬和仿真工具對于持續(xù)創(chuàng)新和器件規(guī)模化至關(guān)重要,。
提高數(shù)字工具能力的戰(zhàn)略方法包括：（1）創(chuàng)建,、開發(fā)和提供廣泛可用的工具。（2）進(jìn)一步將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)以及基于物理的方法集成到EDA工具中。（3）開發(fā)高級綜合工具以及EDA系統(tǒng)和流程,。（4）改進(jìn)材料和器件驗(yàn)證方法并推進(jìn)材料,、組件和電路屬性的測量。（5）改進(jìn)DTCO（設(shè)計工藝協(xié)同優(yōu)化）和STCO（系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化）方法和平臺,。（6）推進(jìn)規(guī)范化和端到端驗(yàn)證方法的開發(fā),。
3. 新的架構(gòu)和相關(guān)硬件設(shè)計
非馮·諾依曼計算架構(gòu)，如神經(jīng)形態(tài),、以內(nèi)存為中心,、深度學(xué)習(xí)、異步計算,、混合計算和量子計算,，將在廣泛的商業(yè)和國家安全應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。除了基于標(biāo)準(zhǔn)Si-CMOS的系統(tǒng)外,，采用低溫CMOS,、模擬/混合信號技術(shù)、光子學(xué),、自旋電子學(xué)和量子器件的新方法正在迅速出現(xiàn),。
要充分利用多樣化的處理架構(gòu)和器件類型，需要對整個堆棧進(jìn)行創(chuàng)新,。主要研發(fā)需求包括：（1）加深對新架構(gòu)實(shí)現(xiàn)最佳性能所需的算法,、編程模型和編譯器的理解。（2）增強(qiáng)器件可編程性和可編程抽象性,。（3）優(yōu)化新架構(gòu)的制造和設(shè)計能力,。（4）新的集成電路設(shè)計以及可實(shí)現(xiàn)非馮·諾依曼組件與傳統(tǒng)計算架構(gòu)最佳集成的新穎架構(gòu)。（5）解決異構(gòu)集成邏輯存儲器的高數(shù)據(jù)速率和大數(shù)據(jù)量相關(guān)挑戰(zhàn)的AI/ML方法,。（6）量子信息科學(xué)研究,，包括：量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子傳感,。（7）量子支持技術(shù),，如可與量子系統(tǒng)對接的低溫電子學(xué)和光子學(xué)。（8）用于大型傳感器網(wǎng)絡(luò)提取和提煉信息的高能效處理架構(gòu),。（9）為極端環(huán)境中的傳感,、信號處理和計算應(yīng)用設(shè)計流程和架構(gòu)。（10）超越高性能計算的電路創(chuàng)新,，以滿足能源,、醫(yī)療健康、交通和通信方面的需求,。
4. 先進(jìn)封裝和異構(gòu)集成的工藝和計量
要確保美國處于先進(jìn)封裝領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)地位并從異構(gòu)集成中獲益，需要解決許多相互關(guān)聯(lián)的研究挑戰(zhàn)，包括材料,、制造工藝,、能源、成本,、良率和經(jīng)過驗(yàn)證的建模,。主要研究挑戰(zhàn)包括：（1）用于襯底、封裝/模塑和晶粒到晶粒（die to die）互連的新材料,。（2）機(jī)電一體化,、機(jī)器視覺和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)步。（3）可提高能效和密度的新互連技術(shù),。（4）新的高速檢測及監(jiān)控方法,。（5）增強(qiáng)的工具計量和檢測能力。（6）跨越多種長度尺度（2D和3D）和物理特性的新型計量技術(shù),。（7）改善整個系統(tǒng)的熱,、機(jī)械和電磁行為的物理建模，以及新的高分辨率方法,。（8）電路,、架構(gòu)和封裝的集成設(shè)計工具和方法。
5. 硬件完整性和安全性
鑒于從電路到軟件都有可能被惡意更改,，再加上需要為后量子密碼學(xué)做好準(zhǔn)備,，硬件完整性和網(wǎng)絡(luò)安全成為系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要的基礎(chǔ)組成部分。
提高硬件完整性和安全性的研發(fā)需求包括：（1）準(zhǔn)確的威脅模型,。（2）完整性和安全性的高級概念模型,。（3）新的自動化和支持結(jié)構(gòu)。（4）協(xié)同設(shè)計卓越中心,。（5）保護(hù)數(shù)據(jù)和減少硬件信任的新方法,，例如同態(tài)加密、加密存儲系統(tǒng),、安全計算,、隔離加密和多方計算。（6）確保集成電路IP來源和完整性的方法,。（7）用于評估和基準(zhǔn)測量性能的標(biāo)準(zhǔn)測試工件,、方法和分析。（8）高通量測量和檢測系統(tǒng),，以驗(yàn)證電路硬件,。
6. 制造工具和工藝以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化于生產(chǎn)
隨著研發(fā)部門提供新材料和設(shè)備，還需要研發(fā)制造工具和工藝,，以實(shí)現(xiàn)這些新技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn),。雖然重要的制造技術(shù)進(jìn)步將在微米尺度上繼續(xù)進(jìn)行,，但許多尖端技術(shù)已經(jīng)在納米尺度甚至在原子尺度上進(jìn)行，例如超精密制造,。
新工具和新工藝的主要研發(fā)需求包括：
（1）超精密表征,、先進(jìn)的光刻和計量工具以及更好的質(zhì)量控制，包括亞10納米尺度的精確參考結(jié)構(gòu),。（2）新的圖案化方法,，包括“減法式”和“加法式”，支持3D架構(gòu),、大面積襯底以及高混合,、小批量制造電路和封裝等新興需求。（3）改進(jìn)區(qū)域選擇性原子層沉積和蝕刻等工藝,。（4）高通量實(shí)驗(yàn)和建模方法,，結(jié)合光學(xué)、電子和掃描探針顯微鏡檢測工具的新功能,。（5）混合計量方法,，將來自多個測量工具的數(shù)據(jù)與新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)過程優(yōu)化。（6）基于AI/ML/物理的集成模型,，能夠吸納晶圓廠的實(shí)時過程數(shù)據(jù)進(jìn)行高級預(yù)測分析,，以測量和提高產(chǎn)量并實(shí)現(xiàn)晶圓廠虛擬化。（7）進(jìn)一步開發(fā)和使用原位計量,。（8）快速,、高分辨率、無損技術(shù),。（9）表面,、埋藏特征、界面和器件的物理特性表征,。（10）將第一性原理材料研究與高性能計算相結(jié)合,。（11）數(shù)字孿生應(yīng)用的進(jìn)步。（12）提高能源和資源效率,，并在制造過程中使用環(huán)境友好化學(xué)品,。
二、支持,、擴(kuò)展和連接從研究到制造的微電子基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵研究領(lǐng)域
1. 支持器件級研發(fā)制造和表征用戶設(shè)施的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)
支持電子,、光子和微機(jī)械設(shè)備的新概念，推動“延續(xù)摩爾”和“超越摩爾”解決方案的發(fā)展需要越來越復(fù)雜和昂貴的表征和制造工具以及設(shè)施,。
研發(fā)制造和表征設(shè)施的主要研發(fā)需求包括：（1）對現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行差距分析,，努力解決現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)的能力差距并在必要時建立新能力。（2）定期更新共享研究資源的可搜索公共注冊表,。（3）支持先進(jìn)的制造技術(shù),，能夠?qū)⑿屡d的低維納米材料和納米器件以及其他“超越摩爾”解決方案整合到設(shè)計中,；以及支持采用成熟和最先進(jìn)技術(shù)制造電路，用于中小型原型設(shè)計,。（4）必要時與盟國和伙伴國的國際實(shí)體達(dá)成協(xié)議,，為美國研究人員提供尖端制造設(shè)施以彌合當(dāng)前國內(nèi)差距,。（5）基于側(cè)重滿足廣泛和多樣化用戶群需求的影響指標(biāo)構(gòu)建融資模式,，并根據(jù)需要提供持續(xù)資助。（6）激勵培訓(xùn)和教育的成功衡量標(biāo)準(zhǔn)和資助機(jī)制,。（7）減少設(shè)施準(zhǔn)入的障礙,。（8）FAIR（可查找、可訪問,、可互操作和可重用）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),。
2. 促進(jìn)學(xué)術(shù)界和小企業(yè)研究界訪問靈活設(shè)計工具和晶圓級制造資源
目前，PDK,、ADK和EDA設(shè)計工具成本以及代工廠制造成本,，是小型企業(yè)和學(xué)術(shù)研究團(tuán)體以及政府設(shè)施、能源部國家實(shí)驗(yàn)室和其他聯(lián)邦政府資助的研發(fā)中心,、非營利性實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)工作難以承擔(dān)的,。
改善對設(shè)計工具和制造資源訪問的主要研發(fā)需求包括：（1）靈活且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的模型，包括成熟節(jié)點(diǎn)的潛在開源功能,。（2）與EDA供應(yīng)商建立更廣泛的合作伙伴關(guān)系以顯著降低成本,。（3）適用于成熟和新興技術(shù)的可訪問設(shè)計工具和工具環(huán)境，包括基于云的安全解決方案,。（4）標(biāo)準(zhǔn)化的許可協(xié)議和保密協(xié)議,。（5）訪問建模和仿真所需的高性能計算資源，以支持在產(chǎn)生原型成本之前評估電路性能,。（6）增加制造設(shè)施的多項目晶圓產(chǎn)能,，并以小規(guī)模制造能力作為補(bǔ)充。（7）建立并提供具有標(biāo)準(zhǔn)接口的標(biāo)準(zhǔn)“即插即用”小芯片庫,，以及這些接口的開源參考實(shí)施方案,。（8）先進(jìn)封裝研究設(shè)施的創(chuàng)建和訪問，以加速先進(jìn)封裝,、異構(gòu)集成和小芯片生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展,。
3. 促進(jìn)關(guān)鍵功能材料的研究獲取
III-V族半導(dǎo)體（以及由其制備的量子點(diǎn)和量子阱材料）、薄膜鈮酸鋰,、絕緣體上碳化硅,、金剛石、多鐵性材料和壓電材料等新材料引起了研發(fā)界的濃厚興趣,，并且正在器件,、電路和系統(tǒng)層面積極開發(fā),。然而，其中許多材料只能從海外供應(yīng)商處獲得,，或通常只能從國內(nèi)單個大學(xué)實(shí)驗(yàn)室獲得且質(zhì)量不統(tǒng)一,。
確保強(qiáng)大和高質(zhì)量的國內(nèi)功能材料供應(yīng)戰(zhàn)略，加快器件開發(fā)和集成研究的主要研究需求包括：（1）與美國的材料供應(yīng)商合作并利用這些供應(yīng)商確保維持和擴(kuò)大國內(nèi)產(chǎn)能,。（2）支持材料開發(fā)前沿領(lǐng)域的美國研究機(jī)構(gòu)擴(kuò)大為國內(nèi)研究人員提供新材料的能力,。需要工業(yè)界參與的重點(diǎn)研究資助可用于建立合作。（3）投資傳統(tǒng)和創(chuàng)新方法,，包括材料基因組計劃（MGI）方法,。
4. 擴(kuò)展對高級網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的訪問以進(jìn)行建模和仿真
在物理、制造和計量學(xué)的極限下進(jìn)行創(chuàng)新,，需要在數(shù)字仿真中展示對電路性能和制造工藝的深刻理解,，然后再投資先進(jìn)的原型設(shè)計或昂貴的實(shí)驗(yàn)。鑒于計算數(shù)據(jù)托管的挑戰(zhàn),，通用云資源可能不足,，并且需要根據(jù)微電子研發(fā)需求量身定制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。
支持訪問網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行建模和仿真的關(guān)鍵行動包括：（1）提供對一流計算和其他網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的訪問,。（2）促進(jìn)用戶,、系統(tǒng)開發(fā)人員以及計量和原型制作設(shè)施之間的密切協(xié)調(diào)。（3）與有形基礎(chǔ)設(shè)施及其產(chǎn)出建立密切聯(lián)系,。
5. 支持先進(jìn)的研究,、開發(fā)和原型設(shè)計以彌合實(shí)驗(yàn)室與晶圓廠之間的差距
在美國生態(tài)系統(tǒng)中，雖然早期研究基礎(chǔ)設(shè)施有堅實(shí)的基礎(chǔ),，但獲得更先進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施尤其具有挑戰(zhàn)性,。《芯片法案》提供了一個獨(dú)特機(jī)會來支持和提供對先進(jìn)原型資源的訪問,。
彌合實(shí)驗(yàn)室與晶圓廠差距的關(guān)鍵研發(fā)行動包括：（1）對現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行差距分析,，然后努力解決現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)的能力差距，并在必要時建立新能力,，以全面解決“目標(biāo)一”中確定的每個研發(fā)優(yōu)先領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展,。（2）必要時與盟國和伙伴國的國際實(shí)體簽訂協(xié)議，為美國研究人員提供使用尖端制造設(shè)施的機(jī)會,，以彌合當(dāng)前的國內(nèi)差距并促進(jìn)合作,。（3）開發(fā)“從晶圓廠到實(shí)驗(yàn)室”的生態(tài)系統(tǒng)。
6. 支持先進(jìn)的組裝,、封裝和測試
隨著半導(dǎo)體制造達(dá)到通過晶體管微縮來提高性能和效率的極限,，業(yè)界已轉(zhuǎn)向使用3D系統(tǒng)和異構(gòu)集成的新方法來實(shí)現(xiàn)更高性能。當(dāng)前這一代高性能器件集成了多種技術(shù),，不僅包括不同的硅基工藝,，還包括化合物半導(dǎo)體,、光子學(xué)和其他專業(yè)技術(shù)。這些方法對器件和子系統(tǒng)互連能力提出了更高要求,，而這正是先進(jìn)封裝的關(guān)鍵所在,。互連技術(shù)以及3D和異構(gòu)集成標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)還能促進(jìn)微電子新供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)的發(fā)展,，而國內(nèi)能力將增強(qiáng)美國的安全和競爭力,。此外，還需要先進(jìn)的測試,、組裝和封裝能力來驗(yàn)證研發(fā)過程中出現(xiàn)的先進(jìn)原型,。
加快發(fā)展國內(nèi)先進(jìn)封裝生態(tài)圈的主要行動包括：（1）建立并密切協(xié)調(diào)DARPA的“下一代微系統(tǒng)制造（NGMM）”項目和NIST的國家先進(jìn)封裝制造項目（NAPMP）的研發(fā)和中試生產(chǎn)設(shè)施，確保相輔相成,、相互支持。（2）開發(fā)整個生態(tài)系統(tǒng)合作并充分利用互補(bǔ)性工作的機(jī)會,，實(shí)現(xiàn)ADK,、封裝相關(guān)設(shè)計工具和其他數(shù)字資源的安全共享。（3）促進(jìn)封裝研發(fā)社區(qū)獲得小芯片,。（4）制定提高先進(jìn)封測組裝設(shè)備的自動化水平和性能的項目計劃,，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)封裝的成本競爭力。（5）致力開發(fā)新襯底材料和相關(guān)制造技術(shù),，以支持密度和信號性能的改進(jìn),。（6）支持行業(yè)在適當(dāng)?shù)臅r候制定和引入小芯片和先進(jìn)封裝標(biāo)準(zhǔn)。（7）支持組件,、集成方案和測試方法的開發(fā)和驗(yàn)證,。