執行概要
半導體是當今信息時代的基礎，是全球經濟的支柱。它們對美國的經濟和國家安全至關重要，并為數據中心、通信、汽車、航空航天和國防、個人計算設備、工業、娛樂、醫療保健和許多其他市場提供“智能”。從經濟和技術的角度來看，要保持世界領先地位，半導體領域的領先地位至關重要。目前，美國是全球半導體收入的領導者，但這種領導地位正受到前所未有的全球競爭對手的挑戰。例如，美國制造的半導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，一直在半導體制造和研發(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。
美國要保持半導體行業的世界領先地位，該行業的大部分附加值必須發生在美國。PCAST積極支持兩黨《芯片與科學法案》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體生態系統，以應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展我們的國內半導體生態系統，并為美國人民帶來利益，包括高質量的就業機會、技術創新和科學發現。
工業界和政府支持和加速半導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體生態系統同樣重要的研發計劃卻沒有得到同樣多的關注。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《芯片和科學法案》中的半導體研發資金提供建議，通過創建強大的半導體研發基礎設施、教育和培訓下一代半導體勞動力以及推動我們的國家研究和創新議程，為美國半導體生態系統的長期健康和競爭力實現最大利益。
《芯片與科學法案》為商務部在5年內投資110億美元用于半導體研發，其中包括一個國家半導體技術中心(NSTC)和一個國家先進封裝制造計劃(NAPMP)，此外，該法案還撥款390億美元用于國內半導體制造的財政援助。這是半導體研發領域歷史性的重大投資，可以決定性地加強美國半導體生態系統。為了實現這一目標，NSTC和NAPMP必須激發公共和私營部門之間的廣泛合作，發展和培養美國的半導體人才，并推動雄心勃勃的研究和創新議程。
執行本報告中列出的10項建議將為重振美國半導體生態系統奠定堅實的基礎。這些措施中的每一項都可以由拜登政府發起，采用全面的公私合作關系，以維持和發展我們的國內半導體生態系統。我們相信，這些舉措的實施可以改變我們目前的發展軌跡，重建我們在半導體領域的全球領導地位。
建議
1. 商務部長應在2023年底前將NSTC確立為公私合作關系中的獨立法律實體。商務部長應選擇一個董事會，該董事會應監督NSTC和NAPMP，以確保投資的協同作用和一致性。委員會成員應包括來自政府、工業界和學術界的廣泛代表。
2. 商務部長應確保NSTC的創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推進的卓越聯盟(COE)；先進存儲；模擬和混合信號；生命科學應用程序；設計和方法；封裝。COE應該包含NAPMP計劃的預算和目標。
3.商務部長應與國家科學基金會(NSF)主任協調，支持在2023年底前建立一個國家微電子教育和培訓網絡，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施，支持課程開發，并促進該領域的教師招聘。
4. 商務部長應確保NSTC資助的研究(見下文建議8)每年在教育領域支持約2500個獎學金和研究助理獎學金。
5. 國土安全部應執行現有的法律和監管機構，為尋求國家利益豁免、以微電子行業就業為基礎的高學歷移民新提交的移民申請提供優先處理。
6. 商務部長應確保到2023年底，NSTC創建一個約5億美元的投資基金，為半導體初創企業提供資金支持和實物原型和工具。
7. 商務部長應確保NSTC在2025年底前創建或資助創建一個具有完整軟件堆棧的“chiplet”平臺，以便初創企業和學術機構能夠將其定制的chiplet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新。
8. 商務部長應確保NSTC創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。這一研究議程應該是廣泛的性質，并解決以下領域：材料，過程和制造技術；封裝和互連技術；節能計算和領域特定加速器；設計自動化工具和方法；半導體和系統安全；還有半導體和生命科學。
9. NSTC應該確定一系列全國性的重大挑戰，這些挑戰通過NSTC產業成員和NSTC資助的研究之間的合作來實現。這些巨大的挑戰應該跨越三個相互補充的領域，從大規模的全國性合作中受益：先進計算進入zttascale時代；顯著降低設計復雜度；以及在生命科學領域應用半導體。
10. 為了提高對聯邦半導體投資努力的可見性，在聯邦層面衡量整個行業的進展，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，網絡與信息技術研究與開發(NITRD)項目應整理并公布所有聯邦機構的半導體年度投資數據。
b) NSTC應鼓勵所有半導體研發投資的機構充分利用NSTC的設施和能力。我們建議NSTC與其他機構以及公私合作伙伴擴大共同資助項目，在這些項目中，研究議程具有協同作用，例如，國防高級研究計劃局(DARPA)的電子復興計劃，由NSF計算機與信息科學與工程理事會贊助的半導體未來研究，以及由半導體研究公司實現的廣泛的多部門合作。
c)商務部長應制定并定期評估績效指標，以評估CHIPS和《科學法案》舉措的進展、有效性、結果和影響，并每年向總統報告。
重振美國半導體生態系統
半導體生態系統的現狀
半導體對于現代生活的各個方面都是必不可少的——包括工作、學習、商業、通信、運輸、航空航天、國防、醫療保健和許多其他行業。自20世紀40年代以來，聯邦政府通過與工業界和學術界的深入合作，在半導體工業的發展中發揮了核心作用，使美國成為半導體收入方面的世界領導者。半導體工業協會的分析發現，全球半導體收入為5560億美元，其中美國公司占了47%的市場份額;半導體是美國第四大出口產品;該行業直接雇用了近30萬美國人，間接增加了160萬個就業機會。半導體不僅對我們的經濟實力至關重要，而且對我們的國家安全也至關重要。半導體為智能武器和精確制導彈藥提供了“情報”，幾乎所有軍事系統都需要半導體。
基于半導體的超級計算機被用于密碼分析、設計武器系統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設計和開發方面的全球領導地位，以及執行這項重要工作的熟練半導體勞動力。新型冠狀病毒(COVID-19)大流行導致對依賴半導體的產品的需求空前增長，導致供應鏈中斷，突顯出半導體的極端重要性和半導體生態系統的脆弱性。在半導體領域的領先地位是確保我們的經濟繁榮和國家安全的國家優先事項，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先世界，但我們在半導體領域的領先地位近年來一直在下降，而亞洲的能力一直在增強。由于認識到半導體的戰略重要性，亞洲許多國家的政府都通過產業政策進行了大量投資，以擴大其業務范圍和能力。例如，韓國的半導體收入近年來增長迅速，目前占全球市場的21%，這是由于他們在內存和存儲技術方面的進步。中國臺灣現在是制造業的主要地區，生產世界上92%的尖端半導體。
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1500億美元推進半導體研究、開發和制造，目標是到2030年成為半導體領域的世界領導者。2019年，中國宣布成立第二只半導體基金，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%的半導體是在美國制造的，延續了從1990年37%的長期下降趨勢。2021年，85%的半導體制造設備運往亞洲國家(28%運往中國)，而只有7%的制造設備運往北美。
如果美國不增加在半導體制造業的投資，據估計，到2030年，我們國家的半導體產量將占世界總產量的不到10%，而中國的半導體產量將占全球總產量的近30%。自半導體行業誕生以來，初創企業一直是其成功的關鍵驅動因素。然而，美國半導體創業公司的資金卻沒有跟上其他國家的步伐。據2022年5月的新風險投資報告顯示，只有18%的半導體初創公司位于美國，相比之下，59%的半導體初創公司位于中國。同樣，美國聯邦政府對半導體相關研發(R&D)活動的資助在國內生產總值(gdp)中所占的比例一直相對平穩，而該領域成功所需的投資規模卻大幅增加。2017年1月，PCAST向奧巴馬總統發布了一份報告，確定了確保美國在全球半導體生態系統中長期領導地位的行動。這份報告的核心發現是，美國只有通過創新和跑得更快才能保持領導地位。今天情況仍然如此，采取行動的需要已變得更加迫切。
為了扭轉美國半導體領導地位下降的局面，拜登政府采取了大膽行動，投資、制定和實施了一項全面戰略，以重建國內半導體生態系統，加強美國在日益激烈的全球競爭中的領導地位。2021，作為2021財政年度《國防授權法案》的一部分，兩黨共同制定的《為美國生產半導體（芯片）的有益激勵法案》被制定為法律。
隨后，2022年8月9日，拜登總統簽署了《芯片與科學法案》，該法案撥款507億美元用于半導體投資，包括支持美國制造業的激勵措施以及《美國芯片法案》授權的半導體研發投資。
《芯片和科學法案》是一項歷史性的、改變游戲規則的投資，有可能扭轉我國在全球半導體生態系統中地位下降的軌跡，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體領域的明確領導者。為了補充促進半導體制造業的努力，該行業和聯邦政府的努力已經很好地覆蓋了半導體制造業，本報告就拜登政府如何在整個美國半導體生態系統中最大限度地利用該法案撥付的110億美元研發投資，以造福于我們的經濟和國家安全提出了建議。
成立國家半導體技術中心（NSTC）
在過去二十年中，半導體技術變得越來越復雜，需要更多的投資來開發下一代技術。目前，半導體開發的成本接近數億美元，用于技術前沿的設計，以及數十億美元的原型制作和制造投資。由于這些高成本，能夠參與研發的公司和學術機構越來越少，這對美國半導體創新的未來有著嚴重的影響。
這個問題可以通過創建公司和學術界可以共享的國家研發基礎設施來解決。如果沒有共享的基礎設施，大多數公司、研究人員和企業家將繼續面臨重大的創新障礙。《芯片和科學法案》為商務部提供資金，以創建國家半導體技術中心（NSTC）和國家先進封裝制造計劃（NAPMP），提供支持和支持美國半導體研發所需的共享基礎設施。NSTC將建立先進的半導體和封裝原型設施，供學術界、初創企業和知名公司使用。該中心將在共享環境中實現快速、低成本的原型制作，同時推進美國的研究議程，加快半導體勞動力發展。與NSTC合作，NAPMP將制定一項國家計劃，以加強美國半導體先進測試、組裝和封裝能力。這一基礎設施將能夠展示新的創新，而不需要個別機構對設施進行重大投資，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，并為其結構、治理和實施提供建議。
建議1：商務部長應在2023年底前將NSTC建立為公私合作的獨立法人實體。商務部長應選擇一個董事會，董事會應監督NSTC和NAPMP，以確保投資的協同效應和一致性。董事會成員應包括來自政府、行業和學術界的廣泛代表。NSTC是美國半導體史上最大的同類企業。唯一一家類似的企業是SEMATECH，它是美國半導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，最初的投資規模要小得多，為5億美元。
NSTC的成功實施需要正確的結構、治理和指導原則。PCAST建議將NSTC建立為公私合作伙伴關系，以促進整個美國半導體生態系統的參與、合作和創新。商務部應鼓勵學術界、行業和政府廣泛參與NSTC。行業參與應涵蓋半導體生態系統的所有方面，包括材料和設備供應商、電子設計自動化公司、無晶圓廠設計公司、集成設備制造商、代工廠和系統公司。聯邦政府的參與應包括在半導體領域具有深厚專業知識的機構，例如國家科學基金會（NSF）和DARPA等。
商務部長應將NSTC和NAPMP的治理合并，以增加投資的協同效應，減少基礎設施重復的可能性。監督這兩項舉措的董事會應由美國半導體行業的成員以及學術界和美國政府的代表組成。董事會應選擇一名獨立的NSTC首席執行官（CEO），并成立一個技術咨詢委員會來指導研究議程。NAPMP可以作為NSTC內的一個獨立實體進行管理，并有自己的預算，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應與美國以外的類似組織（如歐洲大學間微電子中心和聯盟國家的半導體公司）合作，以利用資源、現有基礎設施和能力。此類參與應反映互惠原則、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，由于這項工作的戰略性質，任何外國實體都不應成為董事會或技術咨詢委員會的成員。
圖1：NSTC擬定結構
建議2：商務部長應確保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推力（如高級邏輯）的卓越聯盟（COE）；先進內存；模擬和混合信號；生命科學應用；設計和方法；和包裝。包裝COE應包括NAPMP倡議的預算和目標。
與SEMATECH等以前的工作不同，在SEMATECH，基礎設施只有一個中心位置，我們認為，鑒于要涵蓋的技術的廣度，NSTC基礎設施應該構建在分布式區域模型中。這也將在全國范圍內分配創造就業機會。NSTC應與學術機構聯系起來，以支持教育和勞動力發展，并為開展學術研究提供設施。
為了實現這些結果，NSTC原型基礎設施應盡可能利用現有生態系統和基礎設施，必要時擴充區域和學術基礎設施。作為一種模式，NSTC可以組織大約六個COE，包括廣泛的學術、行業和地區代表：1）先進內存；2）高級邏輯；3）模擬和混合信號；4）架構、設計和工具；5）包裝（包括NAPMP倡議的任務）；6）新興技術，包括生命科學。這六個方面代表了強大而充滿活力的美國半導體生態系統所需的關鍵技術。
每個COE本質上都應該是高度多學科和跨職能的，具有原型制作能力和涵蓋材料、裝置、設備、建模、測試和其他學科的研究議程。每個COE的原型開發能力都應該支持學術、創業和行業活動。COE之間的強有力協調對于提供支持建議8和9中概述的研究議程和重大挑戰的集成系統和解決方案至關重要。此外，NSTC的基礎設施也有機會與其他聯邦倡議一起發揮作用，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能力，以加強美國國防相關的微電子創新。以下提供了特遣隊所屬裝備活動的實例。
卓越聯盟活動示例
模擬和混合信號COE可以具有下一代模擬、混合信號、電源管理和高壓設備、射頻和高速技術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設施、智能城市、自動駕駛汽車、綠色能源以及醫療、保健和健康領域的廣泛學術和商業應用。高級邏輯COE可以為下一代高級邏輯、內存、芯片以及3D和異構集成提供研究和原型制作能力。先進內存COE可以專注于未來幾代內存的研究和原型制作能力、新的內存技術概念，以及內存與計算和高級3D內存概念的異構集成。這兩項COE活動將支持廣泛的學術和商業應用，以實現領先半導體工藝技術和產品的領導地位。他們還將在與2.5D/3D封裝和異構集成相關的領域與封裝COE密切合作。
一個強大的知識產權（IP）框架，包括專利、商標、版權和商業秘密，對于保持美國半導體的領先地位和NSTC的長期成功至關重要。所有權和許可的知識產權框架對于降低初創企業和學術研究人員的進入壁壘，以及縮短通過訪問啟用知識產權從“實驗室到工廠”所需的時間也至關重要。我們建議，由COE資助開發的所有知識產權（即會員費、政府資助、州或大學資助）應作為研究和商業產品的非排他性、免版稅的永久許可證授予聲譽良好的COE成員。知識產權的所有權將由發明人或發明人各自的機構保留。實踐NSTC創建的IP所需的任何預先存在的IP都將由預先存在IP的所有者預先確定。如果NSTC選擇使用此預先存在的IP，則應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，應采用半導體研究公司（Semiconductor research Corporation）和歐洲大學間微電子中心（Interuniversity Microelectronics Centre）等既定研究模式的最佳實踐。
教育和勞動力發展
半導體集成電路、芯片、設計和制造的復雜性和精密性要求訓練有素的微電子工作人員具備廣泛的科學、技術、工程和數學（STEM）學科和教育水平的知識和技能。半導體行業中超過50%的工人擁有學士或研究生學位。此外，與半導體行業相關的其他工作都是需要熟練技術勞動力的高薪工作。半導體工業協會的一項研究估計，《芯片與科學法案》的制造業激勵措施將在未來幾年內為美國創造額外的280000個新工作崗位，其中42000個直接在半導體行業創造，101000個用于支持供應鏈，而其余的工作崗位則是通過工資支出創造的。許多新的工作崗位將集中在高技能的工程師和技術員崗位上，但美國的大學、學院而職業學校目前的畢業生人數遠遠達不到滿足這一需求所需的人數。
為了吸引更多的學生學習半導體，課程必須抓住他們的興趣和想象力。要做到這一點，重要的是讓學生小組能夠創新，并獲得構建自己的半導體芯片的實踐經驗。由于構建硬件所需的時間較長以及芯片設計和原型制作過程的整體復雜性，這在當今的芯片設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年代半導體革命的動力，也是今天吸引學生進入計算機科學領域的關鍵力量。因此，迫切需要通過創造激勵性的課程體驗和提供動手芯片設計和原型制作的機會來重新激發學生對半導體的興趣。這需要更新教育課程和學術研究及培訓設施，以跟上芯片設計和制造技術的發展。還迫切需要通過帶薪實習和學徒制為學生提供實際工作經驗。
建議三：商務部長應與國家科學基金會主任協調，支持在2023年底前建立國家微電子教育和培訓網絡，并在未來5年內撥款10億美元，用于升級教育實驗室設施，支持課程開發，并促進該領域的教師招聘。
為了確保美國微電子生態系統擁有健康的人才管道，以促進其蓬勃發展，并保持在半導體研究、設計和制造領域的全球領導地位，需要采用新的方法來吸引和培訓規模更大、更多樣化的勞動力。2021年的一項調查發現，在半導體勞動力中，黑人員工占4%，西班牙裔員工占13%，這落后于制造業和美國整體勞動力。此外，截至2019年，半導體勞動力中女性員工不到25%。在大多數半導體公司中，只有不到1%的領導職位是由女性擔任的。當我們希望增加半導體領域的工人總數時，我們必須從所有的背景和地理區域吸引全國的人才。為了擁有廣泛而多樣化的勞動力隊伍，我們必須接觸到學生所在的地方。有才華的學生分布在全國各地，他們在各種類型的機構。必須做出明確的努力，為所有學生和工人創造機會，特別是那些在STEM和微電子教育方面歷史上服務不足的學生和工人，并在全國范圍內提供高薪工作。為此，國家微電子學培訓網絡應包括對分布在全國各地的至少50所大學和學院的實驗室設施和設備進行升級，包括為少數民族服務的機構（例如：歷史上的黑人學院和大學，西班牙裔服務機構，亞裔美國人和太平洋島民服務機構，以及部落學院和大學）；課程開發并向大學、社區學院和職業學校傳播；以及在全國各地的學術機構招聘新的微電子學教師。
振興美國微電子學教育和支持勞動力發展的建議
1. 在5年內投入7.5億美元（每年1.5億美元），用于升級現有的教育和研究實驗室設施和設備，這些設施和設備對于半導體設計、制造、封裝和測試方面的實踐學習和培訓至關重要，并用于支付50個中心學術機構實驗室中的實踐學習和培訓項目的運營成本。
2. 在5年內投入1億美元（每年2000萬美元），用于支持課程開發和在全國學術機構網絡（包括大學、社區學院和職業學校）中共享課程。大學課程將包括芯片設計和學生設計的芯片原型制作課程，而社區學院和職業學校的課程將包括技術培訓。網絡內的幾所大學將得到資助，以維護芯片設計和原型制作的軟件工具和流程，然后網絡內的所有學術機構都可以利用這些工具和流程。
3. 5年內5000萬美元（每年1000萬美元），用于支持大學獲得符合行業標準的電子設計自動化和技術計算機輔助設計軟件工具、設計流程和多項目晶片制造在半導體鑄造廠中運行以用于教學和研究目的。類似于金屬氧化物硅實施服務、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，并維護工藝設計套件、庫和附帶的培訓材料。
4. 在5年內投入1億美元（每年2000萬美元），以激勵至少100名新教師和教學人員的聘用，最終使美國高等教育系統的微電子產品產量每年增加10000名來自各個教育領域的新畢業生。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：商務部長應確保NSTC資助的研究（見下文建議8）每年為整個教育領域提供約2500份獎學金和研究獎學金。
由于高等教育的高成本可能會阻礙學生入學，商務部應確保NSTC資助的研究每年通過研究獎學金（針對研究生）和獎學金（針對本科生和社區大學生）支持大約2500名學生，以激勵他們追求和完成與微電子學相關的學位。這些研究金和獎學金中的部分或全部可以與工業界合作提供，以保證畢業后的就業。國家科學基金會有現有的選擇和管理程序，以授予獎學金和研究獎學金，可以利用適當的這一NSTC資助的研究。
建議五：國土安全部應實施現有的法律和監管機構，為新提交的基于就業的第二優先高級學位移民申請提供溢價處理，尋求國家利益豁免，以在微電子領域工作。
雖然長期教育投資對于培養半導體行業的下一代人才至關重要，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，詳細說明何時可以考慮高級STEM學位持有者參與具有實質價值的工作，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。應繼續在這方面作出努力，以評估是否可以采取進一步的機構行動。例如，為了確保美國公司能夠接觸到全球領先的人才，在微電子領域工作的高級學位專家首次提交簽證申請時，應提供額外的處理。此外，需要立法更新國家的管理移民法規，以反映各種現代現實，包括當移民是根據他們的技能和教育來選擇時，原籍國不應該是問題。在等待這種全面改革的同時，一個中間步驟是根據現行法律授予高級STEM學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從事微電子工作的個人的數量上限。
初創公司
一個健康的創業生態系統對美國半導體行業的繁榮至關重要。事實上，今天領先的半導體公司都是從初創公司起步的，從20世紀60年代末的英特爾和先進微設備公司到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。初創公司可以比老牌公司更靈活，可以瞄準新興市場和新技術。初創企業是將大學和其他研究實體（例如， DARPA）的重要技術和產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略方向的重要技術和產品的絕佳工具。盡管初創公司很重要，但半導體開發成本的上升和半導體市場的整體規模在過去十年中導致了行業的巨大整合。從2010年的160家公司增加到2020年底的97家。自2013年以來，半導體初創公司每年占風險資本投資的比例都不到1%（圖2）。
大多數風險投資機構都傾向于需要最少投資并且有可能在4-6年內獲得10倍收益的創業技術。與軟件或服務創業公司相比，半導體創業公司在上市或被收購之前需要更多的資金（數千萬至數億美元），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量級。例如，所需的投資范圍從數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體。高成本主要是由于設計復雜性、電子設計自動化工具、IP許可、工具和制造成本。這抑制了新公司和新產品的創建。在過去幾年中，由于對人工智能和新應用的興趣，對半導體初創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。為了幫助降低進入壁壘并鼓勵更多半導體領域的初創企業，我們建議采取以下行動。
建議六：商務部長應確保到2023年底，NSTC建立一個5億美元的投資基金，為半導體初創企業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體初創公司的高資本要求和他們需要很長時間才能達到正現金流。這將創造一個公平的競爭環境，使這些投資更具吸引力，從而促進更多半導體初創公司的創建，并支持和加速半導體生態系統中的創新。NSTC投資基金可以直接投資于半導體初創企業或半導體孵化器，提供行業專業知識、培育和指導，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生最大的影響，這通常是最高的風險。NSTC還應保留向合格的初創企業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：商務部長應確保NSTC在2025年底前創建或資助創建一個具有完整軟件堆棧的“chiplet”平臺，以便初創企業和學術機構能夠將其定制的chiplet與NSTC支持的小芯片平臺集成，來展示新的創新，以顯著減少投資和時間。
許多半導體設計復雜性都可以在產品的非創新部分找到（尤其是前沿的片上系統）。許多初創公司和學術機構面臨的挑戰是，他們必須獲得并集成幾個關鍵的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所需的基本組件，然后才能添加創新的“秘方”。
軟件開發通常通過向復雜的、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。我們也可以通過構建一個“小芯片”生態系統來進行芯片設計，這將允許在已經運行的硬件/軟件平臺上添加小型/適度但具有創新性的硬件和代碼，以快速、廉價地捕捉創新的影響。要做到這一點，必須提供一個平臺系統芯片，與一個支持軟件棧，提供一個接口，其中包含系統的創新部分的“小芯片”可以使用先進的封裝連接。這樣的生態系統將使初創企業或學術機構能夠只設計系統的創新部分（硬件和軟件），同時大幅降低其開發成本和所需投資。這類似于蘋果的App Store和Google Play如何改變軟件設計和交付，讓更多的人更快、更簡單地創建和銷售他們的程序。我們預計，通過軟件創建一個小芯片生態系統，將使一個SoC芯片初創公司所需的資本減少一個數量級，并將產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體初創公司帶來更多的產品開發機會，也使學術創新變得更簡單、更快、更便宜。NSTC應建立在與該“小芯片”生態系統相關的現有項目的基礎上，包括DARPA作為電子研究計劃和其他行業工作的一部分正在進行的工作。
國家研究議程和重大挑戰
美國在全球半導體生態系統中的領導地位需要在多個關鍵的相互關聯的技術領域中取得顯著和持續的進步。在每個領域內，都存在大量技術挑戰，需要基礎研究和原型開發能力來引導新的解決方案從研究原型到規模擴大和商業采用。
建議八：商務部長應確保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。研究議程應具有廣泛性，并涉及以下領域：材料、工藝和制造技術；封裝和互連技術；高能效計算和特定領域加速器；設計自動化工具和方法；半導體和系統安全；半導體和生命科學。
雖然NSTC的大部分資金將用于急需的設備和基礎設施，但我們認為，大部分資金也應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重要。
下面，我們確定了一些關鍵的研究主題，作為NSTC研究議程的一部分，這些主題將非常有影響力。最終的研究議程應由NSTC執行團隊在NSTC技術咨詢理事會的指導下提出。
?。╝）材料、工藝和制造技術
摩爾定律，即集成電路上的晶體管數量每兩年翻一番，從而提高性能，已經支配半導體行業50多年。然而，這種趨勢近年來已經減緩，并且基本的物理挑戰阻礙了晶體管尺寸的持續減小和性能的改進。下一代材料、工藝技術和大批量制造解決方案需要創新，以繼續縮小芯片尺寸，并在性能、能效和成本方面取得必要的進步。
NSTC的研究議程應包括實現先進邏輯、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，這些都是構建完整系統所必需的。此外，用于異構集成的基礎工藝技術（即，在同一芯片上混合不同技術）和3D堆疊（即，將芯片堆疊在彼此的頂部以產生更密集和更有能力的芯片）是關鍵的。為了確保從實驗室的初始想法快速過渡到大批量生產，材料和設備的開發應與器件和工藝技術同步進行。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
近年來，隨著用于減小芯片尺寸的傳統技術已經放慢，封裝和互連技術對于性能、密度和系統級的持續改進已經變得更加重要。這需要在芯片、封裝、設計、架構和系統層面進行創新和聯合開發。由NAPMP提供資金的包裝卓越中心是推進該領域研究和提供原型能力的關鍵資源。
需要在各種工藝技術中開發成本效益高的晶圓鍵合技術、先進的建模能力和高效的功率傳輸系統，以實現異構集成和3D堆疊解決方案。此外，還應建立能夠連接小芯片生態系統中的邏輯、存儲器和模擬組件的行業標準接口。先進的封裝和互連技術還必須提供安全的即插即用技術和標準，以實現各種半導體組件的無縫集成，這對未來美國半導體技術和供應鏈實力至關重要。
(c)高能效計算和特定領域加速器
特定領域加速器，即，專注于特定應用的專用芯片，隨著半導體技術擴展速度放緩，具有繼續擴展性能和能效的潛力，并且它們對于實現建議9中所述的重大挑戰至關重要。該領域的一個挑戰是研究特定領域加速器的架構和設計方法，這些架構和方法對于算法和應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域的進步，包括人工智能和機器學習（云端和邊緣的推理和訓練）、圖形分析、安全、通信、生物信息學以及連續和離散優化。此外，還需要對加速器與處理器、存儲器系統和片上系統的其余部分之間的接口進行標準化研究。
特定領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計。因此，對于快速變化的應用領域，一個關鍵的挑戰是自動化可編程加速器和將應用程序映射到加速器的編譯器的協同設計。我們建議進行投資，以支持全面的軟件生態系統，使編寫和執行新的應用程序高效，并可供各種加速器訪問。
(d)設計自動化工具和方法
設計自動化工具和方法的創新對于縮短產品上市時間、實現更高水平的性能和系統集成至關重要。提高設計水平，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計效率。人工智能可以應用于設計過程的每一步，以提高生產率和改善結果質量。設計工具（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電路的生產率，而這些電路目前主要是手工設計的。
此外，下一代異構架構還需要仿真和虛擬原型技術來支持對硬件和軟件的指數級增長的復雜性進行驗證。
(e)半導體和系統安全
犯罪和國家支持的網絡攻擊對美國構成了越來越大的威脅。為了實現安全系統，必須考慮系統的各個方面，包括傳感器、數據轉換器、計算、內存、存儲和通信，同時提供抵御側通道攻擊的魯棒性并確保供應鏈的安全性。對于安全半導體芯片的設計存在巨大的機會。為了最大限度地提高效率，必須將安全性作為設計的一個組成部分，而不是在芯片設計完成后再添加。
學術界、行業和政府利益相關方有機會將可信的系統實施方法標準化。具體的機會是將算法和軟件/系統設計師與芯片設計師聚集在一個卓越的中心，開發下一代安全系統。盡管開源安全方法對于創新和透明性來說是最好的，但它們仍然令行業不快。我們必須解決這種不情愿，使美國能夠繼續成為標準化安全方法的全球領導者。
我們設想該領域的研究議程應包括但不限于以下內容：
(1)針對完全安全的端到端硬件和軟件解決方案而設計，這些解決方案能夠抵御針對操作、數據和通信的各種形式的攻擊;（2）芯片設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計來驗證;（3）覆蓋芯片制造、封裝和系統集成的安全硬件供應鏈;（4）后量子密碼的實現;(5)為安全通信和交易實施低功率加密技術;(6)用于處理加密數據的其它隱私保護硬件實現。
(f)半導體與生命科學
半導體對人類健康具有積極影響的應用實例很多，從可穿戴式心臟監護儀、葡萄糖傳感器、醫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備。COVID-19大流行表明，生命科學領域的創新可以以前所未有的速度發生，從生產快速檢測技術到突破性的基于mRNA的疫苗。半導體有潛力在疾病的早期檢測和預防、連續監測和治療中發揮核心作用。美國是生命科學研發的全球領導者，其中一些計劃已經利用微電子的潛力來推進神經科學和生物醫學研究。我們相信，鑒于機器學習、異構集成以及設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：以下內容：（1）多模態神經科學解決方案，其能夠實現各種疾病的監測、緩解或治愈;（2）可植入和可攝取的電子器件;（3）將半導體與生物學結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行器。
這些系統將需要集成不同的技術，例如基于各種材料甚至生物細胞的傳感器、嵌入式機器學習和其他處理、存儲器、安全通信和執行器，以及能夠在惡劣環境中很好地發揮作用的材料（例如，在人體內）。由于這些系統必須依靠微小的能源甚至是能量收集來工作，因此迫切需要開發超低功耗解決方案。
材料實驗是關鍵，但傳統的半導體晶圓廠并不適合引入生命科學所需的非標準或“臟材料”。還需要獲得先進的包裝，能夠為惡劣環境引入新材料。NSTC COE可以提供對這些關鍵原型制作設施和打包解決方案。
最后，訪問大型匿名數據集來訓練機器學習模型將加快這些領域的研究，并有助于解決生命科學新硬件解決方案緩慢的審批流程。NSTC COE應與政府機構、大學、醫療中心、醫療技術、半導體和保險公司合作，以改善研究人員對大型數據集的訪問。
建議九：NSTC應確定一系列全國性的重大挑戰，這些挑戰通過NSTC行業成員和NSTC資助的研究之間的合作來實現。這些重大挑戰應涵蓋三個互補領域，這三個領域將受益于大規模的全國性合作：先進的計算進入zettascale時代；顯著降低設計復雜性；生命科學應用中應用的半導體。
對于未來的大規模創新，需要在流程、設備、架構、設計、應用和系統級別進行廣泛而深入的協作。NSTC非常適合推動NSTC資助的研究團隊、NSTC產業成員、初創企業和政府之間的大規模和全國性合作，以推動能力的逐步提高。我們建議國家科學技術委員會將建議8中規定的一部分研究經費分配給幾個成為全國性重大挑戰的大型項目。這些重大挑戰將制定雄心勃勃的目標，目標是在5至10年的時間范圍內大幅提高業績和/或能力。我們建議這些重大挑戰涵蓋以下主題：
（a）先進計算進入zettascale時代：美國應該是第一個建造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的百分之一。這一令人難以置信的計算能力將使極其復雜的計算能夠以不同于今天所能完成的規模和效率來完成，而且將在預測氣候變化、了解和預測野火活動、設計疫苗、個性化癌癥治療、了解人類大腦等領域掀起新一輪科學發現浪潮。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）和互聯網上新形式的感官交互。實現這些目標需要邏輯、存儲器、混合信號和封裝技術的革命性進步，因此需要NSTC COE之間的跨學科研究。
（b）降低設計復雜性：創建平臺、方法和工具，以降低設計復雜性，并使芯片制造所需的工時僅為現在的十分之一。由于技術縮放/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，半導體設計成本和復雜性已顯著增加。這些問題因勞動力短缺而進一步惡化。設計工具和方法的進步既可以提高勞動力的生產率，也可以降低初創企業的準入門檻，從而鼓勵美國半導體行業擁有更大、更多樣化的參與者。
（c）生命科學中的半導體：創建一個高能效、可擴展且安全的平臺架構，用于監控和治療健康、保健和疾病。該平臺應該是無縫的和微創的，幫助患者和醫生感知、驅動、監測、緩解癥狀和治療各種情況。創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，今天的神經探針可以記錄來自數千個位點的電信號，并從數百到數千個神經元收集數據。其目標是將記錄信號的神經元數量增加100到1000倍。同樣，我們需要從人體收集大量數據，并將這些數據保密，這就需要創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。
美國政府協調和衡量標準
聯邦政府對半導體的投資涉及商務部、能源部、國防部、NSF、衛生與公眾服務部以及其他機構。美國政府已經并將致力于進行重大投資，以振興美國半導體生態系統，并采取各種舉措來實現這一目標。有效協調這些舉措對于減少工作重復和最大限度地利用納稅人的錢并使其獲得回報至關重要。因此，美國應該制定一個有凝聚力的國家戰略，加速向強大的、世界領先的半導體產業邁進。
美國政府協調和衡量標準
聯邦政府對半導體的投資涉及商務部、能源部、國防部、NSF、衛生與公眾服務部以及其他機構。美國政府已經并將致力于進行重大投資，以振興美國半導體生態系統，并采取各種舉措來實現這一目標。有效協調這些舉措對于減少工作重復和最大限度地利用納稅人的錢并使其獲得回報至關重要。因此，美國應該制定一個有凝聚力的國家戰略，加速向強大的、世界領先的半導體產業邁進。建議十：為了提高聯邦半導體投資工作的透明度，衡量整個行業在聯邦層面的進展，并最大限度地利用此類投資，我們建議如下：
?。╝）從2023年開始，網絡和信息技術研究與開發（NITRD）計劃應每年整理并公布所有聯邦機構的半導體年度投資數據。
（b）NSTC應鼓勵所有進行半導體研發投資的機構充分利用NSTC的設施和能力。我們建議NSTC與其他機構和公私合作伙伴擴大和共同資助項目，其中研究議程是協同的，包括，例如，DARPA的電子復興計劃，由NSF計算機和信息科學與工程理事會贊助的半導體未來研究，以及由半導體研究所促成的廣泛的多部門合作。
（c）商務部長應制定并定期評估績效措施，以評估《芯片和科學法案》倡議的進展、有效性、成果和影響，并每年向總統報告。
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，以及實現重大挑戰目標的進展情況
每年來自非聯邦成員的收入（包括實物捐助）
提交和授予的專利和版權數量
使用NSTC設施進行原型開發的組織（初創企業、大學、行業）數量
由NSTC直接或實物捐助資助的半導體初創公司數量
大學聘用人數：
獲得資助的學生人數
發表的關于NSTC研究的論文數量
獲得勞動力發展基金資助的學生人數
對美國的經濟價值，衡量標準為：
技術領導地位
美國半導體供應鏈的穩健性
支持和創造的直接和間接就業機會
通過半導體實現國家安全
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。
結語
我們正處于美國半導體創新和國際競爭力的決定性時刻。兩黨共同通過的《芯片和科學法案》提供了一個千載難逢的機會。這是我們在這一對現代生活幾乎每個方面都至關重要的關鍵技術領域重新確立全球領導地位的新一代機會。這10項建議的實施將為振興美國半導體研發生態系統奠定堅實的基礎，顯著加快創新速度，增強我們在這一關鍵領域的經濟競爭力，為下一代奠定堅實的基礎。
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