图表4
政府机构
政府机构（如，国防部、能源部、国家科学基金会、国家标准和技术研究所）是生态系统中研发的枢纽资助者。这些政府机构为那些遥远、不太确定或经济难题的研究提供必要的支持，以便公司能够将其转化为竞争上风。
与政府有关的实体（如空军研究实验室、国家标准和技术研究所的材料丈量实验室）也进行了研究。此外，政府在建立研发生态系统的基础设施（如资助大学纳米实验室）、促进因素（如投资于基础研究）和政策（如制定举措措施的许可规则）方面也施展了重要作用。总之，这些因素促进了私营企业对潜伏半导体立异的投资和研发。
学术界
学术界是研发的主要执行者：学术界进行基础研究，应用研究，并开发原型。学术界在培训半导体劳动力、扩大知识基础和传播研究成果方面施展了重要作用，这些成果供工业界的老牌公司和初创公司使用。
私营企业
私营企业既是研发的资助者，也是研发的执行者。现在有很多公司资助、制作原型、扩大规模，并将半导体和相关服务商业化。进行半导体研发的公司有几个主要类型：
集成设备制造商（IDM）是垂直整合的公司，进行设计和制造。这些公司结合了资源和专业知识，以弥补基础研究和出产之间的差距，但在美国只有少数这样的公司（如英特尔、美光、三星和德州仪器）。
无工厂设计公司（如高通、AMD、英伟达和苹果）专注于半导体设计，是半导体价值链中增值率最高的部门，这些公司约占私营部门研发的55%，并与其他公司合作进行半导体制造。
代工厂满意IDM和无工厂设计公司的制造需求。代工厂通常只专注于制造别人设计的芯片（例如台积电、三星代工厂、英特尔代工服务和GlobalFoundries）。代工厂投资与制造技术有关的研发，并负责大部分的进步前辈制造业。
半导体设备和材料公司
(例如，Applied Materials、ASML、EMD电子公司、Lam Research、Tokyo Electron)开发出产芯片所需的进步前辈工艺和检测系统。设备和材料公司投资新工艺技术、材料和制造方法的研发，以实现半导体技术路线图，并为半导体行业的研发投资做出了巨大的贡献，与美国的几家芯片制造商相称。
伙伴关系和其他行业联合体
此外，公私合作关系（PPPs）包括一系列由私营部门利益相关者经营的组织，由政府资助，包括联邦资助的研发中央（FFRDCs）和SEMATECH.11PPPs，既是研发的资助者也可以是执行者，公私合作关系包括：
联邦资助的研究和发展中央（FFRDCs），包括国家实验室，是由学术机构或私家公司经营的公私合营企业，由联邦政府资助并进行研究。
由半导体公司及其供应商为各种目的而创建组成的行业联合体。例如，半导体研究公司(SRC)，是一个由半导体公司和政府机构组成的财团，资助一百多所大学的高科技研究，其项目涵盖了从人工智能到汽车的一系列应用。
非学术研究组织与美国的研发生态系统合作进行基础研究。(见附录：非学术研究组织）。
美国各地的研发组织
上面讨论的组织是美国研发生态系统的主要参与者。固然在硅谷或北德克萨斯州等地区确实存在集群，但美国半导体研发生态系统的重要利益相关者分布在全国各地。至少在29个州可以找到专注于研发或试验的工厂，在出产工厂和有半导体项目的大学中也有研发专家。
美国的研发生态系统面临挑战，包括那些与试点和原型设计有关的挑战，它们阻碍了生态系统的有效性
一个运作良好的研发生态系统通过为研发工作提供方向、资源和协作以支持立异。美国拥有进步前辈的国家实验室、大学和公司，但其研发生态系统目前在提供所需立异方面面临挑战，包括：
方向：
很多不同的政府机构和部分为半导体研发提供公共投资。这些机构和部分有重要的任务，并常常采取措施进行合作，他们的重要需求和目标与私营企业的需求有所不同。因此，可能会泛起差距，即足够的研发投资没有达到技术领域。例如，在超低功率计算方面，依赖于材料、架构、封装和软件的合作立异，以支持美国保持技术竞争力并使其在出产规模上得到采用。
资源配置：
研发所需的重要基础设施在海内缺乏或数目有限。例如，大学研究职员和初创公司基本上无法突破60纳米以下的制造，这使得美国的半导体硬件初创公司更难在美国迭代和发展自己的设法。
协作：
立异的重要机会存在于诸如共同优化等领域，这些领域需要在计算堆栈的不同层面进行合作。在计算堆栈的任何层面推进研发，往往需要个人和组织的高度专业化能力，而美国的研发生态系统缺乏召集各公司能力的机制来应对这些挑战。
其他地区正在采取措施缓和这些挑战，进步其研发生态系统的有效性。
世界各地正在采取措施，加强半导体研发生态系统。其他地区为减轻海内研发生态系统的挑战而采用了以下的机制类型：
方向：
中国台湾科技部通过评估整个半导体研发及其对工业需求的覆盖面来支持工业。
资源配置：
日本政府将投资68亿美元用于在岸进步前辈的芯片制造、成熟芯片出产和研发。
合作：
韩国将建立“K-半导体带”，连接整个计算堆栈的城市区域，以促进合作并支持整个计算堆栈的立异。
固然美国在半导体研发方面的公共投资数额超过其他地区，但其在政府资金支持方面有些不足。世界各地都在扩大对半导体的投资。2021年以来，日本、新加坡、韩国、欧盟（除西班牙等个别欧盟成员国外）都公布了支持海内半导体产能的立法，包括对研发的投资。中国大陆也正在鼎力投资，使用超过1000亿美元来支持其海内的半导体工业。
换句话说，其他地区正在采取措施，加强自己的研发生态系统，缩小与美国立异实力之间的差距。美国最近提出的计划，如DARPA的电子中兴计划（ERI），说明人们逐渐熟悉到公共资助半导体研发的重要性。美国不断对这一领域的现有实体和新企业提供公共投资，减轻美国研发生态系统的挑战，加快立异步伐，并扩大美国的技术竞争力。
负责现有半导体研发公共投资的实体将继承在美国研发生态系统中施展重要作用
2022年，美国的公共部门和私营行业实体将投资600亿美元用于半导体研发。私营企业提供约500亿美元（约占89%），公共投资提供约60亿美元（约11%）。《芯片和科学法案》为2023财政年度的半导体相关研发计划提供了55亿美元的资金，到用完为止。
很多现有的公共研发资金组织在美国的半导体研发生态系统中施展着重要而独特的作用。
作为对这些实体的增补，《芯片法案》建立了重要的新组织，为应对美国研发生态系统的挑战提供了机会。
熟悉到总部设在美国的半导体制造和研发的重要性，美国国会在2021年颁布了《为美国出产半导体创造有益的激励措施法案》（芯片法案），并作为2022年《芯片和科学法案》的一部分提供资金。该法案构成了几十年来联邦支持美国半导体制造的重要努力，并试图确保美国有能力制造更多芯片，推进芯片制造技术能力的增长。
《芯片和科学法案》在5年内拨款520亿美元，用于支持半导体制造、研发和技术转型，并将资金预先投入到前几年。其中，390亿美元（占总额的75%）用于为在美国建造、更新或扩大举措措施和设备提供公共财政援助，其余的130亿美元则用于研发和技术从实验室向市场的过渡。
《芯片和科学法案》建立了两个与研发有关的主要立异项目。
国家半导体技术中央（NSTC）。
这是一个公私合营项目，旨在促进美国在半导体领域的领导地位，通过促进进步前辈的研发和原型设计来加强美国的技术竞争力和供应链安全，在半导体领域的领先地位。
作为NIST的一部分，NAPMP的建立是为了加强美国研发生态系统的半导体进步前辈测试、装配和封装能力。
《芯片法案》确立了高层次的目标，美国商务部在如何构建NSTC和NAPMP方面保存了很大的自主权。为回应其信息要求，美国商务部从200多个利益相关者那里收到了关于激励措施、基础设施和研发需求的具体反馈，以支持一个强盛的海内半导体研发生态系统。
在与SIA成员广泛讨论并听取他们意见的基础上，本呈文就如何最有效地部署《芯片法案》的研发资金以支持美国的技术竞争力，提供了综合的、高水平的行业观点。
聚焦：
制造业
美国研究所
美国制造研究所。美国制造研究所倡议最初成立于2014年，旨在进步美国制造业的全球竞争力并促进立异。自成立以来，美国各地已建立了16个研究所，以振兴美国制造业，每个研究所都在特定的行业领域。
研究所是美国立异的重要资源，支持立异赛道的初始阶段，并在没有立异的地方建立新的和急需的社区。它们的作用是确定有前途的高影响力技术，治理学术和行业研究实验室中相应的研发项目，以进一步推动这些技术。在成功完成这些项目后，所创造处理的新技术可以转移到产业或其他领域的开发举措措施，以进行测试、试点和扩大出产。
2022年《芯片和科学法案》授权建立了多达3个美国制造研究所，以支持与半导体制造有关的工作，包括进步自动化、进步前辈的装配和测试以及劳动力技能培训。对这些研究所的资助包括在《芯片和科学法案》的整体研发资金中。
通过美国制造研究所开发的特定项目将成为该部分立异技术的枢纽赛道，最理想的情况是，能转移到NSTC或NAPMP进行测试、试验和推广。该研究所和其他机构在技术创新过程中的作用在图4中有所说明。
NSTC和NAPMP应通过对几个主要领域的投资来促进美国的经济竞争力
熟悉到私营企业在美国经济和技术竞争力中的核心地位，国会授权NSTC作为一个公共-私营伙伴关系，并通过美国商务部设立。NSTC的领导层应寻求包括来自学术界和政府，特别是工业界的声音，以最有效地促进美国的技术和经济竞争力。
根据我们与业界领袖的讨论，国家科学技术委员会和国家行动计划应通过在五个枢纽领域的投资来加强美国研发生态系统的能力。
转变和扩大寻路研究的规模
美国的半导体公司目前与一些现有的、声誉良好的组织合作，如imec和半导体研究公司（SRC），满意很多竞争前的研发需求。为了高效地支持美国的技术和经济竞争力，NSTC和NAPMP应该加强而不是复制这些组织。换句话说，固然NSTC和NAPMP的基础设施可以支持早期的研究，但它们的重点应该放在推广那些已经预备好超越早期阶段研究的技术，使其更加成熟。NSTC和NAPMP应该把政府、学术界和工业界的研究中央会萃在一起，评估哪些可以为美国公司带来具有商业利益的技术，它们可能需要但没有得到技术过渡和扩展的资金。
这与《2030年半导体十年计划》中讨论的五项高级别挑战相一致，NSTC和NAPMP应加强美国研发生态系统的能力，以着手预备离投入出产还有5至15年的研发技术并使其商业化。这一未来的技术开发重点很重要：鉴于半导体研发的时间延长，今天的重大技术提高所需的投资在多年前就已完成。NSTC和NAPMP不应复制目前海外或海内举措措施的能力，而应建立和加强研发生态系统在新兴领域的能力，如超越CMOS的材料、进步前辈的封装、异质集成和掩膜基础设施，这些领域的区域领导地位尚待确定。
尽管研发资金应包括对核心半导体技术和封装技术的关注，但这两个领域的产品在实现突破的时间上可能存在差异。总的来说，核心半导体技术的研发应该夸大长期的、潜伏的革命性努力，立异将源于材料、工艺流程和工具的改进。这些立异将来自于以下领域：
-用于逻辑、存储器、模拟的进步前辈架构
三维堆叠的器件
单片集成功能
以存储器为中央的计算
-超越互补金属氧化物半导体（CMOS）计算的进步前辈材料和新模式
二维材料
进步前辈的功能材料
其他模式，如光子或神经形态
高电压和高功率材料
进步前辈的射频材料
-一般工艺发展
进步前辈的光刻技术
进步前辈光源的开发和EUV的改进
金属化的改进
-设计立异
在更广泛的应用中提供更好的领域规格的加速器
混合信号设计，整合智能和传感能力
安全设计
-工具的改进
将人工智能融入设计工具，进步设计的抽象性
用于模拟和射频电路的更高级工具
具有增强的全堆栈优化能力的工具，实现软硬件的代码设计
-环境的可持续性
加工气体具有较低的全球升温潜能值（GWP）。
满意功能需求的光刻机和其他化学品，具有更好的环境特性，以及极低浓度的检测和处理技术。
在节约自然资源（能源、水等）的同时，满意苛刻的操纵要求的制造工艺。
-环境的可持续性
全球升温潜能值较低的工艺气体
光刻技术和化学品可以满意功能需求，并改善环境状况，在极低浓度下的检测和处理技术。
既能满意苛刻的操纵要求，又能节约自然资源（能源、水等）的制造工艺。
另一方面，封装工作应包括有助于解决短期和中期的行业挑战的技术。与基本的半导体材料和工艺的提高比拟，新的封装方法的扩展确保速度更快、本钱更低。预计在NSTC和NAPMP成立后的5到10年内，甚至更早，封装方法的突破会对商业部门产生影响，这不是没有可能的。这些立异将来自于以下领域。
-进步前辈的测试和验证能力
测试设计和数据分析，以减少设计错误
测试自动化和AI/ML工具的整合
模拟、射频和混合信号测试
-异质性集成
集成的行业标准的开发
芯粒IP的开发和获取
新型计算模式（光子、量子等）的集成方法
-进步前辈的封装和高密度的互连（
面板和晶圆级高带宽、低延迟、高密度2.5D和3D堆叠和组装方法
混合键合、通硅通道和进步前辈的插接器开发
进步前辈的热压缩键合，进步器件寿命
热治理和串扰、噪声和寄生减少
灵活、受限的外形尺寸封装
-工具的改进
封装级协同设计工具
更好的电气、热、机械建模和设计工具
装配和校准自动化
通过在不同的投资领域和时限内投资路径研究，NSTC和NAPMP可以确保核心技术在未来20年持续改进。固然上面讨论的技术领域被归类为核心半导体或封装技术的范畴，但在这些领域的研究职员和外部专家之间还需要进行大量的协调和思惟交流。
原型设计和试点基础设施
NSTC和NAPMP不应仅资助或协调现有的研究工作。两者应在促进获得原型设计举措措施或进步前辈的模拟和建模软件方面施展积极作用。他们还必需扩大获得促进技术从实验室到工厂过渡的能力，如原型设计和试验，并确保研究职员和初创企业能够获得这些能力。通过促进获得这些能力，NSTC和NAPMP还将扩大潜伏立异库，能够从基础研究发展到规模化阶段并达到商业用途。
在美国的生态系统中，半导体研发能力在技术上和地舆上分布广泛。为了很好地治理公共投资，NSTC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。
在NSTC/NAPMP指导委员会的指导下，NSTC应扩大和晋升少数现有机构的独特能力和基础设施。
因为与本钱和时间等题目，扩大和晋升机构的能力是很重要的。改善现有举措措施（所谓的“棕色领域”发展）比建造全新的举措措施（“绿色领域”发展）更便宜、更快速。新的半导体研发举措措施可能需要好几年才能建成，假如NSTC试图建立新的举措措施，这些举措措施在建设完成时可能已经落后于行业或过期了。
扩建和进级带来的经济效益是有说服力的。当NSTC评估哪些机构的研发基础设施需要加强时，它必需平衡好高度分布的网络好处和规模好处。鉴于每个研发相关举措措施的总成本通常较高，我们的分析表明，NSTC应促进规模化，并优先进级领先大学和研究中央中较少的、更轻易获得的、最进步前辈的举措措施，实现小额公共投资的影响最大化。然而，这些举措措施的进级必需着眼于实现本钱的最大影响。例如，将几所大学的200毫米晶圆产能进级到300毫米的晶圆产能，很轻易耗尽NSTC的所有资金，但真正提供的新产能却很少。
在某些情况下，NSTC/NAPMP指导委员会可能会以为，从经济上讲，利用海内现有产能而不是晋升较低的研究能力更为稳妥。例如，寻求利用产业尺度工艺流程的300毫米晶圆产能的试点基础设施就可能是这种情况。NSTC提供的重心可以为谈判获得外部产能提供新的可能性。这方面的例子包括协调贸易工厂的多项目晶圆运行，或获得竞争前技术的贸易设计工具。
封装研发基础设施应包括2.5D和3D堆叠和高密度再分配、光学封装和测试、扇出、混合粘合设备、进步前辈的内衬工具（硅、玻璃和高密度有机物）以及热压粘合的设备。高密度焊接凸点、铜沉积和通孔制造的设备也至关重要。此外，还需要重点关注进步前辈的基材工艺和流程。封装、组装和测试（PAT）面临的一个主要挑战是海内制造的经济性。固然传统的PAT是劳动密集型的，但在美国，进步前辈的封装将是更多的技能和自动化密集型的，其经济性必需反映出这一点，这样才能获取竞争力。此外，新的测试能力也十分重要。与NSTC一样，谈判获得设计工具将是NAPMP的重要的增值项目。
今天，有很多成功的半导体服务机构的模式，NSTC和NAPMP可以寻求指导。其中一个例子是IMEC，它提供了很多对技术发展赛道至关重要的研发和原型制作能力；还有“美国制造机构”，该机构通过与研究机构合作并建立新的原型设计基础设施来创建区域立异中央；以及Sandia国家实验室的微系统和工程科学应用（MESA），该机构向政府和学术研究职员提供小批量贸易制造服务和额外的设计、制造、封装和测试能力。NSTC和NAPMP基础设施可以从这些现有的努力中获得灵感，但必需超越这些现有组织能够提供的小批量服务。恰是因为有能力使研究和原型设计层面的立异材料、设计和广泛的技术扩大到更大的出产规模，才使NSTC和NAPMP具有不同凡响的价值。
协作开发
跟着开发和设计本钱的上升，摩尔定律所描述的改进计算技术的工程方法正在发生变化。从材料和设计到系统架构和软件，整个计算堆栈的立异需要开释出半导体提高的下一个阶段。全栈立异很难题：现代半导体公司通常在不同的堆栈层中高度专业化，而美国的研发生态系统目前缺乏协调这种合作的机制。
NSTC和NAPMP应该支持全栈式立异，召集公司员工解决复杂的技术题目，这些题目需要整个计算栈的合作，并加速技术、工具和方法的发展。例如，对云计算数据中心需求的快速增长，凸显了对能够提供高计算机能和低能耗的半导体的需求。创建满意这一需求的下一代系统需要汇集进步前辈材料、新计算架构、封装、软件等方面的专业知识。NAPMP可以召集技术专家和利益相关者（包括那些来自任务驱动的政府机构），在建立异质集成、芯粒和其他安全技术组件的集成尺度时，向IEEE和JEDEC等集团提供意见。两者应该承担起扩大和进级美国研发和原型开发生态系统的基础设施和能力的责任，以满意这些生态系统的需求。
鉴于合作开发、共同优化和异质集成等领域的立异的重要性，NSTC和NAPMP必需在整个行业广泛合作。然后，两者可以利用其在整个行业的广泛且有代表性的网络，建立一个多样化的技术和基础设施研发组合，以促进更有效的合作开发，保持广泛的行业合作伙伴网络。
劳动力
半导体行业是研发密集型的，依赖高技能的工人进行研发，从而实现所需的立异。固然美国拥有很多世界上最专业的研究职员，但技术人才的短缺有可能会限制立异的步伐（见我们关于半导体设计的呈文）。同时，其他地区急于吸引他们的国民回国，并提供广泛的政策支持，以加强他们的海内研发生态系统。通过相互竞争，NSTC和NAPMP必需加强美国半导体研发赛道和劳动力的规模和技能，以保卫美国的研发生态系统和它所支撑的经济竞争力。
NSTC和NAPMP可以推进一系列计划，以扩大美国半导体研发步队的渠道。根据我们的研究，行业领导者以为NSTC和NAPMP可能采取以下重要措施：
对美国STEM教育进行投资：
支持本科和研究生的课程开发和标准化，以扩大具备STEM技能的员工渠道。为K-12阶段的学生提供机会，让他们介入到这个行业中来，进步他们对半导体技术的熟悉和热爱。NSTC和NAPMP中央可以与美国大学合作或匡助建立工程夏令营，让学生接触半导体研发。与合作机构和公司合作，提供奖学金和研究奖学金，可以匡助增加在该领域内攻读该专业学士学位的学生数目。
吸引STEM员工加入半导体行业：
通过学徒、实习和导师计划，教育和培训学生了解半导体行业的职业机会；与社区和技术学院合作，制定计划，让更多的技术人员和工匠进入这个领域，并进步对半导体职业道路的熟悉；与提供给拥有STEM基本技能的工人的再培训和交叉培训计划合作，如退伍军人就业组织。
促进灵活的工作许可：
促进灵活的工作授权，如可选的实践培训，使外国公民能够在美国工作，或者假如他们从美国大学毕业，拥有对行业至关重要的技能，就从事与研究领域直接相关的临时工作，这可能发生在相关学位完成前后。
此外，NSTC和NAPMP必需加强劳动力的工作技能。根据我们的研究，行业领导人以为，NSTC和NAPMP的关键步骤应包括：
为工人的再培训和技能晋升进行投资：
跟着行业探索立异的新维度，这些计划可以确保美国研发生态系统的劳动力有足够的能力来推动未来的提高。
加快新员工的预备工作：
鉴于半导体研发所需的专业技能，新员工需要经由一段时间，才能有效地从事重要的研发工作。NSTC和NAPMP可以建立预制计划，使员工能够更快地对研发做出贡献。
目前，高技能研发职员的赛道有可能限制立异的步伐。通过扩大员工供给和技能晋升，NSTC和NAPMP能够加强美国整个研发生态系统。
美国可以采用一系列的最佳做法来确保这项公共投资的成功
《芯片法案》是美国对半导体研发公共投资的一次重大扩展。美国可以采取行动确保这项投资与现有的公共投资相辅相成，振兴美国立异的良性循环，加强研发生态系统。
注重影响：
对研发的公共投资应与可识别的目标保持一致，包括关注有影响力的新技术和潜伏的贸易可行性。投资应有助于立异理念的商业化，并能灵活地解决有前途的技术在立异赛道中的障碍。
培养规模：
美国的研发生态系统将由更少、更易获取的、一流的集群组成（包括物理基础设施和劳动力专长），而不是由很多不太适合行业研发需求的集群来提供更好的服务。考虑到维护一个庞大的、可能过期的举措措施网络的本钱，促进规模的发展可以使一定数目的公共投资以一种更有影响力的方式存在。
展望未来：
从技术和财政角度来看，公共投资应支持美国研发生态系统满意未来5至15年的需求。未来3-5年的技术提高所需的基础设施和推动因素已经基本建成。鉴于该行业的研究需求可能从几年到十年不等，财政投资必需在较长的时间范围内可以猜测。
协作：
美国的半导体研发生态系统包含了很多有效的组织和计划，并与之合作。可能的话，公共投资应该增加和协调这些组织和计划，而不是复制。
结论
通过纳入这里所讨论的投资，2030年，美国研发生态系统应该建立一个更大的新的半导体产品、工具和工艺的赛道、更多、更纯熟的劳动力从事半导体研发，以及一个从基础研究加速发展到商业化的时间表。
自成立以来，美国的研发生态系统实现了立异的良性循环，促进了美国的技术领先地位。该生态系统仍旧很强盛，拥有世界一流的国家实验室和大学，仅在2021年，就对半导体研发投入了前所未有的500亿美元。2022年通过的《芯片和科学法案》的资金，以及随后在NSTC和NAPMP中建立的行业主导实体，将为振兴立异赛道提供绝无仅有的机会，这也会延长未来几十年美国的技术竞争力。
