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美國微電子研發戰略

林姿伶、薛孝亭/ 發布日期:2024/06/03/ 瀏覽次數:100

一、前言

自從半導體產業創新開啟微電子時代以來,我們的生活已深深依賴半導體技術,在通訊、娛樂、醫療、交通等領域無所不在。面對競爭的激烈,研究人員必需在不斷提升產品性能的同時,降低成本和功耗,進而推動電子組件尺寸不斷微型化的發展。2022年,美國國會提出《晶片與科學法(CHIPS and Science Acts)》,投入超過520億美元,擴大半導體製造基礎並建相關設施,加速微電子研發,不僅為美國國內半導體製造產業提供機會,也推動未來的研發創新生態系統。2024年3月,美國白宮科技政策辦公室(OSTP)發布《美國微電子研發戰略(National Strategy on Microelectronics Research)》,戰略旨在強化美國微電子研發創新生態系。此戰略闡述美國微電子研究領域未來五年的重要目標、關鍵需求與行動,為美國產官學研各界與國際合作夥伴提供指導方針,以應對關鍵需求、建構微電子研發基礎設施,並且支持未來半導體領域的進步。

 

二、美國微電子研發戰略主要目標

在當今全球性的半導體產業背景下,國際合作、貿易和外交扮演著關鍵角色,不僅促進微電子創新生態系統的研究設施,也為半導體產業的發展奠定重要基礎。在未來五年內,白宮和聯邦部門以及各機構將共同努力,推動以下四個目標:

 

 

(一)促進未來世代微電子的研究進展

1.加速新功能材料的研究與開發
材料研發對於滿足現今各產業和應用領域的新需求非常重要,包含能源效率、資訊速度、新型運算架構,以及永續發展目標的實現,都需要創新的功能材料。例如,在光學領域的碳化矽、磷化銦、氮化鋁、鑽石等基板材料;在電力電子領域的寬能隙(Wide Band Gap, WBG)、超寬能隙(Ultra-Wide Band Gap;UWBG)等材料;無線通訊領域的薄膜氮化矽(SiN)、鈮酸鋰(LiNbO3)等材料。儘管上述新功能材料已取得許多突破性進展,但將新材料引入複雜的微電子製程通常需要數十年的努力與數十億美元,因此,還需要新的方法來大幅縮短部署時間和降低成本,以應對開發微電子新能力的重大挑戰。

2.增加電路設計與模擬工具的能力
電路設計與模擬工具的創新、裝置擴展,對於新材料、裝置、電路和架構的使用非常重要。提升數位工具能力的策略方法,包含:創建、開發新數位工具供新型運算架構和運算處理器設計、建模、模擬;將AI、機器學習整合到EDA工具;改進材料和裝置驗證方法,產生提高EDA工具保真度所需的可靠統計參數。

3.開發系統所需的處理架構與相關硬體設計
機器學習、擴增實境/虛擬實境(AR/VR)、影像/訊號處理等先進運算技術的快速成長,持續提高對計算效能的需求,也需要更多的能源,進而挑戰著現有技術的極限。非馮諾伊曼架構(Non-von Neumann computing architectures),包含神經形態、以記憶體為中心、深度學習、非同步計算、混合計算,以及利用量子運算的設計,將在商業和國家安全領域廣泛應用。此外,低溫CMOS、類比/混合訊號技術、光子學、自旋電子學及量子裝置的新方法也正逐漸崛起,應用於多樣化的處理架構和設備。

4.先進封裝和異質整合技術與相關的量測技術
異質整合包含Si-CMOS、MEMS、光子學等多種不同技術的結合,將成為未來微電子創新的關鍵驅動力。例如,利用2.5D和3D堆疊、光學封裝和測試、扇出型(Fan-out)封裝、混合鍵結(Hybrid Bonding)等各種方法,在基板上整合多晶片或小晶片(Chiplets),成功帶來更高的產量、更低的成本、更強大的功能、提高能源效率,以確保美國在先進封裝領域的領導地位。

5.優先考慮硬體完整性和安全性
近年來,網路安全威脅逐漸蔓延至更低層次的運算結構,甚至涉及到晶片等級的層面。為了因應這些挑戰,我們需要從硬體到軟體的協同設計,提供最佳的保護措施,同時以最大幅度地減少對系統性能的負面影響,將系統設計的完整性與網路安全性作為設計的基本要素,並加強隱私保護與資料存取權限。

6.能支持創新成果轉化為生產的製造工具和製程技術
隨著新材料的出現和設備技術更新,需持續發展新製造技術,包含投入超精密製造(Ultra-precision Manufacturing, UPM)技術,並擴大到商業化的量產規模;利用敏捷製造(Agile Manufacturing, AM)方法,實現多品項、小批量的生產,以滿足日新月異的商業與國防需求;以及改善大尺寸元件製造技術,減少製程步驟、提高產量,實現低成本、低耗能的生產條件。

 

(二)支持、建立和串聯微電子研發到生產製造各階段的基礎設施

1.支持元件製造、原型設計、量產、先進封裝和測試等階段之研究基礎設施與網絡建立
在聯邦機構的支持下,建立基礎設施中心,提供無塵室、材料科學和合成實驗室,以及用於分析材料特性的各種儀器設備、模擬工具,為美國研究人員提供尖端科學製造設施,推動微電子相關技術研發。例如,美國國家奈米技術協調基礎設施 (National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, NNCI)是由美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)資助,並由16個美國的研究機構、實驗室、大學和相關單位組成的網絡。NNCI支援用戶使用設施,提供教育和培訓,進行推廣工作,促進資源共享、合作研究和知識交流。

2.支持前述各階段所需之工具,包含軟硬體與測量工具
隨著半導體製造技術的進步,業界逐漸轉向使用3D系統和異構整合的新方法,以提高電子產品的性能、功耗和製造成本效益。上述新方法在研發過程中的驗證階段,需要更先進的測試、組裝及封裝能力。為此,美國國家標準暨技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)啟動美國國家先進封裝製造計畫(National Advanced Packaging Manufacturing Program, NAPMP),強化先進量測科學、標準、材料特性、儀器、測試和製造能力。

 

(三)培育微電子研發到生產製造各階段之人才

1.支持與微電子相關的科學技術學科的學習者和教育者
為了滿足未來半導體人才需求,除了傳統的電子工程和計算機科學之外,化學工程、工業工程、環境工程、材料科學等領域也將越來越重要。在學校方面,透過教師培訓計畫及STEM教育的推動,讓學生在多樣化的學習方式中,產生興趣,同時深化他們對半導體產業的認識。在產業方面,透過培育相關技術人員,提供技術職位及非學位課程,如證書、證照、文憑,同時,也建立產業、勞工和區域培訓計畫間的合作夥伴關係,以提升技術人員相關知識與技能。

2.促進微電子領域的公眾參與,提高對半導體產業職業機會的認識
在科學中心和其他STEM學習場所的半導體相關展示和內容,有助於建立公眾對半導體產業及其需求的基本理解,激發大眾對半導體產業的認識、好奇心及興趣。

3.建立能滿足當前與未來微電子需求的勞動力
擴大微電子和相關教育,為目前半導體產業的人才不足提供解決方案。透過創造更具包容性和積極的專業環境,吸引更多人才。橋接計畫有助於彌合機會差距,確保每個人都能從中受益或參與其中。提供高中到大學再到研究所的銜接課程,加強學生所需的基礎技能和知識,讓人人都有機會實現潛力。

 

(四)建立活躍的微電子創新生態系統,加速研發成果產業化

1.支持公私夥伴關係與建立聯盟
聯邦機構、研究中心、微電子公司共同合作執行特定計畫,集結多方力量解決技術挑戰,以更快地確定最需要資助的研究項目。這種合作模式還可以提供產業合作夥伴的快速反饋,促進技術創新和產業競爭力提升,並且對於公共政策的制定和執行有所貢獻。最終,實現社會經濟效益、科技進步及公共福祉。例如,美國國防高等研究計畫署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)和半導體研究聯盟(Semiconductor Research Corporation, SRC)共同推動的合作計畫JUMP 2.0,旨在將學術界、工業界和政府部門聚集在一起,加速半導體資訊技術的發展應用。

2.制定研發路線圖,預測重大挑戰、激勵各界投入
路線圖的制定是將相關利益者聚集在一起,確定並解決關鍵問題。半導體產業可以利用技術路線圖來協調研究工作,以確保不同的研究項目和投資方向能夠相互配合、支持,以應對產業面臨的關鍵技術與挑戰,提升投資者對產品商業化的信心。此外,透過路線圖所設定的產業技術發展藍圖,激勵研發人員超越預期目標,開展更具創新性的工作。

3.有計劃地投資與支持新創企業
在先進技術電路的設計與製造,新創企業面臨著高投資資本、高生產成本、資源缺乏等挑戰。為了應對這些挑戰,美國聯邦政府需要支持新創企業,提供相應機會,為企業提供業務發展培訓和研發基礎設施,以及促進私營部門的合作夥伴關係和資本投資。

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