一、前言 

為了振興美國半導體產業的領導地位，美國政府近期制定與推行了一系列的法案與戰略。2022年美國國會通過《晶片法案》(CHIPS Act)。2022年9月，商務部發布A Strategy for the CHIPS for America Fund策略文件，文中概述CHIPS計畫(CHIPS program)的實施細節以及500億美元資金的投入規劃。其中110億美元將用以支持半導體技術的研發，並建立具活力之半導體創新生態體系。美國總統科學技術顧問委員會(President’s Council of Advisors on  Science and Technology, PCAST)於2022年9月發表振興美國半導體生態體系(Revitalizing the U.S. Semiconductor Ecosystem) 報告。該報告針對CHIPS計畫110 億美元的研發投資提出十項建議。建議範疇涵蓋了多個層面，包括：研發基礎設施、教育和培訓勞動力、國家研究和創新議程、新創公司、美國政府協調與衡量指標等。本文聚焦於研發基礎設施以及國家研究與創新議程兩個層面之建議進行介紹。

二、成立國家半導體技術中心(National Semiconductor Technology Center, NSTC)

過去數十年來，半導體技術變得越來越複雜，也需要大規模投資來開發下一代技術。先進半導體技術開發、原型設計與生產製造評估需要數十億美元的投資。能夠負擔得起前述鉅額資金的單位有限，也嚴重影響美國半導體技術的創新。CHIPS計畫規劃建置業界與學術界共享的國家研發基礎設施-國家半導體技術中心(National Semiconductor Technology Center, NSTC)，以解決前述挑戰。該中心將透過共享環境實現快速、低成本的原型設計，同時推進美國的研究議程並加速勞動力的發展。

PCAST建議：商務部部長(The Secretary of Commerce)應在2023年底之前透過公私合作夥伴關係建立獨立法人機構NSTC。商務部部長應選出董事會，且該董事會應同時監督NSTC和國家先進封裝製造計畫(NAPMP)，以確保投資的協同效應和一致性。董事會成員應來自政府、行業和學術等各界代表。

PCAST建議 NSTC透過公私合作夥伴關係建立，以促進整個美國半導體生態系統的參與、協作和創新。商務部應鼓勵學術界、產業界和政府參與NSTC。產業界應涵蓋半導體生態系統各個環節之業者，包括材料和設備供應商、設計自動化公司、代工廠等。政府應包括美國國家科學基金會(NSF)和美國國防高等研究計劃署(DARPA)等與半導體領域發展相關之單位。

同時，商務部應將NSTC和國家先進封裝製造計畫(NAPMP)之治理合併，以增加投資的協同效應並減少基礎設施重複設置的可能性。監督這兩項措施的董事會應由美國半導體產業業者、學術界和美國政府的代表組成，並且成立技術諮詢委員會來指導研究議程。此外，NSTC應與國外的類似組織合作，例如盟國的半導體公司，以整合資源的使用。

PCAST建議：商務部部長應確保NSTC基礎設施分散式地布建於全國多個重要區域與聚落，並且成立六個卓越聯盟(coalitions of excellence, COEs)，分別對應六項重要技術：先進記憶體(advanced memory)；先進邏輯(advanced logic)；類比和混合訊號(analog and mixed-signal)；生命科學應用；設計與方法學(methodologies)；封裝(包含NAPMP倡議的預算和目標)。

PCAST認為NSTC涵蓋的技術範圍廣泛，建議NSTC應在全國多個重要區域與聚落，分散式地布建基礎設施，並盡可能利用與強化當前的生態系統和基礎設施，同時在全國創造就業機會。另外，NSTC亦應與學術機構建立聯繫，以支持教育和勞動力發展，並為進行學術研究提供設施。

NSTC可以組織約六個卓越聯盟(coalitions of excellence, COE)，包括：(1)先進記憶體COE；(2)先進邏輯COE；(3)類比和混合訊號COE；(4)設計與方法學COE；(5)封裝(涵蓋NAPMP倡議的任務) COE；(6)生命科學與其他新興技術COE。前述各COE應具備原型設計(prototyping)能力以及涵蓋不同學科領域(如材料、設備、模擬等)的研究議程。此外，COE之間亦應具備強而有力協調機制，以達成整體性目標。例如，類比和混合訊號COE具有下一代混合訊號、電源管理、高電壓元件(high-voltage devices)、智慧感測器等技術之研究與原型設計能力，並能支持通訊基礎設施、智慧城市、自駕車、醫療保健等領域之學術與商業應用。

三、國家研究議程與挑戰

重建美國於半導體領域之領導地位，需要在多個相互關聯的技術領域取得重大的突破並且能持續進步與創新。

PCAST建議：商務部部長應確保NSTC將年度資金的重要比例(約30%到50%)運用於資助國家研究議程。研究議程應廣泛涉及以下領域：材料、加工和製造技術；封裝和互連技術；節能運算和特定領域加速器；自動化設計工具和方法；半導體和系統安全；半導體和生命科學。

儘管NSTC需將大比例的資金運用於的設備和基礎設施建置上，但PCAST認為資助研究和合作，對提升美國全球競爭力至關重要。以下列出建議之重點研究主題(各項技術摘要請參閱圖一)：

(1) 材料、加工與製造技術 
物理上的極限阻礙了電晶體的微縮。為了進一步提升晶片性能，同時降低其能源耗損與成本，需要在材料、加工技術和量產製造等方面進行創新。NSTC研究議程應涵蓋先進邏輯、先進記憶體、類比與混合訊號和射頻設備所需的材料、加工和製造技術。前述研發活動將主要在先進記憶體、先進邏輯、類比和混合訊號等COE中進行，確保從原型開發到量產階段所需要的材料、設備與製造技術等皆能同步展開研發。 

(2) 封裝與互連(interconnect)技術
封裝和互連技術為目前半導體性能提升之關鍵。需要在晶片封裝、設計、架構等層面進行創新，包括具有成本效益的晶圓接合(wafer bonding)技術；高效率的電力傳輸與管理系統；制定小晶片(chiplet)互連的標準介面。另外，先進封裝和互連技術還必須提供安全的即插即用(plug-and-play)技術與標準，以實現不同類型半導體元件間的無縫整合(seamless integration)。

(3) 節能運算(Energy-Efficient Computing)與特定領域計算加速器(domain-specific accelerators) 
該領域旨在研究加速器的架構和設計方法，以因應快速變化的演算法與應用程式之需求，並且改善能源使用效率。此類加速器可以推動多項重要領域技術的發展，如人工智慧(包含雲端與邊緣運算)、圖形分析、通訊、生物資訊學等。研究項目可包括：加速器與編譯器(complier)協同設計(co-design)自動化、加速器與其他類型元件(如處理器、記憶體)之接口標準化等。

(4) 自動化設計工具與方法學
自動化設計工具與設計方法創新有助於縮短上市時間並且改善系統效能。人工智慧技術能應用於設計流程的各個環節，用以提高生產力與產出品質，例如能用於類比、混合訊號和射頻(radio frequency)等電路設計之人工智慧設計工具，目前前述電路仍以手工設計為主。另外，虛擬原型設計(virtual prototyping)技術能支持日益複雜的軟硬體開發與驗證，為未來半導體發展不可或缺之重要技術。

(5) 半導體與系統安全
網絡攻擊對美國構成越來越大的威脅。為了實現系統安全，必須同時考量到系統各個層面與節點之安全性，包括感測器、計算、通訊等設備以及供應鏈安全等。PCAST建議研究議程包括：開發安全的端點到端點(end-to-end)軟硬體解決方案；安全的硬體供應鏈，涵蓋晶片製造、封裝和系統整合；實現後量子密碼學(post-quantum cryptography)；實現能處理加密數據的隱私保護硬體等。

(6) 半導體與生命科學
半導體為穿戴式心臟監測器、植入式裝置、醫療機器人等創新醫療器材的技術核心。半導體技術進展能加速前述醫療器材的性能提升與體積微縮。建議研究方向可包括：能監測、緩解或治療疾病的神經科學解決方案；植入式和可吞入式電子產品；半導體生物感測元件；次世代穿戴式生物感測裝置等。前述各項解決方案開發需要多項技術創新與整合，例如整合感測器、處理器、通訊等元件；研發能夠在體內環境正常工作的材料等。
材料為生命科學應用與創新之關鍵，然而傳統半導體廠所使用之材料選擇有限，難以滿足生命科學應用之需求。COE之原型設計能力可望能為前述挑戰提供支持。另外，COE亦應與政府、學術機構、醫療院所、半導體和保險公司等單位合作，使研究人員能有效地使用醫療與健康數據，以加速AI演算法的開發，並可望改善生命科學創新解決方案的審查流程。

PCAST建議： NSTC應提出一系列全國面臨之重大挑戰，且這些挑戰可以透過 NSTC成員與資助研究單位的合作來實現。另外，前述挑戰應該跨越下列三項領域：進入「Zettascale」時代的先進運算；降低設計複雜性；生命科學應用。

PCAST認為NSTC適合推動各研究團隊、產業成員、新創公司和政府等單位之間的合作，並且建議將部分研究資金運用於全國性的大型研究議程，並制定雄心勃勃的目標，以在未來5到10年內逐步實現。建議涵蓋以下主題：

(1) 進入「Zettascale」時代的先進運算
美國為第一個開發「Zettascale」超級電腦的國家，目標是運算速度比當今最快的超級電腦快1000倍，且耗能僅有百分之一。此運算能力能用於預測氣候變化、設計疫苗、了解人類大腦、實現元宇宙和新形式的感官體驗。前述目標之實現仰賴邏輯、記憶體、混合訊號和封裝等技術的革命性突破。

(2) 降低設計複雜性
創建平台、方法或工具以降低設計複雜性，目標使晶片設計所需的時間減少至當今的十分之一。技術進展以及對性能、尺寸、可靠性和安全性等要求，半導體設計的復雜度顯著增加。設計工具和方法的進步既可以提高生產力，並可以降低初創公司的進入門檻。

(3) 生命科學應用
為了實現具影響力的生醫應用，需要在感測、計算和通訊等方面進行重大改進。例如，目前神經探針能收集數百到數千個神經元的電訊號。目標是將記錄到的神經元數量提升100-1000倍。另外，為了能從人體中收集大量數據，並且將數據進行加密，需要創建一套遠低於目前功耗的超低功耗安全解決方案。

四、結語

除了前述建立NSTC以及推動國家研究與創新議程兩個層面之外，PCAST在勞動力發展、新創公司以及政府等層面亦提出多項建議，以建立完善且強大的研發生態體系。在教育層面，提出建議包括：建立國家微電子教育和培訓網絡；提供獎學金與研究助學金支持；加速簽證流程並放寬專業人才移民之條件限制。在新創公司層面，建議涵蓋：NSTC能為新創公司提供資金與生產製造支持；建立含有完整軟體支援的小晶片平台，以利於新創公司和學術單位定制晶片。在政府層面，為了提高政府投資半導體的能見度(visibility)、將投資效益最大化以及評估半導體產業之進展，提出建議包括：定期整理與公佈美國聯邦機構的半導體投資數據；商務部部長應制定與定期評估績效指標，以評估晶片法案的進展與影響。