集成電路發(fā)展模式的演進透視

張新征

2017年6月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）推出電子復興計劃（ERI），聯(lián)合國防工業(yè)基地、學術界、國家實驗室和其他創(chuàng)新溫床，開啟了新一輪電子技術與產業(yè)革命。美國高度重視依托社會資源加快國防科技創(chuàng)新。ERI根本目的是保證專用電路供應鏈的可靠性和安全性，最終保障國防部和商業(yè)部門的用戶使用。2019年1月DARPA微系統(tǒng)技術辦公室（MTO）發(fā)布了名為“電子復興計劃：國防應用”（ERI：DA）的跨部門公告，在ERI計劃成果的基礎上，利用社會資源幫助軍工電子系統(tǒng)集成商制造國防專用電路，進而牽引美國國內半導體制造業(yè)的發(fā)展。

美國電子復興計劃的總體情況

電子復興計劃將建立專業(yè)化、安全和高度自動化的電子技術創(chuàng)新模式。與歷史上大多數(shù)技術的發(fā)展道路一樣，以摩爾定律為代表的電子器件小型化道路，正逐步觸碰到物理學和經濟學的“雙重天花板”。作為應對摩爾定律極限的方法，美國DARPA電子復興計劃（ERI）通過在半導體材料與集成、架構和設計等三個方面的新研發(fā)（R&D），將促進電路專業(yè)化，作為提高晶體管規(guī)模的補充，推動美國電子產業(yè)從通用硬件時代向專用系統(tǒng)遷移。ERI主要包括由大學主導研究的聯(lián)合大學微電子學項目（JUMP）、工業(yè)界主導研究的“Page 3投資”以及一些傳統(tǒng)的項目等。截至2018年12月，ERI由17個項目組成，涵蓋從基礎研究到微電子先進技術研發(fā)和原型制造的基礎。

ERI的國防應用成為支持半導體制造業(yè)發(fā)展的重要途徑。ERI計劃的成功將取決于建設性地將國防企業(yè)的技術需求和能力與電子產業(yè)的商業(yè)和制造現(xiàn)實聯(lián)系起來。ERI：DA是ERI二期的重要內容之一，預計投資總金額為2500～5000萬美元。為了探索ERI技術在國防環(huán)境中的新興未來應用，ERI：DA通過即時技術開發(fā)、伙伴關系與技術開發(fā)和合作架構三種方式，在國防采辦管理部門的主導下，建立軍工電子集成商與ERI計劃執(zhí)行者之間的“國防轉化伙伴”合作關系，以推動ERI技術在特定國防系統(tǒng)上的開發(fā)、演示和應用。ERI：DA將進一步提供新的機會，加強各ERI項目之間的聯(lián)系，并將正在進行的ERI計劃與國防需求聯(lián)系起來。潛在的探索領域可能包括ERI在大尺寸物理仿真、認知射頻系統(tǒng)、下一代衛(wèi)星、網絡安全等方面的應用。

2017年6月，美國國防高級研究計劃局推出電子復興計劃產業(yè)發(fā)展的基礎優(yōu)勢和先機。

美國電子復興計劃及其國防應用的主要特點

以研發(fā)模式創(chuàng)新應對摩爾定律的極限。隨著集成電路制程線寬的持續(xù)縮小，IC制程演進的性價比提升趨于停滯，制造技術研發(fā)難度及生產設備資本投入將成倍增加，20納米、16納米和14納米制程的成本一度高于28納米。一條14納米生產線的工藝研發(fā)投入超過10億美元，設備建設投入超過50億美元。ERI計劃通過半導體材料與集成、架構和設計三個方面的研發(fā)創(chuàng)新，促進電路專業(yè)化，作為對單純提高晶體管規(guī)模的補充。一是開發(fā)用于電子設備的新材料，探索使用非常規(guī)電路元件而非更小的晶體管來大幅提高電路性能;二是開發(fā)將電子設備集成到復雜電路中的新體系結構，探索利用針對特定任務進行動態(tài)配置的電路結構，獲得性能的大幅提升;三是進行軟硬件設計手段的創(chuàng)新，重點開發(fā)用于快速設計和實現(xiàn)專用集成電路的工具，使創(chuàng)新者能夠為各種國防和商業(yè)應用制造專用集成電路的成本和周期。

以持續(xù)性投資鞏固電子產業(yè)競爭優(yōu)勢。長期以來，美國在經濟、政治和國家安全上的優(yōu)勢，很大程度上依賴于其在電子和半導體領域的領先地位。隨著摩爾定律走向終結，電子領域到了急需轉變突破的奇點。特朗普政府《國家安全戰(zhàn)略》稱“美國同時面臨來自多個領域的不同行為者的威脅，而且所有這些威脅都因技術發(fā)展而加劇”。在《DARPA 60年（1958—2018）》中，美國防部認為“外商投資扭曲了電子產品市場”，稱“中國投資1500億美元用于發(fā)展電子產品制造能力的計劃吸引了外國的興趣”，威脅到行業(yè)的未來健康以及美國的軍事能力。積極響應“重建美國競爭優(yōu)勢”的戰(zhàn)略要求，美國ERI計劃在5年內投資15億美元，著眼延續(xù)下一個十年乃至百年的技術領先，突出發(fā)展新概念、新能力，以創(chuàng)新半導體材料與集成、架構和設計方法，贏得人工智能、量子信息、先進制造以及太空和生物等新興技術及產業(yè)發(fā)展的基礎優(yōu)勢和先機。

美國DAPRPA電子復興計劃最終的目的在于牽引美國國內半導體制造業(yè)的發(fā)展

以專項資金保障兩用科技成果的國防轉化。從DARPA于2018年7月公布的ERI計劃一期的6大項目合作研究團隊名單來看，除參與電子設備智能設計（IDEA）的諾·格1家之外，40多家ERI的執(zhí)行方都屬于高校、研究機構和電子科技企業(yè)，基本不具備在國防系統(tǒng)演示和應用的能力。在ERI計劃一期初步成果的基礎上，DARPA適時發(fā)布ERI：DA跨部門公告，預期投資數(shù)千萬美元，全部用于推動前沿顛覆性兩用電子科技成果的國防轉化。這筆經費不是用于國防能力的增量式提升，也不是對原ERI計劃目標的重復投資，反映出美國防部對科技創(chuàng)新成果向國防應用領域轉化的高度重視成果。美國發(fā)布ERI：DA跨部門公告的目的，在于把2025—2030年期間電子產業(yè)的新興技術和能力，應用于機器自主和人工智能;大規(guī)模仿真;網絡安全;空間應用;認知電子戰(zhàn);以及情報、監(jiān)視和偵察（ISR）等國防領域，以求贏得商業(yè)和國防領域的雙重優(yōu)勢。

提出了著名的摩爾定律的戈登·摩爾

以“國防伙伴關系”推動ERI技術成果的演示驗證。美國前國防部長卡特曾主導創(chuàng)立國防創(chuàng)新委員會和國防創(chuàng)新單元DIUx。他認為，美軍的優(yōu)勢源于工業(yè)界、學術界和政府部門的合作，搭建軍民之間的創(chuàng)新橋梁，是美國防部長的核心職責之一。為了開發(fā)、示范和應用在ERI計劃的新興技術成果，DARPA發(fā)布ERI：DA跨部門公告，分三個技術領域（TA）征求創(chuàng)新建議，突出強調在國防轉化伙伴與學術、商業(yè)部門之間建立伙伴關系，或為跨部門伙伴關系建立支撐架構，從而對國防部或國家安全能力產生直接和革命性的影響。第一個技術領域是即時技術開發(fā)，其是以國防背景下的技術演示與應用為重點，要求由國防轉化伙伴提交建議書，必須明確合格的ERI項目和所有合作方，特別是在現(xiàn)役或計劃軍事系統(tǒng)上清晰的實施路徑，推動建立和促進當前ERI計劃執(zhí)行方與具備國防技術演示能力的組織（主要指軍內研究機構和傳統(tǒng)軍工企業(yè)）間的伙伴關系。第二個技術領域是伙伴關系與技術開發(fā)，其主要針對沒有充分了解ERI項目的技術細節(jié)，難以為國防應用制定詳細計劃的國防轉化伙伴。該領域分為2個階段：第1階段旨在促進伙伴關系的發(fā)展，支持了解和影響技術開發(fā)，以及確定和與潛在伙伴建立合同關系所需的初步活動，周期不應超過12個月，經費不得超過750000美元。第2階段在合作伙伴關系建立后展開，重點在國防背景下開發(fā)和演示電子技術，要求在ERI計劃相關項目的周期內完成技術性能演示。第三個技術領域是合作架構，重點探索在ERI執(zhí)行者、國防轉化伙伴、政府機構和其他團體（風險資本、非營利組織和行業(yè)組織等）之間進行合作研究的模式，通過提供訪問政府信息、學術或商業(yè)部門的專業(yè)技術和國防工業(yè)經驗來支持ERI技術在國防中的應用。該類建議書要求提供如下方案：支撐研究數(shù)據、概念和結論的共享;促進分享通用設計經驗和基準;提供計算與物理架構;處理公開、保密、絕密、敏感隔離信息;支撐不同物理位置的多組織合作;視需要提供其他設施和支撐人員，以管理多個同時建立的伙伴關系。

以“關聯(lián)承包商協(xié)議”促進知識產權保護與共享。科技成果向國防應用轉化的成功，在一定程度上取決于合作各方在公開的信息交換基礎上，進行適當?shù)膮f(xié)調和整合，以實現(xiàn)完全的兼容性，并避免不必要的重復。針對ERI：DA項目中的單純主-分承包商協(xié)議無法修改原ERI計劃中合同條款的不足，美國防部采用“關聯(lián)承包商協(xié)議”（ACA）等合同工具，在主-分承包商關系之外，實現(xiàn)多個承包商之間的信息共享和合作，明確國防轉化伙伴、DARPA和ERI計劃執(zhí)行者之間相應的權利義務關系，并在原ERI項目合同中增加關于當前ERI計劃執(zhí)行者國防應用任務的補充條款。ERI：DA跨部門公告明確要求，對于從關聯(lián)承包商處獲取的專有或機密數(shù)據，屬于關聯(lián)承包商的財產，并應僅用于ERI：DA的研究工作，接收方應履行對這類信息的保密義務。對于“即時技術開發(fā)”（TA1）的建議書，ERI：DA跨部門公告強制性要求必須提供合作雙方詳細的任務列表和成本估算，包括對當前ERI執(zhí)行者合同文件所需任何修改的詳細清單。此外，還特別要求建議書出具得到當前ERI計劃執(zhí)行者支持的信函，作為對國防工業(yè)合作伙伴和現(xiàn)ERI計劃執(zhí)行者之間擬定關系的驗證。在所需“關聯(lián)承包商協(xié)議”全部完成之前，DARPA將不會授予最后的合同/協(xié)議。對于選定的“伙伴關系與技術開發(fā)”（TA2）執(zhí)行者，則必須在第1階段就“關聯(lián)承包商協(xié)議”進行談判，合作各方需要向DARPA提供詳細的技術和成本數(shù)據，包括對現(xiàn)有ERI合同的任何必要更改，作為繼續(xù)進入第2階段的必要條件。對于“合作架構”（TA3），則要求建議書制定在合作各方之間建立相應關系的計劃。

特朗普政府在《國家安全戰(zhàn)略》中聲稱“美國同時面臨來自多個領域的不同行為者的威脅”

以“直接競爭限制”優(yōu)先鼓勵私營部門投標。在“合格申請人”審查中，ERI：DA跨部門公告對于聯(lián)邦資助的研發(fā)中心（FFRDC）和政府實體提出了“直接競爭限制”的特別要求，以鼓勵私有企業(yè)參與投標。對于FFRDC性質的投標方，一是要求必須清楚地表明，擬投標的工作無法由私營部門提供;二是擬作為承包商或分包商時，必須提供其資助機構出具的官方信函，說明其具體權限，確定它們具有參與政府招標，并與業(yè)界競爭的資格，并符合相關FFRDC資助協(xié)議的條款和條件。對于政府實體，如政府與國家實驗室、軍事教育機構等，必須明確表明該項工作私營部門無法提供，還要出具書面文件，說明具體的相關法定授權和合同授權，符合參與政府招標的條件。

加快我國集成電路產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的建議

一是加速實現(xiàn)集成電路制造能力的自主可控。集成電路產業(yè)上游是裝備，中游是制造，下游是設計。當前我國集成電路的設計、測封等方面與世界先進水平的差距不斷縮短，但集成電路裝備材料方面還存在加大弱項，國產半導體裝備的占有率剛剛提高到10%左右，大量裝備依靠進口，集成電路制造受制于人的環(huán)節(jié)較多。2017年底，國產90納米光刻曝光系統(tǒng)整機通過驗收測試，與同期臺積電、三星、英特爾等全球領先晶圓制造廠商陸續(xù)進入10納米工藝制程工藝節(jié)點相比還有較大差距。建議改變撒胡椒面的傳統(tǒng)做法，要統(tǒng)籌使用國家現(xiàn)有支持集成電路產業(yè)發(fā)展的各類資金，加大定向精準投資力度，特別是光刻和電氣檢測設備等領域，積極應對美國的高科技封鎖。

二是探索開辟集成電路產業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新路徑。集成電路工藝節(jié)點20納米以下制程的成本上升問題一度被認為是摩爾定律開始失效的標志?？梢越梃b美國ERI計劃鼓勵創(chuàng)新半導體材料和集成、架構和設計研發(fā)路徑的思路，改變一味追求提高工藝節(jié)點和晶體管規(guī)模的傳統(tǒng)，在彌補差距，提高集成電路工藝水平的同時，投資開發(fā)具有創(chuàng)新性的電路架構和集成方式，開辟集成電路產業(yè)發(fā)展的新路徑。

三是完善前沿顛覆性電子技術向國防轉化應用的合作機制。針對前沿顛覆性電子技術成果大量誕生在高校實驗室和民營企業(yè)，難以在國防系統(tǒng)得到演示驗證和有效應用的問題，可以借鑒美國DARPA關于ERI技術的“國防轉化伙伴”的方式。軍方作為買家的同時，發(fā)揮促進前沿技術成果向國防科技領域轉化的重要樞紐作用。在裝備科技預研管理部門的協(xié)調下，針對特定應用領域和專項電子技術成果，在擁有演示驗證能力的傳統(tǒng)軍工電子企業(yè)與擁有顛覆性集成電路知識產權的創(chuàng)新型企業(yè)之間建立定向合作機制，加速技術開發(fā)和熟化進程，促進前沿顛覆性技術成果向國防領域的轉化應用，進而顯著提升國防系統(tǒng)的能力。

責任編輯：張傳良