德國發(fā)布《微電子研發(fā)框架計劃》支持半導體自主研發(fā)與生產(chǎn)

■文/孫浩林（中國科學技術信息研究所）

2020年11月，德國聯(lián)邦教育與研究部發(fā)布《微電子研究框架計劃2021—2024：微電子·可信賴和可持續(xù)·為了德國和歐洲》，計劃四年內(nèi)投入4億歐元支持微電子研究。通過這一新的資助計劃，德國希望成為開發(fā)和生產(chǎn)可靠且可持續(xù)微電子產(chǎn)品的全球重要競爭者，并具備理解、自主生產(chǎn)和開發(fā)微電子這類關鍵技術的能力。對此，《計劃》提出了德國發(fā)展微電子技術的四大目標、七項技術基礎和七大未來應用場景。

微電子是數(shù)字化時代的重要基礎。為了能在未來全球競爭和產(chǎn)業(yè)鏈中保持自主地位，并按照自身價值觀構建數(shù)字化社會，德國和歐洲需要可信賴的微電子產(chǎn)業(yè)能力，也就是能夠全面準確地理解和應用微電子核心技術，并通過自有的微電子產(chǎn)業(yè)抵御和應對全球挑戰(zhàn)。此外，以微電子為基礎的信息通信技術能夠有效提高資源和能源使用效率，進而促進全球可持續(xù)發(fā)展。出于以上兩方面的考慮，德國聯(lián)邦政府制定了2021—2024年的微電子研發(fā)框架計劃，首要目標是加強德國和歐洲在微電子領域的技術主權。

一、主要目標和資金保障

通過實施本計劃，德國聯(lián)邦政府希望達成四項目標：一是德國作為歐洲研究區(qū)和歐洲內(nèi)部市場的一部分能夠實現(xiàn)技術自主，不再依賴其他任何一個國家或地區(qū)；二是德國和歐洲自主生產(chǎn)的電子產(chǎn)品能夠擁有更高的質量和可靠性，成為安全相關應用的首選；三是德國和歐洲自主生產(chǎn)的電子產(chǎn)品能夠為氣候保護作出突出貢獻；四是德國和歐洲自主生產(chǎn)的電子產(chǎn)品能夠為應對社會挑戰(zhàn)提供更多解決方案。為實現(xiàn)上述目標，德國聯(lián)邦教育與研究部將在未來4年為相關研發(fā)項目投入約4億歐元，聯(lián)邦經(jīng)濟與能源部也將通過歐洲共同利益重大項目（IPCEI）為通信和微電子領域提供充足的資金支持。

二、技術基礎

為實現(xiàn)自主和可持續(xù)的數(shù)字化，德國聯(lián)邦政府將重點支持以下微電子基礎技術的研發(fā)和創(chuàng)新。

（ 一） 電 子 設 計 自 動 化（EDA）

從最初的想法到最終的電子系統(tǒng)和電路需要經(jīng)過復雜的設計，而解決這一過程復雜性的方法就是盡可能使其自動化。因此，EDA能力對德國和歐洲技術主權具有基礎性影響。當前在這一領域的最大挑戰(zhàn)是日益提高的復雜性，EDA不僅針對單個芯片，而要考慮電子系統(tǒng)的整體性能，如高度集成的各電路模塊間的相互作用、能源使用效率、功能可靠性和安全性等。

未來行動領域包括：能夠為設計小批量專用芯片提供模塊化知識產(chǎn)權、相應工具和硬件設備的開發(fā)平臺和生態(tài)系統(tǒng)，如開源的指令集架構RISC-V等；軟硬件共同設計；在EDA中應用人工智能；在設計時考慮可測試性等。

（二）用于邊緣計算、人工智能和高性能應用的專用處理器

專用處理器是德國電子產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)強項，但隨著新應用領域的涌現(xiàn)，以及現(xiàn)有應用領域對性能要求的顯著提升，當前的專用處理器越來越難以滿足現(xiàn)實需要。德國需要將專用處理器提升至新的性能等級，以加速數(shù)字化進程。

未來行動領域包括：用于積木式組件處理器的生態(tài)系統(tǒng)；帶有光學或光電學組件的處理器；用于專用處理器的新架構和存儲技術；類比計算等基礎研究成果等。

（三）新型智能互聯(lián)傳感器

電子系統(tǒng)的可靠性有賴于傳感器提供的可靠測量數(shù)據(jù)。隨著各行各業(yè)數(shù)字化程度的不斷加深，測量數(shù)據(jù)的收集、處理和傳輸已經(jīng)成為功能安全和復雜智能系統(tǒng)運行的基礎。因此，傳感器必須滿足最高程度的可靠性要求，并盡可能承受住故障的影響。

未來行動領域主要分為兩個方向：一是新型傳感器和系統(tǒng)方案，如以量子效應、新材料和集成技術為基礎的新型傳感器；有機傳感器；芯片實驗室（Lab-ona-chip）；化學傳感器和生物傳感器等。二是新的應用領域，如用于工業(yè)4.0等場景的智能傳感器；傳感器自診斷和自標定；能源自給型傳感器和系統(tǒng)方案等。

（四）用于通信和傳感技術的高頻電子

高頻電子設備是構建5G/6G基礎設施、車輛測距雷達、服務機器人等數(shù)字化時代重要應用的基礎，也是傳感器中不可或缺的元器件。當前的研究需求包括最高頻電子、光電工程以及10納米以下集成電路的制造等。

未來行動領域包括：高度集成的高頻雷達系統(tǒng)；用于高頻電子的新型天線；電磁耐受性問題；通信領域的高頻電子與光學設備間的相互作用；用于高頻電子的新基質和新材料等。

（五）智能且節(jié)能的電力電子

電力電子是通過相關電子設備將電能準確分配到需要的地方并對電能進行轉換和控制的技術，其重要性日益提高。德國要想保持當前在這一領域的全球領先地位，必須進一步降低成本，同時更好地滿足對設備重量、規(guī)格、可靠性和效率的要求，并讓電力電子設備能夠更加智能地根據(jù)工業(yè)需求分配電力。

未來行動領域包括：通過新的封裝和系統(tǒng)集成方法以及規(guī)模效應和新材料降低成本；使用寬帶隙半導體提升效率；通過延長設備使用壽命、避免使用關鍵原材料及循環(huán)利用提高可持續(xù)性；智能電力電子系統(tǒng)；超低功耗電力電子；電磁耐受性和系統(tǒng)集成技術等。

（六）跨領域技術和主題

一些跨領域主題對多個技術領域都具有基礎性作用，如系統(tǒng)集成技術、測試和驗證、新材料應用等。

創(chuàng)新的集成技術能夠提高系統(tǒng)性能和可靠性并降低成本。當前，電子產(chǎn)業(yè)的一大發(fā)展趨勢就是將越來越多的功能和組件集成在一個系統(tǒng)中。未來重點研發(fā)領域包括：新復雜系統(tǒng)的封裝技術；制造工藝；可靠電子產(chǎn)品的封裝和制造技術；設計和仿真。

測試是電子系統(tǒng)安全可靠的保證。從設計到制造、再到最終的驗證環(huán)節(jié)都需要相應的測試方法。未來重點研發(fā)領域包括：便于測試的設計方案；測試方法和設備；各類組件測試臺的全球互聯(lián)；測量方法和設備；通過標準化簡化組件檢測流程。

新材料的研發(fā)和應用能夠有效推動微電子產(chǎn)業(yè)的進步。目前，將新材料用于微電子制造存在諸多挑戰(zhàn)，如更加復雜的系統(tǒng)集成技術要求、新制造流程和設備等。未來重點研發(fā)領域包括：用于微電子的新材料和材料系統(tǒng)開發(fā)；用于電力電子的寬帶隙材料；用于傳感器的新材料；能夠提升可持續(xù)性的新材料。

（七）用于微電子制造的專業(yè)設備

小批量電子制造專業(yè)設備和特殊用途的設備制造是德國的強項，這得益于德國產(chǎn)業(yè)界和研究界的緊密合作。在其他微電子制造設備領域，德國多年來一直與歐洲伙伴進行合作研發(fā)，也達到了全球頂尖水平，如德國蔡司與荷蘭ASML在光刻機領域的合作。

未來行動領域包括：半導體和電子產(chǎn)品制造的自動化解決方案；用于增材制造流程的復雜機械；測量和檢測技術等。

三、未來應用場景

（一）人工智能

從汽車到工業(yè)4.0，越來越多的行業(yè)開始采用基于人工智能的新型解決方案。歐洲必須能夠掌握人工智能相關的底層技術，才能對機遇和挑戰(zhàn)做出自主應對，電子產(chǎn)業(yè)能力是重中之重。歐洲需要盡可能使用自己的人工智能產(chǎn)品，并在任何情況下都能通過自己的知識訣竅設計和驗證芯片功能。當前，人工智能的發(fā)展離不開大數(shù)據(jù)訓練，這對人工智能處理器的算力和能耗提出了較高要求。德國或歐洲生產(chǎn)的高能效處理器將為此作出貢獻，其通過助力“邊緣人工智能”和“嵌入式人工智能”等新技術的實現(xiàn)有效降低能耗并加強數(shù)據(jù)保護。此外，帶有光電學組件的處理器等新硬件也將為降低能耗和提升速度創(chuàng)造潛力。

（二）高性能計算

高性能計算是實現(xiàn)科學卓越和未來工業(yè)應用的基礎。在這一領域，德國教育與研究部將在國內(nèi)重點支持高斯超算中心（GCS）提升算力，并在歐洲層面積極參與“歐洲高性能計算聯(lián)合執(zhí)行體伙伴計劃（EuroHPC）”，所需的硬件設備將在“歐洲處理器倡議（EPI）”框架內(nèi)與其他歐洲國家共同開發(fā)。

（三）通信技術

通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡是數(shù)字化時代的生命線，其由不同的電子組件構成，必須保證這些組件的安全性和可持續(xù)性。微電子領域的進步為實現(xiàn)數(shù)字化時代的可持續(xù)智能網(wǎng)絡提供了可能，如邊緣-云計算網(wǎng)絡需要邊緣電子設備的支撐；更高效的數(shù)據(jù)無線傳輸有賴于微電子創(chuàng)新，如5G/6G網(wǎng)絡在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)和交通等領域的應用；高度集成的光學微電子組件可以實現(xiàn)更快、更節(jié)能的光電轉換。

（四）智能健康

電子產(chǎn)品是智能和互聯(lián)健康應用的一項基礎技術，能夠決定醫(yī)療產(chǎn)品的創(chuàng)新程度。同時，醫(yī)療領域的電子產(chǎn)品必須具有最高程度的可靠性和安全性，包括在不同設備間傳輸患者數(shù)據(jù)的過程。歐洲必須在電子醫(yī)療產(chǎn)品的全供應鏈上擁有技術主權。從技術層面上看，當前的微電子創(chuàng)新已經(jīng)為公民醫(yī)療和護理作出很大貢獻。一方面，醫(yī)療設備組件的全面模塊化和功能模塊的可替換性使設備能夠適應變化的需求；另一方面，新產(chǎn)品研發(fā)過程中的平臺解決方案和統(tǒng)一的交互界面大大縮短了產(chǎn)品上市所需的時間。在器官移植、神經(jīng)義肢、護理工作、藥品制造等領域，微電子創(chuàng)新都將發(fā)揮重要作用。

（五）自動駕駛

在當前的駕駛輔助系統(tǒng)中，電子產(chǎn)品和傳感器已經(jīng)能夠有效降低事故風險，未來的自動駕駛汽車將進一步提高安全性，而這一愿景的實現(xiàn)需要多項微電子技術基礎的支撐。每輛自動駕駛汽車必須配備高探測精度的傳感器，使其能夠在任何情況下進行及時反應；車輛的所有電子組件和系統(tǒng)必須絕對可靠；自動駕駛系統(tǒng)需要不斷改善能源使用效率以降低耗電量；車輛必須采用模塊化的設計理念以及標準化的交互界面，以便于修理和維護。

（六）工業(yè)4.0

微電子和傳感器是工業(yè)4.0的關鍵技術。高性能且互聯(lián)的軟硬件能夠實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)收集和處理，是實現(xiàn)工業(yè)4.0生產(chǎn)方式的前提；節(jié)能或能源自給的傳感器能夠顯著改善設備的可持續(xù)性和經(jīng)濟性，并簡化基礎設施建設；使用新型電子設計自動化工具進行系統(tǒng)設計能夠加速工業(yè)4.0微電子組件的創(chuàng)新。

（七）智能能源轉換

未來的能源轉換、分配和消耗必須更加靈活，并做到智能互聯(lián)。微電子能夠為此作出重要貢獻，如高效靈活的電力電子設備、能源自給的低成本傳感器、通信電子設備等都可在不同領域發(fā)揮作用。