美國電子復興計劃進展分析與啟示*

王 麗 于杰平 劉細文**，

（1.中國科學院文獻情報中心，北京100190；2.中國科學院大學經濟與管理學院，北京100049）

半導體產業(yè)是眾多高技術行業(yè)的支柱，是新科技與產業(yè)革命的基礎。美國政府資助的半導體產業(yè)創(chuàng)新一直是美國政產學研聯(lián)合創(chuàng)新并促進成果商業(yè)化的最佳實踐。2017年6月1日，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）宣布擬投資7500萬美元啟動電子復興計劃（Electronics Resurgence Initiative，ERI），在隨后五年內投資約15億美元，旨在解決半導體技術的制程瓶頸并應對半導體產業(yè)快速發(fā)展的挑戰(zhàn)。2020年美國兩黨兩院提案《為美國半導體制造創(chuàng)造有益激勵法案》建議追加20億美元用于實施ERI計劃。ERI計劃成為近年來美國在半導體領域實施的最大規(guī)模舉措，涵蓋基礎研究、應用基礎研究、轉化研究、國防和商業(yè)應用等創(chuàng)新環(huán)節(jié)。

我國高度重視半導體產業(yè)發(fā)展，2020年8月國務院印發(fā)《新時期促進集成電路產業(yè)和軟件產業(yè)高質量發(fā)展若干政策》，探索構建社會主義市場經濟條件下關鍵核心技術攻關新型舉國體制。美國ERI計劃的實施和推進對我國半導體芯片產業(yè)的創(chuàng)新規(guī)劃有一定的借鑒作用。本文從實施背景、攻關方向、項目演進與部署、組織模式等方面深入分析ERI計劃，以期為我國推進半導體芯片產業(yè)發(fā)展提供參考。

1 美國電子復興計劃實施的背景

1.1 “后摩爾時代”的挑戰(zhàn)

1965年，英特爾公司聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出著名的摩爾定律。半導體芯片的發(fā)展遵循著摩爾定律，隨著晶體管尺寸的縮小，器件能耗更低、性能更高、價格更便宜。然而，當晶體管尺寸進入到納米級時，量子隧穿效應發(fā)生，晶體管的漏電現(xiàn)象成為不可忽視的問題。硅工藝制程技術不斷被穿孔、光刻、隧穿、散熱等技術瓶頸困擾，人們?yōu)榻鉀Q這些技術難題付出高昂代價，摩爾定律遭遇到成本的“天花板”，半導體芯片技術開始進入“后摩爾時代”。“后摩爾時代”人們對“芯片”的關注更多地由“尺寸”轉向能力，由處理能力轉向計算能力，由計算能力轉向計算效率。解決問題的思路，也從以往單純強調制程技術，逐漸向架構、材料、范式創(chuàng)新和統(tǒng)籌運用多重手段等方面轉變。

美國在半導體芯片的發(fā)展史上起著關鍵作用，如從第一代以超大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integration，VLSI）等為代表的芯片革命、第二代以后道工藝技術（Back End Of Line，BEOL）等為代表的芯片革命，到第三代以鰭型場效應晶體管技術（Fin Field-Effect Transistor，F(xiàn)inFET）為代表的芯片革命。然而，在“后摩爾時代”美國半導體領域的開發(fā)和制造也面臨著三重挑戰(zhàn)［1］：1）集成電路設計的成本飛漲限制了技術創(chuàng)新；2）美國半導體本土市場逐漸流失；3）通用化趨向正在扼殺硬件方面的潛在收益。在此背景下，美國政府決定采取大規(guī)模行動，試圖突破困境并引領第四代半導體革命。ERI計劃的啟動旨在直面阻礙電子技術快速發(fā)展的挑戰(zhàn)，解決摩爾定律所預見的障礙。

1.2 ERI計劃的攻關方向

ERI計劃旨在打破傳統(tǒng)器件微型化的局限，在無法持續(xù)縮小尺寸的情況下，通過重點開發(fā)全新微系統(tǒng)材料、電子器件集成架構、軟硬件創(chuàng)新設計等實現(xiàn)電子器件性能的持續(xù)提升，推動美國半導體技術實現(xiàn)變革性創(chuàng)新。戈登·摩爾在其開創(chuàng)性論文第三頁（Page 3）［2］預測了摩爾定律極限到來之時的未來之路，認為設計自動化、材料科學、互聯(lián)和封裝以及專用化架構可能會繼續(xù)加強電子性能。根據戈登·摩爾的預測，ERI計劃確定了三個重點攻關方向。

1）材料和集成：該方向將探索在無需進一步縮小晶體管尺寸的情況下，利用非傳統(tǒng)電路元件來顯著提高電路性能。微電子材料中，硅是最通用的材料，鍺硅等化合物半導體也發(fā)揮了一定作用，但這些材料的功能靈活性有限，且存在于單一平面層內。該方向的項目旨在為下一代邏輯和存儲器件提供候選材料，聚焦集成多種半導體材料的單芯片、兼具處理和存儲功能的“粘性邏輯”器件以及器件的垂直集成方法。

2）架構：該方向將研究專用功能所需的最優(yōu)電路結構。已有研究表明專用硬件架構可以提升圖形處理單元的性能。該方向的項目將探索更多的技術機會，例如根據軟件需求進行調整的可重構物理架構、加速器組合架構等。

3）設計：該方向將重點開發(fā)快速設計和實現(xiàn)專用電路的工具。不同于通用電路，專用電路的運行速度更快、能耗更低。盡管DARPA一直投資于軍用專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），但 ASIC開發(fā)成本高、耗時長。新的設計工具和開源設計范式將帶來變革性的影響，實現(xiàn)商用專用電路的快速、低成本開發(fā)。

2 美國電子復興計劃的項目演進與部署

DARPA基于已有的研究基礎組織ERI計劃項目，目前已部署的項目超過24個，包括：8個DARPA早期已部署的基礎性研究項目，探索微電子領域的創(chuàng)新性方法，解決摩爾極限的嚴峻挑戰(zhàn)；6個第I階段項目（“Page3”項目），聚焦新一代芯片研發(fā)，通過新穎的電路材料、架構和設計來探索芯片專用化，確保美國在半導體芯片領域的競爭力；10個第II階段項目，強調電子安全和隱私、差異化的國內供應能力以及新穎的國防應用，推動美國建立本土化半導體制造產業(yè)。

ERI計劃的相關項目在設立之初，重點在材料和集成、架構、設計三個研發(fā)攻關方向部署。2020年DARPA對ERI計劃進行了更新，提出了四個關鍵的發(fā)展領域：三維異構集成、新材料和器件、專用功能、設計和安全，ERI計劃所設項目按照這四個領域重新分類（圖1，表1）。此外，聯(lián)合大學微電子學項目（Joint University Microelectronics Program，JUMP）和國防應用（Electronics Resurgence Initiative：Defense Applications，ERI：DA）作為ERI計劃的交叉融合項目，關聯(lián)并推動著ERI計劃所部署的所有項目。更新后的ERI計劃在以前的三大方向基礎上進一步突出了重點關注領域，即三維異構集成、專用功能和安全設計，計劃目標更加明確、研發(fā)項目更加聚焦。

表1 ERI計劃的項目組成（2018—2019年）Tab.1 ERIProjects（2018-2019）

續(xù)表1

圖1 ERI計劃的項目演進關系［13］Fig.1 Progress and Adjustment of ERIProjects［13］

1）三維異構集成芯片，通過多個垂直堆疊層將不同有源層材料和器件進行異構集成，以實現(xiàn)高集成密度、低功耗和信號完整性等。目前，多個ERI項目的研發(fā)方向為更加前沿的單片三維集成。2）專用芯片，根據應用需求對硬件進行調整，準確提供應用所需的計算資源組合，省略任何無關邏輯，大大提升芯片的性能。面對摩爾極限，專用系統(tǒng)一直是ERI計劃所倡導的現(xiàn)實性解決方案。3）芯片安全問題集中在邊信道攻擊、反向工程、供應鏈攻擊以及惡意硬件等方面，芯片供應鏈安全問題成為美國微電子和國防領域近年關注的焦點，ERI計劃將為解決芯片安全問題提供研發(fā)基礎。

ERI計劃并非從零開始，DARPA在ERI計劃之前便有相關概念和研究項目，隨著ERI計劃的提出，將已有項目進行整合并有了明確的方向，逐步形成了連貫的、多階段的、相互關聯(lián)的發(fā)展計劃。隨著ERI項目的展開，項目間自然而然的關聯(lián)交叉，有助于ERI計劃確定研發(fā)技術間的協(xié)同作用和關聯(lián)聯(lián)系，從而產生互補技術組合，有利于ERI計劃的后續(xù)項目規(guī)劃同時促進技術的實施和商業(yè)化。2019年ERI計劃公布ERI：DA項目，以應用為目的進一步助推ERI項目間的聯(lián)系和伙伴關系［3］。

3 美國電子復興計劃的組織模式

ERI計劃圍繞摩爾定律極限所帶來的技術挑戰(zhàn)以及美國半導體領域所面臨的困境，將政府、學術界、工業(yè)界、國防工業(yè)基地和國防部匯集在一起，營造持續(xù)進步和創(chuàng)新所需的環(huán)境。ERI計劃將“挑戰(zhàn)”和“協(xié)作”有效結合起來，開拓未來的微電子學。此外，DARPA一直以來極力推動半導體領域技術創(chuàng)新的每個階段［4］，從基礎研發(fā)到原型論證、試驗平臺以及初始市場，彌合了技術研發(fā)和技術應用之間的脫節(jié)。

3.1 ERI計劃的組織流程

DARPA科研項目組織的核心是“項目經理負責制”［5］，項目經理由 DARPA負責挑選，其任期時間一般為3～5年［6］，項目經理不進行研究，在其任期內主導項目的構思、團隊組建、提案選擇以及最終授予等工作，項目經理深度參與到項目執(zhí)行過程中，必要時會對項目進行調整以確保項目取得重要進展。短期任職促使項目經理選擇最有可能成功的變革性項目，以便在任期內進入原型或實施階段，從而加速創(chuàng)新進程，但同時極易放棄一些長期性研究項目。

ERI計劃遵循DARPA的項目組織模式，ERI計劃組織流程中關鍵的節(jié)點如圖2所示。

圖2 ERI計劃組織的關鍵節(jié)點［7］Fig.2 Key Point of Organizing ERI［7］

ERI計劃啟動后首先舉辦項目研討會，針對芯片架構、設計以及材料和集成三個領域展開針對性討論。然后發(fā)布廣泛機構公告（Broad Agency Announcement，BAA，美國政府機構針對特定研發(fā)對外征求提案的一種途徑，如ERI計劃第I階段發(fā)布三個領域的BAA［8］），公布了上述三個領域的項目結構、技術領域、任務目標、任務進度以及相關要求和標準等，并召開提案者日征集項目提案。隨后根據BAA公布的評估標準對提案進行評審和遴選，陸續(xù)公布項目執(zhí)行者并啟動項目［9］。ERI計劃的年度峰會是邀請業(yè)界利益相關者廣泛參加的多日論壇，致力于與風險投資公司、各種規(guī)模公司以及項目承擔者和項目申請者等建立聯(lián)系，突出工業(yè)界和政府部門的角色，有助于建立先進的微電子學技術社區(qū)［10］，培育技術聯(lián)盟。

ERI計劃在組織過程中注重為政產學研合作提供橋梁作用，為項目承擔者融入技術社區(qū)創(chuàng)造條件，如上述的年度峰會、項目提案者日以及定期項目評審等。ERI年度峰會將培育政產合作伙伴關系作為其重要目標之一，為美國未來產業(yè)政策奠定基礎。提案者日旨在向公、私營各利益相關者進一步展示項目的整體愿景、現(xiàn)有基礎、未來目標、合作機會等，同時為參會者提供交流平臺。定期項目評審會期間，所有項目承擔者在評審會上陳述自己的工作并且進行深度交流，有助于促進技術社區(qū)的形成、培育高價值合作。

3.2 ERI計劃的組織創(chuàng)新

創(chuàng)新組織模式意在改進創(chuàng)新工作的途徑、方法和組織，營造創(chuàng)新環(huán)境、支持創(chuàng)新全流程［5］。ERI計劃貫穿半導體技術創(chuàng)新周期，基于半導體技術和產業(yè)的挑戰(zhàn)設定大膽的目標、面向學術界和工業(yè)界招募研發(fā)目標的解決方案、聯(lián)合學術界和工業(yè)界通過研發(fā)項目建立技術原型、逐步培育半導體領域的社區(qū)或聯(lián)盟，最終通過國防采購或初創(chuàng)公司等捕獲價值。DARPA“項目經理負責制”本身具備基于“挑戰(zhàn)”進行項目組織的特質，在美國面臨半導體產業(yè)競爭壓力的年代，DARPA融合了“協(xié)作”攻關的組織創(chuàng)新優(yōu)勢，促進了政產學研的深度開放合作和創(chuàng)新后期的成果轉化。DARPA這種基于挑戰(zhàn)的協(xié)作模式在半導體領域得到了良好的實踐，一方面由于半導體技術在國防應用方面的潛力以及對未來新興技術的支撐；另一方面這種創(chuàng)新組織模式將“挑戰(zhàn)”和“協(xié)作”有效地結合起來，使美國政府在后期技術轉化實施階段持續(xù)發(fā)揮作用。

3.2.1 基于挑戰(zhàn)的協(xié)作模式

DARPA在半導體研發(fā)方面的投資，并非依靠軍事保密研究，而是通過包容性和合作性的開放模式，共享半導體領域的挑戰(zhàn)，幫助建立產業(yè)聯(lián)盟組織，使得創(chuàng)意和靈感可以轉化為產品，然后由工業(yè)界完善和制造，使美國在半導體領域占據領先地位。1987年DARPA組織的半導體制造技術聯(lián)盟（Sematech）開創(chuàng)了極具影響力的合作伙伴關系模式，即圍繞技術挑戰(zhàn)進行組織的、成本分攤的政產學研合作聯(lián)盟。這種基于挑戰(zhàn)的協(xié)作模式強化了利益相關者的各自優(yōu)勢，成本分攤加強了協(xié)作關系并有利于迅速擴大產業(yè)規(guī)模。1996年DARPA退出Sematech資助，近20年這種創(chuàng)新組織模式的作用持續(xù)減弱。

作為ERI計劃的重要組成部分，JUMP項目開始重拾這種模式，采用成本共享的合作聯(lián)盟模式應對微電子技術領域現(xiàn)有的和正在出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。JUMP項目由DARPA聯(lián)合工業(yè)界、國防工業(yè)界共同發(fā)起［11］，通過向美國學術界征集提案成立了6個研究中心，并設立行政中心對其進行統(tǒng)一管理運營，推動微電子領域的長期探索性研究。此外，JUMP作為ERI的交叉融合項目推動著ERI計劃新項目的構思。

ERI計劃保持共享國防領域和工業(yè)界的技術挑戰(zhàn)，挖掘共性技術挑戰(zhàn)予以重點攻克。例如，在國防領域，命令和控制、武器系統(tǒng)、安全許可數(shù)據等應用上存在安全隱患；在工業(yè)界，自動駕駛、電網、健康記錄等應用上需要安全措施。ERI計劃重點規(guī)劃了“安全硬件設計工具”研究方向來攻克共性的硬件安全脆弱性問題。這種開放共享的模式使ERI計劃所解決的挑戰(zhàn)更加具體且有現(xiàn)實意義，同時將參與的利益相關者從一開始就深度交織在一起，有利于未來通過國防和工業(yè)應用促進技術成果的轉移和生產。

ERI計劃通過基于挑戰(zhàn)的協(xié)作模式，充分發(fā)揮工業(yè)界、學術界和政府各自的創(chuàng)新優(yōu)勢同時加強彼此之間的密切合作，為美國下一代半導體創(chuàng)新營造必要的環(huán)境。

3.2.2 助推技術轉化的橋梁作用

在美國基礎研究驅動的創(chuàng)新體系下，政府為初期研究提供支持，將開發(fā)和創(chuàng)新的后期都交給私營部門，技術研發(fā)后的商業(yè)化過程中政府只發(fā)揮有限的作用，導致初期研究和后期開發(fā)脫節(jié)的風險。ERI計劃通過ERI：DA項目進一步明晰了政府在技術研發(fā)后期的持續(xù)作用，推動技術成果在國防專用系統(tǒng)中的新興和未來應用。ERI：DA項目強調了國防過渡伙伴的作用，國防過渡伙伴指具備向美國國家安全共同體交付技術能力的組織。ERI：DA項目要求參與者與國防過渡伙伴建立合作關系，推動ERI技術在國防應用方面的開發(fā)和示范。ERI：DA項目還將進一步探索ERI項目執(zhí)行者、國防過渡合作伙伴、政府機構、風險投資、非營利組織、工業(yè)界以及其他利益相關方之間的有效協(xié)作模式，通過充分利用政府信息、學術界和工業(yè)界的專業(yè)知識以及國防經驗等創(chuàng)建協(xié)作基礎設施，推動ERI技術的國防應用。

ERI計劃重視技術成果轉化，在強調國防應用的同時推動平行商業(yè)市場。ERI項目的BAA中明確要求提案者提供從技術開發(fā)到商業(yè)和國防應用的成果轉化計劃，對成果未來的銷售、制造、市場以及影響等各環(huán)節(jié)提出初步假設。成果轉化計劃將成為提案評審的關鍵要素。此外DARPA還提供“轉化加速器”機會，根據ERI項目提案的成果轉化計劃在項目結束后提供后續(xù)資助，以推動早期原型過渡到可生產、可制造的原型并提供進入市場的戰(zhàn)略資源，如初創(chuàng)企業(yè)、技術許可、合資企業(yè)等多種市場機制。

ERI計劃的組織執(zhí)行貫穿半導體技術創(chuàng)新的整個流程，利用國防部的能力，在創(chuàng)新的所有階段運作，從技術的研究、開發(fā)、原型、演示、測試，到初始市場培育，推動半導體技術創(chuàng)新在一個集成系統(tǒng)中有效流動，最終將ERI技術應用于國防，同時為私營部門進一步商業(yè)化推廣做好準備。

4 對我國半導體芯片產業(yè)的啟示

1）明確的頂層戰(zhàn)略計劃有助于理清挑戰(zhàn)、協(xié)同攻關。“后摩爾時代”人們解決芯片制程問題的思路集中在可預見的設計、架構、材料和器件、集成等方向以及不可預見的新范式方向。美國ERI計劃明確了其迎接這些挑戰(zhàn)的思路，探索從通用硬件邁向專用系統(tǒng)的可行之路，并分階段推進新一代芯片技術研發(fā)。我國目前半導體芯片研發(fā)項目散落在不同的科技規(guī)劃或計劃中，如國家重點研發(fā)計劃的“光電子與微電子器件及集成”重點專項、國家科技重大專項的“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”專項等。不同計劃所設項目有各自的研發(fā)重點，如有的著重前沿探索性研究、有的聚焦技術的產業(yè)化應用。但從半導體芯片整體技術生態(tài)來看，項目研發(fā)的技術之間必然存在橫向交叉和縱向互補。近期，我國印發(fā)《新時期促進集成電路產業(yè)和軟件產業(yè)高質量發(fā)展若干政策》，其中包含集成電路產業(yè)的研發(fā)政策，但組織依舊分散在各部委且尚無明確系統(tǒng)的頂層研發(fā)計劃。

頂層戰(zhàn)略計劃有助于理清我國集成電路產業(yè)的現(xiàn)有挑戰(zhàn)，協(xié)助整合現(xiàn)有的研發(fā)基礎，在未來推進技術的迭代發(fā)展。在統(tǒng)一的戰(zhàn)略計劃組織和指導下，有助于產生和發(fā)現(xiàn)互補的戰(zhàn)略技術、促進協(xié)同效應，建立技術聯(lián)盟、增強整體創(chuàng)新能力。

2）開放共享的軍民融合環(huán)境有助于發(fā)揮兩用技術的橋梁作用。半導體芯片領域中，國防技術與推動經濟發(fā)展的技術是相互交織的［12］，屬于同一技術范式的兩個方面。ERI計劃本身由美國國防大腦之稱的DARPA組織推進，通過設想半導體芯片領域革命性的新能力及其需要解決的障礙，聯(lián)合學術界和工業(yè)界，彼此了解國防需求和工業(yè)障礙，集中該領域最優(yōu)秀的人才克服這些挑戰(zhàn)，每一方都能以實際行動推動另一方的發(fā)展，從而促進快速商業(yè)化和國防采用。我國《“十三五”科技軍民融合發(fā)展專項規(guī)劃》為軍民科技協(xié)同創(chuàng)新體系發(fā)展提供了基本指導思想，其中先進電子、電子信息、集成電路等在不同層面作為國家軍民融合的重點。

開放共享的軍民融合環(huán)境可以充分發(fā)揮軍民兩用技術的橋梁作用，各利益相關方因共同的挑戰(zhàn)而聯(lián)合從而形成更加緊密的協(xié)同創(chuàng)新模式。我國需要更加開放共享的軍民融合環(huán)境，有效利用學術界對創(chuàng)新思想的開放性、企業(yè)家對創(chuàng)新技術的商業(yè)化意愿以及整個半導體芯片的工業(yè)基礎設施，使國防應用可以獲得民用開發(fā)的先進性，同時為基礎研發(fā)和產業(yè)應用搭建技術轉化平臺。

3）驅動技術創(chuàng)新的創(chuàng)新組織模式有助于最大化組合效應。ERI計劃根據技術挑戰(zhàn)進行組織，集聚跨學科專業(yè)人才形成高度協(xié)作的創(chuàng)新團隊，使創(chuàng)新想法可以在團隊間流動，實行與決策者直接對話的扁平式管理模式，使項目管理更加靈活。ERI計劃在半導體技術創(chuàng)新的各環(huán)節(jié)運作，注重項目的連續(xù)性和組合性，分階段推進項目實施，通過交叉項目促進技術組合，以技術組合應用驅動成果轉化。項目方案征集遴選過程中注重不同解決方案的并行實施，同時擁有多種機制來確定、評定和評估備選方案和選擇，適時重組或終止不會成功的想法。

研發(fā)和人才是創(chuàng)新系統(tǒng)中相互交織的兩個核心部分，我國需要更加賦能的創(chuàng)新組織管理模式使研發(fā)和人才發(fā)揮最大的組合能動性，使項目靈活有效運轉獲得最大投資回報率。我國在進行半導體領域技術攻關過程中，在執(zhí)行層面需要有創(chuàng)新的項目組織管理辦法，加強各半導體研發(fā)計劃的協(xié)同協(xié)調，促進技術組合集成，推進成果的應用。