《美國(guó)半導(dǎo)體十年研發(fā)計(jì)劃》分析與啟示

葛 婕

賽迪智庫(kù)集成電路研究所 北京 100036

2020年10月，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)和半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)聯(lián)盟(SRC)聯(lián)合發(fā)布了《美國(guó)半導(dǎo)體十年研發(fā)計(jì)劃》，由學(xué)術(shù)界、政府和產(chǎn)業(yè)界共同制定，該計(jì)劃從整個(gè)信息通信技術(shù)(ICT)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用角度，面向未來(lái)市場(chǎng)應(yīng)用需求和技術(shù)變革方向，提出了未來(lái)十年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的五大重要方向，包括大力發(fā)展傳感、存儲(chǔ)、通信、安全和信息處理五大領(lǐng)域的半導(dǎo)體技術(shù)，并給予資金和項(xiàng)目保障，以維持其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

1 計(jì)劃提出政府應(yīng)面向五大領(lǐng)域半導(dǎo)體技術(shù)加大研發(fā)支持

計(jì)劃提出傳感、存儲(chǔ)、通信、安全和信息處理五大領(lǐng)域半導(dǎo)體技術(shù)將是未來(lái)重要發(fā)展方向。美國(guó)認(rèn)為ICT領(lǐng)域未來(lái)十年正面臨由半導(dǎo)體技術(shù)限制帶來(lái)的發(fā)展瓶頸，這些限制降低了信息處理、通信、存儲(chǔ)、感知和安全的迭代進(jìn)步，需要加快推動(dòng)多學(xué)科的協(xié)同研發(fā)，在軟件、系統(tǒng)、架構(gòu)、電路、器件結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的工藝和材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性的創(chuàng)新。一是傳感領(lǐng)域的模擬芯片、傳感器等需要根本性突破。為滿足物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)市場(chǎng)需求，需要能夠感知、傳感和推理的用于全球智能機(jī)器的模擬硬件。二是在存儲(chǔ)領(lǐng)域需提出全新架構(gòu)和解決方案。全球?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，需要器件、架構(gòu)、設(shè)備材料全產(chǎn)業(yè)鏈合作研發(fā)創(chuàng)新。三是通信領(lǐng)域芯片應(yīng)用研究需要持續(xù)創(chuàng)新。為解決通信容量與數(shù)據(jù)生成率之間的不平衡，需加強(qiáng)毫米波芯片、天線、濾波器等研發(fā)以提升數(shù)據(jù)傳輸速率及網(wǎng)絡(luò)容量。四是需加強(qiáng)安全芯片研究和應(yīng)用突破。為應(yīng)對(duì)在高度互聯(lián)的系統(tǒng)和人工智能中出現(xiàn)的安全挑戰(zhàn)，應(yīng)加強(qiáng)在安全、隱私領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)、算法、芯片研發(fā)。五是信息處理領(lǐng)域計(jì)算模式和芯片需要革新。未來(lái)服務(wù)器、通信、汽車等在計(jì)算速度、能源效率、電路密度和成本效益生產(chǎn)能力方面呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，計(jì)算領(lǐng)域能耗比的提升受到極大限制，需要加快研發(fā)腦認(rèn)知和神經(jīng)計(jì)算、量子計(jì)算等新型計(jì)算模式器件。

計(jì)劃呼吁美國(guó)政府對(duì)半導(dǎo)體研發(fā)的專項(xiàng)資金投入提升為原來(lái)的三倍。當(dāng)前美國(guó)政府每年在半導(dǎo)體領(lǐng)域的專項(xiàng)研發(fā)支持為17億美元，計(jì)劃提出未來(lái)十年針對(duì)五大領(lǐng)域每年增加34億美元的投入到51億美元，將專項(xiàng)研發(fā)資金增加兩倍，以確保美國(guó)在未來(lái)50年也能在半導(dǎo)體領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。其中傳感領(lǐng)域每年投資6億美元，重點(diǎn)支持可訓(xùn)練的神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器、模擬仿生機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，研發(fā)目標(biāo)為降低模擬到信息的數(shù)據(jù)壓縮比，以更類似于人腦的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的使用；存儲(chǔ)領(lǐng)域每年投資7.5億美元，重點(diǎn)支持用于量子處理器的存儲(chǔ)器、變革性存儲(chǔ)技術(shù)(如DNA)等，目標(biāo)為開(kāi)發(fā)高密度新興存儲(chǔ)和存儲(chǔ)載體，并對(duì)每個(gè)層次的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)提高能效；通信領(lǐng)域每年投資7億美元，重點(diǎn)支持毫米波CMOS器件、毫米波濾波器和隔離器等技術(shù)，目標(biāo)為開(kāi)發(fā)智能和敏捷的網(wǎng)絡(luò)，有效利用帶寬來(lái)最大化網(wǎng)絡(luò)容量；安全領(lǐng)域每年投資6億美元，重點(diǎn)支持包含可信機(jī)制的AI系統(tǒng)、量子計(jì)算和神經(jīng)計(jì)算的安全私有硬件平臺(tái)等，目標(biāo)是利用新興的量子和分布式密碼算法，提升未來(lái)硬件平臺(tái)的安全性；信息處理領(lǐng)域每年投資7.5億美元，重點(diǎn)支持高維模型表示、AI處理器等技術(shù)，目標(biāo)是通過(guò)新型計(jì)算架構(gòu)緩解計(jì)算瓶頸。

計(jì)劃認(rèn)為在后續(xù)研發(fā)項(xiàng)目支持中應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同和國(guó)際合作。在每個(gè)領(lǐng)域的行動(dòng)呼吁中，計(jì)劃都提出在研發(fā)計(jì)劃實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)更加注重產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作，加強(qiáng)整機(jī)、系統(tǒng)、芯片、設(shè)備、材料等全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，同時(shí)強(qiáng)調(diào)引入全球合作伙伴，加速基于新研發(fā)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育，同時(shí)分擔(dān)研發(fā)經(jīng)費(fèi)和研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。如在傳感領(lǐng)域方面，計(jì)劃提出需在模擬芯片、傳感器等方面開(kāi)展合作研發(fā)，以加快實(shí)現(xiàn)模擬硬件的變革；存儲(chǔ)領(lǐng)域方面，提出加強(qiáng)材料、器件、存儲(chǔ)器、架構(gòu)、處理器等各方合作，甚至包括物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科參與；安全方面，提出加強(qiáng)人工智能、量子計(jì)算等相關(guān)領(lǐng)域的協(xié)同研發(fā)。

2 后續(xù)美國(guó)政府將多措并舉維持半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)地位

后續(xù)美國(guó)政府極有可能采納這一計(jì)劃。SIA認(rèn)為美國(guó)近十幾年來(lái)在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)嵙χ饾u衰退主要因素是美聯(lián)邦政府未能及時(shí)根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際加大基礎(chǔ)研發(fā)投入。SIA發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，40年間美私營(yíng)企業(yè)研發(fā)投入由4億美元增長(zhǎng)到400億美元，而美聯(lián)邦政府投資僅由10億美元增長(zhǎng)到17億美元(未含半導(dǎo)體領(lǐng)域非專用研發(fā)投資43億美元)，SIA在發(fā)布的報(bào)告中多次呼吁美國(guó)政府加大半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)研發(fā)投入。特別是近年來(lái)美國(guó)認(rèn)為中國(guó)政府大力扶持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)其已經(jīng)造成巨大威脅，兩黨對(duì)在半導(dǎo)體領(lǐng)域遏壓中國(guó)已經(jīng)達(dá)成一致?？紤]到前期SIA對(duì)加大半導(dǎo)體制造業(yè)投入的倡議已經(jīng)轉(zhuǎn)化為系列法案，后續(xù)美國(guó)政府大概率會(huì)采納該建議加大對(duì)半導(dǎo)體研發(fā)的政府專項(xiàng)資金投入。

美后續(xù)將加強(qiáng)多邊合作，以實(shí)現(xiàn)在顛覆性和面向未來(lái)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的主導(dǎo)地位。美國(guó)是半導(dǎo)體技術(shù)的策源地，并通過(guò)長(zhǎng)期在研發(fā)投入和資本支出方面的高水平投入保持領(lǐng)先地位，在計(jì)算機(jī)、移動(dòng)智能終端、消費(fèi)等領(lǐng)域成為產(chǎn)業(yè)生態(tài)的主導(dǎo)者。盡管美國(guó)行業(yè)繼續(xù)領(lǐng)先于全球，但在尋求保持其在未來(lái)的領(lǐng)先地位時(shí)，也面臨著明顯的挑戰(zhàn)。包括經(jīng)濟(jì)持續(xù)低迷、新冠疫情爆發(fā)、貿(mào)易環(huán)境變化等外部影響，以及芯片制造業(yè)向亞太地區(qū)轉(zhuǎn)移、中國(guó)產(chǎn)業(yè)的崛起等變化，尤其是在5G通信、人工智能、量子計(jì)算、智能汽車等前沿新興領(lǐng)域，不斷上升的創(chuàng)新成本也構(gòu)成了新的挑戰(zhàn)。同時(shí)美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)非常依賴其深厚的全球供應(yīng)鏈和進(jìn)入海外市場(chǎng)的渠道，如歐洲的汽車和工業(yè)芯片、日本的半導(dǎo)體設(shè)備和材料、韓國(guó)的存儲(chǔ)器、中國(guó)臺(tái)灣的先進(jìn)工藝等，因此美國(guó)后續(xù)會(huì)聯(lián)合盟友加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)在顛覆性和面向未來(lái)的領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。

美或配套研發(fā)計(jì)劃在促進(jìn)制造業(yè)回流、人才培育、貿(mào)易和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等方面出臺(tái)系列支持政策。SIA在前期的系列報(bào)告中多次呼吁，美國(guó)政府應(yīng)該在芯片制造業(yè)、研發(fā)投入、人才培養(yǎng)、貿(mào)易和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等方面加大支持力度，此研發(fā)計(jì)劃也是對(duì)倡導(dǎo)研發(fā)投入的細(xì)化報(bào)告。重振半導(dǎo)體制造業(yè)方面，美國(guó)兩黨多位議員今年6月提出《為美國(guó)半導(dǎo)體創(chuàng)造有益激勵(lì)措施》(CHIPS)和《2020美國(guó)晶圓代工法案》(AFA)，目前兩項(xiàng)提案已被合并為《半導(dǎo)體制造激勵(lì)措施》并納入2021財(cái)年《國(guó)防授權(quán)法案》，目前已獲表決通過(guò)。其中特別提出成立一個(gè)多邊微電子安全基金、2027年對(duì)合格半導(dǎo)體設(shè)備或制造設(shè)施的消費(fèi)進(jìn)行稅收抵免等措施。人才培育方面，美國(guó)已經(jīng)意識(shí)到STEM(科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué))領(lǐng)域人才出現(xiàn)短缺，計(jì)劃對(duì)STEM教育的投資增加50%，并實(shí)施國(guó)家STEM教育計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2029年將美國(guó)STEM畢業(yè)生數(shù)量增加一倍，為高層次人才提供移民、簽證便利。貿(mào)易和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面，美國(guó)已經(jīng)建立了較為完善的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)政策并多次修改出口管制條例，采用301調(diào)查、實(shí)體清單、出口管制等方式防止技術(shù)外流。考慮到美國(guó)人力、建廠等成本相對(duì)較高，促進(jìn)制造業(yè)回流政策實(shí)施效果可能不及預(yù)期，但人才、貿(mào)易等政策將配合研發(fā)計(jì)劃成為美國(guó)支持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“組合拳”。

3 對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示

加強(qiáng)半導(dǎo)體領(lǐng)域研發(fā)支持的持續(xù)性并重點(diǎn)突出前瞻性。2009年開(kāi)始實(shí)施的半導(dǎo)體領(lǐng)域的國(guó)家科技重大專項(xiàng)已經(jīng)面臨到期，應(yīng)加快推動(dòng)國(guó)家科技重大專項(xiàng)的接續(xù)工作，提高專項(xiàng)每年支持金額，不斷帶動(dòng)地方政府、企業(yè)等各方力量加大研發(fā)投入，形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的支持機(jī)制。同時(shí)注重突出支持方向的前瞻性，對(duì)于技術(shù)已經(jīng)成熟的產(chǎn)品主要采用市場(chǎng)化支持方式，研發(fā)專項(xiàng)著力下一代新興技術(shù)的創(chuàng)新探索，加強(qiáng)半導(dǎo)體專項(xiàng)和量子計(jì)算、人工智能等支持計(jì)劃之間的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體領(lǐng)域多學(xué)科交叉融合和多技術(shù)領(lǐng)域集成創(chuàng)新。強(qiáng)化對(duì)美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家重大技術(shù)創(chuàng)新的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與對(duì)標(biāo)研究，進(jìn)行新技術(shù)新領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)搶先布局。

警惕美聯(lián)合盟友在前沿領(lǐng)域構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)將中國(guó)排除在外。美國(guó)2020年8月宣布實(shí)施“凈網(wǎng)計(jì)劃”，意圖把中國(guó)企業(yè)從電信運(yùn)營(yíng)商、手機(jī)APP、云服務(wù)等5個(gè)方面把中國(guó)企業(yè)完全清除，此次研發(fā)計(jì)劃也提出聯(lián)合盟友意圖在前沿領(lǐng)域構(gòu)建生態(tài)，應(yīng)高度警惕其孤立中國(guó)。一方面，我國(guó)集成電路企業(yè)仍應(yīng)積極參與國(guó)際下一代移動(dòng)通信、人工智能、新型計(jì)算架構(gòu)等標(biāo)準(zhǔn)制定和技術(shù)研發(fā)，融入國(guó)際主流組織和聯(lián)盟。另一方面，我國(guó)應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)外開(kāi)放合作，推動(dòng)企業(yè)加快全球化布局，鼓勵(lì)我國(guó)企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)在境外設(shè)立研發(fā)機(jī)構(gòu)。引導(dǎo)外資企業(yè)在國(guó)內(nèi)布局生產(chǎn)和研發(fā)機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投融資環(huán)境，加強(qiáng)對(duì)外技術(shù)合作和人才交流，建設(shè)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展生態(tài)圈。

加快研究并完善我國(guó)支持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的系列政策“組合拳”。充分發(fā)揮我國(guó)新型舉國(guó)體制的制度優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)我國(guó)半導(dǎo)體財(cái)稅、投融資、人才、市場(chǎng)等政策支持。財(cái)稅金融方面，不同于美國(guó)主要由資本市場(chǎng)和私營(yíng)企業(yè)投資的方式，我國(guó)應(yīng)充分發(fā)揮制度優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)半導(dǎo)體的稅收優(yōu)惠，加快細(xì)化落實(shí)稅收優(yōu)惠支持政策。同時(shí)持續(xù)發(fā)揮國(guó)家大基金的引導(dǎo)帶動(dòng)作用，為產(chǎn)業(yè)提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的資金支持。人才方面，優(yōu)化人才引進(jìn)結(jié)構(gòu)，打破以引進(jìn)華裔人才為主的傳統(tǒng)模式，探索與外籍專業(yè)人才合作的新模式，注重與外籍人才的開(kāi)展深入合作，增加對(duì)外籍專業(yè)人才的引進(jìn)比例。市場(chǎng)方面，進(jìn)一步完善知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)和政策體系，著力營(yíng)造良好的知識(shí)產(chǎn)權(quán)氛圍，鼓勵(lì)自主創(chuàng)新，尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為國(guó)際合作提供有力的支撐和保障。