美國“電子復興計劃”總體情況

在摩爾定律放緩的情況下，美國實施“電子復興計劃”（ERI）意在突破摩爾定律極限，引領技術創(chuàng)新發(fā)展，鞏固并擴大美國在微電子領域的技術優(yōu)勢。

基本情況

“電子復興計劃”于2017年正式啟動，2023年宣布進入2.0時代，由美國防高級研究計劃局（DARPA）微系統(tǒng)辦公室牽頭，工業(yè)界和高校共同參與。

戰(zhàn)略背景 自20世紀60年代 起，半導體發(fā)展經(jīng)歷了3次浪潮（幾何縮微、后道工藝縮微、三維晶體管）。美國作為半導體技術發(fā)源地，緊緊抓住了信息技術與全球化機遇，一方面超前謀劃、體系布局，加大技術探索和攻關力度；另一方面大力圍堵打擊競爭對手，確保其電子技術發(fā)展占據(jù)絕對優(yōu)勢，目前已持續(xù)主導全球半導體技術與產(chǎn)業(yè)超30年。

微電子是美國長期高度重視的戰(zhàn)略性技術。DARPA將其作為實現(xiàn)“防止對手技術突襲和給對手制造技術突襲”使命的重要手段，曾組織研發(fā)了硅先進制程、砷化鎵和氮化鎵單片集成電路，為集成電路發(fā)展做出創(chuàng)新性貢獻。在微電子技術邁入后摩爾時代的歷史拐點上，DARPA策劃實施“電子復興計劃”，意在搶占半導體發(fā)展第4次浪潮的制高點，鞏固美國電子技術跨越發(fā)展及其在軍民應用中的絕對主導地位。

戰(zhàn)略目的 DARPA采用“電子復興計劃”的名稱，彰顯其支撐美國鞏固并擴大微電子技術全球絕對領先地位的戰(zhàn)略圖謀。2017年該計劃啟動之時，DARPA提出，通過基礎創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結合，聯(lián)合商業(yè)界、高?？蒲性核c美政府開展前瞻性研究，為美國未來電子技術創(chuàng)新和能力提升奠定長期基礎。2023年，DARPA宣布該計劃進入2.0時代，進一步強調要“重塑后摩爾時代微系統(tǒng)制造”，以構建持久國家安全能力和商業(yè)經(jīng)濟競爭力為目標，通過探索新型本土化芯片研究、開發(fā)和制造方式，確保美國在下一代微電子領域的領先地位。

主要做法 “電子復興計劃”頭5年投入超過15億美元，其中2018—2019年為第1階段，2019—2022年為第2階段；“電子復興計劃”2.0于2021年開始籌劃，2023年正式實施，投入經(jīng)費尚未正式公布，但根據(jù)其布局的項目統(tǒng)計，目前已累計投入超過10億美元。

一是整體籌劃，迭代優(yōu)化。面向構建2030年前美國電子領域持續(xù)領先能力，第1階段主要聚焦材料與集成、系統(tǒng)架構、電路設計3大支柱領域展開布局；第2階段調整為設計與安全、三維異構集成、新材料新器件、專用功能4個方向布局計劃項目。整體看來，DARPA在成體系、全領域、有組織地推進微電子前沿探索。

二是聚焦項目，滾動實施。DARPA按照創(chuàng)新項目管理模式，以前沿技術類項目為載體，圍繞項目目標有組織地開展研究、迭代推進，充分釋放各參與方的創(chuàng)新活力。主要分為先導類項目、“大學聯(lián)合微電子計劃”以及由工業(yè)界主要承研的“Page"3”和新設項目3大項目群，現(xiàn)已布局超過40個項目。其中“Page"3”的命名是向“摩爾定律”的提出者戈登·摩爾致敬。戈登·摩爾在1965年4月發(fā)表的《在集成電路中填充更多元件》論文中，開創(chuàng)性地提出了摩爾定律。同時，戈登·摩爾在其論文第3頁還提出了“摩爾定律”不再適用時的一些技術探索方向。DARPA提出“Page"3”項目群正是受此啟發(fā)，著力開展材料與集成、系統(tǒng)架構以及電路設計3個領域研發(fā)。

為降低探索風險，大部分項目以36～48個月為周期，分階段滾動實施。如“電子設備智能設計”（IDEA）項目，涵蓋2個為期24個月的研究階段。每個研究階段均設有明確節(jié)點和里程碑，在前一階段取得相關成果后才進入后一階段。

三是加強聯(lián)合，協(xié)同攻關。DARPA調動美國半導體領軍企業(yè)、國防承包商、高校研究中心等進行需求研究與技術研發(fā)，組織政府機構、產(chǎn)業(yè)界、學術界以及國家實驗室之間的協(xié)同，全專業(yè)領域聯(lián)合實施。目前，該計劃已促成英特爾、高通、賽靈思、英偉達等半導體行業(yè)領軍企業(yè)，洛·馬、雷聲、諾·格等頂級國防承包商，以及10余所理工科大學參與項目合作研究。DARPA每年舉辦“電子復興計劃”技術峰會，交流進展情況，研討下一步發(fā)展。

四是強化應用，形成能力。2018年11月，DARPA宣布將整個計劃定位為“打造面向更專用、更安全和設計自動化程度更高的電子工業(yè)”。2019年DARPA啟動“國防應用”項目，牽引前沿顛覆性微電子技術成果的國防轉化。在前期基礎上，重點轉向支持本土半導體制造、專用集成電路、安全可靠微電子供應鏈等領域研究。

DARPA認為“電子復興計劃”首期投入已達預期效果，從2023年開始進入2.0時代，“電子復興計劃”2.0通過重新定義微電子制造過程，引導美國內微電子制造業(yè)重塑，推動第4波半導體發(fā)展浪潮?！半娮訌团d計劃”2.0將圍繞三維異構集成這一核心，重點在7個關鍵方向進行布局：復雜三維微系統(tǒng)制造、復雜電路優(yōu)化設計和測試、人工智能硬件創(chuàng)新、開發(fā)適用于極端環(huán)境的電子產(chǎn)品、提高邊緣信息處理效率、克服硬件生命周期中的安全威脅、進行安全通信。

項目進展

“電子復興計劃”并非從零開始，之前已有相關概念突破和基礎技術，隨著計劃的提出，圍繞戰(zhàn)略目的將相關項目進行整合，形成了連貫、多階段、相互關聯(lián)的計劃項目，有助于技術間的協(xié)同和互補，為后續(xù)項目規(guī)劃、技術實施及商業(yè)化提供便利。

項目布局 “電子復興計劃”共布局3大項目群：一是DARPA先導類項目群；二是由高校主導研究的“大學聯(lián)合微電子計劃”項目群；三是由工業(yè)界主導研究的“Page"3”和新設項目群。

先導類項目群由DARPA從2015年底至2017年陸續(xù)啟動，重點研究集成電路快速設計、模塊化芯片構建、新架構處理器搭建等關鍵技術，安排“近零功耗射頻與傳感器”“更快速實現(xiàn)電路設計”“通用異構集成與知識產(chǎn)權復用策略”“終身機器學習”“層次識別驗證開發(fā)”“硬件固件整合系統(tǒng)安全”共6個項目，投入經(jīng)費2.39億美元，旨在挖掘已有項目技術成果潛力，提供前沿性基礎支撐。

“大學聯(lián)合微電子計劃”第1階段于2018年1月啟動，第2階段于2023年1月正式啟動，瞄準計算與通信領域的長遠發(fā)展，投入經(jīng)費4.53億美元，通過機理創(chuàng)新，為“電子復興計劃”其他項目的孵化與長期創(chuàng)新提供支持。

“Page"3”和新設項目群于2018年7月啟動，聚焦新材料、新架構和新設計，安排“三維單芯片系統(tǒng)”“新式計算需求”“極端可擴展性封裝”“通用微光學系統(tǒng)激光器”“軟件定義硬件”“特定領域片上系統(tǒng)”等40余個項目，投入經(jīng)費近20億美元，通過撬動工業(yè)界創(chuàng)新潛力，旨在搭建圍繞三維異構集成新體制的技術路徑，促進創(chuàng)新技術成果向國防應用轉化，提高美國在半導體制造領域的全球競爭力。

2023年“電子復興計劃”進入2.0時代后，DARPA根據(jù)應用需求新增復雜三維微系統(tǒng)制造、極端環(huán)境電子產(chǎn)品開發(fā)兩個研究方向，又新增項目11個。總體上看，DARPA已基本完成對后摩爾時代微電子技術體系創(chuàng)新的總體布局。

實施效果（2017—2023年）

從DARPA發(fā)布的相關情況看，雖然大部分項目尚未結束，但已取得重大進展。

一是重點技術取得突破。通過實施“更快速實現(xiàn)電路設計”“極端可擴展性封裝”等項目，推動了三維異構集成電路設計創(chuàng)新發(fā)展，在芯片設計流程與工具優(yōu)化方面進展顯著；建立芯粒級片上集成技術架構，為三維異構集成定義了發(fā)展基點；通過不同材料創(chuàng)新集成，實現(xiàn)了封裝內光互聯(lián)取代電互聯(lián)。

二是應用轉化成效顯著?！敖愎纳漕l與傳感器”“硬件固件整合系統(tǒng)安全”的項目成果，為美空軍研究實驗室論證了新型專用集成電路；創(chuàng)新電路設計與算法，實現(xiàn)了超低功耗信息采集與傳輸，為構建長時間工作、全信號感知、高靈敏度檢測的無人值守戰(zhàn)場態(tài)勢感知網(wǎng)絡奠定堅實基礎。

三是本土生態(tài)正在形成。項目布局涵蓋芯片材料、設計、制造、封裝、應用等產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)，以各類子計劃、項目群為抓手，有機整合了美政府機構、高?？蒲性核?、半導體領軍企業(yè)、國防承包商以及盟友的優(yōu)勢力量和資源，與2022年《芯片與科學法》共同推動半導體產(chǎn)業(yè)鏈本土生態(tài)圈構建。

分析研判

“電子復興計劃”采用基礎創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結合的思路，研究成果將助力美國電子信息系統(tǒng)與武器系統(tǒng)保持絕對優(yōu)勢，通過提供電子信息技術創(chuàng)新成果，助力美國未來軍事競爭力提高和經(jīng)濟增長。

三維異構集成是美國探索微電子技術超越摩爾定律的核心技術途徑。三維異構集成技術可將現(xiàn)有制程水平的不同平臺、不同工藝生產(chǎn)的芯片立體組合，通過大幅縮短互連間距，獲得與更先進制程相當?shù)男阅堋?023年11月，DARPA公開表示，“三維異構集成將是推動微電子創(chuàng)新下一波浪潮的主要力量”，建議為此專門成立美國先進微電子制造中心。目前，“電子復興計劃”2.0聚焦三維異構集成，已布局了多個項目研究，包括“下一代微電子制造”“混合模式超大規(guī)模集成電路”“用于三維異構集成的微型集成熱管理系統(tǒng)”等?？梢钥闯?，經(jīng)過幾年探索，“電子復興計劃”已逐步聚焦到三維異構集成這一集成電路革命性的制造方式，并將其作為未來微電子創(chuàng)新的核心技術路徑。

美國全方位布局，鞏固微電子技術領先優(yōu)勢。從大國競爭維度看，實施“電子復興計劃”、出臺2022年《芯片與科學法》、設立國家微電子制造中心等舉措，是美國為搶占微電子領域絕對優(yōu)勢打出的一套戰(zhàn)略組合拳，通過調動國家、技術、市場、人才、盟國等各方力量，成體系推動微電子技術創(chuàng)新發(fā)展。

美國實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈完全本土化及微電子超越發(fā)展尚有諸多不確定性。主要有3個方面。一是技術考量，通過三維異構集成實現(xiàn)微電子創(chuàng)新需要解決眾多技術挑戰(zhàn)與瓶頸，系統(tǒng)性難度很大；半導體領軍企業(yè)為規(guī)避和分攤技術風險，一般都會采取跨國合作的方式推進，美意欲實現(xiàn)技術突破和產(chǎn)業(yè)鏈回歸“一舉雙得”的企圖難以實現(xiàn)。二是投資考量，“電子復興計劃”需長期大量資金投入，僅靠政府投資遠遠不夠，企業(yè)投資更注重短期效益，能否獲得持續(xù)、足夠的資金支持是其能否實現(xiàn)預期的關鍵。三是市場考量，美國逆半導體市場全球化規(guī)律，意圖建立美國先進半導體單極化格局的做法，將使其逐步喪失全球半導體市場份額，減弱對先進半導體技術發(fā)展的拉動作用，進而削弱其行業(yè)領導地位。

綜上，“電子復興計劃”是美國全面布局的戰(zhàn)略性行動，與2022年《芯片與科學法》等聯(lián)動，預計未來5～10年將形成新的微電子工業(yè)體系，帶動國防和產(chǎn)業(yè)能力跨越式發(fā)展。

責任編輯：王宇璇