《美國半導體十年研發(fā)計劃》分析與啟示

葛 婕

賽迪智庫集成電路研究所 北京 100036

2020年10月，美國半導體行業(yè)協(xié)會(SIA)和半導體技術研發(fā)聯(lián)盟(SRC)聯(lián)合發(fā)布了《美國半導體十年研發(fā)計劃》，由學術界、政府和產業(yè)界共同制定，該計劃從整個信息通信技術(ICT)的發(fā)展趨勢和應用角度，面向未來市場應用需求和技術變革方向，提出了未來十年半導體技術發(fā)展的五大重要方向，包括大力發(fā)展傳感、存儲、通信、安全和信息處理五大領域的半導體技術，并給予資金和項目保障，以維持其在半導體領域的領導地位。

1 計劃提出政府應面向五大領域半導體技術加大研發(fā)支持

計劃提出傳感、存儲、通信、安全和信息處理五大領域半導體技術將是未來重要發(fā)展方向。美國認為ICT領域未來十年正面臨由半導體技術限制帶來的發(fā)展瓶頸，這些限制降低了信息處理、通信、存儲、感知和安全的迭代進步，需要加快推動多學科的協(xié)同研發(fā)，在軟件、系統(tǒng)、架構、電路、器件結構以及相關的工藝和材料等領域實現突破性的創(chuàng)新。一是傳感領域的模擬芯片、傳感器等需要根本性突破。為滿足物聯(lián)網和大數據市場需求，需要能夠感知、傳感和推理的用于全球智能機器的模擬硬件。二是在存儲領域需提出全新架構和解決方案。全球對數據存儲的需求呈指數級增長，需要器件、架構、設備材料全產業(yè)鏈合作研發(fā)創(chuàng)新。三是通信領域芯片應用研究需要持續(xù)創(chuàng)新。為解決通信容量與數據生成率之間的不平衡，需加強毫米波芯片、天線、濾波器等研發(fā)以提升數據傳輸速率及網絡容量。四是需加強安全芯片研究和應用突破。為應對在高度互聯(lián)的系統(tǒng)和人工智能中出現的安全挑戰(zhàn)，應加強在安全、隱私領域的標準、算法、芯片研發(fā)。五是信息處理領域計算模式和芯片需要革新。未來服務器、通信、汽車等在計算速度、能源效率、電路密度和成本效益生產能力方面呈指數級增長，計算領域能耗比的提升受到極大限制，需要加快研發(fā)腦認知和神經計算、量子計算等新型計算模式器件。

計劃呼吁美國政府對半導體研發(fā)的專項資金投入提升為原來的三倍。當前美國政府每年在半導體領域的專項研發(fā)支持為17億美元，計劃提出未來十年針對五大領域每年增加34億美元的投入到51億美元，將專項研發(fā)資金增加兩倍，以確保美國在未來50年也能在半導體領域保持領先地位。其中傳感領域每年投資6億美元，重點支持可訓練的神經信號轉換器、模擬仿生機器學習等技術，研發(fā)目標為降低模擬到信息的數據壓縮比，以更類似于人腦的方式實現對信息的使用；存儲領域每年投資7.5億美元，重點支持用于量子處理器的存儲器、變革性存儲技術(如DNA)等，目標為開發(fā)高密度新興存儲和存儲載體，并對每個層次的存儲結構提高能效；通信領域每年投資7億美元，重點支持毫米波CMOS器件、毫米波濾波器和隔離器等技術，目標為開發(fā)智能和敏捷的網絡，有效利用帶寬來最大化網絡容量；安全領域每年投資6億美元，重點支持包含可信機制的AI系統(tǒng)、量子計算和神經計算的安全私有硬件平臺等，目標是利用新興的量子和分布式密碼算法，提升未來硬件平臺的安全性；信息處理領域每年投資7.5億美元，重點支持高維模型表示、AI處理器等技術，目標是通過新型計算架構緩解計算瓶頸。

計劃認為在后續(xù)研發(fā)項目支持中應加強產業(yè)鏈協(xié)同和國際合作。在每個領域的行動呼吁中，計劃都提出在研發(fā)計劃實施過程中，應更加注重產業(yè)鏈上下游合作，加強整機、系統(tǒng)、芯片、設備、材料等全產業(yè)鏈協(xié)同，同時強調引入全球合作伙伴，加速基于新研發(fā)技術的產業(yè)生態(tài)培育，同時分擔研發(fā)經費和研發(fā)風險。如在傳感領域方面，計劃提出需在模擬芯片、傳感器等方面開展合作研發(fā)，以加快實現模擬硬件的變革；存儲領域方面，提出加強材料、器件、存儲器、架構、處理器等各方合作，甚至包括物理、化學、生物等基礎學科參與；安全方面，提出加強人工智能、量子計算等相關領域的協(xié)同研發(fā)。

2 后續(xù)美國政府將多措并舉維持半導體領導地位

后續(xù)美國政府極有可能采納這一計劃。SIA認為美國近十幾年來在半導體領域實力逐漸衰退主要因素是美聯(lián)邦政府未能及時根據產業(yè)發(fā)展實際加大基礎研發(fā)投入。SIA發(fā)布的數據顯示，40年間美私營企業(yè)研發(fā)投入由4億美元增長到400億美元，而美聯(lián)邦政府投資僅由10億美元增長到17億美元(未含半導體領域非專用研發(fā)投資43億美元)，SIA在發(fā)布的報告中多次呼吁美國政府加大半導體領域專項研發(fā)投入。特別是近年來美國認為中國政府大力扶持半導體產業(yè)發(fā)展，對其已經造成巨大威脅，兩黨對在半導體領域遏壓中國已經達成一致。考慮到前期SIA對加大半導體制造業(yè)投入的倡議已經轉化為系列法案，后續(xù)美國政府大概率會采納該建議加大對半導體研發(fā)的政府專項資金投入。

美后續(xù)將加強多邊合作，以實現在顛覆性和面向未來領域技術發(fā)展和產業(yè)生態(tài)的主導地位。美國是半導體技術的策源地，并通過長期在研發(fā)投入和資本支出方面的高水平投入保持領先地位，在計算機、移動智能終端、消費等領域成為產業(yè)生態(tài)的主導者。盡管美國行業(yè)繼續(xù)領先于全球，但在尋求保持其在未來的領先地位時，也面臨著明顯的挑戰(zhàn)。包括經濟持續(xù)低迷、新冠疫情爆發(fā)、貿易環(huán)境變化等外部影響，以及芯片制造業(yè)向亞太地區(qū)轉移、中國產業(yè)的崛起等變化，尤其是在5G通信、人工智能、量子計算、智能汽車等前沿新興領域，不斷上升的創(chuàng)新成本也構成了新的挑戰(zhàn)。同時美國半導體行業(yè)非常依賴其深厚的全球供應鏈和進入海外市場的渠道，如歐洲的汽車和工業(yè)芯片、日本的半導體設備和材料、韓國的存儲器、中國臺灣的先進工藝等，因此美國后續(xù)會聯(lián)合盟友加強技術創(chuàng)新研發(fā)，以實現在顛覆性和面向未來的領域保持領先地位。

美或配套研發(fā)計劃在促進制造業(yè)回流、人才培育、貿易和知識產權保護等方面出臺系列支持政策。SIA在前期的系列報告中多次呼吁，美國政府應該在芯片制造業(yè)、研發(fā)投入、人才培養(yǎng)、貿易和知識產權保護等方面加大支持力度，此研發(fā)計劃也是對倡導研發(fā)投入的細化報告。重振半導體制造業(yè)方面，美國兩黨多位議員今年6月提出《為美國半導體創(chuàng)造有益激勵措施》(CHIPS)和《2020美國晶圓代工法案》(AFA)，目前兩項提案已被合并為《半導體制造激勵措施》并納入2021財年《國防授權法案》，目前已獲表決通過。其中特別提出成立一個多邊微電子安全基金、2027年對合格半導體設備或制造設施的消費進行稅收抵免等措施。人才培育方面，美國已經意識到STEM(科學、技術、工程、數學)領域人才出現短缺，計劃對STEM教育的投資增加50%，并實施國家STEM教育計劃，預計到2029年將美國STEM畢業(yè)生數量增加一倍，為高層次人才提供移民、簽證便利。貿易和知識產權保護方面，美國已經建立了較為完善的市場競爭政策并多次修改出口管制條例，采用301調查、實體清單、出口管制等方式防止技術外流?？紤]到美國人力、建廠等成本相對較高，促進制造業(yè)回流政策實施效果可能不及預期，但人才、貿易等政策將配合研發(fā)計劃成為美國支持半導體產業(yè)發(fā)展的“組合拳”。

3 對我國半導體產業(yè)發(fā)展的啟示

加強半導體領域研發(fā)支持的持續(xù)性并重點突出前瞻性。2009年開始實施的半導體領域的國家科技重大專項已經面臨到期，應加快推動國家科技重大專項的接續(xù)工作，提高專項每年支持金額，不斷帶動地方政府、企業(yè)等各方力量加大研發(fā)投入，形成長期穩(wěn)定的支持機制。同時注重突出支持方向的前瞻性，對于技術已經成熟的產品主要采用市場化支持方式，研發(fā)專項著力下一代新興技術的創(chuàng)新探索，加強半導體專項和量子計算、人工智能等支持計劃之間的協(xié)同，實現半導體領域多學科交叉融合和多技術領域集成創(chuàng)新。強化對美國等發(fā)達國家重大技術創(chuàng)新的動態(tài)監(jiān)測與對標研究，進行新技術新領域的技術研發(fā)和知識產權搶先布局。

警惕美聯(lián)合盟友在前沿領域構建產業(yè)生態(tài)將中國排除在外。美國2020年8月宣布實施“凈網計劃”，意圖把中國企業(yè)從電信運營商、手機APP、云服務等5個方面把中國企業(yè)完全清除，此次研發(fā)計劃也提出聯(lián)合盟友意圖在前沿領域構建生態(tài)，應高度警惕其孤立中國。一方面，我國集成電路企業(yè)仍應積極參與國際下一代移動通信、人工智能、新型計算架構等標準制定和技術研發(fā)，融入國際主流組織和聯(lián)盟。另一方面，我國應繼續(xù)加強對外開放合作，推動企業(yè)加快全球化布局，鼓勵我國企業(yè)和研發(fā)機構在境外設立研發(fā)機構。引導外資企業(yè)在國內布局生產和研發(fā)機構，進一步優(yōu)化產業(yè)發(fā)展的投融資環(huán)境，加強對外技術合作和人才交流，建設我國集成電路產業(yè)發(fā)展生態(tài)圈。

加快研究并完善我國支持半導體產業(yè)發(fā)展的系列政策“組合拳”。充分發(fā)揮我國新型舉國體制的制度優(yōu)勢，加強我國半導體財稅、投融資、人才、市場等政策支持。財稅金融方面，不同于美國主要由資本市場和私營企業(yè)投資的方式，我國應充分發(fā)揮制度優(yōu)勢，繼續(xù)加強對半導體的稅收優(yōu)惠，加快細化落實稅收優(yōu)惠支持政策。同時持續(xù)發(fā)揮國家大基金的引導帶動作用，為產業(yè)提供長期穩(wěn)定的資金支持。人才方面，優(yōu)化人才引進結構，打破以引進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展深入合作，增加對外籍專業(yè)人才的引進比例。市場方面，進一步完善知識產權保護的相關法律法規(guī)和政策體系，著力營造良好的知識產權氛圍，鼓勵自主創(chuàng)新，尊重知識產權，為國際合作提供有力的支撐和保障。