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編者按
編者按：近日，白宮科學技術政策辦公室 (OSTP)發布了一項新戰略，以加強美國的微電子研發 (R&D) 創新生态系統。正如兩黨《美國芯片法案》所呼籲的那樣，國家微電子研究戰略概述了未來五年的主要目标和行動。這些行動将建立在拜登-哈裏斯政府的工業戰略的基礎上，以振興國内制造業、創造高薪美國就業機會、加強供應鏈并幫助确保未來在半導體行業的領導地位，以促進美國及其盟國和合作夥伴的安全與繁榮。
爲此我們編譯了全文，給讀者參考。
簡介
幾十年前，美國的創新激發了研究的進步，造就了今天的半導體産業。這一産業是全球性的，支撐着從健康到通信的方方面面，對美國的經濟和安全至關重要。兩黨共同提出的《CHIPS 法案》所帶來的巨額投資爲重振這一關鍵領域的國内制造業、加強微電子研發（R&D）創新生态系統提供了機遇，從而提升了美國在未來的競争地位。
本《國家微電子研究戰略》提出了未來五年實現這些機遇所需的目标、關鍵需求和行動。該戰略爲聯邦部門和機構、學術界、産業界、非營利組織以及國際盟友和合作夥伴提供了一個框架，以滿足關鍵需求并建立微電子研發基礎設施，從而支持未來半導體領域的發展。
正如本報告通篇所強調的那樣，正在進行的大量 CHIPS 研發投資必須充分發揮杠杆作用，并與有助于微電子研發的各種現行計劃、活動和資源相協調。在未來五年中，白宮和聯邦各部門及機構将共同努力，推進四個相互關聯的目标：
1
促進和加快未來微電子技術的研究進展
2
支持、建設和連接從研究到制造的微電子基礎設施
3
爲微電子研發到制造生态系統培養和維持技術人才隊伍
4
創建一個充滿活力的微電子創新生态系統，加速研發向美國産業的過渡
第一個目标側重于若幹領域的關鍵研究需求，這些領域是加快未來幾代微電子系統所需的進步所必需的。研究領域包括：可提供新功能的材料；電路設計、模拟和仿真工具；新架構和相關硬件設計；先進封裝和異構集成的工藝和計量；硬件完整性和安全性；以及将新創新成果轉化爲生産的制造工具和工藝，這些研究領域需要使用專用工具和設備。
第二個目标的重點是支持、擴大和連接研究基礎設施，從小規模材料和器件級制造和表征，到原型設計、大規模制造以及高級裝配、封裝和測試。所需的工具包括軟件（包括設計工具）和商業規模的生産和計量硬件。國内半導體産業的發展也将爲全國提供更多的高薪工作機會。
目标三确定了支持學習者和教育者培養從研究到制造所需的技術人才的工作。
最後，第四個目标是着眼于整個研發領域，提出了創建充滿活力的微電子創新生态系統的戰略和行動，以加快新進展向商業應用的過渡。主要工作不僅支持微電子技術發展途徑各階段的行動，還将各種網絡和活動連接起來，以建立微電子創新的良性循環。
這四個目标将在半導體産業的全球性質背景下實現。與半導體制造供應鏈一樣，支持微電子創新生态系統的研究設施和人才也遍布世界各地。國際合作、貿易和外交是利用各種努力和資源、促進人才流動和研究合作、确保供應鏈安全的重要工具。
這一戰略的實施将帶來一個充滿活力的創新生态系統，加速新的研究突破，支持這些進展向制造業的過渡，并爲全美人民提供高薪工作。一個全面建設、四通八達的微電子研究基礎設施将爲研究人員實現突破奠定基礎，并帶來良性的創新循環。培育和支持微電子創新将有助于确保未來在半導體行業的領先地位，從而促進美國及其盟友和合作夥伴的安全與繁榮。
導言
微電子革命改變了社會。現代生活的幾乎所有方面現在都依賴于半導體技術，包括通信、計算、娛樂、醫療保健、能源和交通。因此，微電子技術對美國的經濟和國家安全至關重要。幾十年來，聯邦政府和私營部門在硬件和軟件方面的研發投資推動了半導體行業的快速創新。
在保持或降低成本和功耗要求的同時，不斷提高微電子性能和功能的激烈競争推動了更小和更密集集成的微電子元件的制造。這種微型化要求在材料、工具和設計方面不斷取得突破，使元件内的關鍵結構尺寸小到幾個原子。特征尺寸的縮小使數字信息存儲和處理能力大幅提高，同時，對通信、電源和傳感至關重要的模拟和非矽技術也取得了許多重大進展。制造領域所需的進步不僅得益于對研發的大量投資，還得益于對制造先進集成電路和元件所需的制造和計量設備以及相關制造（"晶圓廠"）和封裝設施的開發。這種規模制造的複雜性和成本--建立一個領先的矽制造廠現在需要花費數百億美元--促使了該行業的大幅整合。如今，全球隻有三家公司在競争制造最新一代的先進邏輯器件。
2021 年 6 月，白宮發布了一份關于關鍵供應鏈（包括半導體制造和先進封裝供應鏈）的報告--《建設有彈性的供應鏈，振興美國制造業，促進基礎廣泛的增長》。該報告指出，盡管總部設在美國的半導體公司占全球收入的近一半，但美國國内進行的全球半導體制造份額已從 1990 年的 37% 下降到 12%，美國的封裝份額也下降到 3%。8 正如該報告所讨論的，現代微電子制造是一個極其複雜的全球性過程，涉及數月内完成的數百個步驟，其中許多組件在多次穿越世界的過程中使用了國際專業技術和設施。報告認爲，公共和私營部門需要采取行動，提高關鍵産品的國内制造能力，招募和培訓國内勞動力，投資研發，并與美國的盟友和合作夥伴合作，共同加強供應鏈的複原力。
01
國家微電子研究戰略——目标和目的
目标 1. 推動和加速未來微電子技術的研究進展
1.1: 加速研究和開發可提供新功能或增強功能的材料。
1.2: 提高電路設計、模拟和仿真工具的能力。
1.3: 開發未來系統所需的各種強大的處理架構和相關硬件。
1.4: 開發先進封裝和異構集成的工藝和計量學。
1.5: 優先考慮硬件的完整性和安全性，将其作爲整個堆棧協同設計戰略的一個要素。
1.6：投資研發制造工具和工藝，以支持将創新成果轉化爲适合生産的制造工藝。
目标 2. 支持、構建和連接從研究到制造的微電子基礎設施
2.1: 支持設備級研發制造和表征用戶設施的聯合網絡。
2.2: 讓學術界和小型企業研究人員有更多機會利用靈活的設計工具和晶圓級制造資源。
2.3: 爲研究人員獲取關鍵功能材料提供便利。
2.4：擴大利用先進的網絡基礎設施進行建模和模拟的機會。
2.5: 支持先進的研究、開發和原型設計，縮小實驗室到實驗室之間的差距。2.6: 支持先進的組裝、封裝和測試。
目标 3. 爲微電子研發到制造生态系統培養和維持技術人才隊伍
3.1: 支持與微電子學相關的科學和技術學科的學習者和教育者。
3.2: 促進公衆對微電子技術的切實參與，提高對半導體行業職業機會的認識。
3.3: 培養一支具有包容性的當前和未來的微電子人才隊伍。
3.4: 建設和推動微電子研究與創新能力。
目标 4. 創建一個充滿活力的微電子創新生态系統，加速研發向美國産業的過渡
4.1: 支持、建立和協調各中心、公私合作夥伴關系和聯盟，以深化微電子生态系統中各利益相關方之間的合作。
4.2: 參與并利用 CHIPS 工業咨詢委員會。
4.3: 根據研發路線圖和重大挑戰，激勵和調整微電子界的關鍵技術挑戰。
4.4: 促進學術、政府和行業交流，擴大對需求和機遇的了解。
4.5: 通過有針對性的計劃和投資，支持創業、初創企業和早期企業。
02
微電子技術已成爲日常生活中許多方面必不可少的技術
半導體對美國的經濟和國家安全至關重要，并已成爲日常生活中許多方面的必需品。這裏描述的例子包括汽車、醫療保健、航空航天、虛拟現實、金融系統、電子商務、太空衛星、國防、能源、計算、農業和電信。随着微電子設備的普及，對其關鍵性能的要求也越來越多樣化，這就要求與摩爾定律所體現的特征尺寸的傳統擴展方式不同。例如，衛星應用的要求包括經過驗證的輻射加固技術，超級計算機最大限度地提高性能和速度，但傳感器等邊緣設備可能會優先考慮低功耗。這些針對特定應用的要求正在推動微電子技術的日益多樣化，而異構集成和芯片組等方法将促進和推動微電子技術的多樣化。
白宮供應鏈報告強調了半導體行業對美國經濟的重要性，2022 年，半導體行業在美國出口銷售總額中排名第五。9聯邦政府也是微電子的重要消費者，它必須能夠獲得可信和可靠的微電子，以實現通信、導航、傳感、關鍵基礎設施、公共衛生和國家安全等基本功能。微電子技術是各種新興技術的基礎，包括量子信息科學、人工智能、先進的無線網絡（6G 及以上）、安全可靠的醫療保健技術以及應對氣候危機所需的清潔能源和節能技術。
03
芯片上的 ENIAC
爲了說明計算技術在尺寸和規模上的重大變化，學生們設計并制作了 "芯片上的 ENIAC"，以慶祝第一台可編程電子通用數字計算機 "電子數字積分器和計算機（ENIAC：Electronic Numerical Integrator and Computer）"誕生 50 周年。ENIAC 包含 18,000 多個真空管，高約 8 英尺，深約 3 英尺，長約 100 英尺，重達 30 多噸。如左圖所示，ENIAC 是通過電纜和開關手工編程的。右圖描述的是 1995 年使用 0.5 微米互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術重現 ENIAC 的芯片，用晶體管取代了真空管。如果采用今天的技術，該芯片的體積将縮小約 1000 倍。在性能方面，ENIAC 的浮點運算速度約爲每秒 500 次（FLOPS），而現在橡樹嶺國家實驗室的 Frontier 超級計算機的浮點運算速度已超過 1,500,000,000,000,000（1,000,000,000,000,000 FLOPS）。
正是由于該行業對國家經濟和安全的重要性，兩黨共同制定了《2022 年 CHIPS 法案》（《2022 年 CHIPS 和科學法案》A 分部），并撥款 520 多億美元用于發展國家半導體制造基地和加速微電子研發。此外，最近的幾份報告也強調了該行業的重要性。例如，在 2018 年的一份評估報告中，美國國防部（DOD）指出了微電子供應鏈面臨的威脅，以及多個關鍵國防部門的相關研發和制造問題。2020-2023 年，國會研究服務部（CRS）研究了半導體行業面臨的技術挑戰、國内和全球供應鏈、爲國家安全提供安全可信的半導體生産、相關聯邦政策和研究投資，以及應對這些挑戰的可能立法。國家安全委員會關于人工智能（AI）的最終報告指出，要保持國家在人工智能領域的領先地位，就必須在國内建立半導體工廠 。
04
晶體管到底有多小？
下面的圖片顯示了晶體管與螞蟻相比的大小。螞蟻圖片周圍的圓圈直徑爲 2 毫米（mm），即 0.002 米。下一張圖片是用掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝的螞蟻眼睛，直徑約爲 150 微米（µm），即 0.00015 米。第三張圖片是螞蟻眼睛上的一根毛發。圓圈直徑爲 20 微米。第四張圖片是毛發的掃描電鏡特寫圖片，顯示了毛發上的溝槽。直徑爲 1 微米（或一千納米）。頂部的電子顯微鏡圖像顯示了集成電路晶體管的橫截面，說明現代集成電路晶體管可以安裝在螞蟻眼睛毛發的溝槽中。該圖像的直徑僅爲 50 納米。
微電子研發對于繼續推進技術和系統發展，實現加強國内制造和降低供應鏈風險的長期目标至關重要。此外，聯邦信息征詢書（RFIs） 的意見、利益相關者的建議以及來自公共和私營部門的多份其他報告都清楚地表明，強大、創新的國内研發工作對美國未來的競争力和安全至關重要。綜上所述，從這些資源中可以看出一系列關鍵的研發趨勢和機遇：
設備及其應用的多樣性不斷增長，超越了傳統的處理器和存儲器，這就要求在多種規模和類型的信息系統中，在數據的生成、通信、存儲和處理方面進行創新。
微電子技術對信息技術以外的領域至關重要，預計在電源管理、醫療設備和傳感等領域将有巨大的增長。
全面的 "全棧 "研發方法爲提高設備和系統的性能、可靠性和安全性提供了機會。盡管人們的注意力主要集中在基礎器件的設計和擴展上，但未來在制造、計量、測試、驗證和确認、異構集成和先進封裝方面也将面臨重大挑戰。此外，挑戰不僅限于硬件：器件、設計和制造、電路和系統集成的進步需要計算機體系結構、軟件和應用層的同步創新。
集成設計提供了一種加速創新的方法。此外，它還能确保從一開始就捕捉到關鍵的系統屬性，并在整個開發周期中加以考慮，包括性能、可靠性、能效和安全性。
美國的微電子研究生态系統在基礎研究和早期應用研究方面依然表現出色，但需要對國内基礎設施進行更多投資，重新重視制造科學與工程，并培養一支靈活的勞動力隊伍，以便将創新成果高效地轉化爲産業成果。
以可承受的價格快速獲得設計和原型制作能力，将使國内創新更快地從研發過渡到制造。從器件規模到晶圓規模，無論是接近或處于前沿工藝節點，還是對于模拟和非矽技術非常重要的更成熟節點，都需要具備相應的能力。學生和研究人員需要獲得這些能力，以進行體驗式勞動力培訓。
獲得準備充分的人才是整個價值鏈面臨的重大挑戰，需要短期和長期的解決方案。要使美國成爲吸引高需求領域優秀外國人才的磁鐵，就需要有受歡迎的途徑。需要改進課程和外聯工作，發展和擴大公平、包容和多樣化的國内科學、技術、工程和數學（STEM）人才庫，爲微電子研發和半導體行業提供支持。
要确保整個創新生态系統取得成功，就必須與盟友和合作夥伴進行強有力的合作。半導體産業是全球性的，任何國家都無法單獨彙集技術、供應鏈和專業知識來支持尖端研發和制造。科技外交将是吸引盟友和合作夥伴的重要工具。
提高微電子的能效對于可持續發展越來越重要。微電子使用的快速增長和能效提高的同步放緩正在帶來新的經濟和環境風險。爲了降低這些風險，微電子研發投資必須關注能源效率和整個生命周期的可持續性，包括減少能源消耗。
爲降低這些風險，微電子研發投資必須注重能源效率和整個生命周期的可持續性，包括減少使用稀缺材料或對環境有害的材料。
保護知識産權對于确保美國産業獲得經濟效益以維持私人研發投資至關重要。必須保護美國本土開發的關鍵知識産權，同時提高在合作中适當共享信息的能力。應用研究旨在提供技術判别因素，使微電子制造商在市場上獲得戰略優勢。必須實施并有效執行保障措施（如網絡安全、知識産權執法等），以确保關鍵創新不會在無意中或不适當地受到侵犯。
05
什麽是 "堆棧"？
在本報告中，"堆棧 "或 "全堆棧 "指的是組成右圖所示完整微電子系統所需的全部科學技術要素，從最基本的硬件（如材料和電路）一直到高級軟件及其應用。(背景圖片爲最先進芯片的橫截面。圖片來源：NIST）。
這些趨勢和機遇爲本文件中提出的目标、需求和戰略提供了依據，這些目标、需求和戰略旨在通過合作研究、利用先進的基礎設施以及整個微電子研發企業的共同設計文化來加快創新和轉化的步伐。必須重點發展和維持一個充滿活力、相互聯系的微電子生态系統，以确保美國在這一重要領域的領先地位。
微電子創新生态系統
微電子創新生态系統非常複雜，是資本、知識和研發極其密集的産業。目前，全球尖端微電子制造僅依賴于少數幾家公司，研究人員利用先進工藝的機會十分有限。不需要大批量生産的學術界、政府和産業界研究人員獲得推進研發前沿所需的能力有限，這極大地限制了他們開發創新并将其過渡到前沿制造的能力。獲得尖端能力的機會有限也限制了爲勞動力發展提供體驗式培訓的機會。CHIPS 法案的投資旨在解決這些問題。
除了當前 CMOS 技術的領先優勢之外，微電子行業還面臨着與創新步伐加快以及學術界、能源部 (DOE) 國家實驗室和其他聯邦政府資助的研發中心 (FFRDC)、非營利性實驗室、政府機構和大小公司所湧現的多樣化技術爆炸性增長相關的深刻變化。需要建立并加強将新的研究進展轉化爲應用的有效途徑，以确保美國從研發投資中獲益，并确保關鍵知識産權 (IP) 可用于國内制造。此外，随着制造業面臨新的挑戰，必須将這些技術需求反饋給研究界。
作爲國家研發生态系統的一部分，有 20 多個聯邦機構爲研發提供資金，活動的性質由各機構的任務決定2商務部 (DOC)、美國國家航空航天局 (NASA)、美國國家科學基金會 (NSF)、國土安全部 (DHS)、衛生與公衆服務部 (HHS)、國防部、能源部和其他聯邦機構既支持校内研發（在政府設施和能源部國家實驗室内進行），也支持校外研發（由學術界、産業界和其他組織通過贈款、合同和其他協議進行）。聯邦研究資金所支持的研發活動範圍廣泛，這就要求對所開發的知識産權加以保護，防止無意、強迫或脅迫的技術轉讓。各機構還通過各種機制支持各級教育的勞動力發展，包括支持正規和非正規學習、實習和獎學金；課程開發；以及協調努力，擴大對科學、技術、工程和數學的參與。雖然每個機構都有以任務爲導向的優先事項，決定了其微電子相關研究的重點，但正如下文和本戰略通篇所讨論的那樣，目前有多種機構間機制來協調研發優先事項和計劃，并确保研究成果的共享，實現互利。
在微電子創新生态系統中，聯邦資金的一個重要組成部分是對技術開發過程中基礎設施的支持。對于早期階段的研究，學術機構、政府設施、能源部國家實驗室和其他 FFRDCs 都有許多設施，特别是用于材料和器件制造與表征的設施。聯邦投資的另一個領域是網絡基礎設施，包括建模、模拟和數據。與 "國家納米技術計劃"（NNI：National Nanotechnology Initiative ） 相連的幾個用戶設施網絡爲學術界、工業界和政府的研究人員提供了使用支持微電子研發的成套工具和科學專業知識的機會。這些設施極大地拓寬了小型企業和機構研究人員的參與範圍，而這些企業和機構自己是無法購買這些設備的。這有助于實現需要專業設施和設備的創新的民主化，特别是在半導體研發和制造方面。
一旦在設備層面實現了概念驗證，由于缺乏必要的先進開發能力，創新在當前的美國生态系統中往往會受到阻礙。需要對國内材料供應、設計、制造和封裝能力進行投資，以解決實驗室到制造（實驗室到制造）之間的差距。需要進行投資，以支持和維持新設備和架構的先進原型和放大，以及相關的制造和計量儀器，并配合所需的軟件和應用設計。此外，研究人員和學生利用這些能力将爲擴大國内微電子人才隊伍提供實踐經驗培訓。
2021 年《美國 CHIPS 法案》授權多項計劃幫助彌合實驗室到實驗室之間的差距，而 2022 年《CHIPS 法案》則爲這些計劃撥款。2021 年美國 CHIPS 法案》第 9903 節授權國防部建立國家微電子研發網絡，以實現美國微電子創新從實驗室到工廠的過渡。第9906節指示國防部建立一個國家半導體技術中心，以開展先進半導體技術的研究和原型開發；在NIST建立一個微電子研究計劃，以開展半導體計量研究和開發；建立一個國家先進封裝制造計劃，以加強半導體先進測試、組裝和封裝能力；以及最多三個專注于半導體制造的美國制造研究所。
在更廣泛的美國研發生态系統中，全國各地有許多地區性創新中心，由産業集群組成，輔以聯邦政府支持的學術中心，通常側重于特定技術和/或地方研究優勢。這些地方中心是寶貴的國家資源，确保它們與包括微電子在内的整個研發生态系統的其他要素良好結合，将加強國家創新基礎。
美國半導體行業在研發方面投入巨大，預計 2022 年将達到近 600 億美元。爲了保持其世界領先的研發支出，美國公司必須有機會進入外國市場，憑借卓越的技術參與競争并取得勝利。貿易政策必須保護美國公司在全球市場不受歧視。與盟友和合作夥伴的合作和協調将有助于解決國家安全問題，并幫助美國公司在激烈的全球技術領先競争中站穩腳跟。
白宮和聯邦各部門及機構認識到，開放是研發領先的基礎，國際人才流動對全球企業的成功至關重要。然而，正如《第 33 号國家安全總統備忘錄實施指南》（NSPM-33）中所明确指出的，美國政府及其合作夥伴必須加強研發保護，防止外國政府的幹預和利用，盡職盡責地保護知識資本和财産。保護措施可包括：改進基于風險的研究合作和拟議外國投資評估流程；美國專家積極參與國際标準組織；在研究安全方面與國際合作夥伴進行更密切的協調；以及在整個微電子研發界開展有關該主題重要性的宣傳和教育活動。
全政府方法
認識到微電子技術對我們的健康、環境、經濟和國家安全的重要作用，美國政府正在采取整體行動，以保持和提升美國及其盟國在這一重要領域的全球領導地位。2022 年 8 月 25 日，拜登總統發布了《關于實施 2022 年 CHIPS 法案的行政命令》，确定了實施的優先事項，并成立了 CHIPS 實施指導委員會，以協調政策制定，确保在行政部門内有效實施該法案。指導委員會由白宮科技政策辦公室（OSTP）、國家安全委員會（NSC）和國家經濟委員會（NEC）的主任共同主持，成員包括國務院、财政部、國防部、商務部、勞工部和能源部的部長；管理和預算辦公室（OMB）主任；小企業管理局局長、國家情報局局長、總統國内政策助理、經濟顧問委員會主席、國家網絡總監、國家科學基金會主任以及國家标準與技術研究所所長。該委員會确保對整個政府正在進行的工作和投資的了解，并協調内閣層面的政策制定。
根據《2021 财年威廉-麥克-索恩伯裏國防授權法案》第 9906(a)條，OSTP 在國家科學技術委員會下設立了微電子領導力小組委員會（SML）。小組委員會成員包括商務部、國防部、能源部、衛生與公衆服務部、國家科學基金會、國務院、國土安全部和國家情報局局長辦公室。代表白宮的部門包括：OSTP、OMB、NEC、NSC 和美國貿易代表辦公室。
同樣根據第 9906(a)條，小組委員會負責制定本《國家微電子研究戰略》；協調與微電子有關的研究、開發、制造和供應鏈安全活動以及聯邦機構的預算；并确保這些活動與本戰略保持一緻。作爲負責協調未來十年微電子工作的機構，SML 正在制定結構框架和活動，以最好地發揮這一作用，包括建立以教育和勞動力發展以及國際參與爲重點的工作組。各參與機構正在利用各自的權力推動研發工作，促進支持美國産業的政策，保護知識産權，确保國内獲得安全的微電子技術。各機構還共同支持改善 STEM 教育和提高 STEM 領域參與度的活動，以及培訓和擴大各級微電子人才隊伍的活動。聯邦政府正在與盟友和合作夥伴接觸和合作，以加強全球微電子創新生态系統和安全供應鏈。在白宮的協調下，這些努力不僅将促進新的研究進展，推動微電子創新，還将幫助這些進展向制造業過渡，爲全美國人民提供高薪工作。
正如以下各節所詳述的，白宮和聯邦各部門和機構将與學術界、産業界、非營利組織以及國際盟友和合作夥伴共同努力，爲未來微電子技術的研究進展提供動力；建立最佳實踐，确保高效、負責任地執行研發工作；支持和連接微電子研究基礎設施；擴大、培訓和支持多樣化的勞動力隊伍；以及促進研發工作向産業的快速過渡。
目标1
促進和加快未來微電子技術的研究進展
聯邦政府支持的研發工作在爲微電子技術的進步奠定基礎，以及培養設計、制造和應用開發所需的研究人員和熟練技術人員方面發揮了重要作用。微電子技術的日益多樣化和創新步伐的加快，以及全球制造和供應鏈面臨的日益增長的風險，都要求聯邦政府重新重視研發投資，以改變這些發展軌迹，确保國家未來的健康、經濟領先地位和安全。要想取得成功，就必須制定戰略，讓研發生态系統的所有部門都參與進來，并充分利用教育、勞動力、制造業、貿易以及地區經濟發展的努力和政策。聯邦機構必須與産業界、學術界以及合作夥伴和盟友合作，通過合作研究、利用先進的基礎設施以及整個微電子研發企業的共同設計文化，加快創新和轉化的步伐。
在過去的六十年裏，計算能力和能源效率取得了令人難以置信的進步，這在一定程度上得益于持續的微型化（材料、設計、計量學和制造領域的同步進步爲其提供了支持）。然而，随着最小器件特征尺寸接近原子尺度，晶體管的這種擴展趨勢不可能無限期地持續下去。此外，一些新興應用需要異質器件和材料。因此，半導體行業已進入一個快速而深刻的變革時期，僅靠矽基器件的不斷微型化已無法維持性能的提升。
例如：
數據的爆炸式增長和機器學習（ML）帶來的人工智能的出現，推動了 "内存計算 "和其他新型内存密集型和以内存爲中心的架構的發展，這些架構有望克服 "馮-諾依曼瓶頸"--在獨立的内存和計算元件之間來回傳輸數據所造成的能效低下和高延遲。
随着芯片内和芯片間數據傳輸速率的提高，以前僅用于光纖長距離鏈路的光子互聯技術正與電子器件集成在先進的封裝中，以高效地傳輸數據。
材料和器件方面的進步使得利用毫米波和太赫茲系統進行超高頻自由空間通信成爲可能。
先進的光子技術有望提供專用的人工智能/機器學習（AI/ML）硬件，以低功耗和超高速運行。
一、自第一台數字計算機問世以來微電子器件規模的巨大進步
本圖展示了集成電路或芯片上元件數量随時間推移而發生的變化，以及促成不同進展浪潮的一些技術創新。作爲參考，第一台使用真空管制造的可編程電子通用數字計算機 ENIAC 是 1945 年的第一點。第一個晶體管于 1947 年發明，由鍺制成，長約 1 厘米。第一個矽晶體管在幾年後問世。第一塊矽集成電路于 1959 年底問世。20 世紀 60 年代初，随着第一個金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）集成電路的發明，元件的數量開始成倍增長。每當進展放緩時，制造科學、材料和器件設計方面的進步都會爲這一領域重新注入活力。在第一波浪潮中，晶體管（這些芯片的基本構件）尺寸的縮小直接導緻了芯片上元件數量的急劇增加和單個晶體管成本的大幅降低--摩爾定律就是在這種情況下産生的。最初的平面集成電路從小規模集成（SSI）到中大規模集成（MSI）到大規模集成（LSI）再到超大規模集成（VLSI）。在第二次浪潮中，新材料的引入，包括從鋁到銅互連的過渡，提高了速度、功率和可靠性，并使晶體管尺寸進一步縮小。第三次浪潮始于使用鳍式場效應晶體管（FinFET）的平面晶體管向三維（3D）晶體管的過渡，從而實現了更高的性能提升和持續的微型化。由于縮小晶體管尺寸的技術（目前隻有幾個原子寬）已達到物理極限，因此需要采取新的策略。我們正處于 "第四波微電子浪潮 "的起點，告别了器件縮放的時代，進入了一個由異構技術和三維器件集成創新驅動更高性能的時代。在繼續努力縮小晶體管尺寸的同時，必須開發新的工具、制造方法和電路架構，以實現持續進步。
電子設計自動化（EDA）領域正在發生一場革命，包括人工智能/ML、雲平台和設計技術協同優化（DTCO）的應用，這将使設計人員能夠更快、更可靠地創建更加複雜的集成電路，并針對幾乎所有可以想象到的應用進行優化。這些電路将極大地提高速度和效率，并影響從數據中心到邊緣計算和物聯網（IoT）等各個信息技術領域的性能。
目前正在部署針對特定應用優化性能的異構和特定領域計算架構，以加快解決問題的速度。
随着微機電系統（MEMS）與處理和智能的集成，它們正變得越來越複雜和強大。
在将半導體系統與生物分子、生物、神經形态和生物啓發系統集成方面正在取得進展，這些系統有朝一日可能會在能效方面帶來前所未有的改進，并在計算、人工智能、機器人、傳感和醫療保健等領域提供其他獨特功能，超越任何一個領域自身的潛力。
随着不同應用需求的差異，極端可靠性以及在低溫、高溫或低功耗條件下的運行将改變功耗、性能、面積和成本等标準指标，從而推動新設備、架構和算法的發展。
随着電子産品向更多異構架構發展，性能指标也變得更加複雜。異構集成--将不同的材料、器件和電路集成在一起以創建高功能、高性能系統的科學技術--是實現持續進步的關鍵。然而，随着越來越多的不同組件被集成在一起，要使它們無縫地協同工作所面臨的物理、電子、光學和軟件挑戰也變得更加複雜。
系統異構性和複雜性的急劇增加也要求研發人員關注設計流程，将安全性和可靠性放在首位，并在整個設計、制造和生産過程中整合形式和經驗驗證。
正如導言中所提到的，人們呼籲不僅要支持塑造和推動微電子學的基礎科學和工程學，包括計算機科學、計算架構、物理學、化學和材料科學，而且要廣泛接受集成設計原則，在此原則下，這些不同方面的研究相互協同，相互指導，并考慮到可持續發展。爲了确保最終用途的能力和要求能夠爲研究提供參考，并确保研究突破能夠迅速融入開發工作，堆棧的各個層面之間進行開放式交流是必不可少的。隻有這樣的綜合方法才能保證系統的關鍵屬性，如安全性、可靠性和耐輻射性從一開始就被設計進去，并在整個開發周期中得到考慮。最後，随着生産、運行和最終回收微電子系統所需的資源預計會增加，估算整個生命周期總能耗和成本的綜合方法将需要整個供應鏈的投入和專業知識，以确定開發更高效架構和流程的機會。
二、集成設計
集成設計是指由應用驅動的從堆棧頂部到底部的持續雙向信息流。将最終用戶的需求與研發聯系起來，對于快速、集中的技術開發以及将研發成果投放市場至關重要。右圖展示了堆棧各層次之間的雙向信息流：從材料到電路的物理模型；材料和工藝；架構、器件和電路；異構集成和封裝；算法和軟件；以及通信和網絡。
未來微電子領域的領先地位需要工業界克服器件物理和制造方面的重大挑戰。因此，需要進行深入創新，以确定新型材料和器件，并将其從實驗室過渡到實驗室，從而實現功能和性能的持續進步。要成功建立從實驗室到制造廠的途徑，就必須重新關注基礎科學與制造技術之間的交叉。要滿足信息與計算技術（ICT）系統對存儲、帶寬和處理能力日益增長的需求，以及 ICT 以外應用領域的預期增長，就需要從器件到系統、從設計到工藝技術的研究與開發。這一戰略的核心是需要獲得設計和制造設施，包括那些配備有非常規材料和/或工藝的設施，這些設施通常與矽（Si）- CMOS 技術相結合。需要充分利用堆棧各個層面的創新，以便在尖端矽（Si）-CMOS 的複雜可擴展設計方面取得進一步進展。
此外，還需要在表征工具和技術方面取得進展，以便對新材料和新設計進行詳細而全面的研究，并以前所未有的空間分辨率、靈敏度、帶寬和吞吐量進行研究。電路和系統的複雜性不斷增加，包括那些在多個物理域中與信号一起工作并在多個物理域中相互作用的電路和系統，這就需要有互補的多模式計量工具以及新的建模和仿真能力來測量性能并提供必要的數據，以支持 EDA、DTCO 和系統技術共同優化 (STCO)。随着這些模型的複雜程度不斷提高，它們将越來越多地爲制造工藝的改進提供信息。
除了在硬件-軟件堆棧之間進行協調外，還需要通過研究成果的協同流動在整個研發界進行協調，以取得最佳成果。大學和小型企業的研究人員必須能夠使用設計工具、制造設施和相關基礎設施來測試他們的想法。商業制造設施将從與新型技術方法的早期測試者的合作中受益。同樣，從美國大學畢業的高級研究人員在這些領域的技能培訓也将使企業的研發工作受益匪淺。這種合作的一個重要方面必須是建立和維護有效的研究安全措施，以防止研發活動造成意外的技術轉讓。
未來五年，美國政府的研發工作将重點關注以下目标：
加速研發可提供新功能或功能增強的材料
材料研發是滿足所有部門和應用領域新需求的核心。要實現能源效率、信息速度和帶寬、新型計算架構和可持續發展等目标，就必須采用新材料和改良材料。例如，碳化矽（SiC）、磷化铟（InP）、氮化鋁（AlN）或金剛石等新興基底材料正在開發中。許多新型寬帶隙和超寬帶隙材料在電力電子和射頻電子（6G 及更遠）領域的應用前景廣闊，而氮化矽（SiN）和铌酸锂（LiNbO3）薄膜材料雖已面世，但仍需加以改進，以推動光子應用和下一代無線通信的發展。新型多鐵性和憶阻性材料正在擴大納米電子器件的功能範圍。
然而，盡管取得了許多令人興奮的突破，但将新材料引入複雜的微電子工藝流程通常需要數十年的努力和數十億美元的資金，才能完成從概念驗證到生産制造的過程。爲使新型材料和新興材料發揮其潛力，需要采用新方法來大幅縮短部署時間和降低成本。
半導體材料及相關研究生态系統中各實體（包括國家實驗室、私營公司和财團）之間的協調，将爲器件、互連、電路和系統先進材料的部署提供途徑。作爲 "材料基因組計劃"（MGI：Materials Genome Initiative）的一部分而開發的 "材料創新基礎設施 "等框架可發揮重要作用，圍繞開發微電子新能力或功能增強的重大挑戰組織材料界。
支持新能力所需的先進材料研發要素包括：
重點研究新興有機和無機材料，包括二維（2D）材料；顯示量子效應/特性的材料；用于高能效電子産品和極端環境的寬帶隙和超寬帶隙材料；優化高帶寬互連的材料；用于超高頻操作（光學、電氣和機電）的材料；實現非馮-諾依曼架構的材料；以及生物-非生物混合系統。
探索可無縫集成到現有工藝流程中的材料，例如，可在生産線後端（BEOL）增加功能，以提高性能并實現更大程度的三維集成。
加大力度改進現有的塊狀襯底材料，加快新材料的開發和應用。
統一半導體材料數據基礎設施，以促進知識共享和加速創新。
采用新的建模、表征和計量方法，快速、精确地确定與實際應用相關的所有參數。- 開展研發工作，加快開發可制造的合成工藝和适用于新興材料的生産工具。
确保純度、物理性質和來源的新測量方法和标準，以加速材料研發。
研究如何在整個生命周期内提高加工、制造和供應鏈的可持續性和循環性（再利用、再循環），包括更環保的材料和提取工藝，以及更廣泛地使用地球上豐富的元素，以減少供應鏈的脆弱性。
獲得可采用非常規材料和/或工藝的制造設施，可能與 Si-CMOS 技術進行異質組合。
建立新的重點設施，對新型和非常規材料的工藝進行驗證和放大。
提高電路設計、模拟和仿真工具的能力
适用于新材料、新設備、新電路和新架構的電路設計、模拟和仿真工具對于持續創新和設備擴展至關重要。
提高數字工具能力的戰略方法包括以下方面的努力：
創建、開發并廣泛提供可促進設計、建模、仿真和探索新形式計算架構和計算處理器（包括數字和模拟/混合信号）的工具；支持使用先進封裝的設計；并納入包括尺寸、重量、功耗、成本、安全和保障在内的目标。
在 EDA 工具中進一步集成人工智能和 ML 以及基于物理的方法，以支持創新電路和系統架構的設計與開發。
開發集成了仿真和優化功能的高級綜合工具和 EDA 系統與流程，縮短學習曲線，降低集成電路設計人員的入門門檻。
改進材料和器件驗證方法，推進材料、元件和電路特性的測量，以生成提高 EDA 工具保真度所需的可靠統計參數。
改進 DTCO 和 STCO 方法和平台，實現全棧協同優化。
推進正式和端到端驗證方法的開發，包括器件相關材料數據和輸入信息，以克服電路和系統設計與仿真中的瓶頸，從而管理日益複雜的異構系統。
開發未來系統所需的各種強大處理架構和相關硬件
機器學習、增強現實/虛拟現實 (AR/VR)、圖像/信号處理等先進計算資源的快速增長和利用，對性能和能耗提出了更高的要求，不斷挑戰最先進的 Si-CMOS 設計的極限。非馮諾依曼計算架構，如神經形态、以内存爲中心、深度學習、異步計算、混合以及利用量子效應的設計，将在廣泛的商業和國家安全應用中發揮越來越大的作用。除了基于标準Si-CMOS的系統外，采用低溫CMOS、模拟/混合信号技術、光子學、自旋電子學和量子器件的新方法也在迅速湧現。要充分利用這些多樣化的處理架構和器件類型，需要在整個堆棧中進行創新。
主要的研發需求包括：
進一步了解這些架構實現最佳性能所需的算法、編程模型和編譯器。
以硬件、軟件和标準爲重點，努力提高設備的可編程性和可編程抽象性。
優化制造和設計能力，以生産這些新型處理架構。
除新型集成電路設計外，新型架構還能實現非馮-諾依曼元件與傳統計算架構的優化集成。
人工智能和 ML 方法，以應對與異構集成邏輯内存設備産生的預期高數據速率和大數據量相關的挑戰。
量子信息科學研究，包括量子計算、量子網絡和量子傳感，除了需要先進的制造能力和奇特的材料外，還需要大量新的系統設計方法。
量子支持技術，如低溫電子學和光子學，以便與量子系統對接。
大型傳感器網絡提取和提煉信息的高能效處理架構，包括傳感器技術、模拟處理架構，以及采用經典和生物啓發方法的極端分布式邊緣計算。
極端環境中傳感、信号處理和計算應用的設計流程和架構。
超越高性能計算的電路創新，以滿足能源、醫療保健、交通和通信領域的需求。
爲先進封裝和異質集成開發工藝和計量學
異質集成包括幾種不同技術（如 Si CMOS、MEMS、III-V 混合信号和光子學）的集成，這些技術本身就是多個系統集成的結果。這方面的例子包括使用各種方法在單芯片、多芯片或基闆上的芯片37 上進行集成，如 2.5D 和 3D 堆疊、高密度再分布、光學封裝和測試、扇出、混合接合、高級中間膜、高密度焊接凸塊、銅互連和通孔。異構集成的成功可帶來更高的産量、更低的成本、更強的功能、IP 的重複使用，從而加快設計叠代和定制，并提高能效。從高性能計算到醫療保健，再到定位、導航和定時，集成在各個應用領域都至關重要。目前，異構集成和實現異構集成的先進封裝技術的發展速度超過了傳統封裝技術。盡管海外組裝和測試設施在傳統封裝領域占據主導地位，但這種增長爲美國提供了在關鍵領域建立領先地位的難得機會。
要成功确保美國在先進封裝領域的領先地位，并從異質集成中獲益，就必須解決許多相互關聯的研究難題，包括材料、制造工藝、能源、成本、産量和有效建模。
主要研究挑戰包括：
用于基闆、封裝/模塑和芯片到芯片互連的新材料，以擴大可用的設計空間，爲此，與材料供應商的合作和夥伴關系至關重要。
在機電一體化、機器視覺和機器人技術等領域取得進展，以支持開發具有成本效益的自動化敏捷系統，用于大批量和多品種封裝和組裝。
創新的互連技術，以提高能效和密度。
新的高速方法，可在組裝前檢測組件，并在組裝過程中監控接口，以減少缺陷組件或組件間接口的缺陷。
增強工具計量和檢測能力，包括從紅外線到 X 射線波長的新型光源和高速檢測器。
跨越多種長度尺度（二維和三維）和物理特性的新計量學，以應對新興異質集成和先進封裝工藝與技術帶來的獨特測量挑戰。
改進完整系統的熱、機械和電磁行爲的物理建模，并開發新的高分辨率方法來測量這些行爲，以驗證模型的準确性和系統性能。
集成設計工具和方法，确保電路、架構和封裝的協同設計，最大限度地提高系統性能和 IP 重複利用率。
優先考慮硬件完整性和安全性，将其作爲整個堆棧協同設計戰略的一個要素
面對來自對手的威脅，從電路到軟件等組件都有可能被植入惡意改動，再加上需要爲後量子計算時代的加密和數據安全做好準備，因此完整性和網絡安全必須成爲系統設計的基礎組成部分。近年來，網絡安全威脅已從集中在軟件堆棧高層的攻擊發展到逐步降低計算層次，直至芯片級。除了提高安全性外，還需要在整個堆棧中取得進展，以支持增強隐私保護--個人和組織控制誰能訪問和控制其數據，以及在多大程度上能将其數據與自己聯系起來的能力。40 設計過程必須允許硬件、軟件和安全/隐私限制之間的反複。爲了滿足經濟和國家安全需求，同時維護隐私，必須将安全性作爲一種限制因素納入協同設計研發中，并将其與功耗、性能、面積和成本放在同等重要的位置。
提高硬件完整性和安全性的研究需求包括開發：
準确的威脅模型，以支持對不同安全方法的成本效益權衡分析。
高層次的完整性和安全性概念模型（類似于計算機科學中的抽象層），以幫助協同設計領域的各學科進行更有效的交流與合作。
新的自動化和支持結構，使應用程序能夠在安全系統上構建，并支持新應用程序的普遍采用。
協同設計卓越中心，其中安全是每個硬件重點領域的主要設計制約因素。
保護數據和減少對硬件信任的新方法，如同态加密、加密存儲系統、安全計算、隔離加密和多方計算。
确保集成電路 IP 來源和完整性的方法。
用于評估和基準測量性能的标準測試文章、方法和分析，以促進不同組織之間的測量可重複性。
高通量測量和檢測系統，以驗證電路硬件。
投資研發所需的制造工具和工藝，以支持創新轉化爲具有生産價值的制造工藝
随着研發提供新材料和設備，研究也需要開發制造工具和工藝，以實現這些新技術的大規模生産。雖然重要的制造技術将繼續在微米尺度上取得進步，但許多尖端技術已經并将繼續在納米尺度上取得進步，甚至在某些特征上達到原子尺度。爲了滿足對增強設備性能和能源效率的需求，需要相應地開發具有前所未有精度的制造工藝、工具和計量。所謂的"超精密制造"(UPM)是曆史悠久的小規模制造的下一步。對超精密的需求也提供了一個機會，可以利用納米尺度上獨特的材料特性，如隧道或磁性和自旋相互作用，來實現強大的新功能。新穎的制造方法隻有在規模達到商業規模時才會有效。因此，先進的制造業研發以擴大工藝和工具以滿足制造業的需求是必不可少的。
相反，也有機會開發更靈活的制造方法，使成本效益高，高混合，小批量生産，以支持日益多樣化的商業和國防需求。此外，在更大的特征尺寸上推進制造技術，以提高産量，減少工藝和設備的變化，并使成本具有競争力，資源高效的國内制造成爲可能。
對新工具和新工藝的主要研發需求包括:
超精密表征，先進的光刻和計量工具，以及改進的質量控制，包括精确的參考結構在10納米以下的尺度。
新穎的模式方法，包括減法和加法，支持新興需求，如3D架構，大面積基闆，高混合，小批量制造電路和封裝。
改進工藝，如區域選擇性原子層沉積和蝕刻，以支持減小特征尺寸和更複雜的器件幾何形狀。
高通量實驗和建模方法，加上光學，電子和掃描探針顯微鏡檢查工具的新功能，以提高速度，吞吐量，産量，精度和準确性。
混合計量方法，将來自多種測量工具的數據與新的ML方法相結合，以利用數據并實現流程優化。
集成了基于AI/ML/物理的模型，能夠消化晶圓廠的實時過程數據，用于高級預測分析，以測量和提高産量，并實現半導體和微電子制造業的晶圓廠虛拟化。
進一步發展和使用原位計量，以加速實時過程控制的集成，減少過程的可變性，這是昂貴的非原位計量的關鍵驅動因素。
這個領域的進展需要在多模态測量、軟件集成和工具開發的集成方面取得進展。
快速、高分辨率、非破壞性技術，用于表征缺陷和雜質，并将其與性能和可靠性相關聯。
具有更高分辨率、靈敏度、準确性和吞吐量的表面、埋藏特征、接口和設備的物理特性表征。
應用第一性原理材料研究與高性能計算開發準确的材料-過程相互作用模型。
數字孿生應用的進步，使制造流程的精确建模和快速叠代和融合成爲可能。
提高能源和資源效率，并在生産過程中使用環保化學物質。
目标2
支持，建立和橋梁微電子基礎設施，
從研究到生産
正如該戰略所強調的那樣，微電子研發是極其基礎設施密集型的，從早期研究到制造，每個開發階段都需要獲得适當的設施和相關的專業知識。此外，每個階段的資源必須連接起來，以确保新的創新能夠沿着技術發展的道路迅速發展。
從曆史上看，美國沒有爲微電子研發提供集中、開放的設施，這些設施配備了設計和制造工具、測試和與尖端技術制造環境相關的專業知識，限制了研究人員推進創新的機會。認識到生态系統中的這一差距，國會授權并爲CHIPS法案中的幾個項目撥款，以幫助建立支持國内研究成熟的設施，并使用制造相關設備獲得先進的原型能力。
此外，微電子的持續多樣化，以最好地解決特定用例，導緻各種研發利益相關者的一系列複雜需求。研究人員需要直接訪問美國的設施，這些設施配備了制造工具、測試能力，以及熟練的技術人員來維護和操作它們。這種基礎設施支持使研究人員能夠在領先(或接近領先)的制造環境中展示新設備、互連、電路、系統和制造工藝的潛力。擁有最先進的設備、設計工具和熟練的技術人員的協調良好的設施群對于提高異構集成的領導地位也至關重要。
半導體研發基礎設施存在于一個連續體中，支持從探索新材料到實施新系統架構的活動。現代半導體和微電子系統令人難以置信的複雜性，通過使堆棧中的每個級别明智地抽象并告知相鄰級别的關鍵特征，作爲雙向信息流協同設計方法的一部分，可以最好地管理。材料特性被抽象爲器件模型，器件行爲被納入電路模型，電路被納入體系結構，依此類推直至應用。同樣地，應用程序和軟件的特性決定了架構，架構指導電路設計等等。
随着研發重點的提升，基礎設施必須保持一緻，以确保每一級的科技發展都能持續發展，并爲下一級的科技發展提供信息，最終爲商業設計和制造提供信息。在堆棧的最底層，需要最大的靈活性來加速新材料的研究和開發，從而實現突破性的性能。當這些材料被識别出來時，它們必須提供給研究團體，以整合到設備中，以确定是否可以實現預期的性能優勢。
再往上說，與可靠和穩健的制造工藝相比，設備的靈活性就不那麽重要了，因爲制造工藝可以實現可重複和可靠的設備性能測量。在電路層面，訪問文檔化和支持的工藝設計套件(PDK)模塊和基礎電路IP，例如，标準單元庫，輔以強大的測試和表征能力，是必不可少的。在封裝級，單片和系統級封裝設計的适應性集成和特性，包括先進的芯片功能，需要支持中小型原型設計。創建這樣一個全方位的研發生态系統将需要支持和擴大成本有效獲取創新所需的基礎設施。該基礎設施包括三個關鍵組件:硬件和軟件工具、數據和數據共享基礎設施，以及充分利用工具和數據的專業知識。能夠負擔得起并及時獲得這些工具和數據，也是培訓和維持研究和制造勞動力專業知識的必要先決條件。
支持研發連續體所需的基礎設施包括用于材料、結構、設備、制造工藝、計量和表征工具的早期開發設施，以及使用标準化流程訪問領先的原型設施。CHIPS法案的投資旨在彌合早期研發和原型之間的差距，使新材料，工藝和計量的實驗成爲可能。随着用戶技術的成熟和能力的發展，需要跨部門和機構的協作機制來促進工作從一個設施到另一個設施的過渡。
值得注意的是，雖然在以下目标下強調了支持微電子研究基礎設施(目标2)的幾個項目，但它們在推進研究以幫助确保技術領先地位(目标1)、教育和培訓未來勞動力(目标3)以及幫助連接更廣泛的生态系統(目标4)方面也發揮着關鍵作用。
聯邦政府在今後五年的努力将實現下列目标：
支持設備級研發制造和表征用戶設施的聯合網絡
支持電子、光子和微機械器件的新概念，推進"More-Moore"和"More-Than-Moore"解決方案，需要越來越複雜和昂貴的表征和制造工具和設施。半導體材料的合成和表征，以及器件的制造和測量，涉及使用不同工具集的多個步驟。在微電子領域工作的研究人員需要使用配備全套制造和表征工具的用戶設施，這些設施需要持續的資本投資才能保持當前狀态。除了儀器之外，有效的用戶設施還需要專業人員來最大限度地操作專用工具，并培訓新用戶，這有助于降低訪問障礙，并在教育和勞動力發展中發揮重要作用。
幸運的是，微電子研發社區可以建立在現有設施的基礎上，包括作爲NNI一部分建立的用戶設施。位于全國各地的用戶設施和其他共享研究基礎設施爲來自政府、工業界和學術界的研究人員提供了訪問先進實驗室、設備和專業知識的機會。在多個聯邦機構的支持下，許多這些基礎設施中心通過提供潔淨室、表征工具、材料科學和合成實驗室以及建模和仿真工具，促進了微電子相關的研發。除了提供研究活動之外，這些中心還作爲一個強大的培訓和勞動力發展引擎。
例如，NSF資助的國家納米技術協調基礎設施(NNCI)是一個由全國16個站點組成的網絡，涉及29所大學和其他合作組織，并提供使用制造和表征工具的用戶設施的訪問。除了向政府、工業界和學術界的研究人員提供71個不同設施的2200多種獨立工具外，NNCI網絡還支持專家人員協助研究人員，并提供一整套教育、培訓和推廣工作。由于NSF的用戶設施的第四次叠代主要集中在納米電子學上，這些設施已經爲成千上萬的研究人員提供了服務，并幫助培訓了幾代學生。
此外，獲得微電子研究所需的昂貴的專業設備爲無法在現場購買和安置類似設備的機構或小企業的學生、教師和研究人員提供了機會，擴大了參與和擴大了研究社區。除了NNCI和其他主要的大學中心外，美國政府還通過能源部的五個納米尺度科學研究中心(nsrc)和NIST納米科學與技術中心(CNST)納米實驗室提供國家實驗室設施。這五個nsrc是美國能源部在納米尺度上跨學科研究的首要用戶中心，是包含新科學、新工具和新計算能力的國家計劃的基礎。這些實驗室包含潔淨室、納米制造資源、獨一無二的簽名儀器以及除主要用戶設施外通常無法獲得的其他儀器。NIST NanoFab提供了廣泛的商業，最先進的工具集，包括光刻，薄膜沉積和納米結構表征的先進能力，以及全職技術支持人員。
最後，其他共享的基礎設施，如表征實驗室、計算和建模資源、光和中子源，以及制造機構，在開發未來的材料、工藝、設計、标準和勞動力方面發揮作用。
研發制造和表征設施的主要需求包括：
對現有設施進行差距分析，然後努力解決現有設施内的能力差距，并在需要時建立新的能力，以全面解決堆棧中不同區域和級别的需求。
定期更新可搜索共享研究資源的公共注冊表，使研究人員能夠輕松識别最符合其需求的項目和中心。
支持先進的制造技術，能夠将新興的低尺寸納米材料和納米器件以及其他"超過摩爾"的解決方案納入設計，以及使用成熟和最先進的技術制造的電路，用于中小型原型設計。
必要時與盟國和夥伴國的國際實體達成協議，爲美國的研究人員提供使用尖端制造設備的機會，以彌合目前國内的差距。
資金模型，使用影響指标主要側重于滿足廣泛和多樣化用戶群的需求，使設施能夠獲得足夠的最先進的工具，在其重點領域建立臨界質量，支持專家設施技術人員指導和幫助用戶，并根據需要提供持續的資本重組，以保持最先進和最先進的實踐能力。
激勵培訓和教育的成功指标和資助機制，包括支持地理位置不利的研究人員前往研究中心。
減少設施準入障礙，包括通過與研究界的聯系，負擔得起的運營成本/費用，以及簡單、公平的準入模式，包括改進遠程操作技術的實施，進一步擴大每個設施的地理覆蓋範圍，促進公平準入。
FAIR(findable, accessible, interoperable, and reusable)的數據管理系統，以最大限度地提高研究團體對設施中産生的信息的訪問。
爲學術和小型企業研究界提供更靈活的設計工具和晶圓級制造資源
目前，設計工具的成本，特别是pdk、裝配設計套件(ADKs)和EDA，加上代工制造運行的成本，對于小企業和學術研究團體，以及政府機構、DOE國家實驗室和其他ffrdc以及非營利實驗室的努力來說，可能是令人望而卻步的。此外，對于在代工廠制造的晶圓，特别是在中間流程中制造的晶圓，在更靈活的研究設施中進行進一步加工，沒有完善的途徑。《芯片法案》的投資将通過對基礎設施的投資和新的公私合作夥伴關系的補充，幫助解決國内設備級研發和先進原型之間的差距。這些努力旨在爲晶圓級研發提供高效、經濟的共享資源網絡，并建立一個芯片研發生态系統。
改善獲得設計工具和制造資源的關鍵需求包括：
靈活且經濟實惠的模型，包括成熟節點的潛在開源功能，爲國内研究人員擴展高級pdk，标準單元庫和某些IP(即内存控制器，内核等)的可用性，同時保護商業IP和專有信息。
與EDA供應商建立更廣泛的合作夥伴關系，使設計工具，包括高級合成工具，以顯着降低的成本提供給更多的大學和小企業研究人員，并在需要時加速特定領域EDA功能的開發。DARPA工具箱計劃(Toolbox Initiative47)和國防部快速保證微電子原型(RAMP)的努力是爲研發社區提供設計工具和經過驗證的知識産權的例子。在可能的情況下，項目應該促進研發中使用的pdk的标準化，以增加設計和制造供應商之間的互操作性。
适用于成熟技術和新興技術的無障礙設計工具和工具環境，包括安全的基于雲的解決方案，可以确保捕獲和嚴格保護知識産權，确定知識産權的來源和權利，并尊重出口管制和其他法律和監管邊界。
标準化許可協議和保密協議，最大限度地減少知識産權共享的障礙，縮短創新周期。
訪問建模和仿真所需的高性能計算資源，以支持在産生原型成本之前評估電路性能。
增加制造設施的多項目晶圓産能，并以公平的小規模制造能力爲補充，以降低集成電路和先進封裝/異構集成的成本和設計測試周期時間，并擴大獲取和加速創新。
具有标準接口的标準"即插即用"小芯片的庫和供應，以及這些接口的開放源參考實現。
創建并使用先進的封裝研究設施，以加速先進封裝的創新、異構集成和芯片生态系統的發展。
便于關鍵功能材料的研究獲取
如果沒有超純的、幾乎不存在缺陷的材料和同位素，微電子工業就不可能發展。新的電子、磁性和光子器件的發展同樣依賴于适當功能材料的供應。這些材料包括III-V型半導體(以及由它們制成的量子點和量子阱材料)、薄膜铌酸锂、絕緣體上的碳化矽、金剛石和許多多鐵性材料和壓電材料。
然而，其中許多材料隻能從海外供應商那裏獲得。其他材料可以在國内獲得，但往往隻能從一個大學實驗室獲得，其向外部研究小組提供的能力有限，有時質量不穩定。加強國内生态系統的努力可能爲支持材料供應商和鼓勵開發新材料工藝提供機會，從而降低研究人員的采購成本。
确保強大和高質量的國内功能材料供應以加快器件開發和集成研究步伐的策略包括：
與美國材料供應商合作，确保國内産能的維持和擴大。努力包括确保繼續在國内開發和獲取支持制造業所需的機構知識和專門技術。
支持處于材料開發前沿的美國研究機構，使其擁有所需的專職人員，以擴大向國内研究人員提供新材料的能力。需要工業參與的重點研究資助可以用于建立合作，以開發材料供應并将研究專業知識轉移到商業部門。
投資傳統和創新方法，包括MGI方法，以縮短從有前途的材料的演示到襯底供應的可用性的路徑，包括批量襯底合成和薄膜沉積/外延，以提供高純度和低缺陷密度的襯底材料在足夠的尺寸和規模。
擴大對建模和仿真的高級網絡基礎設施的訪問
在物理，制造和計量學的限制下進行創新，需要在投資于先進的原型或昂貴的實驗之前，在數字模拟中展示對電路性能和制造工藝的深刻理解。需要改進的建模和仿真工具，充分利用硬件加速器的高級合成和電路和系統的仿真，特别是那些基于新材料、器件、互連和集成CMOS架構的工具。同樣，需要基于豐富物理數據集的綜合物理模型來模拟複雜的、相互依賴的制造過程。考慮到計算數據托管的挑戰，通用雲資源可能會不足，因此需要爲微電子研發需求量身定制的網絡基礎設施支持。
支持訪問網絡基礎設施進行建模和仿真的關鍵行動包括：
提供對領導級計算和其他網絡基礎設施的訪問，包括美國能源部國家實驗室、其他ffrdc和nsf資助的設施。
促進用戶，系統開發人員，計量和原型設備之間的密切協調，以确保高質量數據集的可用性，從而能夠構建準确的材料，工藝，設備和系統模型。
與實體基礎設施及其産出建立密切聯系，以有效地支持整個研發社區并協助技術轉讓。
支持先進的研究，開發和原型設計，以彌合實驗室到工廠的差距
正如2.1節所詳述的，雖然早期研究基礎設施的基礎很強，但在美國生态系統中，獲得更先進的基礎設施尤其具有挑戰性。CHIPS法案提供了一個獨特的機會來支持和提供訪問先進的原型資源，這些資源将提供關鍵的國内能力，以加速将研究創新插入使用領先的CMOS工藝的矽片上，以及其他關鍵材料和技術，如用于混合信号和電力電子的化合物半導體。這些努力需要确定資助模式，使用主要集中于滿足用戶需求的影響指标，使設施能夠獲得足夠的最先進的工具，支持技術人員來指導和幫助用戶，并根據需要提供持續的資本重組，以維持最先進和狀态實踐能力。提供維護良好和緊密整合的資源，也将最大限度地提高學生、研究人員、工業和政府最終用戶之間非正式學習和合作的機會。下面讨論的每個項目都将利用現有能力，擴大能力并開發目前國内生态系統中不具備的新能力。
《美國芯片法案》第9903(b)條要求國防部建立一個國家微電子研究與開發網絡，該網絡被稱爲微電子共享網絡或簡稱爲共享網絡。Commons是一個能夠開發微電子材料、工藝、設備和建築設計的項目，重點關注國防需求。Commons将滿足對工藝、材料、設備和體系結構的開發需求，并在它們從研究過渡到實驗室的小批量原型，最後過渡到制造原型，可以展示所需的體積和特性，以确保降低制造風險。大規模的原型制作是高風險和昂貴的，中小型公司和大學很難将實驗室與制造或"實驗室到工廠"之間的過渡連接起來，從研究想法到實現這些想法到制造。公地将利用非傳統的國防創新者(例如，初創公司和大學)，并降低阻礙他們将實驗室原型發展爲制造原型的能力的一些現有障礙。Commons是一個區域性"樞紐"網絡，擁有早期到中期的開發能力，并将"核心"與後期能力相關聯。核心将與中心密切合作，使其努力與商業流程保持一緻，以促進技術的過渡。進一步的成熟将利用後續的程序和資源。微電子公共領域專注于對國防和新興商業市場至關重要的六個技術領域:電磁戰、安全邊緣計算、人工智能硬件、量子技術、5G/6G技術和商業跨越式技術。除了爲研究基礎設施做出貢獻外，Commons還支持這些領域的研究和勞動力發展活動。
《美國芯片法案》第9906(c)條要求建立國家半導體技術中心(NSTC)。除了開展和支持競争前的研究和勞動力發展活動外，NSTC還将建立并提供先進的原型能力，以滿足美國研究界的廣泛需求。NSTC的重要功能将包括執行材料特性、儀器計量和高級工藝節點測試的能力。這些功能将使組織不僅僅是已建立的集成設備制造商進行這種類型的研究，并增加研發範圍，大公司可以迅速進入制造業。通過與下面2.6節中描述的封裝計劃密切合作，NSTC将爲前沿節點提供先進的測試、組裝和封裝能力，并支持制造業自動化的改進，爲提高美國未來在全球制造能力和競争力中的份額奠定基礎。NSTC被設想爲一個擁有附屬技術中心的中央總部，将包括新建立的能力的組合，同時也利用現有實體的資源使用該模型，NSTC将創建并提供對物理資産的訪問，如端到端原型設施、數字資産和IP，包括設計工具、參考流程、工藝設計套件和數據集，并将彙總和管理對商業設施中多項目晶圓服務的訪問需求。
雖然Commons将在與NSTC支持的技術和設備開發的相同範圍内做出一些努力，但Commons在其應用重點和期望的産品化範圍中有一組特定的目标，以解決國防特定的優先事項。國家科學技術委員會與公共領域之間的密切協調與合作，以及目标4中讨論的美國政府其他相關努力之間的密切協調與合作，将确保這些努力是協同的，而不是重複的。
此外，DARPA正在下一代微系統制造(NGMM)計劃下建立一個互補的國内研發中心，用于制造三維異構集成(3DHI)微系統微電子創新的下一個主要浪潮預計将來自于通過先進封裝集成異質材料、器件和電路的能力，從而産生一個緊密耦合的系統，該系統可以擴展到第三維度，其性能超過當前單片方法所能提供的性能。
目前，從事3DHI研究的美國公司依賴于海上設施。這個開放的國内3DHI研發中心将帶來更廣泛的創新浪潮，将促進共享學習，并将确保初創企業、學術界和國防工業基地能夠從事低量産品的3DHI研發。該中心的3DHI是指将來自不同材料系統的單獨制造組件堆疊在一個封裝内，以産生一個在功能和性能方面提供革命性改進的微系統。具體來說，這些微系統将把不同的晶圓或芯片集成到垂直堆疊的架構中。所涉及的技術包括但不限于化合物半導體、光子學和MEMS系統，并擴展到功率、模拟和射頻領域，以及數字邏輯和存儲器。初始階段将專注于數字、射頻、光子、傳感器或功率器件的最先進的封裝、組裝和測試。重點将放在開發基線工藝模塊，以及初始預商業3DHI試驗線能力和相關的3D組裝設計套件。
下一階段将進一步優化3DHI工藝模塊，加大研發力度提高封裝自動化程度，并實施中心運營接入模式。最終的結果将是一個開放的研發中心，供學術界、中小型企業、國防和商業公司以及政府機構的研究人員使用，以全面解決3DHI原型的設計、封裝、組裝和測試問題。
彌合實驗室到晶圓廠差距的關鍵行動包括：
對現有設施進行差距分析，然後努力解決現有設施内的能力差距，并在需要時建立新的能力，以全面解決目标1中确定的每個研發優先領域的進一步發展。
必要時與盟國和夥伴國的國際實體簽訂協議，爲美國的研究人員提供使用尖端制造設備的機會，以彌合目前國内的差距，促進合作。
開發"fab-to-lab"生态系統，使研究人員能夠将在最先進的制造設施中制造的基闆和預先填充的測試結構和/或設備帶入研究設施，并添加新材料或設備，以實現高吞吐量，高質量的創新技術測量。
減少設施使用的障礙，包括通過與研發界的聯系，負擔得起的獲取和運營成本，以及簡單、公平的獲取模式;通過實施遠程接入技術和多個項目晶圓計劃改善接入，這可以進一步擴大每個設施的地理覆蓋範圍，促進接入的公平性。
支持高級組裝、封裝和測試
微電子元件的封裝、組裝和測試方面的創新是美國保持領導地位的關鍵。随着半導體制造達到通過減小晶體管特征尺寸來實現性能和效率提高的極限，工業界已經轉向使用3D系統和異構集成來實現更高性能的新方法。當前一代的高性能設備集成了多種技術，不僅包括不同的矽基工藝，還包括化合物半導體、光子學和其他專業技術。這些方法對互連設備和子系統的能力提出了更高的要求——這是高級封裝的一個關鍵方面。3D和異構集成的互連技術和标準的改進也可以促進微電子新供應鏈結構的發展，其中國内能力将增強美國的安全和競争力。
先進的測試、組裝和封裝能力也需要用于驗證從研發過程中産生的先進原型。《美國芯片法案》第9906(d)條要求努力建立先進的封裝制造計劃，以加強國内能力。爲了實施本部分，國家先進封裝制造計劃(NAPMP)已經在NIST内建立，以支持制造的計量和光刻等能力，包括材料表征，儀器儀表，測試和标準。該項目将與NSTC保持一緻，密切合作，并可能利用NSTC的資源。
随着前沿電子産品的趨勢向先進的異構集成方向發展，先進封裝和原型設計之間的重疊預計将大幅增加。與微電子創新的其他方面一樣，組裝、封裝和測試能力的開發和部署需要在整個生态系統中進行協調，并在制造和研發社區之間進行直接和密切的溝通。
加快發展國内先進封裝生态系統的關鍵行動包括：
建立并密切協調NGMM和NAPMP的研發和試點生産設施，以确保它們互補和相互支持。
開發機會，實現ADK、封裝相關設計工具和其他數字資源的安全共享，并充分利用整個生态系統的互補努力。
促進對芯片的訪問，包括制造測試車輛，可用于封裝研發社區，以實現新的芯片集成方案的快速開發和測試。
制定計劃，提高自動化水平和先進封裝測試和組裝設備的性能，使國内封裝具有成本競争力。
緻力于開發新的基闆材料和相關的制造技術，以支持密度和信号性能的改進。
支持行業在适當的時候開發和引入芯片和先進的封裝标準，以最大限度地提高創新和市場接受的潛力。NAPMP開發的制造測試車輛将用于探索和驗證集成方案及其相關标準。
支持組件、集成方案和測試方法的開發和驗證，以确保複雜的先進封裝系統的安全性。
目标3
培養和維持微電子研發到制造生态系統
的技術勞動力
美國在微電子領域的領導地位需要強大的國内勞動力來支持從研究到制造的整個生态系統。半導體行業委托進行的一項經濟分析報告顯示，截至2020年，半導體産業爲美國提供的直接和間接就業崗位總計185萬個。自2021年發布該分析以來，該行業在美國研發、設計和制造活動中直接雇用的人數從27.7萬人增加到2023年的34.5萬人。這些工作的所有教育水平的平均工資都明顯高于其他行業，這與美國勞工統計局(Bureau of Labor Statistics)的數據一緻。美國勞工統計局的數據顯示，半導體和電子元件制造業工人的收入比私營部門員工的平均收入高出近50%。
在該行業中，高需求的STEM職業主要是工程和計算機軟件開發，他們通常需要學士學位或更高的學位才能就業。對有學位的專業人才的競争越來越激烈，尤其是在博士階段。在2010-2019年期間，行業對計算機和信息科學以及數學博士的招聘大幅增加，公司對計算機和信息科學家博士的招聘增加了103%，在此期間，公司對數學科學家博士的招聘增加了160%。在半導體和其他電子元件制造行業，外國出生的科學家和工程師占高技能技術工人的41%。這與數據一緻，數據顯示，在所有科學和工程職業中，外國出生的人占30%，在工程、計算機科學和數學職業中，他們擁有一半以上的博士學位。在美國完成STEM研究生教育的外國學生獲得永久公民身份的選擇相對有限，因此許多人返回本國或其他對高技能移民有更簡化移民程序的國家。在過去的十年裏，在美國接受教育的高技能工人中，越來越多的人回到了自己的祖國或其他國家。此外，在過去十年中，大學畢業後選擇進入微電子行業的國内學生人數有所下降。
爲了滿足當前和未來的半導體人才需求，需要制定戰略來發展、吸引和留住更多的國内和國外人才，從熟練的技術人員到博士級的研究人員和教育工作者。這些戰略必須讓所有利益相關者都參與進來，包括雇主、工會、教育機構、政府機構、行業組織，以及專注于爲代表性不足和服務不足的人群提供培訓的項目，并支持創造符合"好工作原則"的職位。
考慮到一系列公共和私營部門的報告和利益相關者的投入，揭示了與半導體勞動力需求相關的幾個關鍵發現和挑戰。行業對高技能人才的競争非常激烈，包括國際競争，再加上勞動力老齡化和與其他技術部門的競争。盡管對于美國公司來說，要找到需要高級學位和美國公民身份的職位的候選人尤其具有挑戰性，但在所有教育和工作水平上追求機會的學生卻不夠多，他們具備這一勞動力所需的知識和技能。利益相關者還必須共同努力，消除阻礙某些群體獲得該行業高薪工作的曆史性和根深蒂固的系統性不平等——這既是增加國内人才庫的要求，也是通過多元化和包容性的勞動力最大化創新的要求。
除了上述目标2中讨論的芯片基礎設施投資的勞動力組成部分外，《芯片與科學法案》第102(d)條還爲微電子勞動力發展活動設立了NSF基金。根據這一規定，可以支持範圍廣泛的活動，包括開發面向行業的課程和教學模塊，以及努力将微電子内容更多地納入各級教育的STEM課程。學習活動和體驗也可以得到支持，包括提供物理、模拟和/或遠程訪問具有行業标準流程和工具的培訓設施的努力，以及爲k - 12學生提供非正式的動手微電子學習機會。此外，該條款還爲教師的研究和專業發展計劃的制定和實施提供了條件，并通過激勵雇用微電子關鍵領域的教師來擴大微電子領域的學術研究能力。最終，該基金将爲創新的教育途徑鋪平道路，将高中、職業和技術教育、軍事、高等教育和研究生課程與工業聯系起來，并通過創建和維護一個可公開訪問的數據庫和在線門戶網站，使材料得以傳播。
NSF在投資STEM教育方面有着悠久的曆史。NSF的項目廣泛投資于K-12學校、社區學院和大學的學習者，以及對現有工人的再培訓，以及對那些尋求進入新興領域勞動力的人的技能提升。爲了在美國培養多樣化的微電子和半導體勞動力，NSF正在利用這一投資組合并建立一套量身定制的投資，包括與私營部門建立可擴展的合作夥伴關系，以提高熟練的半導體制造勞動力。
爲了補充支持教育、研究和勞動力培訓計劃各個方面的廣泛聯邦計劃，許多團體已經或正在努力解決擴大半導體勞動力的公認需求。例如，一個非營利組織發起了納米技術和半導體學徒成長計劃(gain)，該計劃由勞工部資助，在國家科學基金會的支持下，啓動了國家人才中心，這是一個爲學生匹配工作機會和發現他們技能不足的平台。
半導體行業協會也在努力，包括開發在線課程，以滿足其成員公司的勞動力需求。解決更廣泛的STEM勞動力需求的努力和戰略已經有了很好的記錄，也适用于半導體勞動力這一目标的重點是聯邦政府可以在擴大半導體勞動力方面發揮作用的努力。連接、擴大和擴大成功的項目對于滿足半導體行業未來的勞動力需求也至關重要，以确保美國在微電子領域的持續領導地位。下面讨論的努力建立在這些STEM教育計劃的基礎上，重點是爲微電子生态系統量身定制的努力。
在今後五年中，需要努力實現下列目标：
支持與微電子相關的科學和技術學科的學習者和教育者
爲了滿足預計的半導體勞動力需求，需要做出重大努力來支持整個教育領域的教育工作者和學生。除了電子工程和計算機科學等傳統學科以外，随着半導體行業的不斷創新和多樣化，化學、化學工程、工業工程、環境工程和材料科學與工程等領域将變得越來越重要。雖然K-12教育是州和地方實體的責任，但可以做很多工作來爲教師提供必要的資源和經驗，使他們能夠向學生介紹微電子領域的職業機會。現有的項目，如美國國家科學基金會的教師研究經驗(RET)66和羅伯特·諾伊斯教師獎學金項目，緻力于招聘、培訓和留住STEM教師。對于K-12學生來說，提高對半導體行業就業機會的認識，以及高質量的教學材料和令人興奮的動手項目，可以幫助激發他們追求相關教育途徑的興趣。K-12教育工作者需要獲得高質量的教學資源，這些資源與他們必須達到的國家标準相匹配。
對于一些熟練的技術職位，非學位課程，如證書、證書、文憑和其他可堆疊的證書比傳統的學位課程更合适。熟練的技術人員往往具有很強的地理聯系，因此在當前和新興半導體中心的區域努力對于培養這些人才尤爲重要。行業、勞工和地區培訓項目之間的合作可以幫助發展知識和技能，并确定當地的職業道路。行業代表可以作爲學生的寶貴導師，并在"培訓培訓師"項目中協助教育工作者。這些合作在促進區域獲得與行業相關的制造工具和"無晶圓廠"(數字)資源以支持教育和培訓工作方面也發揮了重要作用。雖然半導體技術人員有許多成功的模式和現有的課程(見下面的對話框)，但要産生更大的影響，需要努力擴展、共享和不斷更新這些資源。
在本科和研究生階段，需要能夠适應半導體發展和創新加速的響應性教育和培訓系統。快速發展的步伐要求工程和科學項目保持與時俱進，以避免在教育和工業需求之間造成差距。爲了避免日益擴大的差距，工業界、勞工和學術界必須共同努力，啓動和促進專業的本科和研究生水平的課程和項目，這些課程和項目必須靈活，能夠與新興的行業需求保持一緻。盡早認識到跨學科的方法對于半導體研發中出現的挑戰是必要的，這将有助于培養面向未來的勞動力。
非學位半導體勞動力培訓計劃
非學位課程，如賓夕法尼亞州立大學納米技術教育和利用中心的微電子和納米制造證書課程(MNCP)，爲半導體勞動力提供了寶貴的培訓。該項目是社區學院和擁有潔淨室的研究密集型機構之間的合作項目，提供一個學期的課堂和體驗式培訓，爲學生進入微電子行業做好準備。本學期結束後，學生将成功通過ASTM國際納米技術表征、納米技術健康與安全、納米技術制造及相關基礎設施的三個認證考試。除了學術機構外，該項目還有12個美國半導體和微電子行業合作夥伴。
有必要爲社區學院和四年制本科學生開發新興主題的課程，并确保資源，使大量學生能夠有沉浸式的實驗室體驗。相關的體驗式學習對于微電子領域的高技能工作至關重要——課程是不夠的。然而，大多數美國教育機構目前沒有能力和資源提供實踐學習經驗，使學生爲微電子勞動力做好充分準備。如上述目标2所述，利用CHIPS投資擴大研究基礎設施的合作努力将有助于滿足這些需求。利用虛拟和增強現實工具以及數字孿生可以進一步幫助教育機構在沒有物理工具的情況下提供學習體驗。基于雲的設計、數據管理、建模和仿真解決方案也可以通過加強行業研發與大學和小企業研究人員之間的合作，幫助避免培訓缺口。
學生直接與行業專業人士一起解決現實問題的活動可能是強大的學習經驗。在職培訓模式，如在公共和私營部門的研究實驗室、開發中心和制造工廠的實習和學徒計劃，将對擴大這些機會至關重要。特别是，在最高度專業化的領域，在最先進的設施中，與成熟的行業專業人士接觸和指導，可以幫助學生獲得最新的技能。結合學徒制、實習制、合作社制和其他在職培訓機會的公私合營微電子培訓項目需要在全國範圍内擴大，以适應微電子技術發展和創新的步伐。重要的是，學習途徑的多樣性需要公平地支持所有美國人，發展應特别關注目前服務不足的地理區域和人口。在可能的情況下，将學徒和實習培訓轉化爲大專或研究生學位的大學學分的機制，将使通往微電子職業的道路更容易導航。
支持學習者和教育工作者的主要行動包括：
根據K-12教師的現有标準，在半導體教育相關領域開發高質量的教學材料庫。
爲課程、習題集和實驗室建立一個知識庫，教師可以貢獻并訪問這些知識庫，以進一步開發他們的課程。
促進廣泛參與這些存儲庫的開發，以确保它們跨越多個機構項目，并與各種CHIPS工作聯系起來，以改善教育工作者、學生和工人的資源共享和利用。
促進和擴大以半導體爲重點的教師培訓和研究機會項目，包括訪問或臨時行業交流項目。
促進教師和學生參觀主要研究設施和半導體制造基地的機會。
方便訪問物理和虛拟工具的教師和學生的研究經驗，以提供體驗式學習，将學生準備他們的職業生涯後完成他們的學位或認證。
利用公私和區域項目促進師徒關系，以及實習和學徒等在職培訓項目。
與專業技術協會和行業協會合作，開發以教師爲中心的課程，以更好地将半導體相關課程
促進教師在行業環境中的休假和訪問職位。
爲行業研發領導者提供大學訪問學者職位。
建立合作設計工作室，專注于跨學科，促進學生跨部門接觸。
開發和部署工具、方法和最佳實踐，以促進資源和機會的包容性和可及性使用。
促進微電子領域有意義的公衆參與，提高對半導體行業職業機會的認識
非正式教育和與公衆的接觸對于提高對半導體行業職業機會的更廣泛認識和加強國内微電子勞動力至關重要。由于熟練的半導體勞動力需求因地區而異，強調社區更多地了解該行業的非正式機會可以使他們成爲不斷增長的生态系統中的積極合作夥伴。值得注意的是，在K-12階段，家長、老師、指導顧問、朋友和導師等都會影響學生的發展軌迹。培養對半導體、應用和勞動力需求的共同基礎理解将有助于學生對半導體行業存在的機會做出明智的決定。科學中心和其他非正式STEM學習場所的半導體相關展示和内容可以作爲簡單的切入點，接觸到目前不在學校的人，培養好奇心、興趣并擴大認識。
全國非正式STEM教育網絡(NISE網絡)
NISE Network70是一個由全國各地的科學教育專家組成的強大社區，主要由當地博物館和大學外展教育工作者組成，他們與當地圖書館、社區中心和學校合作。NISE網絡起源于納米非正式科學教育網絡，由美國國家科學基金會于2005-2016年支持。最初的NISE網絡覆蓋了超過3000萬人，重點是培養對納米技術的認識和理解。NISE Net繼續增加與微電子勞動力相關的許多科目的教育材料目錄。在美國所有州和地區都可以找到600多個NISE網絡合作夥伴，爲美國各地提供這些課程。
地圖顯示NISE網絡參與機構。圖片來源:國家非正式STEM教育網絡，2005-2016年合作夥伴報告。
提高對半導體行業機遇意識的策略包括：
利用開發博物館展覽和公開活動的項目，這些項目與經過審查的、可操作的信息有關，并擴大對半導體及其應用的理解。
建立或連接到現有的非正式科學中心網絡，以便了解當地需求和關切的區域專家可以爲内容開發做出貢獻。
開發和分發教學和演示套件，可以在微電子的年度活動或慶祝活動中使用。
充分利用多媒體和社會媒體工具，在全美國擴大影響力和知名度。
利用競賽和挑戰來提高學生對半導體問題的認識和激勵。
準備一個包容性的當前和未來的微電子勞動力
解決當前和未來的微電子勞動力挑戰将需要在教育工作者、培訓師、政策制定者、工會、專業協會和行業中開發和使用技能需求清單。在微電子工業中，共同知識、技能和能力(KSAs)和技術能力的識别必須通過相關各方的合作來完成。将ksa映射到課程、技術和職業教育以及學習者的職業指導中，将提高學生加入半導體勞動力的準備程度。這項工作需要定期更新，以跟上行業創新的步伐。
實習是許多學生第一次體驗他們在課堂上學習的STEM知識的令人興奮和有前途的應用。确保在高等教育的第一年到第二年的關鍵過渡階段提供這些機會，可以提供早期的職業機會，并加強學生與半導體行業的聯系。聯邦政府已經在各機構的微電子實習項目上投入了大量資金。例如，NIST爲高中、四年制大學、社區學院、職業學校和其他各種教育項目的學生提供帶薪暑期實習機會。
NSF最近與半導體研究公司建立了合作夥伴關系，以開發與半導體進步相關的NSF本科生研究經驗(REU)計劃的新站點。這種新的夥伴關系将确保有多個團隊緻力于微電子研究，幫助這些學生爲研究生研究和/或該領域的職業生涯做好準備。
美國國家科學基金會新興和新技術體驗式學習(ExLENT)項目旨在提供包容性的體驗式學習經驗，以培養新興技術的勞動力，包括半導體和微電子此外，能源部支持數千名學生在其17個國家實驗室實習，使學生能夠在高中、技術學校、學院和大學以及其他教育項目中獲得體驗式學習。美國能源部還在其國家實驗室和許多大學和學院支持研究生和博士後獎學金。
還需要建立機制，以便更容易地招募和留住外國學生和專業人員，以滿足美國微電子工業的勞動力需求。建立和留住擁有高等學曆的國内勞動力還需要激勵措施，以與其他國家的招聘努力競争，包括改善外國出生、在美國受過教育、擁有關鍵研發和制造業相關技能的學生的移民途徑經過适當審查的國際學生交流，進一步擴大使用制造設施的機會，并确保與國際盟友和夥伴的合作，也可以鼓勵有技能的外國學生支持美國的勞動力需求。擴大其他國家，特别是在美國高等教育中代表性不足的國家的教育途徑的項目，将支持勞動力需求并加速所需的增長。這方面的例子包括讓其他國家的學生參與學術研究探索，從而促進碩士和博士課程的招生。研究保護仍然是最重要的，但這些擔憂必須與國際人才在美國創新生态系統中已經發揮并将繼續發揮的積極作用相平衡。
幫助培養微電子勞動力的策略包括：
有意參與并分享美國各地的教育項目和機會，确保地理多樣性，以及與HBCU、TCCUs、MSI、四年制大學和社區大學的聯系。
改善微電子教育程序的可訪問性，使殘疾學生和不同學習方式的學生能夠訪問。
鼓勵行業、學術界和其他相關利益相關者共同努力，确定、更新和映射半導體供應鏈上的ksa和技術能力。
擴大現有的帶薪實習和獎學金，爲學生提供微電子培訓。
開發一個開放的平台，提供低成本或免費的在線課程和可堆疊的證書，爲未來的勞動力發展提供職業跨越機會，以重新/提高技能。
提供遠程，虛拟和/或增強現實培訓，以模拟制造環境。
建立招聘和留住經過适當審查的外國學生和研究人員的機制。
建立和推動微電子研究和創新能力
爲了提高美國的競争力，它必須優先考慮支持創新和創業的投資和戰略計劃。有機會提高産品質量，降低成本，并最大限度地提高效率，以支持半導體設施。有必要鼓勵在教育後期的學生從事研究工作。這對于生活在服務水平不足的社區的第一代大學生來說尤其重要，他們可能沒有榜樣、導師或資源來在這麽小的時候決定自己的職業道路。NSF（國家科學基金會）支持的研究生非學術研究實習（INTERN）計劃爲研究生提供了在學術環境之外工作的經濟支持，以便他們能夠發展行業所需的專業技能。此外，各個階段的學生經常會改變他們的興趣或職業計劃，因此需要敏捷而靈活的系統來将學生和現有員工重新定向到研發等新職業中。
除了滿足當前和未來勞動力需求所需的人員外，學習過程還需要獲得最先進的設施，設備和工具。如上文在目标2中所述，需要增加資源共享、同地辦公、虛拟學習環境和其他手段，以便爲特定學術機構的學生提供跨多個機構或設施的重要學習資源。随着基礎設施的擴展以支持研發，學生也需要獲得這些資源。可以通過遠程訪問技術、消除學生使用前沿工具的地理限制的旅行資助以及使學生在追求創新工作時易于跨越學術體系的機制來最大限度地減少訪問障礙。
（1）在學生學術生涯的早期吸引和留住他們
爲了擴大微電子研究生态系統，項目需要在學生學術生涯的早期吸引和留住學生，并鼓勵他們攻讀高級學位課程。國防部支持的可擴展非對稱微電子參與（SCALE）計劃将國防部治理與國家公私學術合作夥伴關系的投入相結合，以吸引，發展和保留一支清晰的微電子團隊。SCALE是一個沉浸式的教育計劃，将政府和國防工業基地實習與一緻的研究和指導相結合，以加深對美國公民本科生和研究生的理解和關系建設。
爲了實現這些目标，SCALE制定了一套國家課程标準;爲從K-12到博士的學生量身定制的有凝聚力的消息傳遞和招聘方法;一個行業支持的安全微電子生态系統中心，讓學生參與将研究過渡到特定任務;和系統的計劃評估，以确保提高培訓和留住學生的有效性，以滿足勞動力需求。
幫助發展和維持研發隊伍的戰略包括：
利用學院和大學的創業項目，包括商學院的重點項目，擴大人們對爲提升美國領導力創造經濟條件的興趣。
增加獎學金，供學生攻讀以研究、創新和創業爲重點的STEM相關學科的高級學位。
如目标2所述，爲學生提供旅行資助等機制，使他們能夠更方便地使用研究基礎設施，從而在整個研究發展過程中進行培訓和工作。
提供獎學金；本科生、研究生和博士後獎學金；和其他基于工作的應用研究經驗學習機會。
探索促進學術機構和工業界之間更多交流項目或實習的機會。
目标4
創建一個充滿活力的微電子創新生态
系統，以加速R&D向美國産業的轉型
芯片法案促成的曆史性投資不僅爲填補R&D基礎設施的現有缺口提供了機會，還爲振興生态系統和創造良性微電子創新循環提供了機會。當前學科、機構、學術界和行業的分工，加上跨越設施和談判複雜協議以訪問工具和數字資源的挑戰，給技術開發連續體中的新創新成熟帶來了嚴重障礙。下面讨論的策略旨在減少或消除這些障礙，以促進跨堆棧的合作，促進研究基礎設施的訪問，促進學術界-工業界-政府的合作，并在各種努力之間建立橋梁，以創建一個路徑、反饋回路和移交網絡，從而使新創新加速向市場過渡。
一個相互關聯的複雜研究生态系統
正如本報告所述，微電子R&D生态系統複雜且基礎設施密集。用戶設施網絡擴大了對制造和表征新材料和設備所需的專業工具的訪問。這些用戶設施被描述爲"民主化科學"，使缺乏資源的研究機構的研究人員能夠構建完整的工具集，爲微電子研究做出貢獻，并擴大新進展的創新基礎。美國國家科學基金會資助的國家納米技術協調基礎設施是用戶網絡之一，提供對微電子研究至關重要的數千種專業工具。
在這張網絡圖（下圖）中，NNCI的站點用黑色表示，灰點代表使用NNCI設施的學術機構。如圖所示，許多大學使用每個設施，許多大學利用多個站點，反映了生态系統的複雜性以及這些用戶設施對研究企業的深遠影響，有助于連接不同的創新者和項目。
一個充滿活力的生态系統包括技術開發的所有方面，從早期研究概念到融入系統或産品。生态系統中的實體包括學術機構、供應鏈中的大小公司、非營利财團和協會、國家實驗室和其他FFRDCs、初創企業、投資公司以及聯邦、州、地區和地方政府的部門和機構。除了研究和技術開發，生态系統必須包括所需的教育和培訓工作，以确保流程的每個階段都有合适的勞動力。參與者包括學生和教育工作者、研究人員、開發人員、科學家和工程師、企業家、工會官員、商業領袖和政策制定者。
R&D向商業實踐過渡需要很長時間，這帶來了額外的挑戰。新技術從研究成果發表到創新成果批量商業化生産通常需要10到15年的時間。依賴複雜科學突破的技術可能需要更長的時間。例如，極紫外光刻工具花了40多年才被納入大規模制造。如下所述，聯邦政府的支持和利益相關者之間的加強協調有助于應對這一挑戰并加快研究、開發、演示和部署周期。
公共和私營部門的利益相關者一緻認爲，保持半導體行業的領導地位需要美國以比競争對手更快的速度進行創新。加快R&D轉化爲産品和服務的速度對于爲公衆帶來廣泛利益、支持美國經濟和維護國家安全至關重要。以目标1确定的領域爲重點的充滿活力的創新文化是一個重要基礎，必須輔之以資源和政策，以加快這些創新的轉化。
持續的領導地位需要創造和支持一個良性循環，在這個循環中，R&D推動創新的、面向市場的技術開發，包括漸進式和變革性的進步，反過來，這些技術又推動新的見解和研發資金。R&D的卓越與R&D在産品和服務領域的快速轉型相結合，将成爲美國及其盟友的一個重要和獨特的競争優勢。
需要建立機制來加強各機構之間以及學術界、政府和R&D工業界之間的溝通和協作。這種溝通和合作對于R&D表演者與政府和行業最終用戶之間的聯系以及增強研究人員對系統級設計和性能限制的了解至關重要。加強溝通和合作可以爲研究方向提供信息，以确保進步得以實施，并增加創新概念轉化爲制造的可能性。此外，建立溝通途徑和合作将爲新的研究進展提供機會，以推動能夠超越現有技術的颠覆性創新。
爲了發展充滿活力的微電子生态系統，加速R&D向商業化的過渡，美國政府将在未來五年内努力實現以下目标：
支持、建設和連接中心、公私夥伴關系和聯盟，以深化微電子生态系統中各利益相關方之間的合作
聯邦機構經常在共同感興趣的研究領域合作，并直接與整個微電子行業的公司合作，工業界通常直接參與特定項目的個人學術研究小組。然而，要确保微電子在未來的領先地位，需要深化合作以應對當前和未來的重大挑戰。在适當的情況下，大型研究中心和公私合作夥伴關系可以将多方聚集在一起。事實證明，建立和持續支持這些工作是一種有效的方法，有助于通過戰略組合團隊針對特定技術挑戰開展協作。
例如，一些聯邦機構與半導體研究公司（SRC）合作，将基礎學術研究與長期行業技術和勞動力需求更緊密地結合起來。DARPA-SRC聯合大學微電子計劃（JUMP 2.0）及其前身集中體現了這種方法的成功。雖然工業界經常與特定的學術研究人員達成雙邊協議，但聯邦政府資助的項目（如JUMP）有助于更廣泛的跨行業信息交流和建立共識。從更廣泛的社區角度來看，這些合作結構可以更快地确定需要資助的最高優先級研究。這些結構還提供了行業合作夥伴對學術研究人員的快速反饋，政府參與者有助于确保廣泛的影響和公共部門投資回報。本節讨論的深化合作的重點工作将有助于：
早期識别一組更全面的潛在障礙，以實現成熟和擴大新技術的規模，供更廣泛的行業和科學專家進行研究，并設計公共和私人資助計劃來支持這項工作。
更廣泛地認識到生态系統不同部分的共同和獨特需求，包括教育項目、學術研究人員、政府資助的獨立研究實驗室和小企業的需求，以及開發新産品、産品費用結構和服務來滿足這些需求。
爲新技術的開發和成熟建立新方法，創造性地利用許多不同合作組織的獨特能力，包括政府資助的用戶設施和高度專業化企業的世界領先的儀器和其他資源。
通過開發階段集中公共和私人資源推進具有潛在變革性的技術，在這些階段，成本大幅增加，而最終技術成功和商業可行性的基本風險仍然很高，從而使更多創新能夠比當前做法更快地進入市場。
除了上面讨論的用戶設施之外，NSF還有幾個支持大型多機構研究中心的項目，其中包括行業和其他成員。這些中心将學術研究人員聚集在一起，就共同的挑戰進行合作并利用各種能力。這些計劃還爲與大小公司和其他實體達成會員協議提供了一個框架，以解決知識産權等關鍵問題。目前有幾個與R&D微電子公司相關的國家科學基金會中心，包括國家科學基金會工程研究中心、移動計算和能源技術納米制造系統（NASCENT），專注于創造革命性的制造、設備、材料和建模，包括代表研究機構、材料供應商、設備制造商、集成設備制造商和前沿鑄造廠的大小公司。
其他例子包括國家科學基金會産業-大學合作研究中心（IUCRC）項目資助的幾個中心（其中國家科學基金會提供運營資金，工業界提供大部分研究資金），例如中心硬件和嵌入式系統安全與信任中心(CHEST)和通信系統高頻電子與電路中心(CHECCS)。
能源部17個國家實驗室的微電子和半導體技術創新得益于卓越的物理學專業基礎；化學和化學工程；材料科學；等離子科學；同位素生産；納米制造；電氣、機械和系統工程和計算機科學。補充這一專業知識的是材料研究、器件設計和制造、表征以及建模和模拟方面的廣泛能力。能源部的國家實驗室具備開發先進微電子技術所需的特定能力，包括通過能源部五個納米科學研究中心和其他用戶設施提供的新型制造方法開發和評估新材料和快速原型。桑迪亞國家實驗室的微系統工程、科學和應用（MESA）綜合體等設施還具備額外的R&D和生産能力。與這些實驗能力相輔相成的是模拟、建模和數據科學能力，從原子方法到量子和神經形态技術、人工智能和機器學習以及超萬億次高性能計算（HPC）。高性能計算能夠支持材料研究、電路和系統設計以及性能預測。通過能源部的用戶設施網絡，包括大學、工業和其他政府機構在内的廣大科學界可以獲得許多這些實驗和計算能力。
區域創新中心可以彙集多個合作夥伴，并通過整個供應鏈的協調促進實驗室到市場路徑上的技術轉讓。基于夥伴關系的區域中心有可能通過将大企業的管理能力與小企業、政府和學術研究實驗室的專長結合起來，減少開發和過渡的時間和成本。事實證明，在增強現有集群時，區域中心比試圖在沒有現有資本和人才基礎的情況下創建此類生态系統更有效。NSF區域創新引擎和DOC經濟發展管理局區域技術和創新中心（技術中心）計劃是支持這些努力的聯邦計劃的示例。此外，DOC芯片激勵計劃鼓勵支持地區半導體生态系統。
國防部微電子公共領域旨在利用和加強選定中心周圍的區域生态系統，提供實驗室到工廠的能力。Commons hub生态系統不一定受到州界的限制，它旨在成爲一個區域能力網絡，利用Commons的資金和學術、非營利或行業機構的現有能力進行潛在的增強，既可以作爲創新的來源，也可以作爲贊助活動的舉辦地。
美國制造業研究所代表了另一種有效的模式，可以促進多個制造業行業的行業需求和學術能力之間的交流。目前，五個研究所支持微電子制造基地的要素，包括增材制造和3D打印的相鄰部門、先進機器人制造和數字制造工具。與這些和其他依賴微電子創新的部門（如工業自動化和機器人、通信、高性能和下一代計算、健康科學和人工智能）的更多接觸将有助于爲新的合作領域提供信息。根據芯片法案，國會授權并撥款建立了三個新的美國制造研究所，專注于半導體制造。增加對新模式和現有模式的支持可以擴展到新技術和新興技術，并使新的行業合作夥伴參與進來，以加快新技術向制造業的過渡。
國家半導體技術中心預計将成爲美國微電子創新生态系統的焦點。如《美國芯片法案》第9906（c）節所述，NSTC将是一個公私聯盟，包括美國國防部、美國國防部、美國能源部和美國國家科學基金會以及私營部門實體。雖然NSTC的許多細節仍在制定中，但它将尋求吸納整個微電子價值鏈的成員——包括大小公司、大學、研究機構、能源部國家實驗室和其他FFRDCs以及非營利組織——并将建立機制以促進信息交流，吸引成員和外部投資者的私營部門投資，并協調私營部門和公共部門的投資。要發揮這些作用，NSTC既要作爲中立協調者受到信任，又要被視爲對公共和私人投資者的需求做出了回應，這需要世界領先的技術專長和能夠适當平衡公共和私人部門利益的治理結構。
除了通過目标2下讨論的技術中心網絡提供獲取實物資産的途徑外，NSTC還可能參與此處強調的若幹戰略，以幫助連接社區。除了關鍵工具之外，微電子R&D設施群還必須擁有足夠數量的技術專家和科研人員來操作和改進儀器，并創建一個卓越中心來解決其他實體權限之外的關鍵問題。例如，學術研究人員可能會發現一種新材料，并進行實驗和原型制作來證明這一概念。
然而，爲了在設計和使用中采用新材料，必須在各種加工參數下精确了解缺陷結構，以充分預測其行爲和性能。這種有針對性的研究超出了學術努力的範圍，但不太可能在工業實驗室中得到解決，因爲這種材料尚未得到充分證明。同樣的概念也适用于整個堆棧；必要的研究介于早期研究和後期實施之間，在當前的美國生态系統中形成了一個缺口。
本報告中确定的努力旨在填補這一空白，通過利用整個生态系統中的公共和私人投資及專業知識，提供獲得所需基礎設施和科學專業知識的途徑，以幫助在技術發展道路上實現創新轉型。例如，NSTC将從學術界、工業界、能源部國家實驗室和其他FFRDCs以及世界各地的其他機構補充專門的專業科學人員，以創建一個充滿活力的創新引擎，加快未來創新在制造業中的應用。
雖然這些方法中的每一種都促進了每項具體工作中的知識和人才流動，但必須促進整個微電子技術開發連續體的交流，以支持和加強整個生态系統。在某些情況下，可能需要具有成員資格的财團之間的直接聯系或其他合同協議，而在其他情況下，不太正式的安排可能就足夠了或更可取。需要确定和支持成熟和過渡研究突破的途徑，跨越基礎設施資源和科學專業知識的星座。技術開發路徑不是一個簡單的線性過程，因此反饋循環和分支将是必要的。同樣重要的是要注意到，單個研究人員或研究團隊很少在其整個開發過程中進行新的創新，因此也需要促進實體之間的交接。
促進衆多中心和聯盟之間信息共享和協作的關鍵行動包括：
通過SML結構、咨詢委員會和其他适當的機制，深化監督、支持和指導相關中心和聯盟的衆多機構的政府官員之間的合作。
從每個機構中指定一名代表作爲向導，幫助利益相關者在研究人員進行技術開發的各個階段中浏覽複雜的設施和資助機會網絡。這些指南将通過SML緊密合作，并與中心/聯盟領導層合作。
開發并發布每個中心/聯盟内可用的能力和特定工具的詳細信息。
每年召集中心主任和機構贊助人建立社區，提高對整個生态系統能力和活動的認識。
支持共享活動和網絡研讨會，以提高研究人員對其他中心工作的認識。
促進跨中心的研究交流和訪問職位。
在評審委員會和表演者活動中包括支持R&D微電子公司的美國主要政府機構的代表，以利用聯邦資金。
在适當的情況下，制定财團之間的準入協議。
在專利和其他知識産權以及标準開發等問題上利用培訓成果來提高研究人員對商業化關鍵步驟的認識。
進行年度SML能力審查，并定期征求利益相關方的意見。
參與并利用芯片産業咨詢委員會
加強和重振美國在微電子領域的領導地位需要廣泛的行業和學術利益相關者的密切參與、建議和監督。根據2021年美國芯片法案第9906（b）節的要求，商務部長成立了一個工業咨詢委員會（IAC），以評估美國國内微電子行業的科技需求并爲美國政府提供指導；分析微電子研究國家戰略在多大程度上有助于保持美國在微電子制造領域的領先地位；評估根據《2021年美國芯片法案》授權的研發計劃和活動；并爲新的公私合營企業尋找機會，推進微電子研究、開發和國内制造的夥伴關系。該聯邦咨詢委員會向商務部長提供定期報告，在積極識别新興R&D、制造技術和勞動力需求以應對商業市場或地緣政治的未來戰略轉變方面也很有價值。
臨時行政委員會已開始工作，設立了組織和公私夥伴關系工作組、R&D勞動力工作組和研發工作組。關于每個工作組的任務和建議的更多信息可在臨時行政委員會網站上查閱。
在第一次會議上，委員會聽取了關于微電子研究國家戰略草案的簡要介紹，以及根據《聯邦公報》上公布的信息請求收到的公衆反應。讨論和臨時行政委員會随後發布的建議爲本文件的修訂提供了信息。
參與和利用CHIPS IAC的關鍵行動包括：
SML審查委員會的建議，爲機構間讨論和機構行動提供信息。
機構代表應要求酌情向臨時行政理事會通報最新情況。
激勵和協調微電子界應對R&D路線圖和重大挑戰中的關鍵技術挑戰
随着技術向越來越小的節點發展，在半導體行業中有效使用路線圖以使研究工作和相應投資與關鍵技術挑戰保持一緻的曆史由來已久。如果行業技術路線圖得到廣泛信任并經常更新，那麽它們在通過關注創新者和讓投資者對商業可行性的時間表充滿信心來實現創新方面可能具有難以置信的價值。
此外，這樣的路線圖确定了預期進步的邊界，這将激勵創新的R&D超越這些預期。如目标1所述，微電子的多樣化将需要多種路線圖來支持不同應用的各種性能指标。聯邦政府将繼續鼓勵并在适當的情況下資助由社區利益相關者制定的技術路線圖的制定，并參考對相關技術和經濟因素的最新理解。
激勵和組織研發社區的另一種機制是明确重大挑戰，以幫助确定優先研發方向。這些活動必須廣泛地代表學術機構、研究實驗室和行業的利益相關者，并讓他們參與進來。他們還必須關注需要廣泛專業知識的主題，以實現非漸進式進展并推動整個行業的發展。
促進制定路線圖和重點研究工作重大挑戰的關鍵戰略包括：
召開研讨會和會議，将社區聚集在一起以确定和解決關鍵問題。
支持行業協會和其他組織領導路線圖制定工作。
促進學術界、政府和工業界的交流，以擴大對需求和機遇的理解
除了學生實習之外，教師有機會在工業R&D或制造業環境或聯邦研究機構度過一段時間，也可以提供寶貴的經驗和見解。同樣，在學術中心安插行業研究人員可以促進信息交流，并爲大學研究界提供背景。
随着技術的不斷進步，發展越來越依賴于越來越精确的工程材料和工藝，儀器、診斷和實驗合成能力需要快速成熟的新想法，即使是大型私營企業也将越來越遙不可及。因此，在政府資助的用戶設施和其他研究機構中，特别是在美國能源部國家實驗室和其他ffrdc中，世界領先的儀器、綜合能力和計算資源所發揮的作用預計将對創新管道變得越來越重要。要發揮這一作用，需要：
在政府資助機構和私營部門組織之間開發高效的合作方法，實現公平、靈活的短期和長期安排，最大限度地減少合同談判所消耗的時間。
當機構收集要求并對政府資助的資源和活動進行技術和方案規劃時，包括擴大潛在利益相關者的範圍，包括了解私人資金如何用于擴大公共資助的項目，同時确保這些項目滿足任務需求。
擴大宣傳政府資助能力的活動，除了旨在發展公私合作夥伴關系的計劃外，還支持教育和勞動力發展計劃利用這些能力。
通過有針對性的計劃和投資支持創業、初創和早期企業
矽谷的曆史證明了初創企業在推動微電子行業創新方面發揮的巨大作用。然而，設計和制造前沿電路的高資本成本以及制造業的整合等趨勢，在初創企業的需求與大型跨國公司的創新方式之間造成了特别大的不匹配。鑒于這些挑戰，需要有針對性的聯邦投資來促進初創公司的創造和成功，努力将新技術推向市場。
聯邦資助的項目可以爲企業家提供商業發展培訓和R&D基礎設施的使用權，還可以幫助啓動私營部門的夥伴關系和資本投資。已經制定了多個聯邦計劃來支持創業精神，這些計劃可以推廣和/或複制，從而爲該行業提供特定的機會，包括以下示例：
國家科學基金會的創新團隊（I-Corps）項目爲學者提供培訓，通過提高他們對商業規劃和創業技能的理解來促進初創企業的形成。能源部的能源I-Corps爲能源部國家實驗室的企業家做了同樣的事情。
NSF融合加速器計劃爲研究人員和創新者提供知識和機會，通過支持跨學科團隊（由不同專業、學科、部門和實踐社區組成）共同促進創新和發現，加速解決方案在現實世界中的應用。
能源部先進材料和制造技術辦公室已在四個能源部國家實驗室建立了嵌入式企業家計劃，以幫助創新型初創企業開發新的制造技術，并通過利用實驗室的專業知識和科學基礎設施更快地将其推向市場。
NIST技術成熟加速器項目爲NIST的研究人員提供了一個平台，向風險資本家和商業專家推介尖端技術，獲勝者将獲得資金以加速他們的項目推向市場。
美國國家航空航天局發起了一項企業家挑戰賽，以确定創新想法和新參與者，從而開發出有可能推進該機構科學任務目标的新儀器和新技術。
DARPA創立了嵌入式創業倡議，以加速贊助研究的商業化。該計劃爲市場戰略的制定提供資金，并與情報界的In-Q-Tel（IQT）風險部門合作提供指導和投資者聯系。101 DARPA還利用能源部實驗室嵌入式創業計劃中的回旋加速器道路站點，專門爲微電子初創企業提供獎學金。
該機構的小企業創新研究（SBIR）和小企業技術轉讓（STTR）計劃提供了另一個支持小企業的機會，通過非稀釋性資本投資和廣泛的支持服務來促進受支持公司的成功。有機構協調SBIR/STTR招标以支持共同感興趣的特定技術的例子。跨機構協調SBIR/STTR主題可以表明對美國創新和新興技術的承諾和興趣，尤其是對半導體行業相關領域的初創企業和小企業而言。
例如，農業部國家糧食和農業研究所的SBIR/STTR項目資助了一個将微電子技術應用于農業的項目，包括一套微型傳感器，爲種植者提供植物水分脅迫的直接物理測量，以用于灌溉計劃。聯合機構主題可用于建立一個廣泛的實踐社區，有意納入創新型小企業并擴大與大學加速器的聯系，包括HBCUs和其他MSI。
美國空軍的商業"投資"集團AFVentures就是利用SBIR/STTR計劃的一個例子，該計劃通過提供額外資金來匹配投資組合中公司的私人投資來加速技術過渡。該計劃将獲得某種形式風險資本獎勵的公司比例從10%提高到29%，在2015年之前的所有國防部獎項中，AFVentures組合目前隻包括電子公司的一小部分獎勵。
有幾個聯邦政府項目使用風險基金進行股權融資，以直接支持早期公司并與私營部門風險社區合作。例如，IQT支持情報界的技術，HHS生物醫學高級研究和發展局（BARDA）最近啓動了BARDA Ventures，以支持公共衛生的醫療對策。通過包含技術轉讓目标的公私夥伴關系将風險資本基金與研究基礎設施相結合，已在其他國家的微電子部門證明了回報。風險基金可以提供一條更直接的途徑來支持合作機構創造的創新成果的商業化。《美國芯片法案》條款要求在NSTC設立投資基金。該基金的細節正在制定中。
貸款和貸款擔保是另一種可以幫助初創公司的機制。小企業管理局通過與貸款機構合作向小企業提供貸款來降低風險，并使獲得資本更加容易。美國能源部貸款項目辦公室管理三個不同的貸款項目，爲一流項目提供從私人貸款機構無法獲得的債務資本，并提供靈活的定制融資。
除了直接支持和促進合作外，初創企業和早期企業必須有機會爲制定國際技術标準做出貢獻。通過參與由專業協會或行業協會組織的國際标準制定活動，美國可以塑造全球技術發展，并支持進入未來的國際市場。制定标準的活動可能需要幾年的審議和原型制作，然後才能達成共識。正如《關鍵和新興技術國家标準戰略》所鼓勵的那樣，支持參與制定标準活動的新機制将使那些追求尚未建立商業市場的新興技術的小企業能夠進行急需的參與。
根據這一戰略，2023年9月，NIST CHIPS研發辦公室和許多其他美國政府項目、标準制定組織（SDO）和行業協會合作組織了CHIPS研發标準峰會。該活動彙集了CHIPS for America領導者，SDO和半導體領域的行業聯盟，以優先考慮半導體和微電子标準活動;促進半導體行業标準社區内的合作，協調和創新;并幫助識别标準創新的機會，并實現多樣化的标準能力。
推進研發以支持制造和供應鏈安全
芯片法案的核心是建立一個強大的國内半導體制造業和彈性和安全的半導體供應鏈。此外，現有的計劃，如國防部的可信和可靠微電子（T&AM）計劃，通過獲得先進的微電子技術來推動國防系統的現代化，這些技術利用了最先進的（SOTA）商業驅動能力。T&AM計劃識别并努力減輕整個微電子供應鏈中的持續威脅。T&AM計劃由以下技術執行領域組成:先進封裝和測試、SOTA微電子、抗輻射微電子和SOTA射頻/光電微電子；以及教育和勞動力發展和微電子保障。
本報告介紹了支持制造業和将新技術轉化爲生産的研發機會。除了通過國際合作使供應鏈多樣化之外，研發工作還有助于爲關鍵礦物、材料或其他關鍵供應鏈挑戰提供替代品。對半導體供應鏈的持續分析和監控将爲這些研發工作提供信息。
國際合作以及貿易和外交的作用
半導體供應鏈本質上是全球性的，微電子創新生态系統也是如此，研究設施和人才遍布世界各地。本戰略中提出的目标和目的是在這一更廣泛的背景下制定的，需要在這一背景下加以解決。至關重要的是利用盟友和合作夥伴支持的資源和努力，促進人才流動和研究合作的機會，确保安全的供應鏈，并促進保護研究、技術和知識産權的法律和監管框架。
半導體研發資金的最大來源來自美國的私營公司。美國半導體行業一直将其年收入的大約20%投資于R&D，這一比例在其他任何國家的半導體行業中都是最高的。在2021年，這相當于在一年内爲R&D分配了500多億美元。同年，全球半導體銷售額中約80%來自美洲以外。因此，美國公司依賴于保持在外國市場的銷售渠道，以繼續推動使其成爲全球領導者的創新。旨在打擊其他政府不公平貿易行爲、補充支持美國制造業的國内政策并努力爲技術出口創造公平競争環境的貿易政策對于保持美國在微電子領域的領導地位至關重要。
美國政府機構，包括商務部和美國貿易代表辦公室，正在努力确保所有政府緻力于通過基于市場的原則促進半導體行業的健康發展，并确保公司及其産品的競争力是創新、工業成功和國際貿易的主要驅動力。DOC還與合作夥伴和盟友合作，加強美國和志同道合的經濟體中公司的半導體供應鏈，以建立彈性并納入國家安全優先事項，從而加強全球供應鏈。
技術外交是擴大與盟國和夥伴之間的合作的重要工具。利用有針對性的對話、特别工作組、諒解備忘錄、科技協議和其他有關微電子的重點工作，有助于加強雙邊和多邊合作。此外，一些機構正在努力支持國際研發合作，這些合作可用于推進特定的研究目标，提供獲得研究基礎設施的途徑，并促進技術交流。加強美國和國際研究人員、工業界和終端用戶利益相關者之間的溝通與合作，以支持新技術的開發和成熟，有助于加強整個微電子創新生态系統。
根據"芯片法案"的要求，美國國務院設立了國際技術安全與創新（ITSI）基金，以促進安全可靠的電信網絡的發展和采用，并确保半導體供應鏈的安全和多樣化。加強世界的長期經濟安全取決于支持創新的能力，創新将推動下一代半導體技術的發展。爲了确保先進半導體發展所需的更多樣化、更具彈性和更安全的全球半導體供應鏈，ITSI基金将支持确保關鍵礦産投入的努力，加強在研究安全和知識産權保護等問題上的國際政策協調，擴大全球各行業的生産能力并使其多樣化，以及保護國家安全。
ITSI基金活動實例
生态系統評論：2023年，美國國務院确定了五個根據美國微電子戰略擴大産能的目标國家——哥斯達黎加、巴拿馬、越南、菲律賓和印度尼西亞。ITSI正與經濟合作與發展組織（經合組織）合作，在這些國家開展獨立的生态系統審查，爲封裝、測試和封裝分部門的能力建設提供路線圖。審查考察了勞動力發展需求、基礎設施、行業特定法律、現有技術中心和行業優勢等經濟因素，以及激勵私營部門投資ATP産能的經濟和政策激勵措施。ITSI在這些國家的能力建設計劃将側重于吸引私人投資的勞動力發展、縮小監管差距以及加強半導體設施的物理和知識産權保護。
APEP研讨會：ITSI支持多邊夥伴關系以實現戰略目标，如美國經濟繁榮夥伴關系（APEP）半導體勞動力研讨會：爲21世紀熟練勞動力建設技術能力。研讨會将創建和擴大教育計劃，通過在整個拉丁美洲的行業和技術機構之間建立聯系來幫助滿足半導體勞動力需求。
國際研究人員對美國在先進半導體領域的領導地位至關重要。随着聯邦機構開發加強合作的項目和場所，将考慮促進本科、研究生和專業水平的國際研究人員與美國國内生态系統的接觸。需要爲在美國工作或訪問進行技術交流的國際研究人員加強适當、有效的法律程序。這些努力需要改善接受持有各種美國非移民簽證的研究人員的流程，包括但不限于F-1s、H-1b和J-1s或基于就業的移民簽證類别，包括學生、研究人員和專家。
國際合作的另一個機會是在教育和勞動力發展領域。半導體公司在全球各地都有工廠，有幾種模式成功的培訓項目。發展特定工作類别的技能和技術能力有助于解決熟練勞動力短缺問題。教育機構之間建立夥伴關系并共享課程和培訓資源有助于滿足對訓練有素的勞動力的需求，并促進員工流動。
世界各地的初創企業和小企業也在半導體和相關技術方面進行創新。Quad的技術、商業和投資論壇等現有機制和新機制可以用來與世界各地的初創企業和創新生态系統建立聯系。聯邦機構可以繼續促進雙邊和多邊對話，爲美國産業和投資者提供機會，突出有前途的技術和企業家，以擴大美國創新生态系統。
未來方向
芯片法案投資提供了一個獨特的機會，不僅可以激勵國内半導體制造業，還可以加強微電子R&D生态系統，提升美國未來的競争地位。随着這些曆史性計劃的實施，半導體行業正在迅速發展，一切照舊不足以取得成功。各機構必須與學術界、工業界以及國際盟友和合作夥伴比以往任何時候都更加緊密地合作，以确保芯片投資建立一個充滿活力的生态系統，推動未來的創新。美國政府R&D微電子公司的項目組合涵蓋了從早期基礎研究到制造過程的全部範圍，盡管每個項目都有特定的作用，但廣泛的項目需要仔細聯系起來，以促進新研究進展轉化爲商業應用的途徑。
《美國芯片法案》要求微電子領導小組委員會"協調與微電子相關的研究、開發、制造和供應鏈安全活動以及聯邦機構的預算，并确保這些活動符合"本文件中提出的戰略。爲了更好地了解整個政府支持R&D微電子公司的努力，SML将對聯邦投資進行組合審查，并在該戰略發布後180天内根據該戰略中确定的優先事項對這些投資進行交叉評估，此後每年進行一次評估。這一審查将使各機構更好地了解彼此的方案和優先事項，并爲年度預算編制提供信息。鑒于該行業的動态性和正在發生的一系列深刻的技術變革，該戰略保持敏捷并對不斷變化的環境做出響應至關重要。雖然這份戰略文件是一個起點，但年度審查将爲各機構提供一個機會，不斷調整和集中努力保持進展。随着新項目的建立，SML将在未來幾個月和幾年中作爲機構間協調的論壇發揮關鍵作用，并将确保各個部門和機構的投資具有協同效應并得到充分利用，避免重複和缺口。
這一戰略的成功，以及CHIPS更廣泛的行動，在很大程度上取決于解決巨大的勞動力需求。SML教育和勞動力機構間工作組将協調整個教育領域的機構間工作，并與可能成立的新實體（如專門的卓越中心）密切合作。國際外交和貿易在恢複美國半導體制造業領導地位和确保供應鏈安全的持續努力中發揮着重要作用。正如本文通篇所述，與盟友和合作夥伴的接觸對于推進該戰略的目标至關重要，而SML國際工作組是一個随着關鍵芯片條款的實施，機構間合作的論壇尤爲重要。與世界各地的領先專家合作将有助于推進微電子研究的前沿，支持互惠互利的知識夥伴關系，建立聯系專業知識和利用投資的網絡，并促進獲得支持新創新的獨特研究基礎設施。
作爲微電子革命的發源地，美國在半導體技術的開發和應用方面處于世界領先地位，這項技術現在支撐着我們經濟和安全的方方面面。然而，國際競争非常激烈，無法保證繼續保持領先地位。對芯片法案的曆史性投資既提供了振興國内微電子R&D生态系統的令人興奮的機會，也帶來了确保這些投資保障國家長期國家和經濟安全的艱巨責任。當美國人把他們不同的專業知識、創業精神和動力集中到一個共同的目标上時，美國就處于最強大的狀态。該戰略提供了一個框架來創建這一重點，不僅指導美國政府的工作，而且召集整個微電子R&D社區——創新者、教育工作者、盟友和合作夥伴以及政策制定者——來開發實現美國巨大抱負所需的技術。
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https://www.whitehouse.gov/ostp/news-updates/2024/03/15/white-house-office-of-science-and-technology-policy-releases-national-strategy-on-microelectronics-research/
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