美国的芯片制造野心，首次详细披露

原标题：美国的芯片制造野心，首次详细披露
                          
图片来源@视觉中国

  文 | 半导体行业观察

日前，美国发布了芯片补贴的申请流程。与此同时，他们还发布了一个白皮书，披露了他们在制造方面的愿景，我们摘译如下。
半导体是美国经济和国家安全不可或缺的一部分，为我们的消费电子产品、汽车、数据中心、关键基础设施和几乎所有军事系统提供动力。然而，尽管美国在半导体设计和研发 (R&D) 方面仍然处于全球领先地位，但它在制造方面已经落后，目前仅占全球商业生产的 10% 左右。今天，最先进的逻辑和存储芯片——为个人电脑、智能手机和超级计算机提供动力的芯片——都不是在美国进行商业规模生产的。
此外，半导体供应链的许多要素在地理位置上都比较集中，这使它们容易受到破坏并危及全球经济和美国国家安全。此外，由于对制造技术和相关研发的持续投资提高了技术知识并促进了创新的良性循环，美国的生产能力不足也危及其技术领先地位和长期的全球领先能力。
在此背景下，美国商务部CHIPS项目办公室发布了首个融资机会，寻求尖端技术前后端、当前一代和成熟节点的半导体制造商业设施的建设、扩建或现代化项目申请，并发布了对这些项目的愿景，当中涵盖了前沿逻辑、先进封装、前沿内存和成熟节点四个方面。
CHIPS计划办公室表示，部门只负责管理的资金只占实现这一成功愿景所需投资的一小部分。同时，权衡是必要的，并非每个申请者都会获得资金，许多项目不会获得申请者要求的那么多支持。此外，尽管 CHIPS 计划办公室是在行业周期性低迷时期推出其首个融资机会，但 CHIPS 资金不会被用作帮助企业忍受暂时低迷的拐杖。相反，CHIPS 计划办公室将专注于推进美国经济和国家安全目标。
CHIPS 计划办公室对其面临的挑战的规模一清二楚。美国要重建一个几十年来一直没落的高度复杂的制造业绝非易事。成功需要长期的雄心壮志：建立国内半导体生态系统，振兴美国制造业，培养下一代科学家、工程师和技术人员。为应对这一挑战，CHIPS 项目办公室确定了九个交叉主题，以指导其实施工作，当中包括：
1. 促进民间投资；
2. 鼓励客户需求；
3. 与美国伙伴和盟友接触；
4. 建设一支技能娴熟且多元化的员工队伍；
5. 缩短构建时间；
6. 通过创新降低成本；
7. 促进 CHIPS 资助设施的运营安全、供应链安全和网络安全；
8. 促进区域经济发展和包容性经济增长；
9. 加强护栏。
这些主题的成功将有助于确保 CHIPS 资助促进美国在芯片制造领域的领导地位，增强半导体供应链的稳定性，并促进美国经济和国家安全。
前沿逻辑
美国的经济和国家安全取决于我们设计和生产尖端逻辑芯片的能力。这些先进的芯片为我们的计算机、智能手机、服务器和超级计算机提供动力。它们越来越成为美国关键基础设施和军事现代化努力的基础。它们对从人工智能到生物技术再到清洁能源的未来技术至关重要。
今天，所有领先逻辑芯片的商业生产都发生在东亚，但这是最近的发展。东亚芯片制造商在工艺技术（允许工程师将更多晶体管和其他电子元件安装到单个芯片上的制造方法）和规模方面都超过了美国，吸引了支持他们持续扩张和创新的广泛客户群。这在一定程度上是由于东亚公司开创的“纯代工”商业模式导致的。与设计和制造自己的芯片的集成设备制造商不同，纯晶圆代工厂在合同的基础上制造来自各种客户的芯片设计。因此，许多美国公司已经成为“无晶圆厂”，在半导体设计领域处于世界领先地位，同时将制造外包给东亚代工厂。
美国在芯片设计方面的实力是一项关键的商业和战略资产，但美国制造业的衰退——以及随后的地理集中——造成了供应链的脆弱性。它还削弱了美国的技术领先地位：没有晶圆厂，就很难建立有助于刺激工艺技术创新和芯片设计相关进步的国内制造技术。CHIPS 计划办公室的一个核心优先事项是帮助美国在可持续的基础上再次以具有竞争力的规模生产最先进的芯片，无论是通过纯晶圆代工模式还是允许公司大规模制造芯片的替代模式。据此 , CHIPS 计划办公室设定了以下目标：
到本世纪末，美国将至少拥有两个新的大型前沿逻辑工厂集群。为此，CHIPS 计划办公室将集群定义为一个地理上紧凑的区域，其中有多个由一家或多家公司拥有和运营的商业规模晶圆厂；庞大、多样化和熟练的劳动力；邻近的半导体行业供应商、研发设施、公共服务 以及专门的基础设施，例如化学加工和水处理设施。
鉴于美国持续保持逻辑芯片生产能力的重要性以及先进逻辑芯片生产竞争格局的快速变化，依赖单一集群存在严重风险。因此，CHIPS 计划办公室希望将其领先的逻辑投资集中在至少两个公司在美国制造高度先进芯片的集群上。
每个前沿集群都将拥有规模、基础设施和其他竞争优势，以确保芯片制造商将在美国的持续扩张视为具有经济吸引力和商业模式的核心，即使未来没有来自 CHIPS 计划办公室的资助。CHIPS 计划办公室将根据申请人对美国正在进行的私人投资做出可信商业承诺的程度来评估申请。CHIPS 计划办公室还将致力于确保每个美国集群都有足够的规模来降低未来产能扩张的成本，并强烈鼓励申请人探索其他长期降低成本的创新方法。
此外，CHIPS计划办公室将鼓励无晶圆厂公司和原始设备制造商通过增加对国产芯片的需求来优先考虑供应链安全。
美国的工人将开发和扩展作为未来几代逻辑芯片基础的工艺技术。申请人将被要求提交他们在美国半导体行业的持续再投资战略，CHIPS 计划办公室将优先考虑那些有信心承诺在美国投资研发的申请人，例如通过建设国内研发晶圆厂或其他国内研发设施。在美国境内进行研发将促进新的前沿工艺技术向大批量生产的转移，并表明芯片制造商有意在美国长期投资。
每个 CHIPS法案资助的晶圆厂都将得到一个由致力于在美国运营和创新的可靠供应商组成的生态系统的支持。CHIPS 计划办公室鼓励申请人采取措施吸引相关供应商，例如通过确定主要供应商落户同一地区的计划、确定可以使申请人以及材料或制造设备受益的基础设施供应商，或将这些供应商纳入申请人的劳动力发展或研发承诺。CHIPS 计划办公室还将在 2023 年春末为材料和制造设备设施发布单独的资助机会。
美国国防部和国家安全部门将能够在美国的商业生产环境中获得安全的前沿逻辑芯片制造。美国军方目前无法从本土设施采购尖端芯片，导致关键军事系统容易受到供应中断的影响。因此，在美国生产安全芯片是一项战略重点。
先进封装
组装、测试和封装 (ATP) 是半导体生产的最后步骤。这些步骤通常在专门的设施中执行，并且历来是劳动密集型的。如今，大多数封装能力位于东亚和东南亚，那里的 ATP 设施可以位于执行电子组装的公司附近。美国目前仅有有限的 ATP 容量，这种短缺代表了一个战略漏洞，因为在不投资封装的情况下增强前端制造能力将限制供应链的弹性。
该行业将封装分为两类：传统封装和先进封装。尽管出于国家安全目的，美国必须将一些常规封装在岸，但通常很难在美国建立具有经济竞争力的常规封装设施。对于传统封装，CHIPS 计划办公室将与其他部门和机构协调，支持与盟国和合作伙伴的持续工作，包括美洲国家和参与印度洋-太平洋经济繁荣框架的国家和地区，以确保全球的充分性能力和保证供应。
与此同时，CHIPS 计划办公室将投资于支持美国在先进封装领域处于领先地位的项目——封装技术的一个子集，使用新技术和材料来提高集成电路的性能、功率、模块化和/或耐用性。芯片制造商越来越多地将先进封装的进步视为保持逻辑和存储芯片生产领先优势的关键。事实上，先进封装有望在人工智能、云计算和医疗应用以及许多其他下一代技术的芯片开发中发挥重要作用。
因此，CHIPS 计划办公室为先进封装设定了以下目标：
到本世纪末，美国将拥有多个大批量先进封装设施。鉴于先进封装对前沿逻辑和存储器制造的重要性，CHIPS 计划办公室鼓励申请者在晶圆制造之外投资先进封装。CHIPS 计划办公室欢迎来自外包组装和测试公司的申请，以及来自集成设备制造商和具有内部先进封装能力的代工厂的申请。
美国将成为逻辑和存储芯片商业规模先进封装的全球技术领导者。CHIPS研发办公室成立了国家先进封装制造计划，该计划将利用其部分资金在未来十年内推动先进封装的快速发展，加速人工智能、云计算和下一代等战略产业的进步。CHIPS 计划办公室旨在通过确保最新的先进封装技术在美国实现商业规模来巩固这一进展。
由 CHIPS 资助的晶圆厂生产的半导体将有多种封装服务选择，包括来自美国的设施和位于相关国家以外不同地点的其他设施。此外，美国及其盟友和伙伴将大大减少了传统封装对受关注国家的依赖。与州政府一起，商务部将与美国的盟友和合作伙伴合作，帮助他们吸引对传统包装设施的投资。对于为前端制造设施寻求资金的申请人，CHIPS 计划办公室将考虑制造过程中任何上游和下游步骤的位置对国家安全的风险。
前沿内存
存储芯片是从超级计算机到智能手机等所有计算系统的重要组成部分，占全球半导体市场的很大一部分。虽然美国曾经是内存生产的领导者，但成本竞争和市场整合导致大多数美国公司在1980年代和1990年代退出内存业务。大多数制造——即使是美国公司经营的晶圆厂——现在都在东亚进行。因此，对美国领先内存生产的投资将提升美国的技术领先地位和地理优势多元化全球供应。
与逻辑芯片不同，内存产品是标准化的并且通常可以互操作：一家公司的内存芯片通常可以替代另一家公司的内存芯片。这些特性通常会增加内存市场的弹性，因为内存客户愿意为主流市场支付费用价格通常可以从市场上的任何内存生产商处采购他们的产品。因此，与逻辑芯片制造商相比，内存芯片制造商必须主要在价格上展开竞争，并以较低的利润率运营。因此，美国内存生产商需要达到足够的规模才能从东亚较大集群所享有的规模经济中受益。
CHIPS 计划办公室为存储芯片设定了以下目标：
到本世纪末，美国的晶圆厂将以经济上有竞争力的条件生产大批量领先的动态随机存取存储器 (DRAM) 芯片。CHIPS 计划办公室欢迎内存公司申请在美国建立先进的内存容量，尤其是那些确定降低美国生产成本的创新方法的申请。资金申请者应证明其美国存储设施在 CHIPS 激励计划结束后通过持续升级在经济上具有竞争力并得以维持，CHIPS 计划办公室鼓励申请者探索长期降低成本的创新方法。
对超级计算和其他应用至关重要的下一代内存技术的研发将在美国进行。DRAM 将成为超级计算和其他先进技术的关键。此外，随着先进封装技术的创新，内存和逻辑技术将协同工作以实现高级计算，最终逻辑和内存功能将更深入地集成在单个或共同封装的芯片上。
当前一代和成熟节点半导体
当前一代和成熟节点芯片的弹性供应对美国经济和国家安全至关重要。这些芯片广泛应用于现代技术，包括汽车、航空航天和国防系统、医疗设备和关键基础设施。但在过去几年中，COVID-19 大流行和相关的经济影响暴露了这些供应链潜在的脆弱性。2020 年至 2021 年间，与计算、通信以及消费品和工业品相关的半导体需求猛增。当该行业努力增加供应时，由此产生的短缺加剧了持续的供需失衡，并导致包括汽车和医疗设备在内的一系列商品生产延迟。
虽然 COVID-19 是前所未有的，但它揭示了半导体供应链管理的结构性问题，除非积极解决，否则这些问题将持续存在。芯片制造商的上游和下游公司通常对其供应链的了解有限，通常只了解其直接客户和供应商。采购通常涉及使用第三方分销商和短期采购合同。这些特征使公司难以评估供应链风险并在出现短缺时进行诊断和解决。此外，当前一代和成熟节点生产在地理上非常集中，东亚占全球遗留空间容量的大部分，中国政府积极补贴对成熟节点生产的额外投资。
由不同供应商制造或按不同规格制造的芯片的互操作性有限，进一步加剧了这些挑战。如果一家芯片制造商出现意外短缺，其他芯片制造商就会努力填补空白。这些问题对于国防工业基地中使用的成熟制程芯片的长尾尤为明显。
考虑到这些挑战，CHIPS 计划办公室将根据以下目标投资于当前一代和成熟的生产：
到本世纪末，美国将增加对美国经济和国家安全最重要的当前一代和成熟节点芯片的产量。例如，这包括用于汽车、航空航天和国防、医疗设备或其他美国关键基础设施部门的某些半导体。CHIPS 计划办公室认为，在当前一代和成熟节点的范围内开发新容量可以促进美国经济和国家安全，并且将要求在特定节点寻求项目资金的申请人说明他们提出的方法将如何推进这个目标。
此外，CHIPS 计划办公室鼓励申请人探索长期降低成本的创新方法。它还计划与包括无晶圆厂公司和原始设备制造商在内的半导体客户接洽，以增加对美国原产芯片的需求并提高其自身供应的弹性。
美国将增加化合物半导体和其他特种芯片的产量并保持技术领先地位。半导体制造的创新并不局限于缩小逻辑和存储芯片上的特征尺寸。例如，由碳化硅或氮化镓等复合材料制成的半导体将越来越成为国防应用、电动汽车和下一代通信基础设施的核心。全耗尽绝缘体上硅等专业工艺技术对于国防应用也至关重要，专业芯片将成为量子信息系统等新兴技术的关键投入。CHIPS 计划办公室并不寻求取代已经投资于这些技术的私人资本，而是鼓励在适当的情况下申请 CHIPS 资金。
美国将与盟友和合作伙伴协调，以确保弹性生产和获取当前一代和成熟节点芯片。美国不寻求在芯片制造方面实现自给自足，并期望美国的盟友和合作伙伴也将增加芯片生产，以降低当前一代和成熟节点芯片的全球集中度。国际协调将有助于减轻生产过剩的风险，并填补盟国和合作伙伴生态系统中已知的空白。
芯片制造商将能够更灵活地应对供需冲击。如果某家芯片制造商无法满足客户需求，则其他芯片制造商应及时填补缺口，避免拖延数月或数年。在评估当前一代和成熟节点设施的提案时，CHIPS 计划办公室将考虑在中断时期可以在多大程度上轻松转换拟议的制造工艺以生产不同类型的半导体。
在CHIPS 计划办公室看来，他们正在着手对美国工业进行千载难逢的投资。本文件提出了成功投资前沿、当前一代和成熟节点半导体的前端和后端制造的愿景。它将指导商务部如何实施，着眼于推进美国经济和国家安全，增强全球供应链的弹性，并巩固美国在设计和构建将定义我们未来的技术方面的领导地位。