《美国半导体十年研发计划》分析与启示

葛 婕

赛迪智库集成电路研究所 北京 100036

2020年10月，美国半导体行业协会(SIA)和半导体技术研发联盟(SRC)联合发布了《美国半导体十年研发计划》，由学术界、政府和产业界共同制定，该计划从整个信息通信技术(ICT)的发展趋势和应用角度，面向未来市场应用需求和技术变革方向，提出了未来十年半导体技术发展的五大重要方向，包括大力发展传感、存储、通信、安全和信息处理五大领域的半导体技术，并给予资金和项目保障，以维持其在半导体领域的领导地位。

1 计划提出政府应面向五大领域半导体技术加大研发支持

计划提出传感、存储、通信、安全和信息处理五大领域半导体技术将是未来重要发展方向。美国认为ICT领域未来十年正面临由半导体技术限制带来的发展瓶颈，这些限制降低了信息处理、通信、存储、感知和安全的迭代进步，需要加快推动多学科的协同研发，在软件、系统、架构、电路、器件结构以及相关的工艺和材料等领域实现突破性的创新。一是传感领域的模拟芯片、传感器等需要根本性突破。为满足物联网和大数据市场需求，需要能够感知、传感和推理的用于全球智能机器的模拟硬件。二是在存储领域需提出全新架构和解决方案。全球对数据存储的需求呈指数级增长，需要器件、架构、设备材料全产业链合作研发创新。三是通信领域芯片应用研究需要持续创新。为解决通信容量与数据生成率之间的不平衡，需加强毫米波芯片、天线、滤波器等研发以提升数据传输速率及网络容量。四是需加强安全芯片研究和应用突破。为应对在高度互联的系统和人工智能中出现的安全挑战，应加强在安全、隐私领域的标准、算法、芯片研发。五是信息处理领域计算模式和芯片需要革新。未来服务器、通信、汽车等在计算速度、能源效率、电路密度和成本效益生产能力方面呈指数级增长，计算领域能耗比的提升受到极大限制，需要加快研发脑认知和神经计算、量子计算等新型计算模式器件。

计划呼吁美国政府对半导体研发的专项资金投入提升为原来的三倍。当前美国政府每年在半导体领域的专项研发支持为17亿美元，计划提出未来十年针对五大领域每年增加34亿美元的投入到51亿美元，将专项研发资金增加两倍，以确保美国在未来50年也能在半导体领域保持领先地位。其中传感领域每年投资6亿美元，重点支持可训练的神经信号转换器、模拟仿生机器学习等技术，研发目标为降低模拟到信息的数据压缩比，以更类似于人脑的方式实现对信息的使用；存储领域每年投资7.5亿美元，重点支持用于量子处理器的存储器、变革性存储技术(如DNA)等，目标为开发高密度新兴存储和存储载体，并对每个层次的存储结构提高能效；通信领域每年投资7亿美元，重点支持毫米波CMOS器件、毫米波滤波器和隔离器等技术，目标为开发智能和敏捷的网络，有效利用带宽来最大化网络容量；安全领域每年投资6亿美元，重点支持包含可信机制的AI系统、量子计算和神经计算的安全私有硬件平台等，目标是利用新兴的量子和分布式密码算法，提升未来硬件平台的安全性；信息处理领域每年投资7.5亿美元，重点支持高维模型表示、AI处理器等技术，目标是通过新型计算架构缓解计算瓶颈。

计划认为在后续研发项目支持中应加强产业链协同和国际合作。在每个领域的行动呼吁中，计划都提出在研发计划实施过程中，应更加注重产业链上下游合作，加强整机、系统、芯片、设备、材料等全产业链协同，同时强调引入全球合作伙伴，加速基于新研发技术的产业生态培育，同时分担研发经费和研发风险。如在传感领域方面，计划提出需在模拟芯片、传感器等方面开展合作研发，以加快实现模拟硬件的变革；存储领域方面，提出加强材料、器件、存储器、架构、处理器等各方合作，甚至包括物理、化学、生物等基础学科参与；安全方面，提出加强人工智能、量子计算等相关领域的协同研发。

2 后续美国政府将多措并举维持半导体领导地位

后续美国政府极有可能采纳这一计划。SIA认为美国近十几年来在半导体领域实力逐渐衰退主要因素是美联邦政府未能及时根据产业发展实际加大基础研发投入。SIA发布的数据显示，40年间美私营企业研发投入由4亿美元增长到400亿美元，而美联邦政府投资仅由10亿美元增长到17亿美元(未含半导体领域非专用研发投资43亿美元)，SIA在发布的报告中多次呼吁美国政府加大半导体领域专项研发投入。特别是近年来美国认为中国政府大力扶持半导体产业发展，对其已经造成巨大威胁，两党对在半导体领域遏压中国已经达成一致。考虑到前期SIA对加大半导体制造业投入的倡议已经转化为系列法案，后续美国政府大概率会采纳该建议加大对半导体研发的政府专项资金投入。

美后续将加强多边合作，以实现在颠覆性和面向未来领域技术发展和产业生态的主导地位。美国是半导体技术的策源地，并通过长期在研发投入和资本支出方面的高水平投入保持领先地位，在计算机、移动智能终端、消费等领域成为产业生态的主导者。尽管美国行业继续领先于全球，但在寻求保持其在未来的领先地位时，也面临着明显的挑战。包括经济持续低迷、新冠疫情爆发、贸易环境变化等外部影响，以及芯片制造业向亚太地区转移、中国产业的崛起等变化，尤其是在5G通信、人工智能、量子计算、智能汽车等前沿新兴领域，不断上升的创新成本也构成了新的挑战。同时美国半导体行业非常依赖其深厚的全球供应链和进入海外市场的渠道，如欧洲的汽车和工业芯片、日本的半导体设备和材料、韩国的存储器、中国台湾的先进工艺等，因此美国后续会联合盟友加强技术创新研发，以实现在颠覆性和面向未来的领域保持领先地位。

美或配套研发计划在促进制造业回流、人才培育、贸易和知识产权保护等方面出台系列支持政策。SIA在前期的系列报告中多次呼吁，美国政府应该在芯片制造业、研发投入、人才培养、贸易和知识产权保护等方面加大支持力度，此研发计划也是对倡导研发投入的细化报告。重振半导体制造业方面，美国两党多位议员今年6月提出《为美国半导体创造有益激励措施》(CHIPS)和《2020美国晶圆代工法案》(AFA)，目前两项提案已被合并为《半导体制造激励措施》并纳入2021财年《国防授权法案》，目前已获表决通过。其中特别提出成立一个多边微电子安全基金、2027年对合格半导体设备或制造设施的消费进行税收抵免等措施。人才培育方面，美国已经意识到STEM(科学、技术、工程、数学)领域人才出现短缺，计划对STEM教育的投资增加50%，并实施国家STEM教育计划，预计到2029年将美国STEM毕业生数量增加一倍，为高层次人才提供移民、签证便利。贸易和知识产权保护方面，美国已经建立了较为完善的市场竞争政策并多次修改出口管制条例，采用301调查、实体清单、出口管制等方式防止技术外流。考虑到美国人力、建厂等成本相对较高，促进制造业回流政策实施效果可能不及预期，但人才、贸易等政策将配合研发计划成为美国支持半导体产业发展的“组合拳”。

3 对我国半导体产业发展的启示

加强半导体领域研发支持的持续性并重点突出前瞻性。2009年开始实施的半导体领域的国家科技重大专项已经面临到期，应加快推动国家科技重大专项的接续工作，提高专项每年支持金额，不断带动地方政府、企业等各方力量加大研发投入，形成长期稳定的支持机制。同时注重突出支持方向的前瞻性，对于技术已经成熟的产品主要采用市场化支持方式，研发专项着力下一代新兴技术的创新探索，加强半导体专项和量子计算、人工智能等支持计划之间的协同，实现半导体领域多学科交叉融合和多技术领域集成创新。强化对美国等发达国家重大技术创新的动态监测与对标研究，进行新技术新领域的技术研发和知识产权抢先布局。

警惕美联合盟友在前沿领域构建产业生态将中国排除在外。美国2020年8月宣布实施“净网计划”，意图把中国企业从电信运营商、手机APP、云服务等5个方面把中国企业完全清除，此次研发计划也提出联合盟友意图在前沿领域构建生态，应高度警惕其孤立中国。一方面，我国集成电路企业仍应积极参与国际下一代移动通信、人工智能、新型计算架构等标准制定和技术研发，融入国际主流组织和联盟。另一方面，我国应继续加强对外开放合作，推动企业加快全球化布局，鼓励我国企业和研发机构在境外设立研发机构。引导外资企业在国内布局生产和研发机构，进一步优化产业发展的投融资环境，加强对外技术合作和人才交流，建设我国集成电路产业发展生态圈。

加快研究并完善我国支持半导体产业发展的系列政策“组合拳”。充分发挥我国新型举国体制的制度优势，加强我国半导体财税、投融资、人才、市场等政策支持。财税金融方面，不同于美国主要由资本市场和私营企业投资的方式，我国应充分发挥制度优势，继续加强对半导体的税收优惠，加快细化落实税收优惠支持政策。同时持续发挥国家大基金的引导带动作用，为产业提供长期稳定的资金支持。人才方面，优化人才引进结构，打破以引进华裔人才为主的传统模式，探索与外籍专业人才合作的新模式，注重与外籍人才的开展深入合作，增加对外籍专业人才的引进比例。市场方面，进一步完善知识产权保护的相关法律法规和政策体系，着力营造良好的知识产权氛围，鼓励自主创新，尊重知识产权，为国际合作提供有力的支撑和保障。