《美國半導體十年研發計劃》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，美國半導體行業協會(SIA)和半導體技術研發聯盟(SRC)聯合發布了《美國半導體十年研發計劃》，由學術界、政府和產業界共同制定，該計劃從整個信息通信技術(ICT)的發展趨勢和應用角度，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展的五大重要方向，包括大力發展傳感、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同研發，在軟件、系統、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、設備材料全產業鏈合作研發創新。三是通信領域芯片應用研究需要持續創新。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。為應對在高度互聯的系統和人工智能中出現的安全挑戰，應加強在安全、隱私領域的標準、算法、芯片研發。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、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。

計劃認為在后續研發項目支持中應加強產業鏈協同和國際合作。在每個領域的行動呼吁中，計劃都提出在研發計劃實施過程中，應更加注重產業鏈上下游合作，加強整機、系統、芯片、設備、材料等全產業鏈協同，同時強調引入全球合作伙伴，加速基于新研發技術的產業生態培育，同時分擔研發經費和研發風險。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，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同研發。

2 后續美國政府將多措并舉維持半導體領導地位

后續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邦政府未能及時根據產業發展實際加大基礎研發投入。SIA發布的數據顯示，40年間美私營企業研發投入由4億美元增長到400億美元，而美聯邦政府投資僅由10億美元增長到17億美元(未含半導體領域非專用研發投資43億美元)，SIA在發布的報告中多次呼吁美國政府加大半導體領域專項研發投入。特別是近年來美國認為中國政府大力扶持半導體產業發展，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投入的倡議已經轉化為系列法案，后續美國政府大概率會采納該建議加大對半導體研發的政府專項資金投入。

美后續將加強多邊合作，以實現在顛覆性和面向未來領域技術發展和產業生態的主導地位。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生態的主導者。盡管美國行業繼續領先于全球，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。包括經濟持續低迷、新冠疫情爆發、貿易環境變化等外部影響，以及芯片制造業向亞太地區轉移、中國產業的崛起等變化，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，不斷上升的創新成本也構成了新的挑戰。同時美國半導體行業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，因此美國后續會聯合盟友加強技術創新研發，以實現在顛覆性和面向未來的領域保持領先地位。

美或配套研發計劃在促進制造業回流、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、研發投入、人才培養、貿易和知識產權保護等方面加大支持力度，此研發計劃也是對倡導研發投入的細化報告。重振半導體制造業方面，美國兩黨多位議員今年6月提出《為美國半導體創造有益激勵措施》(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。考慮到美國人力、建廠等成本相對較高，促進制造業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計劃成為美國支持半導體產業發展的“組合拳”。

3 對我國半導體產業發展的啟示

加強半導體領域研發支持的持續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工作，提高專項每年支持金額，不斷帶動地方政府、企業等各方力量加大研發投入，形成長期穩定的支持機制。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，研發專項著力下一代新興技術的創新探索，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同，實現半導體領域多學科交叉融合和多技術領域集成創新。強化對美國等發達國家重大技術創新的動態監測與對標研究，進行新技術新領域的技術研發和知識產權搶先布局。

警惕美聯合盟友在前沿領域構建產業生態將中國排除在外。美國2020年8月宣布實施“凈網計劃”，意圖把中國企業從電信運營商、手機APP、云服務等5個方面把中國企業完全清除，此次研發計劃也提出聯合盟友意圖在前沿領域構建生態，應高度警惕其孤立中國。一方面，我國集成電路企業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，融入國際主流組織和聯盟。另一方面，我國應繼續加強對外開放合作，推動企業加快全球化布局，鼓勵我國企業和研發機構在境外設立研發機構。引導外資企業在國內布局生產和研發機構，進一步優化產業發展的投融資環境，加強對外技術合作和人才交流，建設我國集成電路產業發展生態圈。

加快研究并完善我國支持半導體產業發展的系列政策“組合拳”。充分發揮我國新型舉國體制的制度優勢，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投資的方式，我國應充分發揮制度優勢，繼續加強對半導體的稅收優惠，加快細化落實稅收優惠支持政策。同時持續發揮國家大基金的引導帶動作用，為產業提供長期穩定的資金支持。人才方面，優化人才引進結構，打破以引進華裔人才為主的傳統模式，探索與外籍專業人才合作的新模式，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和政策體系，著力營造良好的知識產權氛圍，鼓勵自主創新，尊重知識產權，為國際合作提供有力的支撐和保障。