美國的晶片制造野心，首次詳細披露

編者按：日前，美國釋出了晶片補貼的申請流程。與此同時，他們還釋出了一個白皮書，思披露了他們在制造方面的願景，我們摘譯如下。

半導體是美國經濟和國家安全不可或缺的一部分，為我們的消費電子産品、汽車、資料中心、關鍵基礎設施和幾乎所有軍事系統提供動力。然而，盡管美國在半導體設計和研發 (R&D) 方面仍然處于全球領先地位，但它在制造方面已經落後，目前僅占全球商業生産的 10% 左右。今天，最先進的邏輯和存儲晶片——為個人電腦、智能手機和超級計算機提供動力的晶片——都不是在美國進行商業規模生産的。

此外，半導體供應鍊的許多要素在地理位置上都比較集中，這使它們容易受到破壞并危及全球經濟和美國國家安全。此外，由于對制造技術和相關研發的持續投資提高了技術知識并促進了創新的良性循環，美國的生産能力不足也危及其技術領先地位和長期的全球領先能力。

在此背景下，美國商務部CHIPS項目辦公室釋出了首個融資機會，尋求尖端技術前後端、目前一代和成熟節點的半導體制造商業設施的建設、擴建或現代化項目申請，并釋出了對這些項目的願景，當中涵蓋了前沿邏輯、先進封裝、前沿記憶體和成熟節點四個方面。

CHIPS計劃辦公室表示，部門隻負責管理的資金隻占實作這一成功願景所需投資的一小部分。同時，權衡是必要的，并非每個申請者都會獲得資金，許多項目不會獲得申請者要求的那麼多支援。此外，盡管 CHIPS 計劃辦公室是在行業周期性低迷時期推出其首個融資機會，但 CHIPS 資金不會被用作幫助企業忍受暫時低迷的拐杖。相反，CHIPS 計劃辦公室将專注于推進美國經濟和國家安全目标。

CHIPS 計劃辦公室對其面臨的挑戰的規模一清二楚。美國要重建一個幾十年來一直沒落的高度複雜的制造業絕非易事。成功需要長期的雄心壯志：建立國内半導體生态系統，振興美國制造業，培養下一代科學家、工程師和技術人員。為應對這一挑戰，CHIPS 項目辦公室确定了九個交叉主題，以指導其實施工作，當中包括：

1. 促進民間投資；

2. 鼓勵客戶需求；

3. 與美國夥伴和盟友接觸；

4. 建設一支技能娴熟且多元化的員工隊伍；

5. 縮短建構時間；

6. 通過創新降低成本；

7. 促進 CHIPS 資助設施的營運安全、供應鍊安全和網絡安全；

8. 促進區域經濟發展和包容性經濟增長；

9. 加強護欄；

這些主題的成功将有助于確定 CHIPS 資助促進美國在晶片制造領域的上司地位，增強半導體供應鍊的穩定性，并促進美國經濟和國家安全。

前沿邏輯

美國的經濟和國家安全取決于我們設計和生産尖端邏輯晶片的能力。這些先進的晶片為我們的計算機、智能手機、伺服器和超級計算機提供動力。它們越來越成為美國關鍵基礎設施和軍事現代化努力的基礎。它們對從人工智能到生物技術再到清潔能源的未來技術至關重要。

今天，所有領先邏輯晶片的商業生産都發生在東亞，但這是最近的發展。東亞晶片制造商在工藝技術（允許工程師将更多半導體和其他電子元件安裝到單個晶片上的制造方法）和規模方面都超過了美國，吸引了支援他們持續擴張和創新的廣泛客戶群。這在一定程度上是由于東亞公司開創的“純代工”商業模式導緻的。與設計和制造自己的晶片的內建裝置制造商不同，純晶圓代工廠在合同的基礎上制造來自各種客戶的晶片設計。是以，許多美國公司已經成為“無晶圓廠”，在半導體設計領域處于世界領先地位，同時将制造外包給東亞代工廠。

美國在晶片設計方面的實力是一項關鍵的商業和戰略資産，但美國制造業的衰退——以及随後的地理集中——造成了供應鍊的脆弱性。它還削弱了美國的技術領先地位：沒有晶圓廠，就很難建立有助于刺激工藝技術創新和晶片設計相關進步的國内制造技術。CHIPS 計劃辦公室的一個核心優先事項是幫助美國在可持續的基礎上再次以具有競争力的規模生産最先進的晶片，無論是通過純晶圓代工模式還是允許公司大規模制造晶片的替代模式。據此 , CHIPS 計劃辦公室設定了以下目标：

到本世紀末，美國将至少擁有兩個新的大型前沿邏輯工廠叢集。為此，CHIPS 計劃辦公室将叢集定義為一個地理上緊湊的區域，其中有多個由一家或多家公司擁有和營運的商業規模晶圓廠；龐大、多樣化和熟練的勞動力；鄰近的半導體行業供應商、研發設施、公共服務 以及專門的基礎設施，例如化學加工和水處理設施。

鑒于美國持續保持邏輯晶片生産能力的重要性以及先進邏輯晶片生産競争格局的快速變化，依賴單一叢集存在嚴重風險。是以，CHIPS 計劃辦公室希望将其領先的邏輯投資集中在至少兩個公司在美國制造高度先進晶片的叢集上。

每個前沿叢集都将擁有規模、基礎設施和其他競争優勢，以確定晶片制造商将在美國的持續擴張視為具有經濟吸引力和商業模式的核心，即使未來沒有來自 CHIPS 計劃辦公室的資助。CHIPS 計劃辦公室将根據申請人對美國正在進行的私人投資做出可信商業承諾的程度來評估申請。CHIPS 計劃辦公室還将緻力于確定每個美國叢集都有足夠的規模來降低未來産能擴張的成本，并強烈鼓勵申請人探索其他長期降低成本的創新方法。

此外，CHIPS計劃辦公室将鼓勵無晶圓廠公司和原始裝置制造商通過增加對國産晶片的需求來優先考慮供應鍊安全。

美國的勞工将開發和擴充作為未來幾代邏輯晶片基礎的工藝技術。申請人将被要求送出他們在美國半導體行業的持續再投資戰略，CHIPS 計劃辦公室将優先考慮那些有信心承諾在美國投資研發的申請人，例如通過建設國内研發晶圓廠或其他國内研發設施。在美國境内進行研發将促進新的前沿工藝技術向大批量生産的轉移，并表明晶片制造商有意在美國長期投資。

每個 CHIPS法案資助的晶圓廠都将得到一個由緻力于在美國營運和創新的可靠供應商組成的生态系統的支援。CHIPS 計劃辦公室鼓勵申請人采取措施吸引相關供應商，例如通過确定主要供應商落戶同一地區的計劃、确定可以使申請人以及材料或制造裝置受益的基礎設施供應商，或将這些供應商納入申請人的勞動力發展或研發承諾。CHIPS 計劃辦公室還将在 2023 年春末為材料和制造裝置設施釋出單獨的資助機會。

美國國防部和國家安全部門将能夠在美國的商業生産環境中獲得安全的前沿邏輯晶片制造。美國軍方目前無法從本土設施采購尖端晶片，導緻關鍵軍事系統容易受到供應中斷的影響。是以，在美國生産安全晶片是一項戰略重點。

先進封裝

組裝、測試和封裝 (ATP) 是半導體生産的最後步驟。這些步驟通常在專門的設施中執行，并且曆來是勞動密集型的。如今，大多數封裝能力位于東亞和東南亞，那裡的 ATP 設施可以位于執行電子組裝的公司附近。美國目前僅有有限的 ATP 容量，這種短缺代表了一個戰略漏洞，因為在不投資封裝的情況下增強前端制造能力将限制供應鍊的彈性。

該行業将封裝分為兩類：傳統封裝和先進封裝。盡管出于國家安全目的，美國必須将一些正常封裝在岸，但通常很難在美國建立具有經濟競争力的正常封裝設施。對于傳統封裝，CHIPS 計劃辦公室将與其他部門和機構協調，支援與盟國和合作夥伴的持續工作，包括美洲國家和參與印度洋-太平洋經濟繁榮架構的國家和地區，以確定全球的充分性能力和保證供應。

與此同時，CHIPS 計劃辦公室将投資于支援美國在先進封裝領域處于領先地位的項目——封裝技術的一個子集，使用新技術和材料來提高內建電路的性能、功率、子產品化和/或耐用性。晶片制造商越來越多地将先進封裝的進步視為保持邏輯和存儲晶片生産領先優勢的關鍵。事實上，先進封裝有望在人工智能、雲計算和醫療應用以及許多其他下一代技術的晶片開發中發揮重要作用。

是以，CHIPS 計劃辦公室為先進封裝設定了以下目标：

到本世紀末，美國将擁有多個大批量先進封裝設施。 鑒于先進封裝對前沿邏輯和存儲器制造的重要性，CHIPS 計劃辦公室鼓勵申請者在晶圓制造之外投資先進封裝。CHIPS 計劃辦公室歡迎來自外包組裝和測試公司的申請，以及來自內建裝置制造商和具有内部先進封裝能力的代工廠的申請。

美國将成為邏輯和存儲晶片商業規模先進封裝的全球技術上司者。CHIPS研發辦公室成立了國家先進封裝制造計劃，該計劃将利用其部分資金在未來十年内推動先進封裝的快速發展，加速人工智能、雲計算和下一代等戰略産業的進步。CHIPS 計劃辦公室旨在通過確定最新的先進封裝技術在美國實作商業規模來鞏固這一進展。

由 CHIPS 資助的晶圓廠生産的半導體将有多種封裝服務選擇，包括來自美國的設施和位于相關國家以外不同地點的其他設施。此外，美國及其盟友和夥伴将大大減少了傳統封裝對受關注國家的依賴。與州政府一起，商務部将與美國的盟友和合作夥伴合作，幫助他們吸引對傳統包裝設施的投資。對于為前端制造設施尋求資金的申請人，CHIPS 計劃辦公室将考慮制造過程中任何上遊和下遊步驟的位置對國家安全的風險。

前沿記憶體

存儲晶片是從超級計算機到智能手機等所有計算系統的重要組成部分，占全球半導體市場的很大一部分。雖然美國曾經是記憶體生産的上司者，但成本競争和市場整合導緻大多數美國公司在1980年代和1990年代退出記憶體業務。大多數制造——即使是美國公司經營的晶圓廠——現在都在東亞進行。是以，對美國領先記憶體生産的投資将提升美國的技術領先地位和地理優勢多元化全球供應。

與邏輯晶片不同，記憶體産品是标準化的并且通常可以互操作：一家公司的記憶體晶片通常可以替代另一家公司的記憶體晶片。這些特性通常會增加記憶體市場的彈性，因為記憶體客戶願意為主流市場支付費用價格通常可以從市場上的任何記憶體生産商處采購他們的産品。是以，與邏輯晶片制造商相比，記憶體晶片制造商必須主要在價格上展開競争，并以較低的利潤率營運。是以，美國記憶體生産商需要達到足夠的規模才能從東亞較大叢集所享有的規模經濟中受益。

CHIPS 計劃辦公室為存儲晶片設定了以下目标：

到本世紀末，美國的晶圓廠将以經濟上有競争力的條件生産大批量領先的動态随機存取存儲器 (DRAM) 晶片。 CHIPS 計劃辦公室歡迎記憶體公司申請在美國建立先進的記憶體容量，尤其是那些确定降低美國生産成本的創新方法的申請。資金申請者應證明其美國存儲設施在 CHIPS 激勵計劃結束後通過持續更新在經濟上具有競争力并得以維持，CHIPS 計劃辦公室鼓勵申請者探索長期降低成本的創新方法。

對超級計算和其他應用至關重要的下一代記憶體技術的研發将在美國進行。DRAM 将成為超級計算和其他先進技術的關鍵。此外，随着先進封裝技術的創新，記憶體和邏輯技術将協同工作以實作進階計算，最終邏輯和記憶體功能将更深入地內建在單個或共同封裝的晶片上。

目前一代和成熟節點半導體

目前一代和成熟節點晶片的彈性供應對美國經濟和國家安全至關重要。這些晶片廣泛應用于現代技術，包括汽車、航空航天和國防系統、醫療裝置和關鍵基礎設施。但在過去幾年中，COVID-19 大流行和相關的經濟影響暴露了這些供應鍊潛在的脆弱性。2020 年至 2021 年間，與計算、通信以及消費品和工業品相關的半導體需求猛增。當該行業努力增加供應時，由此産生的短缺加劇了持續的供需失衡，并導緻包括汽車和醫療裝置在内的一系列商品生産延遲。

雖然 COVID-19 是前所未有的，但它揭示了半導體供應鍊管理的結構性問題，除非積極解決，否則這些問題将持續存在。晶片制造商的上遊和下遊公司通常對其供應鍊的了解有限，通常隻了解其直接客戶和供應商。采購通常涉及使用第三方分銷商和短期采購合同。這些特征使公司難以評估供應鍊風險并在出現短缺時進行診斷和解決。此外，目前一代和成熟節點生産在地理上非常集中，東亞占全球遺留白間容量的大部分，中國政府積極補貼對成熟節點生産的額外投資。

由不同供應商制造或按不同規格制造的晶片的互操作性有限，進一步加劇了這些挑戰。如果一家晶片制造商出現意外短缺，其他晶片制造商就會努力填補空白。這些問題對于國防工業基地中使用的成熟制程晶片的長尾尤為明顯。

考慮到這些挑戰，CHIPS 計劃辦公室将根據以下目标投資于目前一代和成熟的生産：

到本世紀末，美國将增加對美國經濟和國家安全最重要的目前一代和成熟節點晶片的産量。 例如，這包括用于汽車、航空航天和國防、醫療裝置或其他美國關鍵基礎設施部門的某些半導體。CHIPS 計劃辦公室認為，在目前一代和成熟節點的範圍内開發新容量可以促進美國經濟和國家安全，并且将要求在特定節點尋求項目資金的申請人說明他們提出的方法将如何推進這個目标。

此外，CHIPS 計劃辦公室鼓勵申請人探索長期降低成本的創新方法。它還計劃與包括無晶圓廠公司和原始裝置制造商在内的半導體客戶接洽，以增加對美國原産晶片的需求并提高其自身供應的彈性。

美國将增加化合物半導體和其他特種晶片的産量并保持技術領先地位。半導體制造的創新并不局限于縮小邏輯和存儲晶片上的特征尺寸。例如，由碳化矽或氮化镓等複合材料制成的半導體将越來越成為國防應用、電動汽車和下一代通信基礎設施的核心。全耗盡絕緣體上矽等專業工藝技術對于國防應用也至關重要，專業晶片将成為量子資訊系統等新興技術的關鍵投入。CHIPS 計劃辦公室并不尋求取代已經投資于這些技術的私人資本，而是鼓勵在适當的情況下申請 CHIPS 資金。

美國将與盟友和合作夥伴協調，以確定彈性生産和擷取目前一代和成熟節點晶片。 美國不尋求在晶片制造方面實作自給自足，并期望美國的盟友和合作夥伴也将增加晶片生産，以降低目前一代和成熟節點晶片的全球集中度。國際協調将有助于減輕生産過剩的風險，并填補盟國和合作夥伴生态系統中已知的空白。

晶片制造商将能夠更靈活地應對供需沖擊。如果某家晶片制造商無法滿足客戶需求，則其他晶片制造商應及時填補缺口，避免拖延數月或數年。在評估目前一代和成熟節點設施的提案時，CHIPS 計劃辦公室将考慮在中斷時期可以在多大程度上輕松轉換拟議的制造技術以生産不同類型的半導體。

在CHIPS 計劃辦公室看來，他們正在着手對美國工業進行千載難逢的投資。本檔案提出了成功投資前沿、目前一代和成熟節點半導體的前端和後端制造的願景。它将指導商務部如何實施，着眼于推進美國經濟和國家安全，增強全球供應鍊的彈性，并鞏固美國在設計和建構将定義我們未來的技術方面的上司地位。