圖表4
政府機構
政府機構（如，國防部、能源部、國家科學基金會、國家標準和技術研究所）是生態系統中研發的樞紐資助者。這些政府機構為那些遙遠、不太確定或經濟難題的研究提供必要的支援，以便公司能夠將其轉化為競爭上風。
與政府有關的實體（如空軍研究實驗室、國家標準和技術研究所的材料丈量實驗室）也進行了研究。此外，政府在建立研發生態系統的基礎設施（如資助大學奈米實驗室）、促進因素（如投資於基礎研究）和政策（如制定舉措措施的許可規則）方面也施展了重要作用。總之，這些因素促進了私營企業對潛伏半導體立異的投資和研發。
學術界
學術界是研發的主要執行者：學術界進行基礎研究，應用研究，並開發原型。學術界在培訓半導體勞動力、擴大知識基礎和傳播研究成果方面施展了重要作用，這些成果供工業界的老牌公司和初創公司使用。
私營企業
私營企業既是研發的資助者，也是研發的執行者。現在有很多公司資助、製作原型、擴大規模，並將半導體和相關服務商業化。進行半導體研發的公司有幾個主要型別：
整合裝置製造商（IDM）是垂直整合的公司，進行設計和製造。這些公司結合了資源和專業知識，以彌補基礎研究和出產之間的差距，但在美國只有少數這樣的公司（如英特爾、美光、三星和德州儀器）。
無工廠設計公司（如高通、AMD、英偉達和蘋果）專注於半導體設計，是半導體價值鏈中增值率最高的部門，這些公司約佔私營部門研發的55%，並與其他公司合作進行半導體制造。
代工廠滿意IDM和無工廠設計公司的製造需求。代工廠通常只專注於製造別人設計的晶片（例如臺積電、三星代工廠、英特爾代工服務和GlobalFoundries）。代工廠投資與製造技術有關的研發，並負責大部分的進步前輩製造業。
半導體裝置和材料公司
(例如，Applied Materials、ASML、EMD電子公司、Lam Research、Tokyo Electron)開發出產晶片所需的進步前輩工藝和檢測系統。裝置和材料公司投資新工藝技術、材料和製造方法的研發，以實現半導體技術路線圖，併為半導體行業的研發投資做出了巨大的貢獻，與美國的幾家晶片製造商相稱。
夥伴關係和其他行業聯合體
此外，公私合作關係（PPPs）包括一系列由私營部門利益相關者經營的組織，由政府資助，包括聯邦資助的研發中央（FFRDCs）和SEMATECH.11PPPs，既是研發的資助者也可以是執行者，公私合作關係包括：
聯邦資助的研究和發展中央（FFRDCs），包括國家實驗室，是由學術機構或私家公司經營的公私合營企業，由聯邦政府資助並進行研究。
由半導體公司及其供應商為各種目的而建立組成的行業聯合體。例如，半導體研究公司(SRC)，是一個由半導體公司和政府機構組成的財團，資助一百多所大學的高科技研究，其專案涵蓋了從人工智慧到汽車的一系列應用。
非學術研究組織與美國的研發生態系統合作進行基礎研究。(見附錄：非學術研究組織）。
美國各地的研發組織
上面討論的組織是美國研發生態系統的主要參與者。固然在矽谷或北德克薩斯州等地區確實存在叢集，但美國半導體研發生態系統的重要利益相關者分佈在全國各地。至少在29個州可以找到專注於研發或試驗的工廠，在出產工廠和有半導體專案的大學中也有研發專家。
美國的研發生態系統面臨挑戰，包括那些與試點和原型設計有關的挑戰，它們阻礙了生態系統的有效性
一個運作良好的研發生態系統透過為研發工作提供方向、資源和協作以支援立異。美國擁有進步前輩的國家實驗室、大學和公司，但其研發生態系統目前在提供所需立異方面面臨挑戰，包括：
方向：
很多不同的政府機構和部分為半導體研發提供公共投資。這些機構和部分有重要的任務，並常常採取措施進行合作，他們的重要需求和目標與私營企業的需求有所不同。因此，可能會泛起差距，即足夠的研發投資沒有達到技術領域。例如，在超低功率計算方面，依賴於材料、架構、封裝和軟體的合作立異，以支援美國保持技術競爭力並使其在出產規模上得到採用。
資源配置：
研發所需的重要基礎設施在海內缺乏或數目有限。例如，大學研究職員和初創公司基本上無法突破60奈米以下的製造，這使得美國的半導體硬體初創公司更難在美國迭代和發展自己的設法。
協作：
立異的重要機會存在於諸如共同最佳化等領域，這些領域需要在計算堆疊的不同層面進行合作。在計算堆疊的任何層面推進研發，往往需要個人和組織的高度專業化能力，而美國的研發生態系統缺乏召集各公司能力的機制來應對這些挑戰。
其他地區正在採取措施緩和這些挑戰，進步其研發生態系統的有效性。
世界各地正在採取措施，加強半導體研發生態系統。其他地區為減輕海內研發生態系統的挑戰而採用了以下的機制型別：
方向：
中國臺灣科技部透過評估整個半導體研發及其對工業需求的覆蓋面來支援工業。
資源配置：
日本政府將投資68億美元用於在岸進步前輩的晶片製造、成熟晶片出產和研發。
合作：
韓國將建立“K-半導體帶”，連線整個計算堆疊的城市區域，以促進合作並支援整個計算堆疊的立異。
固然美國在半導體研發方面的公共投資數額超過其他地區，但其在政府資金支援方面有些不足。世界各地都在擴大對半導體的投資。2021年以來，日本、新加坡、韓國、歐盟（除西班牙等個別歐盟成員國外）都公佈了支援海內半導體產能的立法，包括對研發的投資。中國大陸也正在鼎力投資，使用超過1000億美元來支援其海內的半導體工業。
換句話說，其他地區正在採取措施，加強自己的研發生態系統，縮小與美國立異實力之間的差距。美國最近提出的計劃，如DARPA的電子中興計劃（ERI），說明人們逐漸熟悉到公共資助半導體研發的重要性。美國不斷對這一領域的現有實體和新企業提供公共投資，減輕美國研發生態系統的挑戰，加快立非同步伐，並擴大美國的技術競爭力。
負責現有半導體研發公共投資的實體將繼承在美國研發生態系統中施展重要作用
2022年，美國的公共部門和私營行業實體將投資600億美元用於半導體研發。私營企業提供約500億美元（約佔89%），公共投資提供約60億美元（約11%）。《晶片和科學法案》為2023財政年度的半導體相關研發計劃提供了55億美元的資金，到用完為止。
很多現有的公共研發資金組織在美國的半導體研發生態系統中施展著重要而獨特的作用。
作為對這些實體的增補，《晶片法案》建立了重要的新組織，為應對美國研發生態系統的挑戰提供了機會。
熟悉到總部設在美國的半導體制造和研發的重要性，美國國會在2021年頒佈了《為美國出產半導體創造有益的激勵措施法案》（晶片法案），並作為2022年《晶片和科學法案》的一部分提供資金。該法案構成了幾十年來聯邦支援美國半導體制造的重要努力，並試圖確保美國有能力製造更多晶片，推進晶片製造技術能力的增長。
《晶片和科學法案》在5年內撥款520億美元，用於支援半導體制造、研發和技術轉型，並將資金預先投入到前幾年。其中，390億美元（佔總額的75%）用於為在美國建造、更新或擴大舉措措施和裝置提供公共財政援助，其餘的130億美元則用於研發和技術從實驗室向市場的過渡。
《晶片和科學法案》建立了兩個與研發有關的主要立異專案。
國家半導體技術中央（NSTC）。
這是一個公私合營專案，旨在促進美國在半導體領域的領導地位，透過促進進步前輩的研發和原型設計來加強美國的技術競爭力和供應鏈安全，在半導體領域的領先地位。
作為NIST的一部分，NAPMP的建立是為了加強美國研發生態系統的半導體進步前輩測試、裝配和封裝能力。
《晶片法案》確立了高層次的目標，美國商務部在如何構建NSTC和NAPMP方面儲存了很大的自主權。為回應其資訊要求，美國商務部從200多個利益相關者那裡收到了關於激勵措施、基礎設施和研發需求的具體反饋，以支援一個強盛的海內半導體研發生態系統。
在與SIA成員廣泛討論並聽取他們意見的基礎上，本呈文就如何最有效地部署《晶片法案》的研發資金以支援美國的技術競爭力，提供了綜合的、高水平的行業觀點。
聚焦：
製造業
美國研究所
美國製造研究所。美國製造研究所倡議最初成立於2014年，旨在進步美國製造業的全球競爭力並促進立異。自成立以來，美國各地已建立了16個研究所，以振興美國製造業，每個研究所都在特定的行業領域。
研究所是美國立異的重要資源，支援立異賽道的初始階段，並在沒有立異的地方建立新的和急需的社群。它們的作用是確定有前途的高影響力技術，治理學術和行業研究實驗室中相應的研發專案，以進一步推動這些技術。在成功完成這些專案後，所創造處理的新技術可以轉移到產業或其他領域的開發舉措措施，以進行測試、試點和擴大出產。
2022年《晶片和科學法案》授權建立了多達3個美國製造研究所，以支援與半導體制造有關的工作，包括進步自動化、進步前輩的裝配和測試以及勞動力技能培訓。對這些研究所的資助包括在《晶片和科學法案》的整體研發資金中。
透過美國製造研究所開發的特定專案將成為該部分立異技術的樞紐賽道，最理想的情況是，能轉移到NSTC或NAPMP進行測試、試驗和推廣。該研究所和其他機構在技術創新過程中的作用在圖4中有所說明。
NSTC和NAPMP應透過對幾個主要領域的投資來促進美國的經濟競爭力
熟悉到私營企業在美國經濟和技術競爭力中的核心地位，國會授權NSTC作為一個公共-私營夥伴關係，並透過美國商務部設立。NSTC的領導層應尋求包括來自學術界和政府，特別是工業界的聲音，以最有效地促進美國的技術和經濟競爭力。
根據我們與業界領袖的討論，國家科學技術委員會和國家行動計劃應透過在五個樞紐領域的投資來加強美國研發生態系統的能力。
轉變和擴大尋路研究的規模
美國的半導體公司目前與一些現有的、聲譽良好的組織合作，如imec和半導體研究公司（SRC），滿意很多競爭前的研發需求。為了高效地支援美國的技術和經濟競爭力，NSTC和NAPMP應該加強而不是複製這些組織。換句話說，固然NSTC和NAPMP的基礎設施可以支援早期的研究，但它們的重點應該放在推廣那些已經預備好超越早期階段研究的技術，使其更加成熟。NSTC和NAPMP應該把政府、學術界和工業界的研究中央會萃在一起，評估哪些可以為美國公司帶來具有商業利益的技術，它們可能需要但沒有得到技術過渡和擴充套件的資金。
這與《2030年半導體十年計劃》中討論的五項高級別挑戰相一致，NSTC和NAPMP應加強美國研發生態系統的能力，以著手預備離投入出產還有5至15年的研發技術並使其商業化。這一未來的技術開發重點很重要：鑑於半導體研發的時間延長，今天的重大技術提高所需的投資在多年前就已完成。NSTC和NAPMP不應複製目前海外或海內舉措措施的能力，而應建立和加強研發生態系統在新興領域的能力，如超越CMOS的材料、進步前輩的封裝、異質整合和掩膜基礎設施，這些領域的區域領導地位尚待確定。
儘管研發資金應包括對核心半導體技術和封裝技術的關注，但這兩個領域的產品在實現突破的時間上可能存在差異。總的來說，核心半導體技術的研發應該誇大長期的、潛伏的革命性努力，立異將源於材料、工藝流程和工具的改進。這些立異將來自於以下領域：
-用於邏輯、儲存器、模擬的進步前輩架構
三維堆疊的器件
單片整合功能
以儲存器為中央的計算
-超越互補金氧半導體（CMOS）計算的進步前輩材料和新模式
二維材料
進步前輩的功能材料
其他模式，如光子或神經形態
高電壓和高功率材料
進步前輩的射頻材料
-一般工藝發展
進步前輩的光刻技術
進步前輩光源的開發和EUV的改進
金屬化的改進
-設計立異
在更廣泛的應用中提供更好的領域規格的加速器
混合訊號設計，整合智慧和感測能力
安全設計
-工具的改進
將人工智慧融入設計工具，進步設計的抽象性
用於模擬和射頻電路的更高階工具
具有增強的全堆疊最佳化能力的工具，實現軟硬體的程式碼設計
-環境的可持續性
加工氣體具有較低的全球升溫潛能值（GWP）。
滿意功能需求的光刻機和其他化學品，具有更好的環境特性，以及極低濃度的檢測和處理技術。
在節約自然資源（能源、水等）的同時，滿意苛刻的操縱要求的製造工藝。
-環境的可持續性
全球升溫潛能值較低的工藝氣體
光刻技術和化學品可以滿意功能需求，並改善環境狀況，在極低濃度下的檢測和處理技術。
既能滿意苛刻的操縱要求，又能節約自然資源（能源、水等）的製造工藝。
另一方面，封裝工作應包括有助於解決短期和中期的行業挑戰的技術。與基本的半導體材料和工藝的提高比擬，新的封裝方法的擴充套件確保速度更快、本錢更低。預計在NSTC和NAPMP成立後的5到10年內，甚至更早，封裝方法的突破會對商業部門產生影響，這不是沒有可能的。這些立異將來自於以下領域。
-進步前輩的測試和驗證能力
測試設計和資料分析，以減少設計錯誤
測試自動化和AI/ML工具的整合
模擬、射頻和混合訊號測試
-異質性整合
整合的行業標準的開發
芯粒IP的開發和獲取
新型計算模式（光子、量子等）的整合方法
-進步前輩的封裝和高密度的互連（
面板和晶圓級高頻寬、低延遲、高密度2.5D和3D堆疊和組裝方法
混合鍵合、通矽通道和進步前輩的插接器開發
進步前輩的熱壓縮鍵合，進步器件壽命
熱治理和串擾、噪聲和寄生減少
靈活、受限的外形尺寸封裝
-工具的改進
封裝級協同設計工具
更好的電氣、熱、機械建模和設計工具
裝配和校準自動化
透過在不同的投資領域和時限內投資路徑研究，NSTC和NAPMP可以確保核心技術在未來20年持續改進。固然上面討論的技術領域被歸類為核心半導體或封裝技術的範疇，但在這些領域的研究職員和外部專家之間還需要進行大量的協調和思惟交流。
原型設計和試點基礎設施
NSTC和NAPMP不應僅資助或協調現有的研究工作。兩者應在促進獲得原型設計舉措措施或進步前輩的模擬和建模軟體方面施展積極作用。他們還必需擴大獲得促進技術從實驗室到工廠過渡的能力，如原型設計和試驗，並確保研究職員和初創企業能夠獲得這些能力。透過促進獲得這些能力，NSTC和NAPMP還將擴大潛伏立異庫，能夠從基礎研究發展到規模化階段並達到商業用途。
在美國的生態系統中，半導體研發能力在技術上和地輿上分佈廣泛。為了很好地治理公共投資，NSTC既不能平均分配資金，也不能將投資集中在單一技術或地點。
在NSTC/NAPMP指導委員會的指導下，NSTC應擴大和晉升少數現有機構的獨特能力和基礎設施。
因為與本錢和時間等題目，擴大和晉升機構的能力是很重要的。改善現有舉措措施（所謂的“棕色領域”發展）比建造全新的舉措措施（“綠色領域”發展）更便宜、更快速。新的半導體研發舉措措施可能需要好幾年才能建成，假如NSTC試圖建立新的舉措措施，這些舉措措施在建設完成時可能已經落後於行業或過期了。
擴建和進級帶來的經濟效益是有說服力的。當NSTC評估哪些機構的研發基礎設施需要加強時，它必需平衡好高度分佈的網路好處和規模好處。鑑於每個研發相關舉措措施的總成本通常較高，我們的分析表明，NSTC應促進規模化，並優先進級領先大學和研究中央中較少的、更輕易獲得的、最進步前輩的舉措措施，實現小額公共投資的影響最大化。然而，這些舉措措施的進級必需著眼於實現本錢的最大影響。例如，將幾所大學的200毫米晶圓產能進級到300毫米的晶圓產能，很輕易耗盡NSTC的所有資金，但真正提供的新產能卻很少。
在某些情況下，NSTC/NAPMP指導委員會可能會以為，從經濟上講，利用海內現有產能而不是晉升較低的研究能力更為穩妥。例如，尋求利用產業尺度工藝流程的300毫米晶圓產能的試點基礎設施就可能是這種情況。NSTC提供的重心可以為談判獲得外部產能提供新的可能性。這方面的例子包括協調貿易工廠的多專案晶圓執行，或獲得競爭前技術的貿易設計工具。
封裝研發基礎設施應包括2.5D和3D堆疊和高密度再分配、光學封裝和測試、扇出、混合粘合裝置、進步前輩的內襯工具（矽、玻璃和高密度有機物）以及熱壓粘合的裝置。高密度焊接凸點、銅沉積和通孔製造的裝置也至關重要。此外，還需要重點關注進步前輩的基材工藝和流程。封裝、組裝和測試（PAT）面臨的一個主要挑戰是海內製造的經濟性。固然傳統的PAT是勞動密集型的，但在美國，進步前輩的封裝將是更多的技能和自動化密集型的，其經濟性必需反映出這一點，這樣才能獲取競爭力。此外，新的測試能力也十分重要。與NSTC一樣，談判獲得設計工具將是NAPMP的重要的增值專案。
今天，有很多成功的半導體服務機構的模式，NSTC和NAPMP可以尋求指導。其中一個例子是IMEC，它提供了很多對技術發展賽道至關重要的研發和原型製作能力；還有“美國製造機構”，該機構透過與研究機構合作並建立新的原型設計基礎設施來建立區域立異中央；以及Sandia國家實驗室的微系統和工程科學應用（MESA），該機構向政府和學術研究職員提供小批次貿易製造服務和額外的設計、製造、封裝和測試能力。NSTC和NAPMP基礎設施可以從這些現有的努力中獲得靈感，但必需超越這些現有組織能夠提供的小批次服務。恰是因為有能力使研究和原型設計層面的立異材料、設計和廣泛的技術擴大到更大的出產規模，才使NSTC和NAPMP具有不同凡響的價值。
協作開發
跟著開發和設計本錢的上升，摩爾定律所描述的改進計算技術的工程方法正在發生變化。從材料和設計到系統架構和軟體，整個計算堆疊的立異需要開釋出半導體提高的下一個階段。全棧立異很難題：現代半導體公司通常在不同的堆疊層中高度專業化，而美國的研發生態系統目前缺乏協調這種合作的機制。
NSTC和NAPMP應該支援全棧式立異，召集公司員工解決複雜的技術題目，這些題目需要整個計算棧的合作，並加速技術、工具和方法的發展。例如，對雲計算資料中心需求的快速增長，凸顯了對能夠提供高計算機能和低能耗的半導體的需求。建立滿意這一需求的下一代系統需要彙集進步前輩材料、新計算架構、封裝、軟體等方面的專業知識。NAPMP可以召集技術專家和利益相關者（包括那些來自任務驅動的政府機構），在建立異質整合、芯粒和其他安全技術元件的整合尺度時，向IEEE和JEDEC等集團提供意見。兩者應該承擔起擴大和進級美國研發和原型開發生態系統的基礎設施和能力的責任，以滿意這些生態系統的需求。
鑑於合作開發、共同最佳化和異質整合等領域的立異的重要性，NSTC和NAPMP必需在整個行業廣泛合作。然後，兩者可以利用其在整個行業的廣泛且有代表性的網路，建立一個多樣化的技術和基礎設施研發組合，以促進更有效的合作開發，保持廣泛的行業合作伙伴網路。
勞動力
半導體行業是研發密集型的，依賴高技能的工人進行研發，從而實現所需的立異。固然美國擁有很多世界上最專業的研究職員，但技術人才的短缺有可能會限制立異的步伐（見我們關於半導體設計的呈文）。同時，其他地區急於吸引他們的國民回國，並提供廣泛的政策支援，以加強他們的海內研發生態系統。透過相互競爭，NSTC和NAPMP必需加強美國半導體研發賽道和勞動力的規模和技能，以保衛美國的研發生態系統和它所支撐的經濟競爭力。
NSTC和NAPMP可以推進一系列計劃，以擴大美國半導體研發步隊的渠道。根據我們的研究，行業領導者以為NSTC和NAPMP可能採取以下重要措施：
對美國STEM教育進行投資：
支援本科和研究生的課程開發和標準化，以擴大具備STEM技能的員工渠道。為K-12階段的學生提供機會，讓他們介入到這個行業中來，進步他們對半導體技術的熟悉和熱愛。NSTC和NAPMP中央可以與美國大學合作或匡助建立工程夏令營，讓學生接觸半導體研發。與合作機構和公司合作，提供獎學金和研究獎學金，可以匡助增加在該領域內攻讀該專業學士學位的學生數目。
吸引STEM員工加入半導體行業：
透過學徒、實習和導師計劃，教育和培訓學生了解半導體行業的職業機會；與社群和技術學院合作，制定計劃，讓更多的技術人員和工匠進入這個領域，並進步對半導體職業道路的熟悉；與提供給擁有STEM基本技能的工人的再培訓和交叉培訓計劃合作，如退伍軍人就業組織。
促進靈活的工作許可：
促進靈活的工作授權，如可選的實踐培訓，使外國公民能夠在美國工作，或者假如他們從美國大學畢業，擁有對行業至關重要的技能，就從事與研究領域直接相關的臨時工作，這可能發生在相關學位完成前後。
此外，NSTC和NAPMP必需加強勞動力的工作技能。根據我們的研究，行業領導人以為，NSTC和NAPMP的關鍵步驟應包括：
為工人的再培訓和技能晉升進行投資：
跟著行業探索立異的新維度，這些計劃可以確保美國研發生態系統的勞動力有足夠的能力來推動未來的提高。
加快新員工的預備工作：
鑑於半導體研發所需的專業技能，新員工需要經由一段時間，才能有效地從事重要的研發工作。NSTC和NAPMP可以建立預製計劃，使員工能夠更快地對研發做出貢獻。
目前，高技能研發職員的賽道有可能限制立異的步伐。透過擴大員工供給和技能晉升，NSTC和NAPMP能夠加強美國整個研發生態系統。
美國可以採用一系列的最佳做法來確保這項公共投資的成功
《晶片法案》是美國對半導體研發公共投資的一次重大擴充套件。美國可以採取行動確保這項投資與現有的公共投資相輔相成，振興美國立異的良性迴圈，加強研發生態系統。
注重影響：
對研發的公共投資應與可識別的目標保持一致，包括關注有影響力的新技術和潛伏的貿易可行性。投資應有助於立異理念的商業化，並能靈活地解決有前途的技術在立異賽道中的障礙。
培養規模：
美國的研發生態系統將由更少、更易獲取的、一流的叢集組成（包括物理基礎設施和勞動力專長），而不是由很多不太適合行業研發需求的叢集來提供更好的服務。考慮到維護一個龐大的、可能過期的舉措措施網路的本錢，促進規模的發展可以使一定數目的公共投資以一種更有影響力的方式存在。
展望未來：
從技術和財政角度來看，公共投資應支援美國研發生態系統滿意未來5至15年的需求。未來3-5年的技術提高所需的基礎設施和推動因素已經基本建成。鑑於該行業的研究需求可能從幾年到十年不等，財政投資必需在較長的時間範圍內可以猜測。
協作：
美國的半導體研發生態系統包含了很多有效的組織和計劃，並與之合作。可能的話，公共投資應該增加和協調這些組織和計劃，而不是複製。
結論
透過納入這裡所討論的投資，2030年，美國研發生態系統應該建立一個更大的新的半導體產品、工具和工藝的賽道、更多、更純熟的勞動力從事半導體研發，以及一個從基礎研究加速發展到商業化的時間表。
自成立以來，美國的研發生態系統實現了立異的良性迴圈，促進了美國的技術領先地位。該生態系統仍舊很強盛，擁有世界一流的國家實驗室和大學，僅在2021年，就對半導體研發投入了前所未有的500億美元。2022年透過的《晶片和科學法案》的資金，以及隨後在NSTC和NAPMP中建立的行業主導實體，將為振興立異賽道提供絕無僅有的機會，這也會延長未來幾十年美國的技術競爭力。
