美国半导体创新生态系统及经验启示

■文/李海英

美国在半导体创新方面一直处于世界领先地位，其创新生态系统值得我国借鉴和学习。

美国是半导体技术的诞生地，也是半导体产业的发源地。半导体行业是美国最大的出口行业之一，也是其经济实力、国家安全和全球竞争力的关键驱动力。从半导体技术诞生至今的70 多年里，随着技术扩散与产业转移，目前半导体产业分工已呈现高度全球化形态，但美国仍是半导体技术和产业的全球领导者。同时，美国在半导体创新方面一直处于世界领先地位，半导体领域的创新推动了几乎所有现代技术的变革性进步。

美国半导体产业现状

半导体行业是美国研发投入比排名第二的行业。美国半导体协会（SIA）发布的《2021年美国半导体行业现状》显示，就研发投入占销售额的百分比而言，美国半导体产业（占比18.6%）仅次于美国制药和生物技术产业（占比27.1%），且美国公司在研发上的投入占销售额的百分比高于其他任何一个国家。

在半导体产业技术创新链上，美国在研发密集度高的电子设计自动化（EDA）和内核模块（IP）、芯片设计和（半导体）制造设备领域全球领先；而在资本密集度更高的原材料及半导体制造，包括晶圆制造和封装测试领域不及亚洲地区。

近年来，特别是全球新冠肺炎疫情暴发后，全球半导体短缺，美国强调将半导体创新转移至原型设计和生产中，以加强美国半导体供应链安全。

美国半导体创新生态

●政府创新政策工具支持

纵观美国半导体产业发展史，政府在半导体领域创新竞争或产业竞争的关键点给予大力干预支持，可以说，创新政策工具是美国半导体创新系统中不可缺少的一环。美国政府对半导体产业创新的支持主要包括3 个方面：一是通过研发补贴政策加码半导体研究布局；二是通过工业生产补贴促进半导体制造回流以提升半导体制造业创新；三是特殊时期研究方向政策干预。

2021 财年美国《国防授权法案》（NDAA）中通过《为芯片生产创造有益的激励措施法案》（CHIPS 法案）。2022年8月9日，美国总统拜登正式签署《2022年芯片与科技法案》，为美国本土芯片制造及研发提供527 亿美元资助。主要措施包括：直接补贴美国的半导体制造、研究、封装、设备和材料领域的产能扩大；为半导体制造业的投资提供25%的投资税收抵免；为半导体制造领域研发活动提供资金支持，包括建设国家半导体技术中心（NSTC）等；为半导体行业劳动力培育提供资金支持。

此外，政府在特殊时期对半导体研究方向进行干预。1989年，美国政府组建了国家半导体咨询委员会，确立了“集中攻关通用集成电路大规模制造技术，重点发展微组件及逻辑器件等附加价值高、技术创新性强的半导体产品”的战略，在国家层面实现半导体战略转型。

●创新模式：企业为创新主力，关键时期开展公私合作创新

在半导体领域，半导体企业是创新研发的主力。2022年5月，半导体市场研究公司IC Insights 发布的《半导体研发投入报告》显示，2021年全球有21 家半导体供应商研发投入超过10 亿美元，美国英特尔公司以512 亿美元研发投入占行业投入总额的19%，位居第一。

但是，在美国半导体发展史上，公私合作创新研究模式在关键时期为半导体创新注入了强大活力。其中，1987年成立的美国半导体制造技术联盟（SEMATECH）和2021年CHIPS 法案提出建立的美国国家半导体技术中心（NSTC）是典型的公私合作创新代表机构。

SEMATECH 联合政府部门、企业、高校与联邦实验室以及中介机构，通过发布路线图、制定标准、联合研究、成果共享等方式提高了美国企业的生产率，并在降低分散研发之间的交易成本、培育产品制造企业和设备供应商之间的协作关系上发挥了重要作用，促进了工艺材料的开发、制造设备的开发以及与芯片制造工艺的集成。SEMATECH 完成了“国际半导体技术路线图”，通过该路线图，联邦政府每年对SEMATECH 的1 亿美元投资撬动了80 亿至90 亿美元的年度私人投资。SEMATECH 开发了通用标准工具，使半导体领域工具和软件能够实现互操作性，减少设备公司及工具材料供应商的成本和运营负担。

美国国家半导体技术中心（NSTC）旨在由政府组织并联合行业和学术合作伙伴携手合作以推进半导体技术发展，以整合美国现有的研究、设计和制造能力。虽然NSTC 尚未正式建立，但各界对NSTC 的设想和规划颇多。例如，半导体联盟（Mitre Engenuity）技术基金会发布的《美国创新与成长：国家半导体技术中心（NTSC）发展愿景》白皮书指出，NSTC 应当联合半导体企业，整合全国半导体领域基础设施，促进产学研协作，推动半导体全栈创新，从而实现半导体领域突破性技术的“实验室到晶圆厂”转变，实现美国创新技术的国内制造落地。此外，NSTC 应当为初创企业提供融资渠道，如成立一支半导体投资基金，为满足早期公司关键的、未得到满足的资本需求提供一个独特的机会。

●提供基础设施接入，降低研发成本

《美国创新与成长：国家半导体技术中心（NTSC）发展愿景》指出，NSTC 的4 项核心职能中应当包括提供探索性基础设施和设施接入，NSTC 应利用全国各地的相关现有设施并根据需要建设或获取新的基础设施，以填补关键缺口。NSTC 的业绩评估标准则包括创建国内设施无障碍使用网络，通过该网络，创新者可以使用美国本地的半导体相关设施，以快速轻松地尝试有风险的新想法。美国战略与国际问题研究中心（CSIS）发布的《强大国内半导体产业的必要支柱》提出，NSTC 应战略性地利用现有研究和生产设施中的专业知识和先进设施，主要包括：美国国家标准与技术研究院（NIST）的两个纳米制造设施以及用于制造定制芯片的测量工具和仪器，能源部17 个国家实验室强大的研究设备和基础设施，纽约州立大学最先进的200 ～300 毫米晶圆制造设施，等等。

●人才培育：重视基础研究与工程应用相结合

半导体领域是基础领域与工程应用交叉型领域，在人才培育方面，美国通过联盟形式联合企业与高校，以联合项目形式突破基础研究与工程应用的沟壑。1982年成立的美国半导体研究联盟（Semiconductor Research Corporation，SRC）, 目前有20 余家头部半导体公司会员，与100 多所大学和多个政府机构合作。从1982年至今，SRC 已为1.2 万名学生资助超过20 亿美元的研究资金，旨在通过项目培育学生基础研究与早期产品开发对接，培育一支科学、工程与技术方面才能卓越的精英劳动力队伍。

美国半导体发展对我国的借鉴和启示

我国目前在半导体设计及封装领域有一定优势，但核心技术仍被“卡脖子”。我国要实现技术自主和产业升级，道阻且长，还需借鉴美国半导体产业发展历史中的关键经验，从而培育我国半导体技术创新体系和产业生态系统。

●构建公私合作研发架构， 减少分散研发和重复投资

政府主持下联合行业企业、科研机构及技术转移机构，不同类型参与者在联合体中各司其职，发挥领域优势。政府进行立法保障、项目管理、战略咨询及经费支持等工作；企业提供资金、人力和技术及设施环境支持，同时享受研发带来的技术改进和革新；科研机构进行学科及交叉学科基础性、前瞻性研究；转移机构促进技术交流和扩散。合作研发架构的目的是通过合作减少分散研究、避免重复投资，使资源发挥最佳效果，降低成本。

●提供共享基础设施以减少创新门槛

半导体是技术密集、资本密集型行业，半导体研究与开发需要大量的资本投入以获取设备与技术，这对初创企业甚至中小企业而言都是难以逾越的技术与资金壁垒。同时，学校在人才培育过程中也需要通过可操作的设备来突破纸上谈兵。因此，提供共享的基础设施是降低企业及科研机构研发门槛的重要手段。

●人才培育过程中缩小基础研究与工程应用之间的差距

半导体技术创新需要基础学科与工程应用的创新与突破，构建半导体顶尖企业与高校联合培育半导体人才联盟，通过企业与高校合作培育的方式，支持大学研究团队的研究，专注于半导体生产链所有环节的基础研究与早期产品开发之间的空间，将大量极富才华的学生集中在与行业直接相关的研究主题上，缩小基础研究与工程应用之间的差距，从而培育有基础研究能力的应用型人才。