MIT发布白皮书：美国欲重返世界半导体霸主！

 

近年来，全球芯片的持续性短缺已引发了一连串的产能瓶颈问题。

各种消费品的价格都随着「缺芯」而上升，从CPU到显卡，从智能冰箱到SUV，这凸显出半导体在日常生活种所扮演的重要作用。

 

 

其实，早在新冠大流行之前，美国就已经面临着日益严重的芯片危机。面对激烈的国际竞争，美国在微电子领域的长期领导地位被侵蚀。

 

图中为CMOS THz-ID芯片

 

为了应对这一危机，MIT组织大量专家撰写白皮书，题为《重获美国在微电子领域的领导地位》，意图重新巩固其全球的半导体超级大国的霸主地位。

 

 

MIT研究人员认为，半导体发展战略必须与大学紧密联系，因为大学在开拓新技术和培养高技能劳动力方面具有独特的优势地位。

 

「在重振微电子全球领先地位的全国性行动中，我们很清楚的一点是，大学应该发挥主要作用。」MIT电子工程与计算机科学系(EECS)唐纳教授、白皮书的主要作者Jesús del Alamo认为。

 

当这些国家项目建立起来，能够充分利用美国大学所能带来的巨大资源和人才。

 

报告的其他合作者还包括MIT林肯实验室、电子学研究实验室、微系统技术实验室、材料研究实验室等半导体产业相关部门的多位专家学者。

 

最大的问题：领导地位岌岌可危

诞生于上世纪50年代的硅谷，就是源于美国半导体行业的起步和发展，也让美国成为全球半导体研究和制造的主导力量。但这一主导地位几十年来一直在下滑。

 

根据美国半导体工业协会(semiconductor Industry Association)的数据，美国目前仅生产全世界12%的半导体芯片，占比远远低于1990年的37%。

 

导致这一数字连年下滑的原因之一，是中国、韩国和中国台湾地区等国家和地区在过去几年进行的大规模基础设施投资。

 

报告作者表示，这些投资促进了美国国内微芯片公司的发展，甚至吸引一些美国公司在海外开设制造工厂。

 

这张扫描电子显微图所示为NbN超导纳米线回路存储单元，它包括一个热纳米线低温管和一个纳米线低温管。

 

事实上，建造一家芯片制造厂就像在下赌注，一家芯片制造厂的成本高达100亿美元。

 

然而，政府的激励措施，包括税收优惠、土地优惠以及直接补贴等，都在影响着企业的建厂选址。

 

半导体行业协会(Semiconductor Industry Association) 2020年的一份报告称，在美国建芯片厂，要比在亚洲建厂，成本高30%。

 

为了缩小这一差距，美国已经通过了《芯片法案》(CHIPS Act)，为国内半导体的研究、设计和制造提供520亿美元的国家联邦投资。

 

另外，国会还在考虑另一项立法，即FABS法案，将半导体产业投资纳入税收抵扣和减免范围。

 

 

还需要数千名工程师！

白皮书作者指出，上述经济问题只是其中之一，确立美国半导体领导地位，还将面临其它问题。

 

 

一直以来，大学是培养人才的重要基地，向半导体制造业输送劳动力也毫不例外。

 

然而，越来越多的学生却放弃「硬技术」，转向计算机科学等领域。

 

「如果我们提供更多劳动力，就要需要吸引更多学生。」白皮书作者认为。

 

人才供给不足，教育面临着一场艰难的战斗！

 

「我们没有为半导体行业培养足够多的工程师。」研究人员感慨到。

 

 

令人兴奋的动手实验，精心设计的实习，业界导师的支持，以及各种奖励机制等等，半导体专业将用各种措施吸引学生。

大学是关键

一直以来，大学在基础研究方面发挥了重要作用，国家依靠大学实验室产生无数创新。但大学基础设施老化，需要一场更新换代。

 

 

白皮书作者认为，美国需要对大学基础设施进行投资，包括实验设备和运营实验设备的人员，以及运用实验进行相关研究活动。

 

白皮书作者德尔·阿拉莫认为，实验设备的升级对于大学研究与工业发展至关重要，尖端的实验设备才可以承载重要的研究项目，从而推动半导体行业向前发展。

 

2018年开设的纳米工厂就是一个例子，它不仅仅把晶体管做得更小，它还需要新材料、新工艺、新设计和新集成系统。

 

「十年后，我们将依赖的技术与今天完全不同，学术创新必然会打乱目前的技术路线，也会超越目前的系统性能。」德尔·阿拉莫说。

 

 

创业活动也对国家技术创新扮演着重要角色，大学一直都是创业活动的孵化器。

 

保持产学研互动，将最好的研究应用于产业提升，并启动新的技术创新。

 

大学不仅需要自己的研究，还需要与其它实验室建立合作关系，以帮助研究人员将学术创新转化为科技初创公司，从而成为未来的世界级企业。

 

 

德尔·阿拉莫说，他此前与林肯实验室(Lincoln Laboratory)合作，使微芯片创新成为可能。

 

林肯实验室是麻省理工学院(MIT)管理的一个联邦政府资助的研究机构，位于马萨诸塞州列克星敦。

 

「麻省理工学院是世界级的创新引擎，与林肯实验室的复杂微电子技术原型相结合，这是独特而强大的。」林肯实验室高级技术部门主管Bob Atkins说。

 

目前，该组合支持颠覆性微电子技术的发现和成熟，并允许将想法转化为现实。它已经产生了一个具有影响力的悠久历史，从专业的成像仪到微电子光刻技术，在世界范围内都有应用。

 

MIT一位研究员如此评价到：「非常感谢我的同事发布白皮书，我完全同意书中观点，这也激发了我的兴趣去阅读，并思考作为一名大学教师和研究人员，我该如何作出贡献。」

 

报告小结

总结一下，这份报告主要提出了几点建议，涵盖人才培养、研究推进、创新创业和学术建设与交流。

 

人才培养

 

• 创建一个全国性的大学-行业-政府计划。开发广泛传播的教育内容，吸引来自不同背景的高中生和大学一年级学生的拓展计划。

 

• 投资并支持维护大学的教育设施计划。以项目为基础，以设计为导向，旨在培养本科生动手能力的多学科教育计划。

 

•为本科生、硕士生、博士生和博士后，创建全国性的奖学金和实习计划。

 

研究推进

 

• 建立研究计划，促进广泛的研究。从基础研究到工业应用，以国家安全为导向，从单一研究者到多学科、多机构研究。

 

研究计划必须支付全部研究成本，包括工资、材料、制造费用等，并且知识产权 (IP) 条款必须同样支持所有商业化用途。

 

创新创业

 

• 技术开发计划。旨在促进技术在适当的大学环境中成熟，并随后转化为外部代工厂，和企业研发实验室。

 

• 建立研究转化计划。支持微电子创业公司的产生和培育，建立转化研究计划，促进学生和博士后探索初创公司。

 

学术建设

 

• 对大学研究设施进行大规模持续投资，重点是为少数人配备灵活的、生产级的，但以研究为导向的实验设备。

 

• 投资一项新教师资助的全国计划，为初级教师提供灵活的职业启动补助金，并让行业研究人员参与大学活动。

 

参考资料：

https://scitechdaily.com/mit-lays-out-strategy-to-help-the-u-s-regain-its-place-as-a-semiconductor-superpower/

https://usmicroelectronics.mit.edu/wp-content/uploads/2021/09/microelectronics_white_paper_v13.4.pdf