SIA蓝皮书:美国要赢得未来,必须保持在半导体领域的领先地位

芯思想 2019-04-06



编者按:2019年4月3日,美国SIA发布《赢得未来:美国在半导体技术领域持续领先地位的蓝皮书WINNING THE FUTURE:A Blueprint for Sustained U.S. Leadership in Semiconductor Technology》。蓝皮书深度阐述了美国面在面临世界各国穷追猛赶之下,如何才能保持领导地位。


其实在两年多前的2017年1月6日,以美国政府首席科学顾问John P. Holdren和布洛德研究所(Broad Institut)总裁Eric S. Lander为首的美国总统科学技术咨询委员会(President’s Council of Advisors on Science and Technology,简称PCAST)发表了名为《Ensuring Long-Term U.S. Leadership in Semiconductor确保美国在半导体领域的长期领导地位》的报告。《报告》矛头直指中国,称中国半导体产业的发展,已经对美国构成了“威胁”,委员会建议政府对中国半导体产业加以限制。



今年的蓝皮书从研发、人才、贸易三个方面提出政策建议。尽管蓝皮书中的政策有些针对中国,但是相关内容值得我们深思,值得去借鉴。特别是基础研究投资要由政府主导,应用创新和产品开发由企业自行投资。


《赢得未来:美国在半导体技术领域持续领先地位的蓝图》(WINNING THE FUTURE:A Blueprint for Sustained U.S. Leadership in Semiconductor Technology)

报告全文共18页,主要包括以下三方面的内容:

 

一、半导体对美国的未来至关重要

 

半导体支持现代技术的微型芯片,美国经济、工作机会、技术领先地位和国家安全至关重要。50年来,美国在半导体创新方面领先世界,推动几乎所有现代技术的变革,从计算机到移动电话到互联网

 

今天,半导体支撑着未来最激动人心的“必赢”技术,包括为自动驾驶汽车和其他自动系统提供动力的综合人工智能技术、用于分析大量数据和增强数字加密的量子计算、史无前例的速度和安全性的无缝连接的先进无线网络。

 

为了确保美国在未来50技术领导地位,美国必须继续在半导体研究、设计和制造方面领先世界。

 

二、美国在半导体技术领域继续保持领先地位面临的挑战

 

外国政府正在制订雄心勃勃的步骤继续推动半导体创新,美国在半导体领域的领导地位正面临挑战的风险。

 

尽管美国公司仍占有全球近一半的市场份额,但外国政府支持的竞争正在试图取代美国的领导地位。

 

三、需要采取强有力的政策行动来维持和加强美国的半导体领导地位

 

要防止这些挑战,并且意识到美国继续领导全球半导体产业,美国必须采取雄心勃勃的半导体竞争力和创新政策

 

1、加大投资促,进美国半导体创新研究

 

加大投资,于联邦科学研究机构的半导体专用研究,每年投入大约15亿美元增加到50亿美元,用于提高芯片性能的先进新材料、设计和架构的研究

 

美国在半导体相关领域的双重投资,如材料科学、计算机科学、工程和跨越综合科学技术的应用数学,以及半导体技术,以推动半导体技术,开发相关的技术,包括人工智能,量子计算和高级无线网络。

 

2吸引和培养训练有素的员工队伍,确保美国在半导体技术研究、设计和制造以及未来增长技术的开发和实施方面的领导地位

 

通过消除绿卡限制来改革高技能移民制度,以便来自美国各大学的合格STEM(科学Science、技术Technology、工程Engineering、数学Mathematics)毕业生以及来自世界各地的STEM毕业生能够在美国工作、创新,并为美国在世界的领导地位做出贡献。

 

提高美国对STEM教育的投资达50%,并实施国家STEM教育计划,到2029年将美国STEM毕业生数量翻一番。

 

3半导体行业可以在未来进行竞争,创新和发展。

 

批准和现代化自由贸易协定,包括美国、墨西哥、加拿大协议,消除市场障碍,保护知识产权,促进公平竞争。

 

增加执法和情报机构的资源,以防止和起诉半导体知识产权盗窃,包括盗用商业机密。


 

半导体:现代技术的基础

 

半导体是几乎所有现代技术的基础。半导体更好的和最新的技术改变了人类的的生活和经济,使得人类的的生活和经济越来越好的方向发展,并正在引领更多改变未来的技术。这些新技术存在于人类生活的方方面面,包括用于通信、运输、医疗保健、商业、国家安全和无数其他应用的数字商品中,这些大多是我们感觉不到的,但人类的生活却离不开


“根据摩尔定律,过去50年半导体技术的进步 - 计算机整体处理能力将每两年提升一倍 - 是美国信息技术和安全的关键驱动因素 。“

——来源:美国情报界的全球威胁评估(2017年5月)


美国人发明了半导体,目前美国仍然领先于世界先进半导体的研究、设计和制造。数据显示,在2018年全球4690亿美元的半导体营收中,美国半导体公司占有其中的一

 

过去几十年里,半导体技术的进步一直通过“摩尔定律”来衡量:那就是硅片面积上的晶体管数量大约每1824个月翻一番。“摩尔定律”自1968年提出以来,半导体行业就一直保持快速发展的能力创新的步伐,推动了一项项技术的发展,并通过大幅提高计算能力、降低成本来实现科技革命。

 

半导体行业的发展对摩尔定律的遵循达到了膜拜的程度,并在发展过程中把材料科学、光子学、工程学和设计推向极限。现在的芯片每平方厘米集成的晶体管数目达到数十亿个,电路以纳米级来测量---级的芯片包含的晶体管比人类头发细10000倍。

 

半导体快速的创新步伐促进了美国的经济,创造了更多的就业机会,并改善了人们的生活方式。由于半导体技术的巨大进步,人类能够以更低的价格从创新产品中获益。

 

报告认为,美国要在未来五十年了保持创新步伐,并在全球的科技竞争中取得领先,那就必须要领导全球的半导体创新。 

 

美国保持半导体产业持续创新和领导力面临的挑战

 

由于雄心勃勃的海外竞争对手从政府获得了大量的资金支持,这让美国在保持了几十年的半导体创新遭受严重挑战半导体产业由于得到大量资金的支持,先进的半导体技术正在使得物理障碍向极限推进。

 

虽然美国在全球半导体市场占有一半的市场份额,但某些海外政府正试图通过对商业制造和科学研究的巨额投资来取代美国的领导地位。例如,中国政府已经宣布,在未来十年将投资超过1000亿美元,赶上美国在半导体、人工智能和量子计算方面的水平。报告提到虽然中国可能无法实现其所有目标,但考虑到其巨大的投资规模,我们无法忽视中国的这个做法。

 

这些挑战会使美国在半导体设计、研究和制造以及在全球竞争中的领导地位受到威胁,因为正是这些技术决定我们的未来。根据专家的观点,半导体领域内关键的“必赢”技术包括人工智能、自动驾驶汽车和其他自动系统,量子计算分析海量数据、增强数字加密,以及能够无缝连接的先进无线网络。这些技术将会以前所未有的速度推动如个性化医疗保健,机器人技术和智能产品等方面的创新,并推动经济快速增长。 

 


影响未来的几大半导体技术

 

该报告中提及了三大影响未来的半导体技术

 

一、人工智能

 

人工智能是模仿人类学习和决策的技术。人工智能具有改变经济巨大潜力,人工智能对自动驾驶汽车、机器学习以及无数“智能”设备和应用至关重要。专家估计,到2030年,人工智能给全球的经济带来13万亿美元的增长。

 

如果没有半导体工艺技术和芯片设计的进步,人工智能无法快速转变为现实。事实上,半导体在典型人工智能流程的三个方面都至关重要:

 

1)通过智能手机、汽车和多种“物联网”设备的数据生成或数据源;


2)使用图形处理器,微处理器或其他高性能处理器去训练AI/深度学习训练;


3)实际使用中的AI推理。


美国必须在联邦政府、工业界和学术界推动人工智能的技术突破,以促进科学探索,以促进经济竞争力和国家安全。

——美国领导人工智能行政命令,唐纳德 •特朗普总统(2019年2月11日)


二、量子计算

 

计算有望增加计算机的运算能力。量子计算机的计算速度比传统计算快一亿倍,和现在的超级计算机相比,也要快一千倍。按照这个速度,势必会影响业和经济。

 

量子信息科学的发展与半导体产业的研究密切相关,将得以克服摩尔定律的计算能力限制。研究人员在量子计算方面取得了重大进展。

 

量子硬件研究人员认为,先进的计算能力可以帮助解答在最先进的驱动力中解决难题的问题。量子计算需要功能复杂的功能,专业材料和先进技术。


量子信息科学(QIS)应用对亚原子世界的最佳理解(量子理论)来产生新的知识和技术。推动量子信息科学的发展,美国可以改善其工业基础,创造就业机会,并提供经济和国家安全利益。

——国家科学技术委员会,“国家量子信息科学战略概述”(2018年9月


三、先进无线网络

 

凭借低延迟和较现网络100倍速率提升,先进无线网络物联网、无人驾驶汽车和机器人提供支持,必为下一代数字经济的基础。

 

是由于先进网络速度和全新架构的巨大需求,底层半导体硬件解决方案的潜力尚未全部实现。为下一代无线网络(如5G)实现半导体技术进步的国家,将获得显的经济效益。

 

领先的先进无线网络需要国家在政策方面给予支持,以加强对半导体的研发工作,建立工程和技术人以及支持私人和公共研发。NSF支持无线数据和先进无线网络基础研究。NSF资助测试平台和研究平台,用一系列研究基础设施项目通过在高级无线研究平台在美国大学开设课程对先进的无线网络系统进行原型设计。


无线通信和相关数据应用为高薪工作和国家繁荣奠定了基础。

——关于制定美国未来可持续频谱战略的总统备忘录(2018年10月)


三大举措确保美国在半导体技术领域的领先

 

维持和加强美国半导体领导地位的战略包括三举措:

 

1、投资能够驱动美国半导体创新的研究;


2、吸引和培养技术熟练的人员,确保美国在半导体的研究、设计和制造方面的领先地位以及未来成长技术的开发和实施;


3、确保进入全球市场并保护知识产权,确保美国半导体产业可以就在未来有能力竞争、创新和发展。

 

通过实施这些关键措施,保护美国半导体技术领先地位并并赢得全球未来竞争的胜利。实施这些政策将有于引导美国维持其领导力,保证经济增长的同时还能加强安全。

 

下面就这三大举措进行阐述:

 

一、半导体投资研究

 

为了在驱动未来经济增长的关键技术领域取得突破,并在面对全球竞争时保持美国的领导地位,美国需要在半导体研究方面进行雄心勃勃的投资。遗憾的是,多年来,联邦政府对半导体研究的投资一直在下降或持平。相比之下,主要竞争对手正在大幅增加研究支出,包括对半导体研究的针对性投资。如果投资不足的情况持续下去,美国就有可能失去其创新优势和技术领先地位。

 

美国半导体自行在研发上投入巨资,以保持竞争力和技术领先地位。美国半导体业近五分之一的收入用于研发,2017年约达360亿美元,几乎20年前的三倍。这所有业中占比最高的,而且绝大部分的研究都是在美国本土进行。半导体产业的投资主要集中在应用研究和产品开发上,不是未来的基础技术突破所需要的基础研究。为了弥私营公司实力,联邦政府需要增加对大学、国家实验室和其他实体的投资,以保持美国在这一关键业的领导地位。

 

摩尔定律数十年来的成功得益于对材料和化学科学、计算机科学和应用数学、电气工程和制造技术的研究进行投资。持续的半导体创新需要新材料、设计和架构方面的研究,通过整政府和公共/私人合作关系,以获得学术界、工业界和政府研究中心的最佳研究成果。


美国半导体行业每年约五分之一的收入用于研发,2017年约360亿美元。这是所有行业中研发投资率最高的行业之一。


《减少联邦政府对研究的支持——这对美国的领导地位绝对是风险》

科学事业是美国社会的一颗明珠,它产生了无数的创新,为美国的经济实力和国家安全做出了贡献。遗憾的是,与我们的全球竞争对手相比,联邦政府在研究方面的投资一直在下降。


研究政策建议

 

我们敦促国会和政府:

 

1、将美国联邦科学机构在半导体研究方面的投资增加三倍,从每年约15亿美元增加到50亿美元,用于推进新材料、设计和架构的研究,从而成倍提高芯片性能。联邦政府目前每年约投资15亿美元针对半导体行业研究。这些项目包括资助纳米电子、安全、能源效率和其他重要领域的关键研究。为了应对当前的技术挑战并跟上全球竞争的步伐,这些半导体研究项目的资金在未来5年内应该增加三倍。

 

2、将美国在材料科学、计算机科学、工程和应用数学等半导体相关领域的研究投资增加一倍,以推动半导体技术的跨越式创新,推动人工智能、量子计算和先进无线网络等未来关键技术的发展。半导体技术的进步还得益于美国科学部门在更广泛的科学研究领域开展的项目。材料科学、计算机科学、工程学、应用数学、光子学和化学等领域的研究项目对半导体技术的未来创新至关重要。今后5年,这些项目的资金应增加一倍。

 

3、然而,如果不加强与工业界的沟通,单增加研究经费是无法应这些挑战的。联邦政府应该发挥重要的召集作用,必须推动公/研究关系,不仅要增加基础科学研究,而且要将基础知识与现实世界的应用联系起来。这样做是很有必要的,以确保科学突破造福社会,并保持美国在半导体技术方面的领先地位。半导体技术对国家安全和产业竞争力至关重要。


研究——支持人才管道

除了为技术创新提供基础,研究资助还支持下一代半导体创新者的“人才管道”。鉴于培养一支高技能、高知识型的技术工人队伍对半导体技术的持续发展至关重要,研究资助是促进美国创新人才的重要组成部分。


二、吸引和发展熟练的技术工人

 

为了保持美国在全球半导体行业的领先地位,并确保在开发和实施未来技术的全球竞赛中获胜,美国需要一高技能的技术工人

 

想要在半导体研究、设计和制造领域处于领先地位,需要从世界各地聘请最优秀、最聪明的科学家和工程师。在全球人才的竞争中,美国的教育体系未能培养出足够数量的具备必要的STEM专业知识美国工人和学生,以满足半导体行业和其他技术领域的需求。因此,允许海外顶尖人才填补美国的空缺对美国半导体产业来说是至关重要每一个留在美国并在美国工作的受过高等教育的移民都为美国创造了近3个额外的就业机会。许多美国最具创新性的公司(包括几家美国领先的半导体公司)都是由移民创办和导的。

 

在大多数教育基准测试中,美国也开始落后于全球竞争对手。中国STEM领域正在培养更多的具有学士学位的人才。研究生阶段,在材料科学、物理化学、电子工程和半导体工业的其他重要领域,美国高校相关领域的大部分学生来自外国。美国国家科学基金会指出,在美国高等院校的电子工程和计算机科学研究生项目中,大约80%的学生来自外国,这一比例在快速增长

 

美国需要一个全面的长期计划来吸引年轻的学生尤其是女性和少数族裔学生)学习科学和工程,并让他们在实验室、先进制造业和见习工位上


美国半导体产业在19个州拥有主要的制造业务,直接雇用了近25万名工人,并在美国增加了100多万个工作岗位。


《美国的人才挑战》

国际学生在美国大学理工科研究生中所占的比例越来越大,几乎是美国学生的四倍。


劳动力政策建议

 

我们敦促国会和政府:

 

1通过取消绿卡,以改革高技能移民制度,使美国高校合格的STEM毕业生和世界各地的STEM毕业生能够一起工作、创新,并为美国在半导体行业的领导地位做出贡献,推动美国经济发展。STEM领域的外籍人士,特别是那些拥有高等学位的人,应该自动有资格在美国工作,并为美国经济做出贡献。

 

2将美国对STEM教育的投资增加50%,并实施一项全国性的STEM教育计划,到2029年将美国STEM毕业生的人数增加一倍。政策制定者应支持见习和培训计划,并与工业界和学术界合作制定课程,以满足对半导体工业未来至关重要的不断发展的技术需求,如人工智能、量子计算和先进无线网络。

 

三、确保进入全球市场,保护知识产权

 

自由和公平地进入全球市场对美国半导体产业的成功至关重要。半导体是美国第四大出口产品,在过去20年中,为美国的贸易平衡做出了积极贡献。美国半导体公司80%以上的收入来自海外销售。全球销售收入支撑着美国125万个半导体工作岗位,并对维持竞争力所必需的高水平研发提供支持。此外,这些高水平研发大部分是在美国本土进行的。半导体产业依赖于复杂的全球供应链,包括原材料、设备、研发、技术、人才、测试和分销。因此,持续进入全球市场和供应链对美国继续保持行业领先地位至关重要。

 

半导体价值链的所有阶段(研究、设计、制造、装配和封装)都发生在全球一体化的网络中。美国半导体业利用全球一体化网络来保持其竞争力,是半导体产业成功的一个关键

 

今天,全球半导体生态系统正受到政府政策的威胁,这些政策试图寻求实现供应链本地化,并构筑国家队,以便在海外展开竞争。这些政策采用了大规模的国家补贴、自上而下的方法、中央制定的产业政策,以及其他非市场措施,包括强制技术转让和盗取知识产权。它们还可能破坏市场秩序并损害技术创新。虽然中国现在脱颖而出,但人们担心这种“供应链本地化”的趋势将蔓延到其他国家。只有通过进入全球市场和确保公平竞争,才能维持美国在半导体工业中的全球领导地位。此外,维持全球价值链符合所有国家的利益。美国政府应该与志同道合的国家合作,实施有效的贸易政策,以维持美国半导体产业的地位。

 

开放市场和公平贸易需要强有力的知识产权保护和执行。知识产权是半导体产业的命脉,加强知识产权保护对半导体产业的全球竞争力至关重要。半导体产业在研发方面的高水平投产生了宝贵的知识产权(专利、商业秘密、源代码等),保护知识产权对半导体业在世界上的竞争地位至关重要。 


《自由和开放市场海外市场对美国的重要性》

美国半导体公司超过80%销售额来自海外。

来源:WSTS/SIA


 全球半导体价值链

 

贸易政策建议

 

我们敦促国会和政府:

 

1批准和更新自由贸易协定,包括美国—墨西哥—加拿大协定(United States-Mexico-Canada Agreement),从而消除市场壁垒、保护知识产权和促进公平竞争。美国决策者应扩大进入全球市场的渠道,通过批准新的和更新现有的自由贸易协定,打击歧视性和扭曲市场的政策。现代美国贸易协定应该:

1.1 加强保障措施,加大惩罚力度,保护商业秘密和其他形式的知识产权。

1.2 通过消除技术贸易壁垒,确保最具创新性和最有效的加密产品进入全球市场。

1.3 确保国有或补贴企业根据市场因素进行公平、透明竞争,取消非法或导致不利影响的政府补贴。

1.4 取消对以半导体为主的产品、应用和电子交换的关税。

1.5 防止强制本地化数字基础设施和本地内容要求。

1.6 禁止强制技术转让。

1.7 简化协调关贸程序。

 

具体而言,我们敦促批准“美国—墨西哥—加拿大协定”,该协定包括许多新的和更高标准的贸易规则,会加强数字经济和全球半导体供应链。

 

2增加用于执法和情报机构的资源,以防止和起诉半导体知识产权盗窃,包括盗用商业机密。强有力的知识产权保护对于保持创新激励机制至关重要。


半导体是美国仅次于飞机、成品油和原油的第四大出口产品。


结  论


半导体是塑造我们国家经济,创造就业机会,技术领导和国家安全的关键技术。 为了保持美国在半导体技术领域的全球领先地位,联邦政府必须制定政策,投资于我们的创新基础、人才和全球竞争能力。


过去,当美国在半导体技术领域的领导地位面临挑战时,它是通过合作和协作才崛起的。在20世纪80年代,政府和业界合作成立了SEMATECH公司,这是一个有远见的合作项目,旨在保持美国半导体行业的领先地位。人们普遍认为,通过战略研究投资和建设半导体劳动力队伍,SEMATECH推动了那个时代的技术创新。全球市场和供应链的开放进一步推动了这一努力,导致了我们今天所拥有的无与伦比的增长和创新。

美国现在面临着对其行业领导地位的类似挑战,政府、学术界和产业界必须再次携手克服这一挑战。我们今天面临的障碍与过去不同,因此此时需要战略思考和新的解决方案,以实现我们继续保持美国半导体行业领先地位的共同目标。


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