Warum sind amerikanische Chips führend?

Die Führungsrolle der Vereinigten Staaten im Bereich der Halbleitertechnologie ist von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaft und die nationale Sicherheit.

Um im Wettlauf um die technologische Führungsrolle und in den von Halbleitern getragenen Schlüsselbranchen wie Künstliche Intelligenz, Hochleistungsrechnen, fortschrittliche Kommunikation, Quanten, Energie, Verteidigung, medizinische Technologie und Verkehr zu gewinnen, müssen die Vereinigten Staaten ihre Position als Zentrum der Halbleiterinnovation neu festigen. Die von der Bundesregierung eingerichteten und durch das "CHIPS and Science Act" finanzierten Forschungsvorhaben, die auf Grundlage des "National Defense Authorization Act for Fiscal Year 2021" etabliert wurden, bemühen sich, den ständig sich ändernden Eigenschaften der Branche, ihrer Technologien und vor allem der Art und Weise, wie Innovation funktioniert, zu begegnen. Diese Investitionen beginnen, die konkreten Lücken in Bezug auf die Wettbewerbsfähigkeit, die Resilienz und die Sicherheit der Lieferkette der US - Halbleiterbranche zu schließen. Darüber hinaus erfolgen diese Investitionen zu einem entscheidenden Zeitpunkt, in dem radikale Veränderungen in der Branche das Innovationslandschaft neu gestalten.

Wichtige Punkte

1. Um im globalen Wettlauf um die technologische Führungsrolle zu gewinnen, müssen die Vereinigten Staaten ihre Vorreiterposition im Bereich der Halbleiterinnovation aufrechterhalten.
2. Das CHIPS - Forschungs - und Entwicklungsprogramm hat das Potenzial, eine ambitionierte, umfassende und an die Branche angepasste Strategie umzusetzen, die die neuesten Innovationspfade der Branche widerspiegelt.
3. Diese Projekte haben Fortschritte bei der Bereitstellung von Ressourcen an die Gewinner erzielt, wobei mehrere Projekte derzeit laufen. Diese Projekte haben begonnen, die erforderliche Infrastruktur zu entwickeln. Die Endverträge für kleine Standorte und große Anlagen wurden unterzeichnet, und derzeit laufen die Vertragsverhandlungen. Es müssen weitere Fortschritte erzielt werden, um eine Forschungsagenda zu entwickeln, die den Prioritäten der Branche und den Anforderungen an die Massenproduktion entspricht, und diese Agenda umzusetzen.
4. Während die Umsetzung dieser Projekte fortgesetzt wird, müssen sie auf einem angemessenen Niveau gehalten werden, und es muss die Verpflichtung zur branchenorientierten Planung aufrechterhalten werden.

Mehr Investitionen in Forschung und Entwicklung, um dem zunehmend heftigen Wettbewerb um die Innovationsführerschaft zu begegnen

In den letzten Jahren haben Regierungen aller Welt - seien es Verbündete oder Konkurrenten - heftig um die Ressourcen für die fortschrittliche Halbleiterforschung und -entwicklung konkurriert, da sie wissen, dass der Ort, an dem die Spitzenforschung stattfindet, auch der Ort des Wachstums der Spitzenunternehmen bestimmt. Die Bundesregierung hat sich durch die von der Chip Research and Development Office (CRDO) finanzierten Halbleiterforschungsprojekte verpflichtet, eine ambitionierte, umfassende und mit der Branche abgestimmte Strategie umzusetzen, um sicherzustellen, dass die Spitzen - Halbleitertechnologien in den Vereinigten Staaten entwickelt, in den Vereinigten Staaten hergestellt und der US - Wirtschaft zugute kommen. Die CRDO - Projekte ermöglichen eine demokratischere Zugänglichkeit zu diesen Innovationsressourcen, die ohne öffentliche Mittel nicht zugänglich wären. Die in diesem Artikel besprochenen CRDO - Projekte sind wie folgt:

Forschungs - und Entwicklungsinvestitionen werden die führende Position der US - Fertigung langfristig sichern

Das CHIPS - Forschungsprogramm ist eine wichtige Ergänzung zu den 540 Milliarden US - Dollar an Investitionen in die heimische Halbleiterfertigungskapazität der Vereinigten Staaten. In der Vergangenheit verliefen die Produktzyklen in dieser Branche in zwei - Jahres - Intervallen. Mit der Umstellung der Branche auf neue Innovationsstrategien beschleunigen sich die Produktzyklen jedoch. Die Vereinigten Staaten müssen im Wettlauf um die globale Kernposition der Halbleiterinnovation gewinnen, um die langfristige Vorreiterposition dieser heimischen Anlagen aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus zielt das branchengetriebene Charakter des Core Research and Development Office (CRDO) - Programms darauf ab, die kontinuierliche Erneuerung der US - Halbleiterlieferkette zu unterstützen, was mit den Prioritäten der Regierung zur Verbesserung der Innovations - und Fertigungswettbewerbsfähigkeit der Vereinigten Staaten übereinstimmt. Im Gegensatz zu traditionellen staatlich geförderten Projekten, die auf die Investition in Frühtechnologien abzielen, hat das CRDO - Programm die einzigartige Aufgabe, die Technologien für die Massenproduktion kurzfristig zu aktivieren.

Die Wichtigkeit der Halbleiterforschungsprojekte

Mit dem Fortschreiten dieser Forschungsprojekte ist zu erwarten, dass sie die Innovationsherausforderungen, denen die Halbleiterbranche gegenübersteht, bewältigen und den Fortschritt in der gesamten Rechenstapel fördern.

1. Das Moore'sche Gesetz und zukünftige Entwicklungstrends

In den letzten Jahren haben sich zahlreiche neue Wege der Halbleiterinnovation ergeben, die neue Formen der Zusammenarbeit und Technologieentwicklung erfordern. In den letzten Jahrzehnten wurde die Verbesserung der Rechenleistung hauptsächlich durch die "Verkleinerung" erzielt - indem die Funktionen auf einem Chip minimiert wurden, um mehr Transistoren auf einem einzigen Siliziumwafer unterzubringen. Daher sagte das "Moore'sche Gesetz" voraus, dass die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre verdoppeln würde, während die Kosten sinken würden. Über Jahrzehnte hinweg hat dieses Innovationsmodell bemerkenswerte Ergebnisse erzielt, und der Trend des Moore'schen Gesetzes setzt sich auch heute fort. Neue Innovationsfronten bringen jedoch große Hoffnungen auf sprunghafte Fortschritte bei der Rechenleistung von fortschrittlichen Logik - und Speicherbausteinen sowie analogen Bauelementen mit sich. Diese neuen Ansätze gehen über das Moore'sche Gesetz hinaus und fordern eine "ganzheitliche" Strategie - Innovation in Software, Materialien, Design, Architektur und Verpackung - und erfordern die Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Gleichzeitig wird für immer mehr Anwendungen (z. B. in der Industrie, bei medizinischen Geräten, im Automobilbereich) die Leistung nicht mehr allein durch die Anzahl der Transistoren gemessen; stattdessen bieten neue Lösungen neue Wertversprechen für neue Endmärkte, wie extrem niedriger Energieverbrauch, hohe Bandbreite, die Fähigkeit, bei höheren Spannungen zu arbeiten, höhere Stabilität bei höheren Temperaturen oder geringere Latenz.

2. Bundesinvestitionen fördern die Innovation

Die neuen Bedürfnisse der Kunden verändern und erweitern die Art und Weise, wie die Halbleiterbranche innoviert. Das CHIPS - Forschungsprogramm zielt darauf ab, die erforderliche Infrastruktur und ein kollaboratives Forschungsplattform bereitzustellen, um sicherzustellen, dass das US - Halbleiterökosystem in allen Innovationsdimensionen den globalen Konkurrenten vorausbleibt.

Als Ergänzung zu den von der Bundesregierung geförderten Forschungsprojekten füllen diese neuen Projekte die Lücken im US - Halbleiterökosystem und ermöglichen es heftigen Branchenkonkurrenten, in einem prä - kompetitiven Kooperationsraum gemeinsam an wichtigen Innovationsbedürfnissen zu arbeiten.

Diese Projektrahmen werden von Branchenführern und Technologieroutenplänen geleitet, sodass das National Applied Critical Technology Project (NAPMP), das National Science and Technology Council (NSTC), das SMART USA - Programm und die Messtechnik (Metrology) einen großen und schnellen Einfluss auf das Land haben können, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die Vereinigten Staaten in zukünftigen Technologiewettkämpfen den globalen Konkurrenten vorausbleiben. Die Gesamtfinanzierung dieser Projekte beläuft sich auf etwa 11 Milliarden US - Dollar und wird über fünf Jahre wie folgt verteilt:

Um effektiv im globalen Wettlauf um die Halbleiterinnovation zu konkurrieren, müssen diese Projekte auf einem angemessenen Niveau gehalten werden. Die Aufrechterhaltung eines angemessenen Finanzierungsniveaus stellt sicher, dass diese Projekte über ausreichende Ressourcen verfügen und feste Beziehungen zu den Branchenpartnern aufbauen können.

3. Überblick über die CHIPS - Forschungsprojekte

Vier von der US - Handelsabteilung verwaltete Projekte zielen darauf ab, den sich ständig entwickelnden technologischen Bedürfnissen der US - Halbleiterbranche gerecht zu werden. Bei der Erstellung dieser Projekte wurden die Meinungen der Branche ausführlich berücksichtigt, und kontinuierliche Einblicke in die Branche sind von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass diese Projekte immer eng mit den Branchenpartnern verbunden bleiben. Ein Überblick über diese Projekte ist nachstehend aufgeführt. Weitere Details finden Sie im restlichen Teil dieses Berichts.

Innovation durch fortschrittliche Verpackungstechnologie

Die fortschrittliche Verpackungstechnologie ist eine neue Halbleitertechnologie, die die Leistung der stärksten Chips im Bereich der Künstlichen Intelligenz und des Hochleistungsrechnens (KI und HPC) beschleunigen kann. Sie wird auch die schnellere und kostengünstigere Entwicklung und Herstellung von maßgeschneiderten Systemen fördern, um den Bedürfnissen von Märkten mit hoher Produktdiversität und geringen Losgrößen gerecht zu werden, wie beispielsweise in Verteidigungsanwendungen, die für die nationale Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind. In der Vergangenheit war die Leistung der Spitzenchips durch die Funktionen beschränkt, die auf einem einzigen zweidimensionalen Siliziumwafer (dem sogenannten "System - on - a - Chip", SOC) realisiert werden konnten.

Heute ermöglicht die fortschrittliche Verpackungstechnologie, dass die einzelnen Komponenten eines Chipsystems separat hergestellt und dann in einer einzigen Verpackung integriert werden, was schließlich die Gesamtmenge an Silizium auf dem Chip (und damit die Rechenleistung) erhöht. Traditionelle Verpackungen beeinflussen die Chipleistung nicht direkt, während die fortschrittliche Verpackung heute zu einem Schlüsselinstrument zur Verbesserung der Rechenleistung geworden ist. Darüber hinaus kann die Fabrikation durch die separate Herstellung der verschiedenen Komponenten eines Chips vereinfacht werden, die Produktivität und die Ausbeute der Fabrik erhöht werden, und es kann eine kontinuierlichere Innovation und Produktverbesserung erreicht werden, da nicht alle Komponenten eines Systems zusammen entwickelt und hergestellt werden müssen, was die Rentabilität erhöht.

Obwohl die ersten fortschrittlichen Verpackungstechnologien bereits auf dem kommerziellen Markt sind, ist der größte Teil ihres Potenzials noch unerschlossen - und die globale Führungsrolle in diesem Schlüsselbereich steht noch aus. Die Vereinigten Staaten stehen derzeit vor einem schwerwiegenden Mangel an Verpackungssupply - Chain - Kapazitäten, da ihre Kapazitäten für die Montage, Prüfung und Verpackung nur 4 % der Weltkapazität ausmachen. Angesichts der zunehmenden Bedeutung der fortschrittlichen Verpackung für die Verbesserung der Rechenleistung ist es jetzt der perfekte strategische Zeitpunkt für die Vereinigten Staaten, die fortschrittliche Verpackungstechnologie stark zu entwickeln und diesen wachsenden Bereich mit hohem Mehrwert zu nutzen, um die eigene Kapazität aufzubauen.

Das US - Parlament hat die Wichtigkeit der Innovation in der Halbleiterverpackung erkannt und das National Advanced Packaging Manufacturing Program (NAPMP) eingerichtet, das darauf abzielt, "die Fähigkeiten in der fortschrittlichen Prüfung, Montage und Verpackung von Halbleitern im nationalen Ökosystem zu stärken" (15 U.S.C. 4656(d)). Das Programm wird von den National Institute of Standards and Technology (NIST) geleitet und konzentriert sich auf Verpackungsanwendungen, die für das öffentliche Interesse von besonderer Bedeutung sind, nämlich die Künstliche Intelligenz (KI) und das Hochleistungsrechnen (HPC). Das NAPMP koordiniert sich ausführlich mit anderen Projekten (einschließlich des Next - Generation Microelectronics Manufacturing Program des Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)), um in das Halbleiter - und KI - Ökosystem zu investieren.

Die Aufgabe des NAPMP ist es, eine umfassende Strategie zu entwickeln, um diese dringenden Herausforderungen zu bewältigen und die heimische Branche der fortschrittlichen Verpackung zu fördern. Die NAPMP - Strategie basiert auf sechs identifizierten Forschungsbereichen:

1. Materialien und Substrate

2. Geräte, Werkzeuge und Prozesse

3. Stromversorgung und Wärmemanagement

4. Photonik und Verbinder

5. Ko - Design, EDA und

6. Chiplet - Ökosystem

Anhang I beschreibt ausführlich die sechs Forschungsbereiche und ihre Bedeutung für die Halbleiterinnovation. Bis Juni 2025 hat das NAPMP 300 Millionen US - Dollar für sein erstes Forschungsförderprogramm festgelegt, das sich auf den Bereich der Materialien und Substrate konzentriert. Darüber hinaus hat das Projekt einen Vertrag über 1,1 Milliarden US - Dollar für die Errichtung seiner Flaggschiffanlage, der Advanced Packaging Pilot Facility (APPF), unterzeichnet. Diese Anlage wird am Standort der Pilotanlage des National Technology Center (NSTC) in Arizona errichtet und gemeinsam betrieben. Die Branche wartet gespannt auf die Förderentscheidungen für weitere fünf Forschungsvorhaben, aber die endgültigen Förderbeträge (insgesamt 1,6 Milliarden US - Dollar) wurden noch nicht bekannt gegeben.

Die APPF wird in die integrierte Fertigungsprozesse für die fortschrittliche Verpackung investieren, damit neue Technologien auf kommerzieller Verpackungsgröße validiert werden können. Die Validierung der Machbarkeit von Innovationen in dieser Anlage wird das Risiko bei der Technologieentwicklung erheblich verringern und ihre