美國《芯片與科學法案》能加速從實驗室到工廠的過渡嗎？

一家半導體初創公司的發展過程展示了該法案的影響。

科技型初創公司的工作空間都有些相似：靈活的小隔間，采用玻璃幕墻的高管辦公室，正在等待記錄方程式和創意的墻上白板，用于處理嘈雜和危險加工過程的地下實驗室。在某種程度上，位于美國賓夕法尼亞州伯利恒理海大學校園內的Ideal半導體公司就是如此。最明顯的不同在于，公司外面的長椅上坐著18世紀發明家和電力愛好者本杰明?富蘭克林真人大小的雕像。

Ideal公司的聯合創始人兼首席執行官馬克?格拉納漢（Mark Granahan）承認，他曾與做過“風箏與鑰匙”實驗的老本杰明?富蘭克林（雕像）有過幾次靜思時刻，但要將一個聰明的想法變成一家有價值的半導體公司，僅僅從創始人那里獲得靈感是遠遠不夠的。從靈感閃現到實驗室演示，最終實現量產，一直以來都是硬件初創公司面臨的重大挑戰。然而，Ideal公司的發展過程尤其能體現美國半導體行業目前的創造力現狀，特別是能夠體現出這家初創公司的創始人全力倡導的《芯片和科學法案》會帶來怎樣的積極變化。

這項法案于2022年通過，最為人所知的內容是，將投入數百億美元在美國建設新的尖端互補金屬氧化物半導體（CMOS）工廠，當時美國完全沒有這樣的設施。但這項工作還有另一個目的：加速新技術從實驗室到工廠的關鍵轉化過程，從而帶來更多更好、能夠在美國制造（大多數情況下）的半導體發明。

Ideal公司的創始人們認為，正是這一點為半導體初創公司帶來最大的改變。有多大呢？對Ideal公司的首款產品來說，《芯片與科學法案》來得有點太遲了，該公司的高管認為，如果這項法律能早些出臺和實施，公司推出上市產品就不用耗費7年之久，可能只需一半的時間和60%的成本。如果它對一家初創公司能夠產生這樣的影響，那么可以想象，它對具有上百家乃至上千家這樣加速發展的初創公司的行業和創新生態系統，會產生怎樣的影響。

“如果有時間、有資金，那很多問題都能解決。”格拉納漢說，“但作為一家初創公司，時間和資金是永遠都不夠的?！毕Ｍ缎酒c科學法案》以及歐洲和其他地區的類似努力能夠為初創公司節省一些時間和資金。

要了解Ideal的發展道路以及《芯片與科學法案》可能對它產生的影響，我們首先需要知道Ideal公司是基于哪種發明建立起來的。這種發明不是某種新型人工智能處理器、獨特的存儲設備或低溫量子接口芯片。實際上，它只是半導體領域看起來最不起眼的東西：分立硅金屬氧化物半導體場效應晶體管，用于功率傳送電路。

類似的設備隨處可見，主要用于將一種電壓轉換為另一種電壓。墻上的調光開關中至少有一個；汽車上有數百個；一臺人形機器人可能需要60多個，用于驅動關節中的電機；現在你周圍10米以內幾乎肯定有一個。根據半導體行業協會的報告，2022年，這種分立器件的市場規模達到340億美元，預計到2030年將增長至500億美元。

理想的功率晶體管在關閉時能阻斷高電壓，在打開時則可無阻力傳導電流，并能在不損失功率的情況下快速切換狀態。但沒有一種設備是真正理想的，格拉納漢以及該公司的另兩位聯合創始人大衛?豪雷吉（David Jauregui）和邁克爾?伯恩斯（Michael Burns）認為，相比當前市場上領先的硅器件，他們可以做到更接近理想狀態。

要了解他們是怎么做到的，我們需要從落后一代的硅器件的晶體管架構入手。這種晶體管被稱為HEXFET，由國際整流器公司首先開發出來，它改變了規則，將晶體管的構建從主要在硅平面上轉變為垂直結構。

這種演變后的結構變成了一個層狀蛋糕，從底部到頂部，愈高愈復雜。最底部是一塊經過化學摻雜的硅，具有高濃度的過量可移動電子，使其成為n型硅。這是設備的漏極。其上方是一個更厚但過量電子濃度較低的區域。最上面一層則更加復雜。設備的源極——一個n型區域，通過通道與器件的其余部分垂直隔開。通道是一個具有過量可移動正電荷（空穴）的p型區域。在通道的中心嵌入了晶體管的柵極，通過狹窄的絕緣層與其他部分實現電隔離。

柵極上的正電壓會將p型區域中的正電荷推向一邊，在源極與漏極之間形成導電路徑，開啟設備。實際的HEXFET由許多這樣的垂直器件并聯組成。

HEXFET是一次巨大的飛躍，但高電壓卻是它的致命弱點。如果將它設計成阻擋更高的電壓，比如說采用加厚中間層，那么當它導電時，設備的電阻會急劇上升，上升速度會超過試圖阻擋的電壓的平方。高電壓操作非常重要，因為可以減少傳輸中的損失，即使在電動汽車和計算機內部這樣的較短距離也是如此。

今天硅功率晶體管的領先架構方案，被稱為RESURF超級結。它通過用p型材料替換部分中間的n型層，實現較低的電阻結構，阻擋更高的電壓。結果是形成了一個電荷平衡的結構，能夠阻擋高電壓。但這種方案實際上將設備的導電面積減半，意味著很難降低電阻，提高性能。

Ideal公司的創意被稱為SuperQ，讓硅層“蛋糕”既好看，又好吃。其在保持RESURF阻擋高電壓能力的同時，恢復了HEXFET的導電面積。SuperQ沒有采用大量的p型硅來平衡設備的內部電荷，而是通過在狹窄的深溝槽里形成納米級薄膜獲得相同的效果。這樣，晶體管重新獲得了寬的低電阻結構，同時仍能應付高電壓。

但這種雙贏方案需要硅功率設備領域沒有的芯片制造技術，即能夠刻蝕深且狹窄（高縱橫比）的溝槽，以及一次鋪設一個原子層材料的工具。這些在先進互補金屬氧化物半導體和存儲芯片制造中很常見，但在制造分立器件的環境中獲取這些技術是Ideal公司面臨的一個主要障礙。

在2014年，格拉納漢將之前的初創公司Ciclon出售給德州儀器后退休?！拔一艘恍r間休息和思考?！彼f。對于格拉納漢，休息和思考意味著閱讀IEEE出版物和其他技術期刊。

正是在此期間，在克服硅功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）局限性的方法中，他看到了曙光。特別是，他注意到在光伏電池領域，一些試圖實現電荷平衡的實驗工作。這依賴于兩件東西。第一是高k介電材料——氧化鋁、二氧化鉿和其他絕緣體，擅長在傳輸電荷電場的同時抑制電荷。這些材料五年前才剛剛開始在英特爾的CPU中使用。第二是構建這些絕緣體納米級薄膜的方法。這種技術被稱為原子層沉積（ALD）。

格拉納漢在賓夕法尼亞州立大學的納米制造實驗室購買了實驗時間，開始嘗試不同的介電材料和加工配方，最終證明SuperQ概念是可行的，但實現這一目標需要一些先進的加工設備。

“這里沒有頓悟時刻?！痹谡劦桨l明過程的初始階段時，他說，“為了讓我們到達起點，我不得不經歷了一個學習過程?！?/p>

與許多潛在變革性想法一樣，這個起點也可能成為終點。早期的主要障礙都一樣，就是資金。

根據格拉納漢和Celesta Capital的風險投資家尼克?布雷思韋特（Nic Braithwaite）的說法，當時美國的風險投資普遍對半導體初創公司不感興趣。布雷思韋特在半導體技術開發和芯片封裝領域工作了數十年，然后于2008年與他人共同創立了他的第一支基金，再于2013年創立了Celesta。他說，當時“沒有人投資半導體”。

“我們需要一個合作伙伴來開發設備架構和與之相關的工藝技術。”他解釋道。Ideal公司的創始人尋找的是一家擁有專業設備并愿意幫助他們開發新工藝的美國代工廠?？上У氖?，在2017年，這樣的代工廠并不存在。

決心尋找國內合作伙伴的Ideal公司高管們決定采取一個“次優解決方案”。他們找到了一家位于美國加州的小型制造商（高管們不愿透露其名稱），但其能力和幫助Ideal開發SuperQ設備的速度都不夠理想。為了能繼續這項工作，Ideal甚至不得不為這家公司投資設備。

走到這一步，Ideal公司的創始人發現了美國半導體行業一些令人擔憂的情況。其中最關鍵的是，芯片制造整體上極度集中在亞洲，特別是中國臺灣。2018年，先進半導體行業的大公司大多是總部設在美國的無晶圓公司。也就是說，它們負責設計芯片，然后雇用代工廠，如臺灣積體電路制造公司（以下簡稱臺積電）或三星公司來生產這些芯片。通常，這些公司還會在亞洲由第三家公司測試和封裝芯片，最后再運回設計者手中。

現在，這一切依然如此。這是AMD、蘋果、谷歌、英偉達、高通等美國科技巨頭的標準操作程序。

2018年，美國制造尖端邏輯芯片的能力已經萎縮，瀕臨消亡。當時，英特爾只生產自己的芯片，在新工藝技術的開發上跌跌撞撞，首次落后于臺積電。位于紐約馬爾塔的全球第三大代工廠格芯突然放棄開發先進的工藝技術，因為如果繼續下去，將把公司拖入財務惡性循環。

當時的情況非常失衡，最先進的邏輯芯片制造100%在亞洲進行，而臺積電就占據了92%。（對于不那么先進的芯片，情況也差不多：77%在亞洲制造，其中中國占30%。）

“亞洲對美國的半導體發展有著‘擱置否決權’。”格拉納漢總結道，“美國已經失去了它初創半導體的生態系統?！?/p>

出于這種擔憂和沮喪，格拉納漢和共同創始人及執行董事長邁克爾?伯恩斯（Michael Burns）采取了積極行動：他們把自己的經歷匯報給了美國政府?！拔液筒魉?，尤其是伯恩斯，在華盛頓花了很多時間與眾議院和參議院的人交談——工作人員（共和黨人、民主黨人），任何愿意聽我們說話的人?！备窭{漢說道。伯恩斯估計他們開了多達75場會議。他說，回應總體來說是“很多的疑惑”。許多他們與之交談的政客根本不相信美國在半導體生產上已經落后了這么多。

不過，美國政府的某些部門已經對此表示擔憂，將半導體視為國家安全問題。因此，2019年底，旨在將先進半導體制造業帶回美國的《芯片與科學法案》的種子開始在華盛頓發芽。雖然在國會兩院都獲得了兩黨的一些支持，但那時這并不是優先問題。

接著，新冠疫情來了。

還記得2020年全球疫情帶來的供應鏈物流“速成課”嗎？在疫情引發混亂的第一年，消費者想要的許多東西都無法獲得，而其直接或間接原因都是半導體短缺。

“新冠來襲時，突然之間……電話開始響個不停?！备窭{漢說。

“《芯片與科學法案》的出臺早于疫情，但疫情真正暴露了我們需要這項法案的原因?！痹谝患野雽w初創公司擔任首席技術官的格雷格?耶里克（Greg Yeric）說道，現在他是美國商務部《芯片與科學法案》執行辦公室的研究主任。

修正立法的勢頭開始增加，2021年1月初，美國國會推翻了總統的否決，通過了一項國防法案，其中便包括后來的《芯片與科學法案》的框架?！缎酒c科學法案》于2022年8月正式簽署成為法律，承諾為芯片和科學領域提供520億美元，其中390億美元用于資助新制造企業，20億美元用于國防部門的半導體，110億美元用于研發。這筆研發資金也支持伯恩斯及其同事一直在推動的“美國國家半導體技術中心”（NSTC）的概念。

從初創公司的角度來看，國家半導體技術中心的目的是為新技術的測試和試驗提供場所，推動從實驗室到工廠的過渡。Ideal多年來一直受困于這個階段。在美國國家半導體技術中心的戰略規劃文件中，政府表示其目的是“擴大獲取設計和制造資源的渠道”并“減少將技術推向市場的時間和成本”。

美國國家半導體技術中心將如何實現這些目標呢？一些細節開始浮現。該中心將由一家名為Natcast的公私合作伙伴運營，思科系統前首席安全官迪爾德麗?漢福德（Deirdre Hanford）最近被任命為該公司的首席執行官。2024年7月，美國政府決定建設3座重要的國家半導體技術中心設施：一座原型制作和先進封裝試驗工廠，一座行政管理和設計場地，以及一個極紫外光（EUV）光刻技術中心（極紫外光刻是開發尖端互補金屬氧化物半導體的關鍵技術，投資超過1億美元）。按照美國政府的計劃，國家半導體技術中心設計場地設施將于2025年投入運營， 極紫外光刻技術中心于2026年投入使用，最后是原型制作和封裝試驗工廠于2028年投入使用。

“我們如果能使用國家半導體技術中心的這些功能，我想就可以填補這一領域空白?！备窭{漢說。

如今，7年過去了，Ideal即將推出其首款SuperQ器件。該初創公司還找到了制造商，即位于美國明尼蘇達州布盧明頓的Polar半導體公司。2024年9月底，Polar成為第一家獲得《芯片與科學法案》資助（1.23億美元）的公司，用于晶圓廠的擴大和現代化，其目標是將美國的生產能力翻一番，并把自己打造為代工廠。

對Ideal而言，美國國家半導體技術中心的原型設施可能來得太晚，但對于新一批硬件初創公司來說則可能正是時候。耶里克所在的《芯片與科學法案》執行辦公室在推動各項研發工作，幫助下一代芯片初創公司更快地發展起來。

同樣重要的是，《芯片與科學法案》正在擴大美國國內的制造規模，這也有助于初創公司發展。截至2024年9月底，約有360億美元已承諾用于全美的27個制造和技術開發項目。“如果你的設計受到晶圓廠能力的限制，那么在某種程度上也會限制你的創新能力?！盋elesta Capital的布雷思韋特說，“希望是，如果有美國本土的代工廠服務，就能更好地為美國初創公司提供支持?！?/p>

作者：Samuel K. Moore

IEEE Spectrum

《科技縱覽》

官方微信公眾平臺