美國斥巨資，發(fā)展3D異構(gòu)集成

美國國防高級研究計劃局表示，計劃明年夏天授予一份合同，建立美國先進(jìn)微電子制造中心。

該計劃被稱為“下一代微電子制造”，將資助研究和設(shè)備，以創(chuàng)建一個國內(nèi)尖端制造技術(shù)原型制作中心，DARPA 希望該中心將為美國半導(dǎo)體工業(yè)基地帶來領(lǐng)先優(yōu)勢。目標(biāo)是到 2029 年實現(xiàn)這一能力。

該中心將專注于 3D 異構(gòu)集成微系統(tǒng)（3DHI）——一種先進(jìn)的微電子制造方法。3DHI 研究的前提是，通過以不同的方式集成和封裝芯片組件，制造商可以分解內(nèi)存和處理等功能，從而顯著提高性能。

這一技術(shù)領(lǐng)域不僅可以改變美國的工業(yè)基礎(chǔ)，而且包括全球微電子生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)者臺灣在內(nèi)的其他國家也對此有著濃厚的興趣。

“目前，美國還沒有具備3DHI研發(fā)綜合能力的開放制造中心，”DARPA在11月20日的計劃公告中表示?！邦A(yù)計微電子創(chuàng)新的下一波主要浪潮將來自通過先進(jìn)封裝集成異質(zhì)材料、設(shè)備和電路的能力，DARPA 提議專門為下一代 3DHI 建立一個國家加速器。”

7月，該機(jī)構(gòu)選擇了11個團(tuán)隊開始該中心的基礎(chǔ)工作。DARPA 本周表示，計劃為該計劃的接下來兩個階段選擇一個團(tuán)隊，每個階段的獎金高達(dá) 4.2 億美元。

根據(jù)這種伙伴關(guān)系（稱為其他交易協(xié)議），選定的團(tuán)隊還將資助部分工作。DARPA 計劃于 11 月 28 日向業(yè)界通報這一努力。

美國從臺灣和中國大陸出口大部分先進(jìn)半導(dǎo)體，這兩個國家在全球市場占據(jù)主導(dǎo)地位。近年來，人們越來越擔(dān)心這些為汽車、手機(jī)和國防部主要武器提供動力的關(guān)鍵微系統(tǒng)過度依賴外國供應(yīng)鏈。

DARPA 通過 NGMM 等努力關(guān)注前瞻性技術(shù)，這與美國政府通過《創(chuàng)造半導(dǎo)體生產(chǎn)有益激勵措施》（CHIPS 法案）來促進(jìn)當(dāng)今國內(nèi)半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)的更廣泛努力不同。該措施于 2022 年獲得國會通過，并將持續(xù)到 2026 年，并為半導(dǎo)體勞動力改善工作、研發(fā)和制造提供資金。它還為國內(nèi)制造設(shè)施和設(shè)備的投資提供 25% 的稅收抵免。

雖然《CHIPS 法案》的重點是在短期內(nèi)支撐美國的供應(yīng)基礎(chǔ)，但 DARPA 在這一領(lǐng)域的努力卻著眼于“下一波創(chuàng)新”。

NGMM 是這些努力的核心，隸屬于該機(jī)構(gòu)的電子復(fù)興計劃 2.0，旨在解決影響美國國家安全和商業(yè)行業(yè)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

NGMM 第一階段將重點關(guān)注購買設(shè)備、創(chuàng)建基礎(chǔ)制造工藝以及建立適合 3DHI 系統(tǒng)的自動化和模擬軟件。第二階段的重點是創(chuàng)建硬件原型、自動化流程和開發(fā)仿真功能。

DARPA 表示：“該計劃的最終目標(biāo)是在非聯(lián)邦實體擁有和運營的現(xiàn)有設(shè)施中建立一個自我維持的 3DHI 制造中心，并可供學(xué)術(shù)界、政府和工業(yè)界的用戶使用?！?“衡量成功的標(biāo)準(zhǔn)是能否以合理的成本支持各種高性能 3DHI 微系統(tǒng)的設(shè)計、制造、組裝和測試，并以支持快節(jié)奏創(chuàng)新研究的周期時間?！?/p>

DARPA 發(fā)布關(guān)于建立國內(nèi) 3D 異構(gòu)集成 (3DHI) 微系統(tǒng)研發(fā)和制造中心的RFI

美國國防高級研究計劃局 (DARPA) 微系統(tǒng)技術(shù)辦公室 (MTO) 正在請求信息來指導(dǎo)建立國內(nèi)研發(fā) (R&D) 中心，用于制造三維異構(gòu)集成 (3DHI) 微系統(tǒng)。

DARPA 下一代微系統(tǒng)制造 (NGMM) 計劃的第 0 階段目前正在分析和確定制造代表性 3DHI 微系統(tǒng)所需的軟件工具、硬件工具、工藝模塊、電子設(shè)計自動化 (EDA) 工具以及封裝和組裝工具。

該計劃的下一階段（第一階段和第二階段）旨在為學(xué)術(shù)界、中小型企業(yè)、國防和商業(yè)公司以及政府組織的利益相關(guān)者創(chuàng)建先進(jìn)異構(gòu)互連組件的運營研發(fā)能力。涉及的技術(shù)包括但不限于化合物半導(dǎo)體、光子學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)，除了數(shù)字邏輯和存儲器之外，還延伸到電源、模擬和射頻 (RF) 領(lǐng)域。該計劃的最終結(jié)果將是一個可供利益相關(guān)者訪問的開放式研發(fā)中心，以全面解決 3DHI 原型的設(shè)計、封裝、組裝和測試問題。

在第一階段，NGMM 計劃將在現(xiàn)有設(shè)施中建立一個中心，提供最先進(jìn)的數(shù)字、射頻、光子或功率器件的封裝、組裝和測試。DARPA 將資助升級和/或修改現(xiàn)有硬件工具、軟件工具和 EDA 工具以執(zhí)行 3DHI（研發(fā)）所需的勞動力、設(shè)備、材料和用品。第一階段還將重點開發(fā)基線工藝模塊，以及初始商用前的 3DHI 試驗線能力（穩(wěn)定的封裝和裝配工藝）和相關(guān)的 3D 裝配設(shè)計套件 (3D-ADK)。

第二階段將進(jìn)一步優(yōu)化3DHI工藝模塊，加大研發(fā)力度以提高封裝自動化，并實施該中心的運營訪問模型，該中心將開始與外部微電子組織開展合作研究工作。第二階段完成后，預(yù)計 NGMM 中心的監(jiān)督將從 DARPA 轉(zhuǎn)移到另一個政府機(jī)構(gòu)，并且持續(xù)的工藝成熟將開發(fā)創(chuàng)新 3DHI 微系統(tǒng)的小批量生產(chǎn)能力。此外，該中心還將實現(xiàn) NGMM 內(nèi)開發(fā)的設(shè)備、工藝和設(shè)計的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，以支持在外部商業(yè)和國防封裝設(shè)施上制造這些微系統(tǒng)。

微電子創(chuàng)新的下一波主要浪潮預(yù)計將來自于通過先進(jìn)封裝集成異質(zhì)材料、器件和電路的能力，從而產(chǎn)生一個延伸到三維的緊密耦合系統(tǒng)，其性能超過了當(dāng)今單片方法的性能。行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者目前在一小部分商業(yè)產(chǎn)品中使用適度不同的硅數(shù)字技術(shù)的 3D 集成，從堆疊動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM) 到互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 成像器再到高性能計算。當(dāng)今成熟的集成技術(shù)，即使是那些通常被稱為 3DHI 的技術(shù)，也主要集中在低功耗前沿 CMOS、傳統(tǒng) CMOS 和硅基存儲器上。然而，廣泛影響防御系統(tǒng)的機(jī)會依賴于擴(kuò)展可集成和組裝的微電子類型。

此外，推進(jìn)數(shù)字集成需要增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今最先進(jìn)水平的互連密度。DARPA 向異構(gòu)集成的擴(kuò)展還包括用于互連的射頻和光子學(xué)的化合物半導(dǎo)體、用于計算的新型存儲器件以及用于電力電子的寬帶隙和超寬帶隙半導(dǎo)體。

目前，美國沒有具備持續(xù)3DHI研發(fā)能力的開放獲取中心。除極少數(shù)例外，從事 3DHI 研究的美國公司都依賴離岸設(shè)施，例如臺積電（臺灣）和校際微電子中心（比利時 IMEC）。開放式的國內(nèi) 3DHI 研發(fā)中心將引發(fā)更廣泛的創(chuàng)新浪潮，促進(jìn)共享學(xué)習(xí)，并確保初創(chuàng)企業(yè)、學(xué)術(shù)界和國防工業(yè)基地能夠參與小批量產(chǎn)品的 3DHI 研發(fā)。

NGMM 計劃旨在強(qiáng)調(diào)將不同材料系統(tǒng)整合到同一封裝中的 3DHI 微系統(tǒng)，例如用于互連的光子學(xué)、用于計算的新型存儲器件、用于電力電子的寬帶隙和超寬帶隙半導(dǎo)體以及增材制造的無源元件。在本 RFI 中，3DHI 是指將來自不同材料系統(tǒng)的單獨制造的組件堆疊在單個封裝內(nèi)，以產(chǎn)生在功能和性能方面提供革命性改進(jìn)的微系統(tǒng)。具體來說，這些微系統(tǒng)將不同的晶圓或芯片集成到垂直堆疊的架構(gòu)中。