美国半导体联盟发布！《微电子和先进封装技术路线图》

2023年10月，美国半导体工业协会（SIA）联合半导体研究联盟（SRC）发布《微电子和先进封装技术路线图》（MAPT），是对半导体研究联盟《2030年半导体十年计划》的扩展，《2030年半导体十年计划》确定了与智能传感、内存和存储、通信、安全和节能计算相关五个行业的重大转变，而MAPT路线图总结了技术进步的关键驱动因素，为如何突破十年计划中概述的技术挑战提供指导，并为培养实现创新战略所需的人才制定战略。元战略编译重要内容，为研究半导体技术的未来发展提供参考。

背景介绍

近年来，半导体技术的学术研究和商业转化之间的鸿沟日益扩大。鉴于此，2022年，美国政府通过了《创造有利于半导体生产的激励机制法案》（简称“CHIPS法案”），弥合这一鸿沟。目前CHIPS法案正在分阶段实施，致力于改善科研成果的商业转化过程，使美国及其盟国能够恢复并重新确立在芯片、先进封装技术及其所创建的工程系统研发和制造方面的领先地位。为促进新一代半导体技术创新，取代几十年前制定的路线图，确定推动信息和通信技术发展的重大趋势，并识别出未来的发展机遇和挑战，半导体研究联盟和半导体协会合作，发起了一项新的全社会半导体路线图计划，即《2030年半导体十年计划》 。

《微电子和先进封装技术路线图》延续了十年计划的精神，讨论了如何实现其系统目标，并概述了半导体行业的实施计划。微电子和先进封装技术是一项重要的跨学科战略，有可能改变未来微芯片的设计和制造。这些变革建立在先进封装、三维集成、电子设计自动化、纳米级制造、新材料和节能计算 等领域的突破性进展之上。这项路线图绘制工作的一个重要贡献是确保美国和志同道合的国家未来能够设计、开发和制造异质集成芯片。MAPT技术委员会已将上述内容确定为MAPT创新的关键驱动力，并已开始规划相关的研发工作。MAPT联盟包括112个组织，代表了整个价值链上的相关行业利益攸关方。学术专家的参与确保了该项目能够获得关键学科的前沿科学和工程学信息。政府机构也参与其中，这些机构的任务与MAPT在信息和通信技术先进制造领域的研究和发展相一致。

需求和驱动因素

（一）应用驱动因素和系统需求

在过去几十年中，由于晶体管根据摩尔定律进行了扩展，架构师和最终用户都享受到了系统性能的提升和能效的提高。此外，随着应用领域不断超越传统计算，向更多生物启发和生物感知解决方案扩展，系统及其组成元素必须更好地支持这些用例。随着行业向计算系统和应用的新时代过渡，必须采用全栈方法来推进计算系统的发展，即从应用到比特的所有层面都要一并探讨。为此，需要考虑各种应用领域的影响，以推动未来应用，并引领MAPT路线图所涵盖的关键使能技术的发展方向。这些领域包括数据中心和高性能计算、移动通信和基础设施、边缘和物联网、汽车、生物应用和健康，以及国防和恶劣环境。

（二）可持续性和能源效率

尽管微电子有助于促进有力地解决全球、区域和地方环境可持续性挑战，但也必须考虑与微电子的制造、使用和报废管理相关的潜在环境影响，因为微电子产品生命周期的每个阶段都会对环境产生影响。通过整个半导体生态系统的集体行动，积极主动地将环境因素纳入正常的业务运营中，对于可持续性至关重要。微电子和应用封装技术（MAPT）取得成功的关键在于继续开发新的有益技术，同时确保环境因素成为产品生命周期中不可或缺的一部分。在此基础上，需要讨论以下需求：

（1）大幅提高信息与通信技术（ICT）的能效，在此简称为“计算”；

（2）在微电子的整个生命周期内提高环境可持续性和能效，同时满足性能标准。此外，还需要培养一支具备正确技能和工具的人才队伍，以完成这一由半导体催化和支撑的可持续发展转型。

（三）安全和隐私

先进制造和封装技术的前景光明，但新技术也带来了新的攻击载体和颠覆现有系统的新方法。为应对新出现的安全和隐私挑战，该路线图提出以下5点目标：

（1）全面识别异构集成中潜在的硬件安全漏洞。

（2）概述可行的策略，以识别安全资产并检测或避免系统封装内的安全漏洞；定义公平的指标，以评估实施的安全弹性。

（3）从安全角度描述特定应用中的攻击情景防御机制。

（4）描述软件和硬件向多租户应用发展的安全影响，特别是在软件包异构集成方面。

（5）描述模拟和微机电系统（MEMS）传感器的安全分析，包括其在现代应用和威胁模型中的使用。

芯片、芯粒和系统级封装

（一）数字处理

数字处理路线图研究了当前和新出现的数字处理驱动因素以及所需的处理模式创新。这些要求决定了数字处理、存储器、支持芯片、互连和整体系统架构 所需的技术和架构。反过来，芯片和互连架构又决定了对设备、互连以及化学品和化学处理技术的要求。化学处理需要深入了解物理和化学反应机制，以便集成到产品中。数字处理还需规定数字处理系统的系统级集成所需的辅助要求和解决方案，以及整体安全性、电源转换/传输、系统可靠性和运行时管理需求等相关的考虑因素。

（二）模拟和混合信号半导体

最近发布的十年计划阐明了对模拟和混合信号（AMS）半导体技术有直接影响的几项重大挑战和重大转变。模拟电子学领域涵盖多个方面，包括 传感、模拟和数字/混合信号处理、数据转换、通信、计算和电源管理。路线图从模拟和混合信号电路与处理，电源转换、管理和分配（包括高电压/高电流系统）和射频到千兆赫器件、电路和系统三个方面来介绍模拟和混合信号半导体。为解决从射频到毫米波和光学领域大量模拟数据带来的新挑战， 包括器件、互连、功率、动态范围/线性度、噪声、封装、天线/接口、干扰和信号处理。对于单输入多输出（SIMO）和多输入多输出（MIMO）系统（如汽车和工业雷达）来说，优化特定应用的数据传输速率非常重要。对所有应用而言，最重要的衡量标准是 所开发的技术（器件、电路、架构）是否能在工艺、电压和温度条件下在预期应用中真正发挥作用，是否能实现高产出和长期稳健/安全运行。AMS领域异常多样化，通常需要跨多个技术领域开展工作，这表明， 电子设计自动化（EDA）、安全、计量、封装和教育/劳动力发展等问题都需要了解AMS的趋势和挑战。

（三）光子学和微机电系统

随着晶体管2D缩放速度的放缓和2.5D/3D封装技术的成熟，开发采用集成光子学技术、在互补金属氧化物半导体（CMOS）工厂制造并使用先进集成电路封装技术的光学收发器和互连器件开始成为一项更为重要的技术创新。与数据处理（计算）和存储芯片共置于同一封装内的光收发器被称为共封装光学器件或芯片封装优化（CPO）。包含有源光子器件和相关光子电路的芯片称为光子集成电路（PIC）。这些PIC将电信号转换为光信号，并在封装之间和/或封装内的计算核心与存储器之间传输光域数据。CPO最重要的价值主张是提高带宽密度和能效， 而这两项关键指标是由不断增长的计算能力和通信带宽需求所驱动的。这种需求尤其受到复杂的AI和ML加速器以及计算集群的快速增长和实施的影响， 它们正在推动互联带宽、能效和更低延迟的极限，从芯片级到由数千个GPU、CPU和内存IC组成的大规模系统。

（四）先进封装和异构集成

信息和通信技术（ICTs）是必须移动、存储、计算、通信和保护的数据呈指数级增长的源泉。依靠缩小特征尺寸的传统半导体技术正在达到其物理极限。随着晶体管能效的提高和晶体管规模的扩大，业界在提升系统性能方面仍面临巨大挑战。新技术节点的进展速度已经放缓，在“更多摩尔”传统晶体管扩展的同时，“更多摩尔”异构集成（HI）的需求越来越迫切，以实现具有成本效益的封装系统（SiPs）。异构集成将是实现下一代计算和通信系统的成本和功耗效率的基础， 通过异构集成实现的先进封装至关重要。

基础生态系统

（一）材料、基板和供应链

关键技术应用驱动因素，包括 高性能计算、汽车传感、电气化、电力电子和5G/6G通信基础设施，都要求在未来十年及以后大幅改进封装材料，以实现系统性能升级。为此，路线图概述了封装材料的开发需求， 封装材料是指将器件连接到特定应用印刷电路板的所有成分，包括基板、中间膜（硅基、有机、无机、玻璃）、芯片连接、底部填充、互连、焊球和封装材料，以及用于散热的材料（盖子、金属栓、热界面材料等）。需要大力开发材料， 以实现微型化、电气性能（隔离、低损耗）、更高的机械性能、可加工性、先进的散热解决方案，并在每个特定应用所需的成本限制内保证可靠性。除了采用新配方/选择新材料以实现零排放和可回收性之外，还需要进行根本性变革，以实现环境的可持续发展。

（二）设计、建模、测试和标准

设计、制造和部署结合了同类最佳组件优势的3D异构集成封装系统（HISiP），将为数据中心、高性能计算到移动、通信和基础设施、边缘和物联网、汽车、生物/健康、国防和恶劣环境等应用领域的创新开创一个新纪元。3DHISiP有助于降低功耗、提高性能、增强可靠性和降低成本。 同时，3DHISiP还能让设计人员灵活地使用同类最佳的技术， 而不必为在通用芯片制造工艺中使用所有技术而妥协。在制造3DSiP之前，必须对其进行设计，下一代3DHISiP设计人员将需要新的设计工具和数据范例， 以便在通用封装中实现混合域芯片（包括数字、模拟、混合信号、电源、光子学和MEM）的协同设计。

（三）制造和工艺开发计量

《微电子和先进封装技术路线图》所有领域的表征和计量要求， 包括从材料和器件到先进封装以及异构集成和系统。计量测量为半导体材料和器件的研究、开发和制造提供了全方位的支持。对新材料和结构的探索是计量密集型的，而随着工艺技术的日益成熟，计量的使用也在增加。离线、在线和在线计量包括物理和电气测量的各个方面，其长度范围可从原子测量到宏观测量。

关键推动因素：人才发展

目前，美国国内微电子和先进封装技术（MAPT）的人才储备以及创建和支持人才队伍的途径远远不能满足国家的预期需求。 虽然这是美国普遍存在的科学、技术、工程和数学（STEM）劳动力缺口的一部分，但对于美国在MAPT研发、集成电路设计和制造领域的领导地位而言，这已经达到了一个临界点，引发了相当大的国家安全风险。《CHIPS和科学法案》将为美国投资500亿美元，在未来十年内，相关领域人才将面临巨大缺口，由于各方都认为缺口巨大，渠道不足，需要全美各级部门集中精力和时间来填补。多个组织一直在研究和规划劳动力发展（WFD）需求，包括 总统科技顾问委员会（PCAST）、美国国防部（DOD）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、国家科学委员会和美国半导体学院（ASA）。所有研究都集中在相同的基本要素上： 管道开发，包容性，课程开发，与核心工作职能相一致的知识、技能和能力（KSA），使用最先进的教育和培训设施，以及用于真实KSA开发、体验式学习和招聘的工具。最近成立的行业-大学团队正在利用《CHIPS法案》的资金审查需求和最佳实践， 以制定从国家到地方、针对不同目标群体、工作和教育要求的大规模实施战略。

免责声明： 本文转自元战略，原作者Allen Wang。文章内容系原作者个人观点，本公众号编译/转载仅为分享、传达不同观点，如有任何异议，欢迎联系我们！

转自丨元战略

作者丨Allen Wang

研究所简介

国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。

地址：北京市海淀区小南庄20号楼A座

电话：010-82635522

微信：iite_er

美国半导体联盟发布！《微电子和先进封装技术路线图》

2023年10月，美国半导体工业协会（SIA）联合半导体研究联盟（SRC）发布《微电子和先进封装技术路线图》（MAPT），是对半导体研究联盟《2030年半导体十年计划》的扩展，《2030年半导体十年计划》确定了与智能传感、内存和存储、通信、安全和节能计算相关五个行业的重大转变，而MAPT路线图总结了技术进步的关键驱动因素，为如何突破十年计划中概述的技术挑战提供指导，并为培养实现创新战略所需的人才制定战略。元战略编译重要内容，为研究半导体技术的未来发展提供参考。

背景介绍

近年来，半导体技术的学术研究和商业转化之间的鸿沟日益扩大。鉴于此，2022年，美国政府通过了《创造有利于半导体生产的激励机制法案》（简称“CHIPS法案”），弥合这一鸿沟。目前CHIPS法案正在分阶段实施，致力于改善科研成果的商业转化过程，使美国及其盟国能够恢复并重新确立在芯片、先进封装技术及其所创建的工程系统研发和制造方面的领先地位。为促进新一代半导体技术创新，取代几十年前制定的路线图，确定推动信息和通信技术发展的重大趋势，并识别出未来的发展机遇和挑战，半导体研究联盟和半导体协会合作，发起了一项新的全社会半导体路线图计划，即《2030年半导体十年计划》 。

《微电子和先进封装技术路线图》延续了十年计划的精神，讨论了如何实现其系统目标，并概述了半导体行业的实施计划。微电子和先进封装技术是一项重要的跨学科战略，有可能改变未来微芯片的设计和制造。这些变革建立在先进封装、三维集成、电子设计自动化、纳米级制造、新材料和节能计算 等领域的突破性进展之上。这项路线图绘制工作的一个重要贡献是确保美国和志同道合的国家未来能够设计、开发和制造异质集成芯片。MAPT技术委员会已将上述内容确定为MAPT创新的关键驱动力，并已开始规划相关的研发工作。MAPT联盟包括112个组织，代表了整个价值链上的相关行业利益攸关方。学术专家的参与确保了该项目能够获得关键学科的前沿科学和工程学信息。政府机构也参与其中，这些机构的任务与MAPT在信息和通信技术先进制造领域的研究和发展相一致。

需求和驱动因素

（一）应用驱动因素和系统需求

在过去几十年中，由于晶体管根据摩尔定律进行了扩展，架构师和最终用户都享受到了系统性能的提升和能效的提高。此外，随着应用领域不断超越传统计算，向更多生物启发和生物感知解决方案扩展，系统及其组成元素必须更好地支持这些用例。随着行业向计算系统和应用的新时代过渡，必须采用全栈方法来推进计算系统的发展，即从应用到比特的所有层面都要一并探讨。为此，需要考虑各种应用领域的影响，以推动未来应用，并引领MAPT路线图所涵盖的关键使能技术的发展方向。这些领域包括数据中心和高性能计算、移动通信和基础设施、边缘和物联网、汽车、生物应用和健康，以及国防和恶劣环境。

（二）可持续性和能源效率

尽管微电子有助于促进有力地解决全球、区域和地方环境可持续性挑战，但也必须考虑与微电子的制造、使用和报废管理相关的潜在环境影响，因为微电子产品生命周期的每个阶段都会对环境产生影响。通过整个半导体生态系统的集体行动，积极主动地将环境因素纳入正常的业务运营中，对于可持续性至关重要。微电子和应用封装技术（MAPT）取得成功的关键在于继续开发新的有益技术，同时确保环境因素成为产品生命周期中不可或缺的一部分。在此基础上，需要讨论以下需求：

（1）大幅提高信息与通信技术（ICT）的能效，在此简称为“计算”；

（2）在微电子的整个生命周期内提高环境可持续性和能效，同时满足性能标准。此外，还需要培养一支具备正确技能和工具的人才队伍，以完成这一由半导体催化和支撑的可持续发展转型。

（三）安全和隐私

先进制造和封装技术的前景光明，但新技术也带来了新的攻击载体和颠覆现有系统的新方法。为应对新出现的安全和隐私挑战，该路线图提出以下5点目标：

（1）全面识别异构集成中潜在的硬件安全漏洞。

（2）概述可行的策略，以识别安全资产并检测或避免系统封装内的安全漏洞；定义公平的指标，以评估实施的安全弹性。

（3）从安全角度描述特定应用中的攻击情景防御机制。

（4）描述软件和硬件向多租户应用发展的安全影响，特别是在软件包异构集成方面。

（5）描述模拟和微机电系统（MEMS）传感器的安全分析，包括其在现代应用和威胁模型中的使用。

芯片、芯粒和系统级封装

（一）数字处理

数字处理路线图研究了当前和新出现的数字处理驱动因素以及所需的处理模式创新。这些要求决定了数字处理、存储器、支持芯片、互连和整体系统架构 所需的技术和架构。反过来，芯片和互连架构又决定了对设备、互连以及化学品和化学处理技术的要求。化学处理需要深入了解物理和化学反应机制，以便集成到产品中。数字处理还需规定数字处理系统的系统级集成所需的辅助要求和解决方案，以及整体安全性、电源转换/传输、系统可靠性和运行时管理需求等相关的考虑因素。

（二）模拟和混合信号半导体

最近发布的十年计划阐明了对模拟和混合信号（AMS）半导体技术有直接影响的几项重大挑战和重大转变。模拟电子学领域涵盖多个方面，包括 传感、模拟和数字/混合信号处理、数据转换、通信、计算和电源管理。路线图从模拟和混合信号电路与处理，电源转换、管理和分配（包括高电压/高电流系统）和射频到千兆赫器件、电路和系统三个方面来介绍模拟和混合信号半导体。为解决从射频到毫米波和光学领域大量模拟数据带来的新挑战， 包括器件、互连、功率、动态范围/线性度、噪声、封装、天线/接口、干扰和信号处理。对于单输入多输出（SIMO）和多输入多输出（MIMO）系统（如汽车和工业雷达）来说，优化特定应用的数据传输速率非常重要。对所有应用而言，最重要的衡量标准是 所开发的技术（器件、电路、架构）是否能在工艺、电压和温度条件下在预期应用中真正发挥作用，是否能实现高产出和长期稳健/安全运行。AMS领域异常多样化，通常需要跨多个技术领域开展工作，这表明， 电子设计自动化（EDA）、安全、计量、封装和教育/劳动力发展等问题都需要了解AMS的趋势和挑战。

（三）光子学和微机电系统

随着晶体管2D缩放速度的放缓和2.5D/3D封装技术的成熟，开发采用集成光子学技术、在互补金属氧化物半导体（CMOS）工厂制造并使用先进集成电路封装技术的光学收发器和互连器件开始成为一项更为重要的技术创新。与数据处理（计算）和存储芯片共置于同一封装内的光收发器被称为共封装光学器件或芯片封装优化（CPO）。包含有源光子器件和相关光子电路的芯片称为光子集成电路（PIC）。这些PIC将电信号转换为光信号，并在封装之间和/或封装内的计算核心与存储器之间传输光域数据。CPO最重要的价值主张是提高带宽密度和能效， 而这两项关键指标是由不断增长的计算能力和通信带宽需求所驱动的。这种需求尤其受到复杂的AI和ML加速器以及计算集群的快速增长和实施的影响， 它们正在推动互联带宽、能效和更低延迟的极限，从芯片级到由数千个GPU、CPU和内存IC组成的大规模系统。

（四）先进封装和异构集成

信息和通信技术（ICTs）是必须移动、存储、计算、通信和保护的数据呈指数级增长的源泉。依靠缩小特征尺寸的传统半导体技术正在达到其物理极限。随着晶体管能效的提高和晶体管规模的扩大，业界在提升系统性能方面仍面临巨大挑战。新技术节点的进展速度已经放缓，在“更多摩尔”传统晶体管扩展的同时，“更多摩尔”异构集成（HI）的需求越来越迫切，以实现具有成本效益的封装系统（SiPs）。异构集成将是实现下一代计算和通信系统的成本和功耗效率的基础， 通过异构集成实现的先进封装至关重要。

基础生态系统

（一）材料、基板和供应链

关键技术应用驱动因素，包括 高性能计算、汽车传感、电气化、电力电子和5G/6G通信基础设施，都要求在未来十年及以后大幅改进封装材料，以实现系统性能升级。为此，路线图概述了封装材料的开发需求， 封装材料是指将器件连接到特定应用印刷电路板的所有成分，包括基板、中间膜（硅基、有机、无机、玻璃）、芯片连接、底部填充、互连、焊球和封装材料，以及用于散热的材料（盖子、金属栓、热界面材料等）。需要大力开发材料， 以实现微型化、电气性能（隔离、低损耗）、更高的机械性能、可加工性、先进的散热解决方案，并在每个特定应用所需的成本限制内保证可靠性。除了采用新配方/选择新材料以实现零排放和可回收性之外，还需要进行根本性变革，以实现环境的可持续发展。

（二）设计、建模、测试和标准

设计、制造和部署结合了同类最佳组件优势的3D异构集成封装系统（HISiP），将为数据中心、高性能计算到移动、通信和基础设施、边缘和物联网、汽车、生物/健康、国防和恶劣环境等应用领域的创新开创一个新纪元。3DHISiP有助于降低功耗、提高性能、增强可靠性和降低成本。 同时，3DHISiP还能让设计人员灵活地使用同类最佳的技术， 而不必为在通用芯片制造工艺中使用所有技术而妥协。在制造3DSiP之前，必须对其进行设计，下一代3DHISiP设计人员将需要新的设计工具和数据范例， 以便在通用封装中实现混合域芯片（包括数字、模拟、混合信号、电源、光子学和MEM）的协同设计。

（三）制造和工艺开发计量

《微电子和先进封装技术路线图》所有领域的表征和计量要求， 包括从材料和器件到先进封装以及异构集成和系统。计量测量为半导体材料和器件的研究、开发和制造提供了全方位的支持。对新材料和结构的探索是计量密集型的，而随着工艺技术的日益成熟，计量的使用也在增加。离线、在线和在线计量包括物理和电气测量的各个方面，其长度范围可从原子测量到宏观测量。

关键推动因素：人才发展

目前，美国国内微电子和先进封装技术（MAPT）的人才储备以及创建和支持人才队伍的途径远远不能满足国家的预期需求。 虽然这是美国普遍存在的科学、技术、工程和数学（STEM）劳动力缺口的一部分，但对于美国在MAPT研发、集成电路设计和制造领域的领导地位而言，这已经达到了一个临界点，引发了相当大的国家安全风险。《CHIPS和科学法案》将为美国投资500亿美元，在未来十年内，相关领域人才将面临巨大缺口，由于各方都认为缺口巨大，渠道不足，需要全美各级部门集中精力和时间来填补。多个组织一直在研究和规划劳动力发展（WFD）需求，包括 总统科技顾问委员会（PCAST）、美国国防部（DOD）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、国家科学委员会和美国半导体学院（ASA）。所有研究都集中在相同的基本要素上： 管道开发，包容性，课程开发，与核心工作职能相一致的知识、技能和能力（KSA），使用最先进的教育和培训设施，以及用于真实KSA开发、体验式学习和招聘的工具。最近成立的行业-大学团队正在利用《CHIPS法案》的资金审查需求和最佳实践， 以制定从国家到地方、针对不同目标群体、工作和教育要求的大规模实施战略。

转自丨元战略

作者丨Allen Wang

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