美国“电子复兴计划”总体情况

在摩尔定律放缓的情况下，美国实施“电子复兴计划”（ERI）意在突破摩尔定律极限，引领技术创新发展，巩固并扩大美国在微电子领域的技术优势。

基本情况

“电子复兴计划”于2017年正式启动，2023年宣布进入2.0时代，由美国防高级研究计划局（DARPA）微系统办公室牵头，工业界和高校共同参与。

战略背景自20世纪60年代 起，半导体发展经历了3次浪潮（几何缩微、后道工艺缩微、三维晶体管）。美国作为半导体技术发源地，紧紧抓住了信息技术与全球化机遇，一方面超前谋划、体系布局，加大技术探索和攻关力度；另一方面大力围堵打击竞争对手，确保其电子技术发展占据绝对优势，目前已持续主导全球半导体技术与产业超30年。

DARPA“电子复兴计划”布局

（2018年11月发布）

微电子是美国长期高度重视的战略性技术。DARPA将其作为实现“防止对手技术突袭和给对手制造技术突袭”使命的重要手段，曾组织研发了硅先进制程、砷化镓和氮化镓单片集成电路，为集成电路发展做出创新性贡献。在微电子技术迈入后摩尔时代的历史拐点上，DARPA策划实施“电子复兴计划”，意在抢占半导体发展第4次浪潮的制高点，巩固美国电子技术跨越发展及其在军民应用中的绝对主导地位。

战略目的DARPA采用“电子复兴计划”的名称，彰显其支撑美国巩固并扩大微电子技术全球绝对领先地位的战略图谋。2017年该计划启动之时，DARPA提出，通过基础创新和产业发展相结合，联合商业界、高校科研院所与美政府开展前瞻性研究，为美国未来电子技术创新和能力提升奠定长期基础。2023年，DARPA宣布该计划进入2.0时代，进一步强调要“重塑后摩尔时代微系统制造”，以构建持久国家安全能力和商业经济竞争力为目标，通过探索新型本土化芯片研究、开发和制造方式，确保美国在下一代微电子领域的领先地位。

主要做法“电子复兴计划”头5年投入超过15亿美元，其中2018—2019年为第1阶段，2019—2022年为第2阶段；“电子复兴计划”2.0于2021年开始筹划，2023年正式实施，投入经费尚未正式公布，但根据其布局的项目统计，目前已累计投入超过10亿美元。

一是整体筹划，迭代优化。面向构建2030年前美国电子领域持续领先能力，第1阶段主要聚焦材料与集成、系统架构、电路设计3大支柱领域展开布局；第2阶段调整为设计与安全、三维异构集成、新材料新器件、专用功能4个方向布局计划项目。整体看来，DARPA在成体系、全领域、有组织地推进微电子前沿探索。

二是聚焦项目，滚动实施。DARPA按照创新项目管理模式，以前沿技术类项目为载体，围绕项目目标有组织地开展研究、迭代推进，充分释放各参与方的创新活力。主要分为先导类项目、“大学联合微电子计划”以及由工业界主要承研的“Page 3”和新设项目3大项目群，现已布局超过40个项目。其中“Page 3”的命名是向“摩尔定律”的提出者戈登·摩尔致敬。戈登·摩尔在1965年4月发表的《在集成电路中填充更多元件》论文中，开创性地提出了摩尔定律。同时，戈登·摩尔在其论文第3页还提出了“摩尔定律”不再适用时的一些技术探索方向。DARPA提出“Page 3”项目群正是受此启发，着力开展材料与集成、系统架构以及电路设计3个领域研发。

为降低探索风险，大部分项目以36~48个月为周期，分阶段滚动实施。如“电子设备智能设计”（IDEA）项目，涵盖2个为期24个月的研究阶段。每个研究阶段均设有明确节点和里程碑，在前一阶段取得相关成果后才进入后一阶段。

三是加强联合，协同攻关。DARPA调动美国半导体领军企业、国防承包商、高校研究中心等进行需求研究与技术研发，组织政府机构、产业界、学术界以及国家实验室之间的协同，全专业领域联合实施。目前，该计划已促成英特尔、高通、赛灵思、英伟达等半导体行业领军企业，洛·马、雷声、诺·格等顶级国防承包商，以及10余所理工科大学参与项目合作研究。DARPA每年举办“电子复兴计划”技术峰会，交流进展情况，研讨下一步发展。

四是强化应用，形成能力。2018年11月，DARPA宣布将整个计划定位为“打造面向更专用、更安全和设计自动化程度更高的电子工业”。2019年DARPA启动“国防应用”项目，牵引前沿颠覆性微电子技术成果的国防转化。在前期基础上，重点转向支持本土半导体制造、专用集成电路、安全可靠微电子供应链等领域研究。

DARPA认为“电子复兴计划”首期投入已达预期效果，从2023年开始进入2.0时代，“电子复兴计划”2.0通过重新定义微电子制造过程，引导美国内微电子制造业重塑，推动第4波半导体发展浪潮。“电子复兴计划”2.0将围绕三维异构集成这一核心，重点在7个关键方向进行布局：复杂三维微系统制造、复杂电路优化设计和测试、人工智能硬件创新、开发适用于极端环境的电子产品、提高边缘信息处理效率、克服硬件生命周期中的安全威胁、进行安全通信。

项目进展

“电子复兴计划”并非从零开始，之前已有相关概念突破和基础技术，随着计划的提出，围绕战略目的将相关项目进行整合，形成了连贯、多阶段、相互关联的计划项目，有助于技术间的协同和互补，为后续项目规划、技术实施及商业化提供便利。

DARPA“电子复兴计划”重点项目布局

项目布局“电子复兴计划”共布局3大项目群：一是DARPA先导类项目群；二是由高校主导研究的“大学联合微电子计划”项目群；三是由工业界主导研究的“Page 3”和新设项目群。

“大学联合微电子计划”第1阶段于2018年1月启动，第2阶段于2023年1月正式启动，瞄准计算与通信领域的长远发展，投入经费4.53亿美元，通过机理创新，为“电子复兴计划”其他项目的孵化与长期创新提供支持。

“Page 3”和新设项目群于2018年7月启动，聚焦新材料、新架构和新设计，安排“三维单芯片系统”“新式计算需求”“极端可扩展性封装”“通用微光学系统激光器”“软件定义硬件”“特定领域片上系统”等40余个项目，投入经费近20亿美元，通过撬动工业界创新潜力，旨在搭建围绕三维异构集成新体制的技术路径，促进创新技术成果向国防应用转化，提高美国在半导体制造领域的全球竞争力。

2023年“电子复兴计划”进入2.0时代后，DARPA根据应用需求新增复杂三维微系统制造、极端环境电子产品开发两个研究方向，又新增项目11个。总体上看，DARPA已基本完成对后摩尔时代微电子技术体系创新的总体布局。

实施效果（2017—2023年）从DARPA发布的相关情况看，虽然大部分项目尚未结束，但已取得重大进展。

一是重点技术取得突破。通过实施“更快速实现电路设计”“极端可扩展性封装”等项目，推动了三维异构集成电路设计创新发展，在芯片设计流程与工具优化方面进展显著；建立芯粒级片上集成技术架构，为三维异构集成定义了发展基点；通过不同材料创新集成，实现了封装内光互联取代电互联。

二是应用转化成效显著。“近零功耗射频与传感器”“硬件固件整合系统安全”的项目成果，为美空军研究实验室论证了新型专用集成电路；创新电路设计与算法，实现了超低功耗信息采集与传输，为构建长时间工作、全信号感知、高灵敏度检测的无人值守战场态势感知网络奠定坚实基础。

三是本土生态正在形成。项目布局涵盖芯片材料、设计、制造、封装、应用等产业链各个环节，以各类子计划、项目群为抓手，有机整合了美政府机构、高校科研院所、半导体领军企业、国防承包商以及盟友的优势力量和资源，与2022年《芯片与科学法》共同推动半导体产业链本土生态圈构建。

分析研判

“电子复兴计划”采用基础创新和产业发展相结合的思路，研究成果将助力美国电子信息系统与武器系统保持绝对优势，通过提供电子信息技术创新成果，助力美国未来军事竞争力提高和经济增长。

三维异构集成是美国探索微电子技术超越摩尔定律的核心技术途径。三维异构集成技术可将现有制程水平的不同平台、不同工艺生产的芯片立体组合，通过大幅缩短互连间距，获得与更先进制程相当的性能。2023年11月，DARPA公开表示，“三维异构集成将是推动微电子创新下一波浪潮的主要力量”，建议为此专门成立美国先进微电子制造中心。目前，“电子复兴计划”2.0聚焦三维异构集成，已布局了多个项目研究，包括“下一代微电子制造”“混合模式超大规模集成电路”“用于三维异构集成的微型集成热管理系统”等。可以看出，经过几年探索，“电子复兴计划”已逐步聚焦到三维异构集成这一集成电路革命性的制造方式，并将其作为未来微电子创新的核心技术路径。

美国全方位布局，巩固微电子技术领先优势。从大国竞争维度看，实施“电子复兴计划”、出台2022年《芯片与科学法》、设立国家微电子制造中心等举措，是美国为抢占微电子领域绝对优势打出的一套战略组合拳，通过调动国家、技术、市场、人才、盟国等各方力量，成体系推动微电子技术创新发展。

美国实现产业链完全本土化及微电子超越发展尚有诸多不确定性。主要有3个方面。一是技术考量，通过三维异构集成实现微电子创新需要解决众多技术挑战与瓶颈，系统性难度很大；半导体领军企业为规避和分摊技术风险，一般都会采取跨国合作的方式推进，美意欲实现技术突破和产业链回归“一举双得”的企图难以实现。二是投资考量，“电子复兴计划”需长期大量资金投入，仅靠政府投资远远不够，企业投资更注重短期效益，能否获得持续、足够的资金支持是其能否实现预期的关键。三是市场考量，美国逆半导体市场全球化规律，意图建立美国先进半导体单极化格局的做法，将使其逐步丧失全球半导体市场份额，减弱对先进半导体技术发展的拉动作用，进而削弱其行业领导地位。

综上，“电子复兴计划”是美国全面布局的战略性行动，与2022年《芯片与科学法》等联动，预计未来5~10年将形成新的微电子工业体系，带动国防和产业能力跨越式发展。

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转自丨军事文摘

作者丨王龙奇、彭玉婷

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