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自中国科学院成都文献情报中心《世界科技研究与发展》期刊
，作者：王丽, 于杰平, 刘细文，谢谢。
摘要：
本文首先从实施背景、攻关方向、项目演进与部署、组织模式等方面深入分析了美国国防高级研究计划局于2017年启动的“电子复兴计划”，总结其项目发展特点和研发重点变化情况。接着，深入分析“电子复兴计划”组织模式的创新特点，即基于“挑战”的政产学研“协作”模式以及助推技术转化的桥梁作用。最后，提出进一步加强我国半导体芯片领域的研发规划和创新实施的建议，包括：明确半导体芯片领域的顶层战略计划，理清现有技术挑战、整合已有研发基础、促进技术迭代发展；营造开放共享的军民融合环境，发挥军民两用技术的桥梁作用，形成更加紧密的协同创新模式；完善技术创新的组织管理模式，发挥研发和人才的最大组合能动性，促进技术组合集成，推进成果应用。
半导体产业是众多高技术行业的支柱，是新科技与产业革命的基础。美国政府资助的半导体产业创新一直是美国政产学研联合创新并促进成果商业化的最佳实践。2017年6月1日，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）宣布拟投资7500万美元启动电子复兴计划（Electronics Resurgence Initiative, ERI），在随后五年内投资约15亿美元，旨在解决半导体技术的制程瓶颈并应对半导体产业快速发展的挑战。2020年美国两党两院提案《为美国半导体制造创造有益激励法案》建议追加20亿美元用于实施ERI计划。ERI计划成为近年来美国在半导体领域实施的最大规模举措，涵盖基础研究、应用基础研究、转化研究、国防和商业应用等创新环节。
我国高度重视半导体产业发展，2020年8月国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策》，探索构建社会主义市场经济条件下关键核心技术攻关新型举国体制。美国ERI计划的实施和推进对我国半导体芯片产业的创新规划有一定的借鉴作用。本文从实施背景、攻关方向、项目演进与部署、组织模式等方面深入分析ERI计划，以期为我国推进半导体芯片产业发展提供参考。
1965年，英特尔公司联合创始人戈登·摩尔提出著名的摩尔定律。半导体芯片的发展遵循着摩尔定律，随着晶体管尺寸的缩小，器件能耗更低、性能更高、价格更便宜。然而，当晶体管尺寸进入到纳米级时，量子隧穿效应发生，晶体管的漏电现象成为不可忽视的问题。硅工艺制程技术不断被穿孔、光刻、隧穿、散热等技术瓶颈困扰，人们为解决这些技术难题付出高昂代价，摩尔定律遭遇到成本的“天花板”，半导体芯片技术开始进入“后摩尔时代”。“后摩尔时代”人们对“芯片”的关注更多的由“尺寸”转向能力，由处理能力转向计算能力，由计算能力转向计算效率。解决问题的思路，也从以往单纯强调制程技术，逐渐向架构、材料、范式创新和统筹运用多重手段等方面转变。
美国在半导体芯片的发展史上起着关键作用，如从第一代以超大规模集成电路（Very Large Scale Integration, VLSI）等为代表的芯片革命、第二代以后道工艺技术（Back End Of Line, BEOL）等为代表的芯片革命，到第三代以鳍型场效应晶体管技术（Fin Field-Effect Transistor, FinFET）为代表的芯片革命。然而，在“后摩尔时代”美国半导体领域的开发和制造也面临着三重挑战：1）集成电路设计的成本飞涨限制了技术创新；2）美国半导体本土市场逐渐流失；3）通用化趋向正在扼杀硬件方面的潜在收益。在此背景下，美国政府决定采取大规模行动，试图突破困境并引领第四代半导体革命。ERI计划的启动旨在直面阻碍电子技术快速发展的挑战，解决摩尔定律所预见的障碍。
ERI计划旨在打破传统器件微型化的局限，在无法持续缩小尺寸的情况下，通过重点开发全新微系统材料、电子器件集成架构、软硬件创新设计等实现电子器件性能的持续提升，推动美国半导体技术实现变革性创新。戈登·摩尔在其开创性论文第三页（Page 3）预测了摩尔定律极限到来之时的未来之路，认为设计自动化、材料科学、互联和封装以及专用化架构可能会继续加强电子性能。根据戈登·摩尔的预测，ERI计划确定了三个重点攻关方向。
1）材料和集成：
该方向将探索在无需进一步缩小晶体管尺寸的情况下，利用非传统电路元件来显著提高电路性能。微电子材料中，硅是最通用的材料，锗硅等化合物半导体也发挥了一定作用，但这些材料的功能灵活性有限，且存在于单一平面层内。该方向的项目旨在为下一代逻辑和存储器件提供候选材料，聚焦集成多种半导体材料的单芯片、兼具处理和存储功能的“粘性逻辑”器件以及器件的垂直集成方法。
2）架构：
该方向将研究专用功能所需的最优电路结构。已有研究表明专用硬件架构可以提升图形处理单元的性能。该方向的项目将探索更多的技术机会，例如根据软件需求进行调整的可重构物理架构、加速器组合架构等。
3）设计：
该方向将重点开发快速设计和实现专用电路的工具。不同于通用电路，专用电路的运行速度更快、能耗更低。尽管DARPA一直投资于军用专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC），但ASIC开发成本高、耗时长。新的设计工具和开源设计范式将带来变革性的影响，实现商用专用电路的快速、低成本开发。
DARPA基于已有的研究基础组织ERI计划项目，目前已部署的项目超过24个，包括：8个DARPA早期已部署的基础性研究项目，探索微电子领域的创新性方法，解决摩尔极限的严峻挑战；6个第I阶段项目（“Page 3”项目），聚焦新一代芯片研发，通过新颖的电路材料、架构和设计来探索芯片专用化，确保美国在半导体芯片领域的竞争力；10个第II阶段项目，强调电子安全和隐私、差异化的国内供应能力以及新颖的国防应用，推动美国建立本土化半导体制造产业。
ERI计划的相关项目在设立之初，重点在材料和集成、架构、设计三个研发攻关方向部署。2020年DARPA对ERI计划进行了更新，提出了四个关键的发展领域：三维异构集成、新材料和器件、专用功能、设计和安全，ERI计划所设项目按照这四个领域重新分类（图1，表1）。此外，联合大学微电子学项目（Joint University Microelectronics Program, JUMP）和国防应用（Electronics Resurgence Initiative: Defense Applications, ERI: DA）作为ERI计划的交叉融合项目，关联并推动着ERI计划所部署的所有项目。更新后的ERI计划在以前的三大方向基础上进一步突出了重点关注领域，即三维异构集成、专用功能和安全设计，计划目标更加明确、研发项目更加聚焦。
1）三维异构集成芯片，
通过多个垂直堆叠层将不同有源层材料和器件进行异构集成，以实现高集成密度、低功耗和信号完整性等。目前，多个ERI项目的研发方向为更加前沿的单片三维集成。
2）专用芯片，
根据应用需求对硬件进行调整，准确提供应用所需的计算资源组合，省略任何无关逻辑，大大提升芯片的性能。面对摩尔极限，专用系统一直是ERI计划所倡导的现实性解决方案。
3）芯片安全问题集中在边信道攻击、反向工程、供应链攻击以及恶意硬件等方面，
芯片供应链安全问题成为美国微电子和国防领域近年关注的焦点，ERI计划将为解决芯片安全问题提供研发基础。
ERI计划并非从零开始，DARPA在ERI计划之前便有相关概念和研究项目，随着ERI计划的提出，将已有项目进行整合并有了明确的方向，逐步形成了连贯的、多阶段的、相互关联的发展计划。随着ERI项目的展开，项目间自然而然的关联交叉，有助于ERI计划确定研发技术间的协同作用和关联联系，从而产生互补技术组合，有利于ERI计划的后续项目规划同时促进技术的实施和商业化。2019年ERI计划公布ERI: DA项目，以应用为目的进一步助推ERI项目间的联系和伙伴关系。
ERI计划围绕摩尔定律极限所带来的技术挑战以及美国半导体领域所面临的困境，将政府、学术界、工业界、国防工业基地和国防部汇集在一起，营造持续进步和创新所需的环境。ERI计划将“挑战”和“协作”有效结合起来，开拓未来的微电子学。此外，DARPA一直以来极力推动半导体领域技术创新的每个阶段，从基础研发到原型论证、试验平台以及初始市场，弥合了技术研发和技术应用之间的脱节。
DARPA科研项目组织的核心是“项目经理负责制”，项目经理由DARPA负责挑选，其任期时间一般为3~5年，项目经理不进行研究，在其任期内主导项目的构思、团队组建、提案选择以及最终授予等工作，项目经理深度参与到项目执行过程中，必要时会对项目进行调整以确保项目取得重要进展。短期任职促使项目经理选择最有可能成功的变革性项目，以便在任期内进入原型或实施阶段，从而加速创新进程，但同时极易放弃一些长期性研究项目。
ERI计划遵循DARPA的项目组织模式，ERI计划组织流程中关键的节点如图２所示。
ERI计划启动后首先举办项目研讨会，针对芯片架构、设计以及材料和集成三个领域展开针对性讨论。然后发布广泛机构公告（Broad Agency Announcement，BAA，美国政府机构针对特定研发对外征求提案的一种途径，如ERI计划第I阶段发布三个领域的BAA），公布了上述三个领域的项目结构、技术领域、任务目标、任务进度以及相关要求和标准等，并召开提案者日征集项目提案。随后根据BAA公布的评估标准对提案进行评审和遴选，陆续公布项目执行者并启动项目。ERI计划的年度峰会是邀请业界利益相关者广泛参加的多日论坛，致力于与风险投资公司、各种规模公司以及项目承担者和项目申请者等建立联系，突出工业界和政府部门的角色，有助于建立先进的微电子学技术社区，培育技术联盟。
ERI计划在组织过程中注重为政产学研合作提供桥梁作用，为项目承担者融入技术社区创造条件，如上述的年度峰会、项目提案者日以及定期项目评审等。ERI年度峰会将培育政产合作伙伴关系作为其重要目标之一，为美国未来产业政策奠定基础。提案者日旨在向公、私营各利益相关者进一步展示项目的整体愿景、现有基础、未来目标、合作机会等，同时为参会者提供交流平台。定期项目评审会期间，所有项目承担者在评审会上陈述自己的工作并且进行深度交流，有助于促进技术社区的形成、培育高价值合作。
创新组织模式意在改进创新工作的途径、方法和组织，营造创新环境、支持创新全流程。ERI计划贯穿半导体技术创新周期，基于半导体技术和产业的挑战设定大胆的目标、面向学术界和工业界招募研发目标的解决方案、联合学术界和工业界通过研发项目建立技术原型、逐步培育半导体领域的社区或联盟，最终通过国防采购或初创公司等捕获价值。DARPA“项目经理负责制”本身具备基于“挑战”进行项目组织的特质，在美国面临半导体产业竞争压力的年代，DARPA融合了“协作”攻关的组织创新优势，促进了政产学研的深度开放合作和创新后期的成果转化。DARPA这种基于挑战的协作模式在半导体领域得到了良好的实践，一方面由于半导体技术在国防应用方面的潜力以及对未来新兴技术的支撑；另一方面这种创新组织模式将“挑战”和“协作”有效地结合起来，使美国政府在后期技术转化实施阶段持续发挥作用。
DARPA在半导体研发方面的投资，并非依靠军事保密研究，而是通过包容性和合作性的开放模式，共享半导体领域的挑战，帮助建立产业联盟组织，使得创意和灵感可以转化为产品，然后由工业界完善和制造，使美国在半导体领域占据领先地位。1987年DARPA组织的半导体制造技术联盟（Sematech）开创了极具影响力的合作伙伴关系模式，即围绕技术挑战进行组织的、成本分摊的政产学研合作联盟。这种基于挑战的协作模式强化了利益相关者的各自优势，成本分摊加强了协作关系并有利于迅速扩大产业规模。1996年DARPA退出Sematech资助，近20年这种创新组织模式的作用持续减弱。
作为ERI计划的重要组成部分，JUMP项目开始重拾这种模式，采用成本共享的合作联盟模式应对微电子技术领域现有的和正在出现的挑战。JUMP项目由DARPA联合工业界、国防工业界共同发起，通过向美国学术界征集提案成立了6个研究中心，并设立行政中心对其进行统一管理运营，推动微电子领域的长期探索性研究。此外，JUMP作为ERI的交叉融合项目推动着ERI计划新项目的构思。
ERI计划保持共享国防领域和工业界的技术挑战，挖掘共性技术挑战予以重点攻克。例如，在国防领域，命令和控制、武器系统、安全许可数据等应用上存在安全隐患；在工业界，自动驾驶、电网、健康记录等应用上需要安全措施。ERI计划重点规划了“安全硬件设计工具”研究方向来攻克共性的硬件安全脆弱性问题。这种开放共享的模式使ERI计划所解决的挑战更加具体且有现实意义，同时将参与的利益相关者从一开始就深度交织在一起，有利于未来通过国防和工业应用促进技术成果的转移和生产。
ERI计划通过基于挑战的协作模式，充分发挥工业界、学术界和政府各自的创新优势同时加强彼此之间的密切合作，为美国下一代半导体创新营造必要的环境。
在美国基础研究驱动的创新体系下，政府为初期研究提供支持，将开发和创新的后期都交给私营部门，技术研发后的商业化过程中政府只发挥有限的作用，导致初期研究和后期开发脱节的风险。ERI计划通过ERI: DA项目进一步明晰了政府在技术研发后期的持续作用，推动技术成果在国防专用系统中的新兴和未来应用。ERI: DA项目强调了国防过渡伙伴的作用，国防过渡伙伴指具备向美国国家安全共同体交付技术能力的组织。ERI: DA项目要求参与者与国防过渡伙伴建立合作关系，推动ERI技术在国防应用方面的开发和示范。ERI: DA项目还将进一步探索ERI项目执行者、国防过渡合作伙伴、政府机构、风险投资、非营利组织、工业界以及其他利益相关方之间的有效协作模式，通过充分利用政府信息、学术界和工业界的专业知识以及国防经验等创建协作基础设施，推动ERI技术的国防应用。
ERI计划重视技术成果转化，在强调国防应用的同时推动平行商业市场。ERI项目的BAA中明确要求提案者提供从技术开发到商业和国防应用的成果转化计划，对成果未来的销售、制造、市场以及影响等各环节提出初步假设。成果转化计划将成为提案评审的关键要素。此外DARPA还提供“转化加速器”机会，根据ERI项目提案的成果转化计划在项目结束后提供后续资助，以推动早期原型过渡到可生产、可制造的原型并提供进入市场的战略资源，如初创企业、技术许可、合资企业等多种市场机制。
ERI计划的组织执行贯穿半导体技术创新的整个流程，利用国防部的能力，在创新的所有阶段运作，从技术的研究、开发、原型、演示、测试，到初始市场培育，推动半导体技术创新在一个集成系统中有效流动，最终将ERI技术应用于国防，同时为私营部门进一步商业化推广做好准备。
1）明确的顶层战略计划有助于理清挑战、协同攻关。
“后摩尔时代”人们解决芯片制程问题的思路集中在可预见的设计、架构、材料和器件、集成等方向以及不可预见的新范式方向。美国ERI计划明确了其迎接这些挑战的思路，探索从通用硬件迈向专用系统的可行之路，并分阶段推进新一代芯片技术研发。我国目前半导体芯片研发项目散落在不同的科技规划或计划中，如国家重点研发计划的“光电子与微电子器件及集成”重点专项、国家科技重大专项的“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”专项等。不同计划所设项目有各自的研发重点，如有的着重前沿探索性研究、有的聚焦技术的产业化应用。但从半导体芯片整体技术生态来看，项目研发的技术之间必然存在横向交叉和纵向互补。近期，我国印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策》，其中包含集成电路产业的研发政策，但组织依旧分散在各部委且尚无明确系统的顶层研发计划。
顶层战略计划有助于理清我国集成电路产业的现有挑战，协助整合现有的研发基础，在未来推进技术的迭代发展。在统一的战略计划组织和指导下，有助于产生和发现互补的战略技术、促进协同效应，建立技术联盟、增强整体创新能力。
2）开放共享的军民融合环境有助于发挥两用技术的桥梁作用。
半导体芯片领域中，国防技术与推动经济发展的技术是相互交织的，属于同一技术范式的两个方面。ERI计划本身由美国国防大脑之称的DARPA组织推进，通过设想半导体芯片领域革命性的新能力及其需要解决的障碍，联合学术界和工业界，彼此了解国防需求和工业障碍，集中该领域最优秀的人才克服这些挑战，每一方都能以实际行动推动另一方的发展，从而促进快速商业化和国防采用。我国《“十三五”科技军民融合发展专项规划》为军民科技协同创新体系发展提供了基本指导思想，其中先进电子、电子信息、集成电路等在不同层面作为国家军民融合的重点。
开放共享的军民融合环境可以充分发挥军民两用技术的桥梁作用，各利益相关方因共同的挑战而联合从而形成更加紧密的协同创新模式。我国需要更加开放共享的军民融合环境，有效利用学术界对创新思想的开放性、企业家对创新技术的商业化意愿以及整个半导体芯片的工业基础设施，使国防应用可以获得民用开发的先进性，同时为基础研发和产业应用搭建技术转化平台。
3）驱动技术创新的创新组织模式有助于最大化组合效应。
ERI计划根据技术挑战进行组织，集聚跨学科专业人才形成高度协作的创新团队，使创新想法可以在团队间流动，实行与决策者直接对话的扁平式管理模式，使项目管理更加灵活。ERI计划在半导体技术创新的各环节运作，注重项目的连续性和组合性，分阶段推进项目实施，通过交叉项目促进技术组合，以技术组合应用驱动成果转化。项目方案征集遴选过程中注重不同解决方案的并行实施，同时拥有多种机制来确定、评定和评估备选方案和选择，适时重组或终止不会成功的想法。
研发和人才是创新系统中相互交织的两个核心部分，我国需要更加赋能的创新组织管理模式使研发和人才发挥最大的组合能动性，使项目灵活有效运转获得最大投资回报率。我国在进行半导体领域技术攻关过程中，在执行层面需要有创新的项目组织管理办法，加强各半导体研发计划的协同协调，促进技术组合集成，推进成果的应用。
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