一家半導(dǎo)體初創(chuàng)公司的發(fā)展過程展示了該法案的影響。

科技型初創(chuàng)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(chuàng)意的墻上白板，用于處理嘈雜和危險(xiǎn)加工過程的地下實(shí)驗(yàn)室。在某種程度上，位于美國賓夕法尼亞州伯利恒理海大學(xué)校園內(nèi)的Ideal半導(dǎo)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(jì)發(fā)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(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官馬克?格拉納漢（Mark Granahan）承認(rèn)，他曾與做過“風(fēng)箏與鑰匙”實(shí)驗(yàn)的老本杰明?富蘭克林（雕像）有過幾次靜思時(shí)刻，但要將一個(gè)聰明的想法變成一家有價(jià)值的半導(dǎo)體公司，僅僅從創(chuàng)始人那里獲得靈感是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。從靈感閃現(xiàn)到實(shí)驗(yàn)室演示，最終實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，一直以來都是硬件初創(chuàng)公司面臨的重大挑戰(zhàn)。然而，Ideal公司的發(fā)展過程尤其能體現(xiàn)美國半導(dǎo)體行業(yè)目前的創(chuàng)造力現(xiàn)狀，特別是能夠體現(xiàn)出這家初創(chuàng)公司的創(chuàng)始人全力倡導(dǎo)的《芯片和科學(xué)法案》會(huì)帶來怎樣的積極變化。

這項(xiàng)法案于2022年通過，最為人所知的內(nèi)容是，將投入數(shù)百億美元在美國建設(shè)新的尖端互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工廠，當(dāng)時(shí)美國完全沒有這樣的設(shè)施。但這項(xiàng)工作還有另一個(gè)目的：加速新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到工廠的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化過程，從而帶來更多更好、能夠在美國制造（大多數(shù)情況下）的半導(dǎo)體發(fā)明。

Ideal公司的創(chuàng)始人們認(rèn)為，正是這一點(diǎn)為半導(dǎo)體初創(chuàng)公司帶來最大的改變。有多大呢？對(duì)Ideal公司的首款產(chǎn)品來說，《芯片與科學(xué)法案》來得有點(diǎn)太遲了，該公司的高管認(rèn)為，如果這項(xiàng)法律能早些出臺(tái)和實(shí)施，公司推出上市產(chǎn)品就不用耗費(fèi)7年之久，可能只需一半的時(shí)間和60%的成本。如果它對(duì)一家初創(chuàng)公司能夠產(chǎn)生這樣的影響，那么可以想象，它對(duì)具有上百家乃至上千家這樣加速發(fā)展的初創(chuàng)公司的行業(yè)和創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響。

“如果有時(shí)間、有資金，那很多問題都能解決?！备窭{漢說，“但作為一家初創(chuàng)公司，時(shí)間和資金是永遠(yuǎn)都不夠的?！毕Ｍ缎酒c科學(xué)法案》以及歐洲和其他地區(qū)的類似努力能夠?yàn)槌鮿?chuàng)公司節(jié)省一些時(shí)間和資金。

要了解Ideal的發(fā)展道路以及《芯片與科學(xué)法案》可能對(duì)它產(chǎn)生的影響，我們首先需要知道Ideal公司是基于哪種發(fā)明建立起來的。這種發(fā)明不是某種新型人工智能處理器、獨(dú)特的存儲(chǔ)設(shè)備或低溫量子接口芯片。實(shí)際上，它只是半導(dǎo)體領(lǐng)域看起來最不起眼的東西：分立硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，用于功率傳送電路。

類似的設(shè)備隨處可見，主要用于將一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。墻上的調(diào)光開關(guān)中至少有一個(gè)；汽車上有數(shù)百個(gè)；一臺(tái)人形機(jī)器人可能需要60多個(gè)，用于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中的電機(jī)；現(xiàn)在你周圍10米以內(nèi)幾乎肯定有一個(gè)。根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告，2022年，這種分立器件的市場規(guī)模達(dá)到340億美元，預(yù)計(jì)到2030年將增長至500億美元。

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

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(gòu)入手。這種晶體管被稱為HEXFET，由國際整流器公司首先開發(fā)出來，它改變了規(guī)則，將晶體管的構(gòu)建從主要在硅平面上轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪苯Y(jié)構(gòu)。

這種演變后的結(jié)構(gòu)變成了一個(gè)層狀蛋糕，從底部到頂部，愈高愈復(fù)雜。最底部是一塊經(jīng)過化學(xué)摻雜的硅，具有高濃度的過量可移動(dòng)電子，使其成為n型硅。這是設(shè)備的漏極。其上方是一個(gè)更厚但過量電子濃度較低的區(qū)域。最上面一層則更加復(fù)雜。設(shè)備的源極——一個(gè)n型區(qū)域，通過通道與器件的其余部分垂直隔開。通道是一個(gè)具有過量可移動(dòng)正電荷（空穴）的p型區(qū)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(shí)現(xiàn)電隔離。

柵極上的正電壓會(huì)將p型區(qū)域中的正電荷推向一邊，在源極與漏極之間形成導(dǎo)電路徑，開啟設(shè)備。實(shí)際的HEXFET由許多這樣的垂直器件并聯(lián)組成。

HEXFET是一次巨大的飛躍，但高電壓卻是它的致命弱點(diǎn)。如果將它設(shè)計(jì)成阻擋更高的電壓，比如說采用加厚中間層，那么當(dāng)它導(dǎo)電時(shí)，設(shè)備的電阻會(huì)急劇上升，上升速度會(huì)超過試圖阻擋的電壓的平方。高電壓操作非常重要，因?yàn)榭梢詼p少傳輸中的損失，即使在電動(dòng)汽車和計(jì)算機(jī)內(nèi)部這樣的較短距離也是如此。

今天硅功率晶體管的領(lǐng)先架構(gòu)方案，被稱為RESURF超級(jí)結(jié)。它通過用p型材料替換部分中間的n型層，實(shí)現(xiàn)較低的電阻結(jié)構(gòu)，阻擋更高的電壓。結(jié)果是形成了一個(gè)電荷平衡的結(jié)構(gòu)，能夠阻擋高電壓。但這種方案實(shí)際上將設(shè)備的導(dǎo)電面積減半，意味著很難降低電阻，提高性能。

Ideal公司的創(chuàng)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(shí)，恢復(fù)了HEXFET的導(dǎo)電面積。SuperQ沒有采用大量的p型硅來平衡設(shè)備的內(nèi)部電荷，而是通過在狹窄的深溝槽里形成納米級(jí)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(jié)構(gòu)，同時(shí)仍能應(yīng)付高電壓。

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

在2014年，格拉納漢將之前的初創(chuàng)公司Ciclon出售給德州儀器后退休。“我花了一些時(shí)間休息和思考?！彼f。對(duì)于格拉納漢，休息和思考意味著閱讀IEEE出版物和其他技術(shù)期刊。

正是在此期間，在克服硅功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)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(lǐng)域，一些試圖實(shí)現(xiàn)電荷平衡的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gòu)建這些絕緣體納米級(jí)薄膜的方法。這種技術(shù)被稱為原子層沉積（ALD）。

格拉納漢在賓夕法尼亞州立大學(xué)的納米制造實(shí)驗(yàn)室購買了實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要一些先進(jìn)的加工設(shè)備。

“這里沒有頓悟時(shí)刻?！痹谡劦桨l(fā)明過程的初始階段時(shí)，他說，“為了讓我們到達(dá)起點(diǎn)，我不得不經(jīng)歷了一個(gè)學(xué)習(xí)過程?！?/p>

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

根據(jù)格拉納漢和Celesta Capital的風(fēng)險(xiǎn)投資家尼克?布雷思韋特（Nic Braithwaite）的說法，當(dāng)時(shí)美國的風(fēng)險(xiǎn)投資普遍對(duì)半導(dǎo)體初創(chuàng)公司不感興趣。布雷思韋特在半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)和芯片封裝領(lǐng)域工作了數(shù)十年，然后于2008年與他人共同創(chuàng)立了他的第一支基金，再于2013年創(chuàng)立了Celesta。他說，當(dāng)時(shí)“沒有人投資半導(dǎo)體”。

“我們需要一個(gè)合作伙伴來開發(fā)設(shè)備架構(gòu)和與之相關(guān)的工藝技術(shù)?！彼忉尩?。Ideal公司的創(chuàng)始人尋找的是一家擁有專業(yè)設(shè)備并愿意幫助他們開發(fā)新工藝的美國代工廠。可惜的是，在2017年，這樣的代工廠并不存在。

決心尋找國內(nèi)合作伙伴的Ideal公司高管們決定采取一個(gè)“次優(yōu)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(fā)SuperQ設(shè)備的速度都不夠理想。為了能繼續(xù)這項(xiàng)工作，Ideal甚至不得不為這家公司投資設(shè)備。

走到這一步，Ideal公司的創(chuàng)始人發(fā)現(xiàn)了美國半導(dǎo)體行業(yè)一些令人擔(dān)憂的情況。其中最關(guān)鍵的是，芯片制造整體上極度集中在亞洲，特別是中國臺(tái)灣。2018年，先進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)的大公司大多是總部設(shè)在美國的無晶圓公司。也就是說，它們負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)芯片，然后雇用代工廠，如臺(tái)灣積體電路制造公司（以下簡稱臺(tái)積電）或三星公司來生產(chǎn)這些芯片。通常，這些公司還會(huì)在亞洲由第三家公司測試和封裝芯片，最后再運(yùn)回設(shè)計(jì)者手中。

現(xiàn)在，這一切依然如此。這是AMD、蘋果、谷歌、英偉達(dá)、高通等美國科技巨頭的標(biāo)準(zhǔn)操作程序。

2018年，美國制造尖端邏輯芯片的能力已經(jīng)萎縮，瀕臨消亡。當(dāng)時(shí)，英特爾只生產(chǎn)自己的芯片，在新工藝技術(shù)的開發(fā)上跌跌撞撞，首次落后于臺(tái)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(fā)先進(jìn)的工藝技術(shù)，因?yàn)槿绻^續(xù)下去，將把公司拖入財(cái)務(wù)惡性循環(huán)。

當(dāng)時(shí)的情況非常失衡，最先進(jìn)的邏輯芯片制造100%在亞洲進(jìn)行，而臺(tái)積電就占據(jù)了92%。（對(duì)于不那么先進(jìn)的芯片，情況也差不多：77%在亞洲制造，其中中國占30%。）

“亞洲對(duì)美國的半導(dǎo)體發(fā)展有著‘?dāng)R置否決權(quán)’。”格拉納漢總結(jié)道，“美國已經(jīng)失去了它初創(chuàng)半導(dǎo)體的生態(tài)系統(tǒng)?！?/p>

出于這種擔(dān)憂和沮喪，格拉納漢和共同創(chuàng)始人及執(zhí)行董事長邁克爾?伯恩斯（Michael Burns）采取了積極行動(dòng)：他們把自己的經(jīng)歷匯報(bào)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(shí)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(jì)他們開了多達(dá)75場會(huì)議。他說，回應(yīng)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(dǎo)體生產(chǎn)上已經(jīng)落后了這么多。

不過，美國政府的某些部門已經(jīng)對(duì)此表示擔(dān)憂，將半導(dǎo)體視為國家安全問題。因此，2019年底，旨在將先進(jìn)半導(dǎo)體制造業(yè)帶回美國的《芯片與科學(xué)法案》的種子開始在華盛頓發(fā)芽。雖然在國會(huì)兩院都獲得了兩黨的一些支持，但那時(shí)這并不是優(yōu)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(yīng)鏈物流“速成課”嗎？在疫情引發(fā)混亂的第一年，消費(fèi)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(dǎo)體短缺。

“新冠來襲時(shí)，突然之間……電話開始響個(gè)不停?！备窭{漢說。

“《芯片與科學(xué)法案》的出臺(tái)早于疫情，但疫情真正暴露了我們需要這項(xiàng)法案的原因?！痹谝患野雽?dǎo)體初創(chuàng)公司擔(dān)任首席技術(shù)官的格雷格?耶里克（Greg Yeric）說道，現(xiàn)在他是美國商務(wù)部《芯片與科學(xué)法案》執(zhí)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(huì)推翻了總統(tǒng)的否決，通過了一項(xiàng)國防法案，其中便包括后來的《芯片與科學(xué)法案》的框架?！缎酒c科學(xué)法案》于2022年8月正式簽署成為法律，承諾為芯片和科學(xué)領(lǐng)域提供520億美元，其中390億美元用于資助新制造企業(yè)，20億美元用于國防部門的半導(dǎo)體，110億美元用于研發(fā)。這筆研發(fā)資金也支持伯恩斯及其同事一直在推動(dòng)的“美國國家半導(dǎo)體技術(shù)中心”（NSTC）的概念。

從初創(chuàng)公司的角度來看，國家半導(dǎo)體技術(shù)中心的目的是為新技術(shù)的測試和試驗(yàn)提供場所，推動(dòng)從實(shí)驗(yàn)室到工廠的過渡。Ideal多年來一直受困于這個(gè)階段。在美國國家半導(dǎo)體技術(shù)中心的戰(zhàn)略規(guī)劃文件中，政府表示其目的是“擴(kuò)大獲取設(shè)計(jì)和制造資源的渠道”并“減少將技術(shù)推向市場的時(shí)間和成本”。

美國國家半導(dǎo)體技術(shù)中心將如何實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)呢？一些細(xì)節(jié)開始浮現(xiàn)。該中心將由一家名為Natcast的公私合作伙伴運(yùn)營，思科系統(tǒng)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(zhí)行官。2024年7月，美國政府決定建設(shè)3座重要的國家半導(dǎo)體技術(shù)中心設(shè)施：一座原型制作和先進(jìn)封裝試驗(yàn)工廠，一座行政管理和設(shè)計(jì)場地，以及一個(gè)極紫外光（EUV）光刻技術(shù)中心（極紫外光刻是開發(fā)尖端互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的關(guān)鍵技術(shù)，投資超過1億美元）。按照美國政府的計(jì)劃，國家半導(dǎo)體技術(shù)中心設(shè)計(jì)場地設(shè)施將于2025年投入運(yùn)營， 極紫外光刻技術(shù)中心于2026年投入使用，最后是原型制作和封裝試驗(yàn)工廠于2028年投入使用。

“我們?nèi)绻苁褂脟野雽?dǎo)體技術(shù)中心的這些功能，我想就可以填補(bǔ)這一領(lǐng)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(chuàng)公司還找到了制造商，即位于美國明尼蘇達(dá)州布盧明頓的Polar半導(dǎo)體公司。2024年9月底，Polar成為第一家獲得《芯片與科學(xué)法案》資助（1.23億美元）的公司，用于晶圓廠的擴(kuò)大和現(xiàn)代化，其目標(biāo)是將美國的生產(chǎn)能力翻一番，并把自己打造為代工廠。

對(duì)Ideal而言，美國國家半導(dǎo)體技術(shù)中心的原型設(shè)施可能來得太晚，但對(duì)于新一批硬件初創(chuàng)公司來說則可能正是時(shí)候。耶里克所在的《芯片與科學(xué)法案》執(zhí)行辦公室在推動(dòng)各項(xiàng)研發(fā)工作，幫助下一代芯片初創(chuàng)公司更快地發(fā)展起來。

同樣重要的是，《芯片與科學(xué)法案》正在擴(kuò)大美國國內(nèi)的制造規(guī)模，這也有助于初創(chuàng)公司發(fā)展。截至2024年9月底，約有360億美元已承諾用于全美的27個(gè)制造和技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目?！叭绻愕脑O(shè)計(jì)受到晶圓廠能力的限制，那么在某種程度上也會(huì)限制你的創(chuàng)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(wù)，就能更好地為美國初創(chuàng)公司提供支持?！?/p>

作者：Samuel K. Moore

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