集成电路发展模式的演进透视——以美国DARPA电子复兴计划为视角

张新征

2017年6月，美国国防高级研究计划局（DARPA）推出电子复兴计划（ERI），联合国防工业基地、学术界、国家实验室和其他创新温床，开启了新一轮电子技术与产业革命。美国高度重视依托社会资源加快国防科技创新。ERI根本目的是保证专用电路供应链的可靠性和安全性，最终保障国防部和商业部门的用户使用。2019年1月DARPA微系统技术办公室（MTO）发布了名为“电子复兴计划：国防应用”（ERI：DA）的跨部门公告，在ERI计划成果的基础上，利用社会资源帮助军工电子系统集成商制造国防专用电路，进而牵引美国国内半导体制造业的发展。

美国电子复兴计划的总体情况

电子复兴计划将建立专业化、安全和高度自动化的电子技术创新模式。与历史上大多数技术的发展道路一样，以摩尔定律为代表的电子器件小型化道路，正逐步触碰到物理学和经济学的“双重天花板”。作为应对摩尔定律极限的方法，美国DARPA电子复兴计划（ERI）通过在半导体材料与集成、架构和设计等三个方面的新研发（R&D），将促进电路专业化，作为提高晶体管规模的补充，推动美国电子产业从通用硬件时代向专用系统迁移。ERI主要包括由大学主导研究的联合大学微电子学项目（JUMP）、工业界主导研究的“Page 3投资”以及一些传统的项目等。截至2018年12月，ERI由17个项目组成，涵盖从基础研究到微电子先进技术研发和原型制造的基础。

ERI的国防应用成为支持半导体制造业发展的重要途径。ERI计划的成功将取决于建设性地将国防企业的技术需求和能力与电子产业的商业和制造现实联系起来。ERI：DA 是ERI二期的重要内容之一，预计投资总金额为2500～5000万美元。为了探索ERI技术在国防环境中的新兴未来应用，ERI：DA通过即时技术开发、伙伴关系与技术开发和合作架构三种方式，在国防采办管理部门的主导下，建立军工电子集成商与ERI计划执行者之间的“国防转化伙伴”合作关系，以推动ERI技术在特定国防系统上的开发、演示和应用。ERI：DA将进一步提供新的机会，加强各ERI项目之间的联系，并将正在进行的ERI计划与国防需求联系起来。潜在的探索领域可能包括ERI在大尺寸物理仿真、认知射频系统、下一代卫星、网络安全等方面的应用。

美国电子复兴计划及其国防应用的主要特点

以研发模式创新应对摩尔定律的极限。随着集成电路制程线宽的持续缩小，IC制程演进的性价比提升趋于停滞，制造技术研发难度及生产设备资本投入将成倍增加，20纳米、16纳米和14纳米制程的成本一度高于28纳米。一条14纳米生产线的工艺研发投入超过10亿美元，设备建设投入超过50亿美元。ERI计划通过半导体材料与集成、架构和设计三个方面的研发创新，促进电路专业化，作为对单纯提高晶体管规模的补充。一是开发用于电子设备的新材料，探索使用非常规电路元件而非更小的晶体管来大幅提高电路性能；二是开发将电子设备集成到复杂电路中的新体系结构，探索利用针对特定任务进行动态配置的电路结构，获得性能的大幅提升；三是进行软硬件设计手段的创新，重点开发用于快速设计和实现专用集成电路的工具，使创新者能够为各种国防和商业应用制造专用集成电路的成本和周期。

2017年6月，美国国防高级研究计划局推出电子复兴计划

以持续性投资巩固电子产业竞争优势。长期以来，美国在经济、政治和国家安全上的优势，很大程度上依赖于其在电子和半导体领域的领先地位。随着摩尔定律走向终结，电子领域到了急需转变突破的奇点。特朗普政府《国家安全战略》称“美国同时面临来自多个领域的不同行为者的威胁，而且所有这些威胁都因技术发展而加剧”。在《DARPA 60年（1958—2018）》中，美国防部认为“外商投资扭曲了电子产品市场”，称“中国投资1500亿美元用于发展电子产品制造能力的计划吸引了外国的兴趣”，威胁到行业的未来健康以及美国的军事能力。积极响应“重建美国竞争优势”的战略要求，美国ERI计划在5年内投资15亿美元，着眼延续下一个十年乃至百年的技术领先，突出发展新概念、新能力，以创新半导体材料与集成、架构和设计方法，赢得人工智能、量子信息、先进制造以及太空和生物等新兴技术及产业发展的基础优势和先机。

美国DAPRPA电子复兴计划最终的目的在于牵引美国国内半导体制造业的发展

以专项资金保障两用科技成果的国防转化。从DARPA于2018年7月公布的ERI计划一期的6大项目合作研究团队名单来看，除参与电子设备智能设计（IDEA）的诺·格1家之外，40多家ERI的执行方都属于高校、研究机构和电子科技企业，基本不具备在国防系统演示和应用的能力。在ERI计划一期初步成果的基础上，DARPA适时发布ERI：DA跨部门公告，预期投资数千万美元，全部用于推动前沿颠覆性两用电子科技成果的国防转化。这笔经费不是用于国防能力的增量式提升，也不是对原ERI计划目标的重复投资，反映出美国防部对科技创新成果向国防应用领域转化的高度重视成果。美国发布ERI：DA跨部门公告的目的，在于把2025—2030年期间电子产业的新兴技术和能力，应用于机器自主和人工智能；大规模仿真；网络安全；空间应用；认知电子战；以及情报、监视和侦察（ISR）等国防领域，以求赢得商业和国防领域的双重优势。

提出了著名的摩尔定律的戈登·摩尔

以“国防伙伴关系”推动ERI技术成果的演示验证。美国前国防部长卡特曾主导创立国防创新委员会和国防创新单元DIUx。他认为，美军的优势源于工业界、学术界和政府部门的合作，搭建军民之间的创新桥梁，是美国防部长的核心职责之一。为了开发、示范和应用在ERI计划的新兴技术成果，DARPA发布ERI：DA跨部门公告，分三个技术领域（TA）征求创新建议，突出强调在国防转化伙伴与学术、商业部门之间建立伙伴关系，或为跨部门伙伴关系建立支撑架构，从而对国防部或国家安全能力产生直接和革命性的影响。第一个技术领域是即时技术开发，其是以国防背景下的技术演示与应用为重点，要求由国防转化伙伴提交建议书，必须明确合格的ERI项目和所有合作方，特别是在现役或计划军事系统上清晰的实施路径，推动建立和促进当前ERI计划执行方与具备国防技术演示能力的组织（主要指军内研究机构和传统军工企业）间的伙伴关系。第二个技术领域是伙伴关系与技术开发，其主要针对没有充分了解ERI项目的技术细节，难以为国防应用制定详细计划的国防转化伙伴。该领域分为2个阶段：第1阶段旨在促进伙伴关系的发展，支持了解和影响技术开发，以及确定和与潜在伙伴建立合同关系所需的初步活动，周期不应超过12个月，经费不得超过750000美元。第2阶段在合作伙伴关系建立后展开，重点在国防背景下开发和演示电子技术，要求在ERI计划相关项目的周期内完成技术性能演示。第三个技术领域是合作架构，重点探索在ERI执行者、国防转化伙伴、政府机构和其他团体（风险资本、非营利组织和行业组织等）之间进行合作研究的模式，通过提供访问政府信息、学术或商业部门的专业技术和国防工业经验来支持ERI技术在国防中的应用。该类建议书要求提供如下方案：支撑研究数据、概念和结论的共享；促进分享通用设计经验和基准；提供计算与物理架构；处理公开、保密、绝密、敏感隔离信息；支撑不同物理位置的多组织合作；视需要提供其他设施和支撑人员，以管理多个同时建立的伙伴关系。

特朗普政府在《国家安全战略》中声称“美国同时面临来自多个领域的不同行为者的威胁”

以“关联承包商协议”促进知识产权保护与共享。科技成果向国防应用转化的成功，在一定程度上取决于合作各方在公开的信息交换基础上，进行适当的协调和整合，以实现完全的兼容性，并避免不必要的重复。针对ERI：DA项目中的单纯主-分承包商协议无法修改原ERI计划中合同条款的不足，美国防部采用“关联承包商协议”（ACA）等合同工具，在主-分承包商关系之外，实现多个承包商之间的信息共享和合作，明确国防转化伙伴、DARPA和ERI计划执行者之间相应的权利义务关系，并在原ERI项目合同中增加关于当前ERI计划执行者国防应用任务的补充条款。ERI：DA跨部门公告明确要求，对于从关联承包商处获取的专有或机密数据，属于关联承包商的财产，并应仅用于ERI：DA的研究工作，接收方应履行对这类信息的保密义务。对于“即时技术开发”（TA1）的建议书，ERI：DA跨部门公告强制性要求必须提供合作双方详细的任务列表和成本估算，包括对当前ERI执行者合同文件所需任何修改的详细清单。此外，还特别要求建议书出具得到当前ERI计划执行者支持的信函，作为对国防工业合作伙伴和现ERI计划执行者之间拟定关系的验证。在所需“关联承包商协议”全部完成之前，DARPA将不会授予最后的合同/协议。对于选定的“伙伴关系与技术开发”（TA2）执行者，则必须在第1阶段就“关联承包商协议”进行谈判，合作各方需要向DARPA提供详细的技术和成本数据，包括对现有ERI合同的任何必要更改，作为继续进入第2阶段的必要条件。对于“合作架构”（TA3），则要求建议书制定在合作各方之间建立相应关系的计划。

以“直接竞争限制”优先鼓励私营部门投标。在“合格申请人”审查中，ERI：DA跨部门公告对于联邦资助的研发中心（FFRDC）和政府实体提出了“直接竞争限制”的特别要求，以鼓励私有企业参与投标。对于FFRDC性质的投标方，一是要求必须清楚地表明，拟投标的工作无法由私营部门提供；二是拟作为承包商或分包商时，必须提供其资助机构出具的官方信函，说明其具体权限，确定它们具有参与政府招标，并与业界竞争的资格，并符合相关FFRDC资助协议的条款和条件。对于政府实体，如政府与国家实验室、军事教育机构等，必须明确表明该项工作私营部门无法提供，还要出具书面文件，说明具体的相关法定授权和合同授权，符合参与政府招标的条件。

加快我国集成电路产业创新发展的建议

一是加速实现集成电路制造能力的自主可控。集成电路产业上游是装备，中游是制造，下游是设计。当前我国集成电路的设计、测封等方面与世界先进水平的差距不断缩短，但集成电路装备材料方面还存在加大弱项，国产半导体装备的占有率刚刚提高到10%左右，大量装备依靠进口，集成电路制造受制于人的环节较多。2017年底，国产90纳米光刻曝光系统整机通过验收测试，与同期台积电、三星、英特尔等全球领先晶圆制造厂商陆续进入10纳米工艺制程工艺节点相比还有较大差距。建议改变撒胡椒面的传统做法，要统筹使用国家现有支持集成电路产业发展的各类资金，加大定向精准投资力度，特别是光刻和电气检测设备等领域，积极应对美国的高科技封锁。

二是探索开辟集成电路产业发展的创新路径。集成电路工艺节点20 纳米以下制程的成本上升问题一度被认为是摩尔定律开始失效的标志。可以借鉴美国ERI计划鼓励创新半导体材料和集成、架构和设计研发路径的思路，改变一味追求提高工艺节点和晶体管规模的传统，在弥补差距，提高集成电路工艺水平的同时，投资开发具有创新性的电路架构和集成方式，开辟集成电路产业发展的新路径。

三是完善前沿颠覆性电子技术向国防转化应用的合作机制。针对前沿颠覆性电子技术成果大量诞生在高校实验室和民营企业，难以在国防系统得到演示验证和有效应用的问题，可以借鉴美国DARPA关于ERI技术的“国防转化伙伴”的方式。军方作为买家的同时，发挥促进前沿技术成果向国防科技领域转化的重要枢纽作用。在装备科技预研管理部门的协调下，针对特定应用领域和专项电子技术成果，在拥有演示验证能力的传统军工电子企业与拥有颠覆性集成电路知识产权的创新型企业之间建立定向合作机制，加速技术开发和熟化进程，促进前沿颠覆性技术成果向国防领域的转化应用，进而显著提升国防系统的能力。