德国发布《微电子研发框架计划》支持半导体自主研发与生产

■文/孙浩林（中国科学技术信息研究所）

2020年11月，德国联邦教育与研究部发布《微电子研究框架计划2021—2024：微电子·可信赖和可持续·为了德国和欧洲》，计划四年内投入4亿欧元支持微电子研究。通过这一新的资助计划，德国希望成为开发和生产可靠且可持续微电子产品的全球重要竞争者，并具备理解、自主生产和开发微电子这类关键技术的能力。对此，《计划》提出了德国发展微电子技术的四大目标、七项技术基础和七大未来应用场景。

微电子是数字化时代的重要基础。为了能在未来全球竞争和产业链中保持自主地位，并按照自身价值观构建数字化社会，德国和欧洲需要可信赖的微电子产业能力，也就是能够全面准确地理解和应用微电子核心技术，并通过自有的微电子产业抵御和应对全球挑战。此外，以微电子为基础的信息通信技术能够有效提高资源和能源使用效率，进而促进全球可持续发展。出于以上两方面的考虑，德国联邦政府制定了2021—2024年的微电子研发框架计划，首要目标是加强德国和欧洲在微电子领域的技术主权。

一、主要目标和资金保障

通过实施本计划，德国联邦政府希望达成四项目标：一是德国作为欧洲研究区和欧洲内部市场的一部分能够实现技术自主，不再依赖其他任何一个国家或地区；二是德国和欧洲自主生产的电子产品能够拥有更高的质量和可靠性，成为安全相关应用的首选；三是德国和欧洲自主生产的电子产品能够为气候保护作出突出贡献；四是德国和欧洲自主生产的电子产品能够为应对社会挑战提供更多解决方案。为实现上述目标，德国联邦教育与研究部将在未来4年为相关研发项目投入约4亿欧元，联邦经济与能源部也将通过欧洲共同利益重大项目（IPCEI）为通信和微电子领域提供充足的资金支持。

二、技术基础

为实现自主和可持续的数字化，德国联邦政府将重点支持以下微电子基础技术的研发和创新。

（ 一） 电 子 设 计 自 动 化（EDA）

从最初的想法到最终的电子系统和电路需要经过复杂的设计，而解决这一过程复杂性的方法就是尽可能使其自动化。因此，EDA能力对德国和欧洲技术主权具有基础性影响。当前在这一领域的最大挑战是日益提高的复杂性，EDA不仅针对单个芯片，而要考虑电子系统的整体性能，如高度集成的各电路模块间的相互作用、能源使用效率、功能可靠性和安全性等。

未来行动领域包括：能够为设计小批量专用芯片提供模块化知识产权、相应工具和硬件设备的开发平台和生态系统，如开源的指令集架构RISC-V等；软硬件共同设计；在EDA中应用人工智能；在设计时考虑可测试性等。

（二）用于边缘计算、人工智能和高性能应用的专用处理器

专用处理器是德国电子产业的传统强项，但随着新应用领域的涌现，以及现有应用领域对性能要求的显著提升，当前的专用处理器越来越难以满足现实需要。德国需要将专用处理器提升至新的性能等级，以加速数字化进程。

未来行动领域包括：用于积木式组件处理器的生态系统；带有光学或光电学组件的处理器；用于专用处理器的新架构和存储技术；类比计算等基础研究成果等。

（三）新型智能互联传感器

电子系统的可靠性有赖于传感器提供的可靠测量数据。随着各行各业数字化程度的不断加深，测量数据的收集、处理和传输已经成为功能安全和复杂智能系统运行的基础。因此，传感器必须满足最高程度的可靠性要求，并尽可能承受住故障的影响。

未来行动领域主要分为两个方向：一是新型传感器和系统方案，如以量子效应、新材料和集成技术为基础的新型传感器；有机传感器；芯片实验室（Lab-ona-chip）；化学传感器和生物传感器等。二是新的应用领域，如用于工业4.0等场景的智能传感器；传感器自诊断和自标定；能源自给型传感器和系统方案等。

（四）用于通信和传感技术的高频电子

高频电子设备是构建5G/6G基础设施、车辆测距雷达、服务机器人等数字化时代重要应用的基础，也是传感器中不可或缺的元器件。当前的研究需求包括最高频电子、光电工程以及10纳米以下集成电路的制造等。

未来行动领域包括：高度集成的高频雷达系统；用于高频电子的新型天线；电磁耐受性问题；通信领域的高频电子与光学设备间的相互作用；用于高频电子的新基质和新材料等。

（五）智能且节能的电力电子

电力电子是通过相关电子设备将电能准确分配到需要的地方并对电能进行转换和控制的技术，其重要性日益提高。德国要想保持当前在这一领域的全球领先地位，必须进一步降低成本，同时更好地满足对设备重量、规格、可靠性和效率的要求，并让电力电子设备能够更加智能地根据工业需求分配电力。

未来行动领域包括：通过新的封装和系统集成方法以及规模效应和新材料降低成本；使用宽带隙半导体提升效率；通过延长设备使用寿命、避免使用关键原材料及循环利用提高可持续性；智能电力电子系统；超低功耗电力电子；电磁耐受性和系统集成技术等。

（六）跨领域技术和主题

一些跨领域主题对多个技术领域都具有基础性作用，如系统集成技术、测试和验证、新材料应用等。

创新的集成技术能够提高系统性能和可靠性并降低成本。当前，电子产业的一大发展趋势就是将越来越多的功能和组件集成在一个系统中。未来重点研发领域包括：新复杂系统的封装技术；制造工艺；可靠电子产品的封装和制造技术；设计和仿真。

测试是电子系统安全可靠的保证。从设计到制造、再到最终的验证环节都需要相应的测试方法。未来重点研发领域包括：便于测试的设计方案；测试方法和设备；各类组件测试台的全球互联；测量方法和设备；通过标准化简化组件检测流程。

新材料的研发和应用能够有效推动微电子产业的进步。目前，将新材料用于微电子制造存在诸多挑战，如更加复杂的系统集成技术要求、新制造流程和设备等。未来重点研发领域包括：用于微电子的新材料和材料系统开发；用于电力电子的宽带隙材料；用于传感器的新材料；能够提升可持续性的新材料。

（七）用于微电子制造的专业设备

小批量电子制造专业设备和特殊用途的设备制造是德国的强项，这得益于德国产业界和研究界的紧密合作。在其他微电子制造设备领域，德国多年来一直与欧洲伙伴进行合作研发，也达到了全球顶尖水平，如德国蔡司与荷兰ASML在光刻机领域的合作。

未来行动领域包括：半导体和电子产品制造的自动化解决方案；用于增材制造流程的复杂机械；测量和检测技术等。

三、未来应用场景

（一）人工智能

从汽车到工业4.0，越来越多的行业开始采用基于人工智能的新型解决方案。欧洲必须能够掌握人工智能相关的底层技术，才能对机遇和挑战做出自主应对，电子产业能力是重中之重。欧洲需要尽可能使用自己的人工智能产品，并在任何情况下都能通过自己的知识诀窍设计和验证芯片功能。当前，人工智能的发展离不开大数据训练，这对人工智能处理器的算力和能耗提出了较高要求。德国或欧洲生产的高能效处理器将为此作出贡献，其通过助力“边缘人工智能”和“嵌入式人工智能”等新技术的实现有效降低能耗并加强数据保护。此外，带有光电学组件的处理器等新硬件也将为降低能耗和提升速度创造潜力。

（二）高性能计算

高性能计算是实现科学卓越和未来工业应用的基础。在这一领域，德国教育与研究部将在国内重点支持高斯超算中心（GCS）提升算力，并在欧洲层面积极参与“欧洲高性能计算联合执行体伙伴计划（EuroHPC）”，所需的硬件设备将在“欧洲处理器倡议（EPI）”框架内与其他欧洲国家共同开发。

（三）通信技术

通信和数据网络是数字化时代的生命线，其由不同的电子组件构成，必须保证这些组件的安全性和可持续性。微电子领域的进步为实现数字化时代的可持续智能网络提供了可能，如边缘-云计算网络需要边缘电子设备的支撑；更高效的数据无线传输有赖于微电子创新，如5G/6G网络在物联网、工业和交通等领域的应用；高度集成的光学微电子组件可以实现更快、更节能的光电转换。

（四）智能健康

电子产品是智能和互联健康应用的一项基础技术，能够决定医疗产品的创新程度。同时，医疗领域的电子产品必须具有最高程度的可靠性和安全性，包括在不同设备间传输患者数据的过程。欧洲必须在电子医疗产品的全供应链上拥有技术主权。从技术层面上看，当前的微电子创新已经为公民医疗和护理作出很大贡献。一方面，医疗设备组件的全面模块化和功能模块的可替换性使设备能够适应变化的需求；另一方面，新产品研发过程中的平台解决方案和统一的交互界面大大缩短了产品上市所需的时间。在器官移植、神经义肢、护理工作、药品制造等领域，微电子创新都将发挥重要作用。

（五）自动驾驶

在当前的驾驶辅助系统中，电子产品和传感器已经能够有效降低事故风险，未来的自动驾驶汽车将进一步提高安全性，而这一愿景的实现需要多项微电子技术基础的支撑。每辆自动驾驶汽车必须配备高探测精度的传感器，使其能够在任何情况下进行及时反应；车辆的所有电子组件和系统必须绝对可靠；自动驾驶系统需要不断改善能源使用效率以降低耗电量；车辆必须采用模块化的设计理念以及标准化的交互界面，以便于修理和维护。

（六）工业4.0

微电子和传感器是工业4.0的关键技术。高性能且互联的软硬件能够实现高效的数据收集和处理，是实现工业4.0生产方式的前提；节能或能源自给的传感器能够显著改善设备的可持续性和经济性，并简化基础设施建设；使用新型电子设计自动化工具进行系统设计能够加速工业4.0微电子组件的创新。

（七）智能能源转换

未来的能源转换、分配和消耗必须更加灵活，并做到智能互联。微电子能够为此作出重要贡献，如高效灵活的电力电子设备、能源自给的低成本传感器、通信电子设备等都可在不同领域发挥作用。