重新支撑和重建集成电路供应链

MITRE Engenuity首席技术专家、半导体联盟执行董事Raj Jammy与《半导体工程》(Semiconductor Engineering)座谈了供应链的变化，在哪里以及如何利用不同的能力，以及为什么先进的封装和制造对经济安全如此重要。

SE:全球半导体供应链似乎正在分裂。这有什么影响呢?

适意的:由于无晶圆厂代工行业模式和供应商社区的作用日益突出，无论是涉及物理工具还是软件工具，市场正在被重塑。没有这些，就没有我们今天所知道的行业模式。这些都是生态系统中关键的技术提供商。我们看到，外国企业在制造我们在美国率先推出的一些创新产品方面表现出色，并在市场上变得更加强大。虽然盟国之间的关系很好，但我们正在努力恢复实力，加强我们的国家经济和安全。我们需要国内制造能力，这样我们就不会在关键部件上依赖其他国家。只要有一个公平的竞争环境，经济竞争力是好的。本地芯片制造技术是至关重要的，你还需要包装与之配套，以建立一个稳健的供应链。终端系统制造商需要有保证的组件供应。我们正在与盟国合作，以确保我们拥有关键的技术能力，无论是在国内还是与盟国合作，我们可以依赖他们，他们也可以依赖我们。

SE:现在有什么不同?

适意的:至少在目前的地缘政治形势下，我们与全球各地的盟友建立那种相互依赖的关系是不现实的。我们的一些盟友为这个生态系统带来了某些独特的优势和能力，我们在许多问题上有着共同的思路。一起工作总是对双方都有价值的。我们还必须记住，许多总部设在美国的公司，以及美国品牌的公司，在与我们结盟的国家设有设施。我们应该看看如何加强这一切。

SE: MITRE在其中扮演了什么角色?

适意的: MITRE是一家专注于公共利益和安全的系统公司。我们有近10,000名员工和270个物理实验室，致力于各种具有国家和全球重要性的主题，涉及技术领域、政策、医疗保健等。半导体是一切事物的中心，它们对国家安全和经济福祉越来越重要。我们非常擅长的一个领域是公私合作。我们还擅长项目管理，如果你看看我们现在在半导体领域面临的问题，这是一个全国性的问题。因此，我们与国内的一些生态系统实体组成了半导体联盟，所有这些公司、大学、区域实体和行业机构定期聚集在一起，讨论和解决行业面临的主要挑战。在许多其他领域，我们已经这样做了一次又一次，半导体是我们坚信能够有所作为的一个领域。在半导体联盟中，每个人都共同努力，找出为国家半导体技术中心(NSTC)和国家封装制造计划(NAPMP)发展愿景的最佳方式。我们应该通过NSTC解决哪些技术问题?这些解决方案应该是战术上的还是战略上的，还是两者的混合? The solution set is ideally distributed across the nation, as each region has its own strengths. Our vision is that the NSTC is a distributed network, a whole-of-nation effort to solve a national problem.

SE:有三家代工厂正在争夺工艺领先地位，还有更多的公司在先进封装领域与他们合作和竞争。我们还拥有大量的新技术，比如后端电源传输、混合键合，以及潜在的芯片商业市场。在这种情况下，领导力到底意味着什么?

适意的让我们以包装为例。在很长一段时间里，包装是劳动密集型的。它需要大量的手工过程，以及一系列需要到位的材料。它自然地迁移到这些条件很容易满足的地方，那就是亚洲。但越来越多的包装要求自动化，因为我们现在正在做的或正在考虑做的包装所要求的精度水平和公差，越来越难以手工完成。因此，人工的部分正在消失，更多的自动化是必要的。此外，有了包装，我们面前有很多选择。如果我们能够将某些类型的包装选择标准化，整个行业就可以专注于这些标准，并围绕这些标准快速加速发展。这与半导体行业的情况类似。我们有国际半导体技术路线图(ITRS)，并不是ITRS所拥有的一切都是正确的解决方案，但因为我们都专注于一个特定的路径，这帮助我们完成了更多的工作。 The same can happen with packaging. If we as an industry can define what this packaging is going to be, or how it is going to be best executed, then we have an opportunity to lead this industry again.

SE:所以这不再只是10埃或更低的比赛了?这是不是又多了一个需要考虑的因素?

适意的:向更精细技术的发展是不可避免的。你仍然有性能上的提高，你仍然有功率和面积上的改进。它更边缘，但设计师总是希望有更多的设备和电路。所以人们会继续这样做，并利用它——除非你为他们提供另一个向量，让他们在没有规模的情况下做同样的事情。但我们还没有达到这样的地步，我们可以说，‘我可以给你同样的性能，而不需要使用不同的模具或使用其他方法来降低功率损失。“也许异构集成是我们实际上可以实现部分目标的方法之一，但我们必须换一种思路。它不再是二维的象棋游戏。这是一个我们需要擅长的三维象棋游戏，我们还没有改变范式。在过去，你有一个芯片，你会说，‘这是最新一代的节点。围绕它建造一些东西。系统制造商会在此基础上设计笔记本电脑或手机。 And occasionally you had these applications where people would advertise for ASIC designers because they wanted a custom chip for a specific application. But those were few and far between. The real powerhouses were the chipmakers that were trying to define the next-generation node. The industry has shifted away from that. Today it is systems companies saying what they want. If they can’t get it, they’re going to design it themselves and get it fabricated. It’s not that the core process capabilities and shrinks are not important. But it is using the base platform technology onto which you layer your design. That’s how you enable system-level thinking.

SE:这是当今行业的一个根本性转变，对吧?

适意的:是的，它推动着我们需要如何运作。我们需要换个角度思考。那么，我们怎样才能使这种模式变得更加成功呢?这是我们在半导体领域还未触及的领域之一。半导体有很多机会渗透到新的领域，让我们的生活变得不同。五年前，我们认为我们今天所拥有的一切是可能的吗?可能不会。变化的速度正在加快。

SE:如果未来是异构的，不再只是单一的芯片，你如何确定行业的领导地位?

适意的:这是通过驱动全栈方法。当我们现在设计一个芯片时，几乎就像设计一个智能手机那样的多组件系统。如果你想把一部手机组装在一起，你就想把硬件和软件紧密地集成起来，以获得所需的功能，使它对用户更有用。类似地，当你在一个包中有多个具有不同功能的芯片时，它就像一个具有许多功能的单一单元。如果我要改变一种材料——例如，为了其独特的功能，一种非Si半导体——我必须开始考虑如果它在同一块芯片上，它对我的热预算和Si的污染有什么影响。我还需要担心其他关于过程的问题吗，或者迁移，或者任何可能出现的掺杂问题?设备架构发生了什么变化?这整件事是怎么设计出来的?有集成问题和打包问题。你不能假设它只是在缩放，其他的一切都会水到渠成。 That’s no longer true. Instead, you can design a non-Si chip and manufacture it in a different fab at a suitable dimension and keep the Si chip at the best possible dimensional node and manufacturing process for performance and cost benefit. Subsequently, the two heterogenous chiplets can be integrated into a common package. As we do this, we are ensuring that everything from material selection to design to device architecture, integration, and packaging are all considered for the final end application and optimized. That’s what we’re calling a full-stack approach. And it means multiple players in the ecosystem have to work together.

SE:您如何确保供应链能够提供所有必要的部件?

适意的问题始终是你能控制其中的多少?你不应该处于这样的情况:你采购了某个部件，但在紧急情况下却不能保证它的供应。或者你有一个部件可能会在你不希望它失败的时候灾难性地失败。这些都是国家安全问题。然后是覆盖在硬件组件之上的软件。你希望能够管理这两者，达到一定的可衡量和合理的保证水平。将国家安全和经济安全区分开来变得越来越困难。国家安全有一个物理组成部分，这也可能取决于这些组成部分的来源和出处。然后是经济安全方面，这可能会让你陷入恶性循环。

SE:不仅仅是最新的节点或最先进的封装，对吧?200mm的供需缺口很大。

适意的:是的，200mm的生产已经显示出非凡的弹性。让我们假设有一个200毫米的组件是制造我们使用的手机或汽车所必需的。我们可以在国内生产这些部件，但可能需要一年的时间来提高产量。那么我们能完全停止生产那些手机或汽车吗?我们需要确保国内或盟国有能力应对所有组成部分，以提高应变能力。

SE:在材料方面，全球似乎存在着不平衡——无论是天然的还是人造的。

适意的材料当然是一部分。另一部分是如何确保这些材料的可用性，使我们成为包装领域和芯片制造领域的公司的磁铁，以吸引他们来美国。但是我们如何以及在哪里制造这些是非常重要的。供应链是一个非常非常复杂的问题，它不是一夜之间就能重新调整的。如今，制造半导体所需的材料、复杂的元件和子元件太多了，以至于认为我们可以在国内完成所有事情是错误的。虽然我们实际上可以找到很多这样的东西，但我们在系统中建立某种程度的平衡和弹性也很重要。我们应该建立一个国内供应来源，但在任何不可预见的中断情况下，能够从盟国伙伴那里获得组件。我们也应该支持他们。这为整个织物提供了更多的强度，而不是有一个单一的故障点。

SE:如果没有技术路线图，我们下一步该往哪里走?

适意的有成千上万的聪明人在试图分析不同的选择。是否有理由需要扩展，或者是否可以只使用现有的一代节点并进行一些调整以提供所需的性能?也许您只需要性能，并且可以管理功率和面积，因此可以在不同的PPA范例之间进行折衷。规模化本身就会让我们走上一条特定的道路，而规模化带来的一个众所周知的优势我们已经习惯了。因此，我们的首要任务是，‘让我扩大规模，然后看看我能把它推向何方。这到底算不算对我有利?“人们越来越意识到，我们应该开始运用第三维度，看看我们是否可以在没有传统面积扩张的情况下获得优势，而传统面积扩张越来越难做到。”在一天结束的时候，所有的扩展纯粹是为了给设计师更多的选择，在不使用太多电源的情况下，他们可以在那里添加多少功能。在未来的许多新应用中，控制功率将是非常关键的。你确实需要保持区域紧凑-你有设备参数，电路参数，以及与之相关的整体经济。

SE:你还需要增加可靠性，这是第四个维度，对吧?

适意的:是的，因为随着这些设备变得越来越小，会出现很多差异。对于10埃的设备，你看到的是原子尺度的间距。所以很明显，在这个空间中控制自然、原子和电子并不是一件容易的事情。虽然我们在这方面做得很好，但我们必须记住，会有变化。如果你看看内存行业，他们在提供错误纠正和确保将信息存储在某个块中的某个点方面做了惊人的工作，然后他们转移到另一个块以保证数据完整性。他们已经在一个典型的NAND闪存芯片中实现了这一点，你可以从商店买到。通过这样做，他们延长了特定包的寿命。在其他地区也发生了类似的事情。一个特定的设备将经历多少次计算周期?在可能发生故障之前，它能承受多少个周期? It’s not so difficult to do that. You just have to be able to provide that balance between what is scalable versus how much redundancy you need to provide.

SE:考虑到所有这些，当涉及到安全性时，我们真的需要保护整个系统，而不仅仅是芯片，对吗?

适意的:是的，安全需要在多个阶段实现。这并不是说我们忘记了可以嵌入芯片本身的安全性。系统级别的安全性是我们正在进行的项目的一部分。但我们也需要全面考虑供应链的安全性和弹性。MITRE非常擅长建立公私合作伙伴关系，也非常擅长项目管理这些活动，以突出正确的讨论点，如安全。我们正在与NSTC和我们的联盟伙伴一起研究的一件事是，我们如何帮助实现比每个实体或每个部分能够实现的更大的目标?如果一个国家有一个地区在逻辑上做了很多工作，而另一个地区在记忆上做了很多工作，我们怎么能解决他们在自己的结构中单独工作都无法解决的问题?例如，我们如何进行计算内内存或近内存计算?这可能会降低电力需求，并在无需来回传输数据的情况下加速处理。您不能假设我们只有一个以内存为中心的活动或以逻辑为中心的活动来解决这些问题。 Whether it’s design-technology co-optimization, analog, or whether it’s some future-generation terahertz devices, or even packaging that is necessary for all this, you have to leverage strengths of the individual players. But you also need to stitch them all into a bigger fabric.

SE:不过，很多设计都是定制的。在某些情况下，正在开发的复杂芯片和封装甚至从未进行过商业销售。如果你做的是一次性的设计，你能否达到与十亿个单元类型的设计一样的安全性，在这种设计中，弱点被很好地理解?

适意的这是一个挑战。人们会尽可能地在当地解决问题。这很正常。这是典型的，‘我的工厂有问题，我要试着用我最熟悉的方式解决它。但我迟早会意识到，其他人的解决方案可能更适合一个普遍的问题集，包括我的。也许我更容易接受它。因此，如果我们能提前促成这种对话，那么人们就会做出正确的选择。这就是我们希望国家能够通过NSTC实现的目标，让我们所有人都更有弹性和效率。我们的重点是提供能够将每个人聚集在一起讨论和贡献的能力和项目内容。有哪些具体的技术问题需要在全国不同的中心和大学进行项目管理和解决，这样我们才能把所有这些结合起来，取得更大的成就? It’s a lab-to-fab pipeline to commercialize ideas and concepts and accelerate innovation in the country in this vital sector.

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