美国在芯片研发领域落后了吗？

    对于美国在半导体研发领域的衰落我们需要重点研究，悲观者认为正如贝尔实验室被后来者所超越一样，TI也在面临同样的问题，需要面对诸如TSMC等新兴制造商的挑战，乐观派则认为Intel依然扮演下一代半导体技术世界领导者的角色，IBM依然在半导体专利方面占据统治地位，而IM Flash(Micron与Intel的合资公司)这样的公司也正在大踏步前进，而惠普实验室的忆阻器技术将使得传统的半导体存储器过时，同时美国的大学和国家实验室正在研发那些改变游戏规则的芯片技术，这些大学和工业界，实验室的研发联盟将会填补空白。

      很多电子工程师们都认为美国在半导体领域的衰落最具有代表性的时间就是贝尔实验室宣称不再继续进行半导体材料和器件方面的研发。贝尔实验室曾经是半导体领域先锋，不光是晶体管，它在半导体材料和器件的很多领域都取得了很大的突破，比如MOSFET，CCD，分子束外延，电子束曝光，光电电池，二氧化碳激光器，量子级联激光器，光路由器以及第一代单芯片32位微处理器。



IBM的Watson研究中心日前演示的能使碳纳米管实施商用的方案

      坐落于新泽西州莫里山的贝尔实验室，曾经是半导体领域的研发先锋，如今是总部位于巴黎的阿尔卡特-朗讯的研发单位，目前实验室拥有1000名研发人员以及每年20亿美元的预算，用于研发例如无线，网络，光通信和计算算法等更为务实的技术。另外还有一个组继续进行更为长期的研究，例如高速电子和纳米技术，但是那些让贝尔实验室取得6次诺贝尔奖的具有突破意义的研究已经中止。

      贝尔实验室放弃那些长期的半导体领域的研究，可以看作是将美国在半导体领域的研发进入了死胡同，美国半导体制造上普遍认为发生在贝尔实验室的事情表明了半导体市场行情的变化，就是芯片制造商需要在当今这个全球低利润，高容量的市场下寻求生存之道。

      Freescale半导体的副总裁Gregg Bartlett认为：“现在认为美国让出了全球半导体老大位置还为时过早，人们需要注意到，贝尔实验室发生的事情并不具有普遍意义，并不说明在其他地方没有新的创新，美国依然是全球半导体的中心，Intel，IBM以及它的技术伙伴依然聚焦于技术研究，在它们那里大量的创新依然在发生.”

      尽管如此，仍然很难说服那些持相反意见者，他们会拿出存储领域的例子，几乎所有的美国芯片制造商都曾经进入这个领域，但是如今只剩下DRAM制造商Micron，今年的营收只有16亿美元，对于美国的芯片工厂来说，也面临同样的命运，因为越来越多的芯片制造转移到了TSMC，UMC，特许半导体等厂商，并正在向中国大陆的厂商转移，这些都是悲观论调者用来反驳的理由，当然，只能说美国半导体研发正在衰落，还没有到出局的时候。

      IBM，Intel专注于研发

      IBM的半导体研发中心副总裁Gary Patton介绍：“一些公司不得不改变他们的商业模式来应付这样的变化，但美国依然拥有大量的半导体技术统治力量，例如IBM商业联盟以及Intel，很显然他们两位是高级半导体技术研发的核心力量。”

      IBM的研发预算高达62亿美元，多达3200名工程师组成核心研发团队，他们背后是多达200,000名工程技术人员，Intel的研发预算也超过60亿美元，他们的公司级技术团队，Intel研究院，拥有超过1000名工程师和科学家，同时也拥有数以千计的技术支持人员。

      尽管美国在半导体领域例如DRAM等领域正像日用品领域一样已经有所衰退，但是IBM和Intel仍然认为美国在半导体领域仍然充满活力，毕竟Intel是世界上最先切入45纳米工艺的公司，这足以证明美国的半导体行业仍然走在业界前列。



Intel与加州大学圣芭芭拉分校合作研发的硅激光芯片

      Intel的CTO Justin Rattner介绍：“你可以通过我们技术上的稳定的研发节奏判断我们的实力，我们已经能够顺利切入到高K栅电介质和金属栅电极叠层技术。”

      IBM同样宣称已经为高端服务器处理器规划了45纳米的时间表，同时其他的工厂也在做迁移计划，为了保证深亚微米级研发的高额投入，IBM成立了联合研发组，包括AMD，特许半导体，飞思卡尔，英飞凌，三星以及意法半导体。

      目前的问题不是技术路标，而是芯片制造的产业现实，当更多的半导体晶元加工转移到海外，对应的研发责任相应转移，如今，开工一家新的工厂需要投入30亿美金，面对这样的投资事实，像TI这样的半导体制造商越来越多的需要依赖他们的制造伙伴，用于研发32纳米以下的工艺。

      飞思卡尔的Bartlett介绍：“坦率地说，更多的工艺技术开始向台湾转移，这不是缺少投资的结果，而是制造业的产业现实，技术研发和布局必然向产量大的地方倾斜。”

      成本因素

      感觉上来说，美国半导体研发实际上是其取得的成功的牺牲品。今天，财务健康与否取决于缩小节点来在每个晶圆(wafer)上制造更多的芯片，也就是降低每片裸片(die)的成本。晶圆厂难以接受新的材料和设备，因为已有的工艺可以将产品做的更小，另外因为离岸代工厂日益增加的晶圆厂规模，这种情况更加明显。

      TI已经承认他不再是一家垂直集成公司。“我们一次又一次将我们的投资转移到更加贴近消费者，因此我们热衷的已经不是芯片下面的工艺技术，而是关注我们如何才能解决客户在明天会面临的问题，并且保证解决方案具备成本和功耗效益。”TI研发中心一位副主席Martin Izzard表示。

      TI决定将22亿美元研发预算投入到设计更为优秀的模拟、混合信号和特殊应用信号处理芯片上来，还不清楚这个策略长期来说会有什么效果。但有一点是肯定的：开发新的材料和器件架构 - 需要在未来进行工艺节点的创新 - 这已经不是TI的问题了，而是晶圆代工厂的问题。

      作为对比的是，像IBM、Inter和Micron，还不想做无晶圆公司，还维持着以往的工厂。

      “我们目前进入了这样一个时代，所有公司的技术正在接近光刻工艺的物理极限，所以挑战相比以往更加艰巨，”Micron存储业务副主席Brian Shirley表示，“目前，我们正在寻找能在3到5年内解决这个挑战的方法，那些研发看起来将会花费大量成本，且产业的压力也比以往更大。”

      向物理极限挑战的研究和开发的鸿沟会花费美国半导体制造商更多的成本，而现在鸿沟正在扩大化，产业的研发预算则被降低的销售额和过度供应所积压。美国大学和国家实验室长期来看应当肩负起更重的职责。

      大学研究的重要性

      事实上，IBM也看到了这种趋势。这几年来公司的一些研究科学家已经进入了美国各个大学，IBM、Intel等公司借此与大学建立了很强的合作关系。最好的一个例子是IBM日前宣布了全球最小的SRAM芯片 - 一个22nm工艺的器件 - 在奥尔巴尼纳米技术研究中心得以制造，这项科技成果是IBM与纽约州立大学阿尔巴尼分校合作的结果。

      IBM在纽约运作了一系列资金充裕的与高校的合作项目。它与伦斯勒理工学院合作研究先进的3D和其他封装技术。IBM还与奥尔巴尼的两所大学有合作，一个项目是15nm印刷工艺在300mm晶圆厂的实现，另一个是关于其“深蓝”超级计算机的，瞄准实现网格运算的算法。

      Intel的Rattner说：“我们是高校研究的大赞助商，有大量和长期的工作要做 - 自旋电子学、碳纳米管、二维碳原子片等。这些创新需要8到10年的研究，然后我们会把这些工作转为公司内部研发，并将其打造成为最有希望商用的产品。”

      也许历史上最为成功的让美国一直处于半导体技术领先行列的商业与学院合作的典范要属Semiconductor Research Corp.(SRC)公司了，它在相关的大学和产业实验室赞助了超过100个研究项目。

      不过相比来自美国空军科研办公室、美国国防部高级研究计划署(Darpa)、美国国家标准技术委员会、海军研究办公室、13个国家能源实验室和8个技术中心来说，这些用于大学研究的私有公司资金还是太少。用于学术研究的最大的独立非防御政府资金是国家科学基金，大概有60亿美元的预算，并在联邦支持的各个大学的研究中占有大约20%的份额。

      随着金融压力越来越大，那些不能承诺带来直接回报的长期研究项目的经费受到了削减。根据Darpa的统计，基础“电子学”研究基金在2007年从2.54亿美元削减到了2.36亿美元，到2008年减到了1.97亿美元。

      私有和政府基金还可以申请的到，但是否还能满足像贝尔实验室那样的巨舰的运作并保持美国在半导体研发领域的领先就不得而知了。“我不认为我们需要新的项目 - 我们只需为我们已看到的项目投入资金，”Intel的Rattner表示，“我们有这个机构，我们知道他们的运作 - 我们只需在背后投入人力和资金来确保他们成功。”