重振美国芯片产业，需要更多人参与进来
制造下一代计算机芯片，需要像制作一道精致美食那样，在工业规模上投入极大的关注。顶尖的原料、技巧、工具，当然还有最出色的大脑，必须协同合作，才能创造出具有变革性的成果。在厨房里缺少一样东西，这顿饭就难以成功。在这方面，商务部即将主持一场“盛宴”——根据《芯片与科学法案》（CHIPS Act）拨款110亿美元用于研发，以重振美国增长迟缓的芯片制造产业——目前全球芯片产量中，美国仅占12%。通过CHIPS法案，美国表达了雄心勃勃的意愿，希望重归芯片制造的领先地位。然而，意愿与行动之间存在一条深刻的鸿沟，要跨越它并非易事。CHIPS法案的资金数额虽大，但数字本身并不能保证成功。芯片制造是一项几乎难以想象的精密、困难且昂贵的产业。要确保美国在世界领先制造商的“餐桌”上占有一席之地，需要史诗级的创新和协作。降低参与门槛和资金门槛——邀请最出色的大脑，使用最优质的原料和最先进的设备——对于美国芯片愿景的半导体未来至关重要。价值近6000亿美元的全球半导体芯片产业每年制造超过一万亿块芯片，从汽车到咖啡机，无所不在。采取“越多越好”的方法，建立一个充满活力且快速发展的创新网络，才能实现成功所需的突破。到目前为止，人们更多关注的是行业中最大、最缓慢的玩家。美国以创新而繁荣，然而许多在小型企业和大学中最具创意的头脑，由于研发成本过高以及缺乏接触昂贵工具和设施（通常称为“晶圆厂”或“fab”）的机会而被排斥在外。正如任何顶级厨师都会告诉你的那样，如果你没有厨房来烹饪，就无法创造具有变革性的美味佳肴。美国有两种方式来分配这些研发资金。首先，它可以选择“明星厨师”的方式，将赌注押在少数几家大公司上，希望实现神奇的突破——这是一种高风险的策略。或者，我们可以建造更多的“厨房”，邀请更多的“厨师”开始烹饪，将许多小规模的赌注放在最具创新精神的头脑上，打造一个协同合作的芯片制造创新街区，以“实质成果”而非“表面喧嚣”为目标。首先，我们需要建造更多的“厨房”。我们必须建立共享的实验设施，让来自产业界和学术界的研究人员协同工作。这将培养出以共同目标团结顶尖工程师的研究共同体，向全国的创新者敞开大门。这些技术中心可以包括由经验丰富的工程师运营的升级版大学晶圆厂，或是展示创新理念在大规模生产中可行性、接近产业规模的设施。其次，我们必须开发“数字孪生”计算模型，以模拟整个制造过程，包括特定的工艺设备和工艺条件。数字孪生将使研究人员能够快速评估各种选项，加速工艺和器件技术的发现。通过收集大量数据，人工智能模型可以帮助人类精准调整精密制造流程，并在制造过程中自动检测异常，从而提高产量和产品质量。目前难以想象的数字模型，将成为美国在半导体技术和制造领域实现领先地位的“通行证”，减少对人工查阅电子表格来做决策的依赖。这一愿景的核心在于整个社区的数据共享。开放式设施将在全国联网，以便在整个研究社区内自由共享数据，同时保护专有信息。随着研究社区的扩大和新知识不断推动创新，数字孪生的影响将呈指数级增长。最终，这样的网络将降低所有参与方的研发成本，减少风险，加快创新理念进入市场。一个共享的原型开发环境可以推动各种芯片——逻辑芯片、存储芯片、专用技术芯片等——的生产，就像一个设备齐全的厨房可以在同一天制作出多样的美食。然而，所有关于改善获取资源的讨论，忽略了一个更为关键的成功因素：人才的可获得性。如果没有人愿意走进“厨房”，那么更大的获取资源也毫无意义。我们必须培养一个健康、利润稳定、支持职业成长、工作环境吸引人、兼顾工作与生活平衡的产业，以吸引下一代工程师。如此优秀的人才并不是“树上长出来的”，从高中毕业生到获得博士学位，通常需要十年甚至更久的时间。如果我们希望在10年、20年，甚至30年、100年后，仍是领先产业的一员，就必须从现在开始吸引和培养新的人才。CHIPS法案的愿景雄心勃勃。重获全球芯片制造的领导地位并不容易，但像美国这样有能力且有动力的国家，是完全有可能实现的。成功的“配方”其实非常简单：培养最出色的大脑。创造一个开放、协作的生态系统。将最先进的工具交到他们手中。让每个人都能参与并共享数据。然后，尽情享用从实验室到晶圆厂的四道美味佳“餐”。祝您用餐愉快。这是一篇观点与分析文章，作者的观点未必代表《科学美国人》的立场。
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