Cameron D. DiLorenzo Chandler A. Dawson
![译文 | 《高端先进制程集成电路供应链风险》（美国国防分析研究所）连载一：摘要及第一部分]( "译文 | 《高端先进制程集成电路供应链风险》（美国国防分析研究所）连载一：摘要及第一部分")
国防部目前面临重大风险。首先，集成电路（Integrated Circuit，IC）供应链未来有可能中断，其中一个原因是美国在本土生产高端先进制程【1】集成电路的能力正在削弱；此外，当前集成电路的生产需求正在超过行业的产能。以上两点因素，将对国防部（Department of Defense，DoD），能源部，国土安全部和国家情报机构保障国家安全的能力产生长期影响。
集成电路（IC）是各类组件系统中所使用的电子元器件的基本单元。对美国军方，IC在武器系统、核心业务系统、关键通信系统和人工智能（AI）计算系统中至关重要。美国正意识到，虽然自己曾经是全球领导者，但其在高端先进制程IC市场的控制力和影响力正在下降。高端先进制程IC市场是实现美国主导地位的关键部分。然而，本土代工厂缺乏技术进步，美国公司的战略和生产缺陷，加入市场所需的高额资本支出以及海外享受国家补贴的竞争对手都限制了美国军方和其他美国政府实体的可信供应选择。这份快速报告详细介绍了军方在这个竞争激烈的市场中受到的战略影响。
国防部将高端先进制程芯片定义为工艺节点小于等于7nm及以下的芯片【2】。半导体和IC是国防部系统的关键供应链器件。这些器件是特定程序、计算存储、定时等基本功能电子组件的核心。过去，为了确保这些核心器件的可信，国防部制定了许多计划。但这些计划很难持续。原因是，相比全球开发的IC总数，国防部只是一个相对较小的消费者。一项研究发现，国防部的市场份额不到1%【3】。尽管美国仍然是IC设计的领导者，但它在制造业中的作用正在减弱，仅占全球半导体制造业的12%【4】，而小于等于7nm及以下范围的高端先进制程制造芯片组则更少。因此，国防部发现自己难以影响市场行为，难以通过投资或购买所需的技术，来降低潜在执行任务能力受损的风险，因此正处在一个被动的境地。
国防部将IC的风险分为三个主要部分：假冒伪劣、恶意部件插入和供应链中断。多年来，国防部一直重点关注假冒伪劣和恶意部件插入问题，并投资研究相应的应对措施。供应链中断很难直接解决，因为国防部不一定能控制商业投资决策。而供应链不受控，将可能进一步增加假冒伪劣和恶意部件插入的风险，从而降低国防部对其依赖的IC市场的控制能力和获取能力。
与供应链中断相关的国防部风险集中在四个方面：一是能否可以获取所需的产品和服务，二是能否灵活适配供应链中各个节点的短缺问题，三是对使用外国IC是否存在限制，四是是否缺乏可信的替代品。通常，越接近用户方的供应链环节，用户方对其有更强的控制能力，存在缺陷的可能性更小。为了应对供应链安全风险，国防部启动了可信代工计划，以确保可信美国微电子供应链。一项研究描述了可信的半导体行业与美国主导地位之间的密切联系：
“由于半导体是国防电子工业的支柱，因此集成电路市场的健康状况是衡量美国是否有能力维持经济增长，是否有能力提供最先进的技术和产品支持在国防和作战方面维持竞争优势的重要指标。 ”【5】
然而，未来半导体行业对国防支持的能力仍然存疑。微电子是一个全球性的产业。十年来，国防部一直面临着微电子行业离岸制造趋势的挑战。尽管英特尔仍然是微处理器的主要生产商，专注于商业芯片，但包括英特尔在内的美国制造商都没有致力于参与不断发展的高端先进制程市场。IBM决定在2014年成为一家无晶圆厂的设计公司（fabless）【6】,【7】,专注于设计市场。德州仪器专注于制造模拟控制器芯片，美光公司生产存储芯片。他们的制造设施都无法制造高端先进制程的芯片。
英特尔在制造业的外国竞争对手获得国家补贴投资或政府优惠待遇，或两者兼而有之。国防部国内生产的半导体将与享受政府补贴支持的企业竞争，同时面临商业决策主导造成的不公平竞争环境，从而影响供应链的不同环节。英特尔的竞争优势在于品质和前沿技术。因此，当台积电（TSMC）拥有最前沿的技术，英特尔的传统模式不再具有可持续性。TSMC在制造领域独占鳌头，在为采用高端先进制程IC的大型科技公司市场中占据主导地位。例如，苹果公司历来在其Mac中使用基于英特尔的芯片。然而在后续的产品中，苹果公司开发了一种基于进阶精简指令集（Advanced Risc Machine，ARM）的高级架构。该架构将由台积电将为其制造【8】。英特尔的长期合作伙伴微软最近宣布，将基于ARM架构，为PC和服务器设计自主的处理器芯片，该芯片将由台积电为其制造【9】。云计算也正在积极向台积电靠近。亚马逊网络服务（AWS）几乎完全在台积电制造的基于ARM的芯片上运行【10】。
台积电和三星竞争力的一个重要方面来源于台湾与韩国政府在高科技方面的政策支持。自20世纪70年代和80年代以来，两个政府都在战略上努力摆脱商品制造，转向高科技制造业。为了使韩国成为电信领域的主要参与者，韩国交通部在20世纪80年代向三星提供了半导体研究项目和资金【11】。此外，三星是一家企业集团，作为韩国的“财阀”（集团）公司之一，已经获得了多种形式的国家援助。有利的政府政策及其投资组合中的行业多样性使三星占韩国GDP的15%【12】。
国防部承认，可信代工厂计划不再满足其IC制造的需求。虽然该计划成功地提供了一种安全的方法，通过IBM构建和开发供国防部使用的定制IC芯片，但是在IBM成为无晶圆厂后，自己就失去了能够制造高端先进制程代工厂【13】。国防部可信代工厂由收购了IBM此前制造设备专利的格罗方德（GlobalFoundries）担任。为了应对IC供应链不安全的风险，海军和国防部长办公室制定了三个计划来帮助保护IC的国防部供应链。
然而，这样就够了吗？国防部能否忍受越来越依赖外国供应商和制造商带来的风险？这些供应商和制造商的IC被集成到军方的各类关键系统中，包括基于GPU的高级处理系统，与任务相关的AI系统，远程超音速导弹，空间技术和其他新兴技术。
在短期内，更多的参与国防部计划可以帮助美国军方确保为其关键任务提供必要的可信IC。从长远来看，美国军方应该考虑发挥战略作用，积极主张自己和联合作战部队对可信美国制造业的需求，以确保美国政府、美国工业界和美国公众提供必要的大量资金和支持。
美国国防部（DoD）对未来供应链中断的长期战略影响感到担忧，包括美国可能无法在国内生产高端先进制程的【14】7nm芯片组。此外，目前对IC的生产的需求超过了工厂的产能。国防分析研究所（IDA）的研究人员预计上述情况将导致国防部和美国失去对其赖以生存的IC产业的控制和获取能力，从而产生长期的影响，并增加潜在的假冒伪劣和恶意部件插入风险。
半导体和集成电路是国防部系统供应链的关键组件。这些组件是电子功能的支柱，从特定的应用程序，到计算存储，到定时等等。过去，为了确保这些核心器件的可信，国防部制定了许多计划。但这些计划越来越难以持续。就全球正在开发的集成电路总数而言，国防部与全球消费者相比是次要用户。一项研究表明，国防部在集成电路中的市场份额不到1%【15】。尽管美国在集成电路设计方面仍然是一个领导者，但它在制造方面的能力正在减少，只占全球半导体制造的12%【16】，尤其在7nm及以下范围的高端先进制程制造芯片组方面。国防部发现，由于无法影响市场行为，自己正面临着执行任务能力下降，甚至作战安全受损的不利局面。如果控制F-35电子设备的集成电路出现故障，或者保证导弹精确瞄准的集成电路受到损害，后果将很严重。
国防部将集成电路的风险分为三个主要部分：供应链中断、假冒伪劣和恶意部件插入。国防部早已关注假冒伪劣和恶意部件插入问题多年，投资并重点开发了一系列对策和缓解措施。供应链中断问题同样令人担忧。但由于国防部无法控制商业投资决策，该问题并未得到直接解决。
与供应链中断相关的国防部风险集中在四方面：难以获取所需的产品、无法灵活适配供应链内各个环节的短缺问题、使用外国集成电路的存在限制以及日益缺乏可信赖的替代品。通常，越接近用户方的供应链环节，用户方对其有更强的控制能力，存在缺陷的可能更小。然而，微电子是一个全球性行业。在过去的几十年来，虽然国防部一直面临着微电子行业离岸制造的挑战，但英特尔公司在这一关键市场领域仍然是有一家具有竞争力的美国制造商。因此，为了应对当时的风险，国防部创建了“可信代工计划”，以确保建立一个基于美国的微电子供应链。一项研究将可信半导体行业与美国主导地位的关键关系描述如下：
“由于半导体是国防电子工业的支柱，因此集成电路市场的健康状况是衡量美国是否有能力维持经济增长，是否有能力在提供最先进的技术和产品支持国防和作战方面维持竞争优势的重要指标。”【17】。
然而，半导体行业未来对于美国国防的支持能力存在不确定性。除英特尔外，没有其他美国制造商致力于这项前沿技术。IBM决定在2014年【18】进军无晶圆厂【19】，以专注于设计市场。德州仪器公司专注于制造模拟控制器芯片，美光公司则生产内存芯片；它们的制造设备都不具备先进工艺的能力。图1-1描述了全球目前和计划中的所有高端先进制程制造地点。
现在，由于英特尔在改进其7nm制造能力过程中受挫，其工艺升级进度严重延误，损害了其业务关系。其主要客户正在转向台积电（台湾补贴）或三星（韩国补贴）进行制造。三星在德克萨斯州有一家工厂，但并不是高端先进制程工艺（在14nm节点上生产）。台积电正在亚利桑那州建立一个5nm工厂，但产量不确定，国防部也不太可能是其优先客户。
对任何试图参与IC市场，扩大其在供应链中影响范围的美国本土公司来说，巨大的前期资本支出成本将是巨大的阻碍。投资来建立一个流片工厂，预计需要50亿美元的资本投入。同时，由于芯片产量需要几个生产周期才能达到可以销售的标准，工厂预计在几年之内都将难以具备盈利能力。正在亚利桑那州建造的台积电工厂的价格达到了惊人的120亿美元【20】。台积电和三星都得到了各自政府的补助和税收优惠。由于中国正迅速地试图扩大自己的集成电路市场，我们在那里也看到了类似的政府资助模式。目前，美国政府没有为美国的制造业提供激励机制【21】，不过2021财年的国防授权法案（NDAA）可能奠定了一部分基础【22】。只要国防部依赖外国供应商，它就会继续面临供应链中断和不被信任的风险。然而，如果没有大量的投资，与集成电路制造市场上的同行竞争者相比，美国将受到限制。在近期，国防部面临的一个主要后果就是，外国供应商如何能够优先考虑国防部的需求。
随着高端先进制程制造商数量的减少，即使美国拥有国内制造能力，国防部能够获得高端先进制程的集成电路制造的前景也很不明朗。全球代工厂的产能几乎完全饱和，特别是在先进制程，苹果、英伟达、AMD、微软和索尼等技术巨头都在争夺同样的7nm或5nm芯片产能【23】。根据公开报道，台积电要求先进制程芯片的客户“签署晶圆购买协议，每季度分配一定数量的晶圆合同”【24】。国防部的需求占集成电路市场的不到1%。因此，国防部极不可能通过传统的商业手段获得先进制程制造的能力来满足自己的核心需求。因此，国防部将需要协调一致的努力，以及大量的资源，以确保能够获得这样宝贵的技术能力。
由于美国在7nm节点上的制造能力的延误，已经有一台美国国家安全超级计算机可能受到影响。能源部（DOE）阿贡国家实验室正计划用英特尔的7nm图形处理单元（GPU）【25】建造一台超级计算机，代号为Aurora。英特尔的7nm生产能力持续延误，将生产推迟到2023年，该公司最近宣布将与台积电签订7nm生产合同。如上图1-1所示，目前台积电的所有7nm工厂都位于台湾。在美国境内，英特尔有三个计划中的7nm节点的制造厂，台积电有一个计划中的5nm节点的工厂，但这些都是几年后的事，产量还没有得到证实。如果没有在美国开发的集成电路，能源部的计划是能否向前推进将存在不确定性。我们非常担心，美国在短期内不会有任何国内的先进制程代工厂，即使有，国防部也将需要与其高优先级的客户竞争产能。
随着供应链中外国开发商和制造商不断增加，国防部面临假冒伪劣产品或恶意部件插入问题的可能性也进一步增加。美国对海外的设施几乎没有控制权，也不能为了确保芯片不被添加多余的软硬件而针对整个开发链条进行检测。假冒伪劣产品的主要风险是质量和可靠性不符合预期设备的标准，导致设备故障或性能下降。此外，假冒伪劣产品还导致合法企业失去市场份额和利润。据估计，供应商每年因假冒产品而损失约1000亿美元的全球收入【26】。假冒伪劣产品已经进入了国防部的供应链。2012年参议院军事委员会的一项调查发现，国防设备中存在1800起假冒电子零件事件【27】。
假冒伪劣产品为导致设备故障提供了一种手段，恶意部件插入则表明有针对特定国家的攻击。海外制造地点可能会被恶意行为者渗透，美国无法采取实质性的机制对制造风险进行日常的监测和评估。由于美国国内没有可用的选择，美国军方可能需要重点关注投资研发更先进的测试方法和措施，以便对交付的零件进行测试。即使如此，也不太可能完全降低在完全不受美国控制的环境中遭受有针对性的先进供应链攻击的风险。
国防部承认，“可信代工”计划不再满足其集成电路制造需求。该计划曾通过IBM，成功地为国防部提供了一种安全构建和开发定制集成电路芯片的方法。然而当IBM成为一家无晶圆厂公司，能够具备先进制程生产能力的代工厂也不复存在【28】。为了应对不安全集成电路供应链的风险，海军和国防部长办公室制定了三个计划，以帮助确保国防部集成电路供应链安全。第一个项目，先进异构集成封装（the State-of-the Art Heterogeneous Integrated Packaging，SHIP）于2019年开始实施（也是基于更早的DARPA项目），目的是提供一个模块化平台，使国防部知识产权（Intellectuall Property，IP）和商业IP能够无缝集成【29】。第二个项目始于2020年，是快速可信微电子原型（Rapid Assured Microelectronics Prototypes，RAMP）。其主要目的是取代国防部“过时的”芯片设计流程，将新流程的开发承包给总部位于美国的无晶圆厂半导体公司【30】。最后一项计划，商用的快速可信微电子原型（ Rapid Assured Microelectronics Prototypes— Commercial，RAMP-C），在2021年1月启动。RAMP-C旨在解决国防部最重要的风险，也就是缺乏一个以美国为基地的高端先进制程代工厂【31】。尽管这些项目是否会成功还存在一些关键的问题，但这些项目显示了各方为解决目前集成电路供应链中断所带来的风险而采取的几项努力。目前，海军似乎是应用和主导这些项目的主要角色。
除了国防部的计划外，美国国会也已经承认非美国本土集成电路制造存在风险。最近，立法者法者合并了两项法案进入2021年的国防授权法案【32】，即《the Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors for America Act》（《美国芯片法案》）和《the American Foundries Act》。国防授权法案授权联邦政府为建立新的美国代工厂和整个美国半导体行业制定激励措施【33】。其中的措辞表明，最高级别的决策者承认美国集成电路制造业基地地位不断下降所带来的风险，并正在积极考虑采取措施，以确保国家安全。然而，美国政府并没有采取像其他国家支持本土公司的措施来直接支持英特尔。
在短期内，更多的参与国防部计划可以帮助美国军方确保为其关键任务提供必要的可信IC。从长远来看，美国军方应该考虑发挥战略作用，积极主张自己和联合作战部队对可信美国制造业的需求，以确保美国政府、美国工业界和美国公众提供必要的大量资金和支持。
译文 | 《高端先进制程集成电路供应链风险》（美国国防分析研究所）系列连载前言：https://mp.weixin.qq.com/s/pZkYLG8f0d8cY1OtZeiNMg
1.The DoD defines the leading edge as a digital CMOS node less than or equal to 7nm.。
2.https://nstxl.org/wp-content/uploads/2020/12/219G019-RAMP-C-RFS_FINAL-1-28-21.pdf.
3.https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a524792.pdf.
4.https://fortune.com/2020/06/30/america-tech-semiconductor-manufacturing-investment/.
6. “A fabless semiconductor company is a company that designs, verifies, and sells semiconductors under its own brand or for other brands but does not own the fabrication plant to make the semiconductors. Instead, a fabless company outsources its chip fabrication to a semiconductor foundry, such as TSMC, GlobalFoundries, and UMC.” Semiconductor Engineering. https://semiengineering.com/knowledge_centers/manufacturing/fabless-semiconductor-companies/.
7.https://www.pcmag.com/news/whats-the-fallout-as-ibm-goes-fabless.
8.https://www.wired.com/story/apple-mac-intel-switch-guide/.
9.https://www.cnbc.com/2020/12/18/intel-falls-on-report-microsoft-will-design-own-chips-for-pcsservers.html.
10.https://www.nytimes.com/2018/12/10/technology/amazon-server-chip-intel.html.
11.Peter Evans, Embedded Autonomy, Princeton University Press, Princeton, NJ. 1995.
12.Peter Pham, “What Is South Korea's Secret Weapon?” Forbes, May 13, 2018. https://www.forbes.com/sites/peterpham/2018/05/31/what-is-south-koreas-secretweapon/?sh=77159c416b2f.
14.The DoD defines the leading edge as a digital CMOS node less than or equal to 7nm.
15.https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a524792.pdf.
16.https://fortune.com/2020/06/30/america-tech-semiconductor-manufacturing-investment/.
18.https://www.pcmag.com/news/whats-the-fallout-as-ibm-goes-fabless.
19.“A fabless semiconductor company is a company that designs, verifies, and sells semiconductors under its own brand or for other brands but does not own the fabrication plant to make the semiconductors. Instead, a fabless company outsources its chip fabrication to a semiconductor foundry, such as TSMC, GlobalFoundries, and UMC.” Semiconductor Engineering. https://semiengineering.com/knowledge_centers/manufacturing/fabless-semiconductor-companies/.
20.https://www.forbes.com/sites/willyshih/2020/05/15/tsmcs-announcement-of-a-us-fab-is-bignews/?sh=3bd48f042340.
21.https://fortune.com/2020/06/30/america-tech-semiconductor-manufacturing-investment/.
22.https://www.congress.gov/bill/116th-congress/house-bill/6395/text.
23.https://www.tomshardware.com/news/tsmc-prioritizing-apple-consoles.
25.https://www.tomshardware.com/news/us-governments-aurora-supercomputer-delayed-due-to-英特尔s-7nmsetback.
26. https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=6856206.
27.https://www.americanmanufacturing.org/blog/americas-semiconductors-supply-chain-faces-bigcybersecurity-risks/.
29.https://nstxl.org/opportunity/request-for-designs-rapid-assured-microelectronics-prototypes-usingadvanced-commercial-capabilities-ramp-phase-ii/.
30.https://nstxl.org/opportunity/rapid-assured-microelectronics-prototypes-using-advanced-commercialcapabilities-ramp/.
31.https://nstxl.org/opportunity/rapid-assured-microelectronics-prototypes-commercial-ramp-c/.
32.https://www.aip.org/fyi/federal-science-bill-tracker/116th/creating-helpful-incentives-producesemiconductors-chips.
33.https://www.prnewswire.com/news-releases/semiconductor-industry-applauds-ndaa-enactment-urgesfull-funding-for-semiconductor-manufacturing-and-research-provisions-301199880.html.
转载请注明来源：网络安全应急技术国家工程研究中心
![译文 | 《高端先进制程集成电路供应链风险》（美国国防分析研究所）连载一：摘要及第一部分]( "译文 | 《高端先进制程集成电路供应链风险》（美国国防分析研究所）连载一：摘要及第一部分")
原文始发于微信公众号（关键基础设施安全应急响应中心）：译文 | 《高端先进制程集成电路供应链风险》（美国国防分析研究所）连载一：摘要及第一部分
评论