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）连载四

美国国防部 (DoD)于2003年建立了“可信代工计划” (Trusted Foundry Program，TFP)，其目的是为有关键作用的防御系统提供当年较为前沿的90nm芯片^【1】。该计划由DoD下属的国防微电子处 (DMEA)^【2】管理。NSA从项目开始时就参与了进来。2007年，该计划扩展至整个微电子供应链和认证过程，并针对供应链中可能出现的木马进行防护^【3】。2004 年，由于满足了当时DoD各种武器系统和计划中对前沿集成电路的需求，IBM被授予了第一份DoD的合同^【4】。2006年，更多的供应商加入了该计划，但是仅仅促成了一个“应用成熟‘非前沿’技术的可信赖供应链体系”的建立。DoD官方在2015年指出，与IBM的前沿技术相比，此类成熟技术的使用场景不多^【5】。计划的扩展使得更多公司得以加入到可信代工体系中，以促进可信IC生态系统的构建；然而，新加入的代工能力却只能扩展到更老、更成熟的芯片技术中去^【6】。2014年，IBM宣布有意将其加工业务（包括TFP的实践经验）出售给总部位于美国的外资实体格罗方德（GlobalFoundries）。该收购于2015年完成，格罗方德从此接手成为给DoD提供前沿IC的角色，但是，官方对格罗方德能否满足DoD的需求存在严重担忧^【7】。格罗方德自收购 IBM代工厂以来屡屡受挫，并被迫于2014年购买三星的14nm设计^【8】。2016 年，格罗方德承认将放弃并跳过10nm工艺^【9】。2018年，在宣布不再研发7nm先进工艺之后，格罗方德最终放弃了所有的未来技术拓展^【10】。随着格罗方德在2018年的声明放出，TFP计划已不再拥有先进制程的IC供应商，只能提供“成熟”的芯片供DoD使用。

不幸的是，TFP计划旨在解决的风险并没有消失。DMEA的可信任指南 (Trusted Guidebook)中列出了 DoD供应链中与IC相关的三大风险，即恶意部件插入、假冒伪劣和供应链中断^【11】，这些风险的存在正是TFP计划成立的原因。DoD在DoD指令 (DoDI)5200.44中反映出了亟待解决这些风险的必要性的政策走向，该指令指出，“如果集成电路相关产品和服务是专门为特定国防部军事用途设计、制造的，此类产品和服务应从DMEA认证的可信供应商处通过可信的流程采购”。该指南指出，如果某个系统被指定为“关键程序信息”，则必须使用可信任代工体系。然而，由于供应商格罗方德决定不再追求10nm或7nm工艺，在可信任代工体系中能够提供高端先进制程IC的供应商已不复存在。未来，当武器系统需要高端先进制程的IC来保持与对手的竞争力时，DoD可能需要依靠其他国家的不安全供应链来满足此类需求。

DoD清楚的意识到拥有一个安全的IC零部件供应链的必要性。在过去两年中，DoD提出了一系列可用于解决目前问题的计划。以下部分是一些新进展的概要。

A.快速保障微电子原型 (RAMP)

2020年3月，海军和空军在国防部长办公室 (Office of the Secretary of Defense)的支持下，发布了快速保障微电子原型 (Rapid Assured Microelectronics Prototype，RAMP)计划的征求建议书(RFP)^【12】。该项目旨在取代“美国政府用于高新技术IC芯片与系统级芯片(SoC)设计中的过时技术”^【13】。这些设计是针对“≤22nm工艺的硅CMOS半导体”^【14】，这意味着它们主要面向更成熟的IC制造商。由于节点尺寸要大得多，该计划的加工需求可以由现有的TFP计划满足。TFP计划的代工厂（如格罗方德）可以加工小于22nm的芯片，但不能小于12nm。但是，美国国内没有满足高端先进制程工艺（≤7nm）要求的美国代工厂。RAMP计划目前的资金为2450万美元，共同授予给微软和IBM^【15】。但是，微软和IBM都是无晶圆厂模式公司，且委托台积电进行所有先进制程芯片的代工制造。截至2021年1月29日，RAMP的第二阶段正式启动，并公开发布了设计请求^【16】。

B.先进异构集成封装(SHIP)

2019年，海军水面战中心-起重机部门 (Naval Surface Warfare Center–Crane Division)发布了一份关于先进异构集成封装(State-of-the-art Heterogeneous Integrated Packaging，SHIP)原型项目的RFP，该项目通过美国能源部战略与频谱任务高级弹性可信系统(Strategic & Spectrum Mission Advanced Resilient Trusted Systems, S2MARTS)^【17】正式发布。SHIP是基于DARPA的通用异构集成和IP重用策略 (Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies，CHIPS)项目开发的，它试图将DARPA的项目在微电子领域实用化^【18】（注：最近非常火的芯粒Chiplet技术就是由该计划孵化的）。该计划旨在“帮助缩小商用先进微电子技术与安全集成到DoD系统中技术之间的代差”^【19】。该计划将拥有自己的设计、组装和测试设施，并通过提供一个允许将DoD知识产权 (IP)与商业IP相集成的安全环境来保护其供应链^【20】。然而，SHIP被设计为位于IC供应链的末端，并专注于将芯片集成到组件中，如图4-1所示。

2019年，SHIP官方宣布，委托英特尔联邦业务和赛灵思（2020年10月28日被AMD收购，预计交易结束日期为 2021年）为SHIP项目数字组件的制造商，委托诺斯罗普·格鲁曼公司、通用电气、是德科技和德克萨斯科沃为射频组件的制造商^【21】。SHIP第2阶段目前的资金为 1.722亿美元^【22】。

C.快速保证微电子原型-商业(RAMP-C)

海军与国防研究与工程部长办公室 (OSD R&E)于2021年1月14日发布了快速保障微电子原型-商业(RAMP-C)的计划^【23】。RAMP-C计划的目的是通过激励建立可持续且具有高端先进制程技术的本土代工方案，来解决国内缺少具有高端先进制程技术制造能力的现状^【24】。根据规划文件，该项目的第一阶段已获得3.09亿美元的资金，预计未来将规划另外两个阶段，并且最终将建成一个“位于美国国内且能够使用7nm/5nm 硅基CMOS 技术制造复杂系统级芯片 (SoC)的代工厂”^【25】。该计划旨在补充SHIP和RAMP计划，如图4-2所示。

RAMP将为定制芯片提供设计中心，SHIP将为最终产品提供封装和测试，RAMP-C将为定制和商用现货 (COTS)产品提供高端先进制程代工。

但仍然存在一些问题，并且有些问题可能难以解决，特别是对于RAMP-C计划。短期内，美国没有高端先进制程代工厂，且英特尔已经逐渐失去了与长期竞争对手台积电的竞争优势。雪上加霜的是，格罗方德已公开表示将不再追求高端先进制程IC^【26】。尽管美国国内也有一些外资代工厂，例如三星在奥斯汀的代工厂，但该工厂在不进行设施升级改造的情况下也没有能力制造业界高端先进制程的IC^【27】。虽然台积电正在亚利桑那州建造一家以5nm为目标的代工厂^【28】，这在理论上可以满足RAMP-C计划的需求，但新完工的代工厂通常需要等待3到5年其无尘室才能达到理想的使用状态。

另外一个值得关注的问题是，美国能对在美国经营的外国制造商具有什么程度的控制力。如果该计划旨在鼓励美国公司建立新的代工厂，则前期资本要求将在100-200亿美元左右，该计划的当前激励措施无法满足该需求。当然，英特尔仍在向高端先进制程加工能力迈进，但却没有完成过任何能够支持RAMP-C计划的加工合同。英特尔致力于成为IDM，从未在其代工厂生产过任何非英特尔设计的芯片。这可能与RAMP和RAMP-C计划中制定的与无晶圆模式设计者合作的计划相冲突。

这三个计划是朝着帮助DoD确保IC制造安全的正确方向迈出的一步。如果台积电最终被选定在亚利桑那州修建代工厂，可以采取特殊措施来降低使用外国制造商的风险，特别是考虑到代工厂将建于美国本土。由于DoD给予该行业足够大的激励，如果需要一家美国本土的企业，也应该可以找到其他选择。最后，美国海军是这三个项目的主要推动者，这很令人惊讶，因为毕竟所有军事部门都有IC制造安全这个需求。

D.NDAA 2021

在2021年的NDAA中，立法者合并了两项法案，即《为美国生产半导体法案》（CHIPS for America 法案）和《美国加工法案》^【29】。NDAA授权联邦制定激励措施以鼓励创建新的美国代工厂，推动美国半导体行业整体发展^【30】。NDAA赋予商务部长确定资金流向和分配的权力^【31】。商务部长与国防部长、能源部长、国土安全部长和国家情报总监共同承担监督责任，以确保国家安全目标得以实现。虽然计划中针对支持和研究的授权工作已经完成，但仍需要进一步筹集资金。NDAA在其发表的声明中表明，最高级别的政策制定者已认识到美国IC制造产业水准下降所带来的风险，并正在积极采取措施，以保障国家安全。

E.缺乏DoD能够使用的产能

尽管新的DoD计划可能有助于解决DoD IC的封装、设计和测试问题，但尚不清楚是否能够确保RAMP-C计划获得高端先进制程的代工能力。目前，全球几乎所有的半导体制造产能都已被充分运用，然而仍然缺乏用于汽车的低端芯片，导致汽车供应链出现了巨大的断层^【32】。与此同时，全球所有科技巨头却都在为自己的新产品竞争高端先进制程的制造产能^【33】。使用高端先进制程的制造产能往往需要达成每月制造足够数量晶圆的协议^【34】，因此苹果和高通等现有的大型客户在前沿工艺的使用上具有优先权。台积电还规定需要预先几个季度签订协议才能使用其前沿制造产能^【35】；因此，DoD需要提前数年制定计划，才可能在未来使用上高端先进制程制造产能。

为了克服产能和时间的要求，DoD可能需要为制造承包商提供足够的激励，使其与军方合作。由于DoD无法提供足够的加工数量，以至于制造商使用商用高端先进制程产能在经济上将非常不划算。一些报告称，DoD在IC行业的市场份额占比不到1%^【36】。与高端先进制程制造的成本相比，DoD目前提供的资金相形见绌，而且成本只会随着工艺的进步而增长。一台EUV机器的成本为1.2亿美元，而具有高端先进制程制造产能的新晶圆加工厂的成本约为100–200亿美元。即使国内高端先进制程制造产能复苏，DoD也可能会被迫降级使用较老的成熟工艺，因为这些工艺既可以制造出满足DoD需求的定制芯片，又具有广泛的商业市场。否则，DoD需要投入必要的时间和足够的激励措施来培养可用的高端先进制程制造产能。

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）连载三

1.https://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/392.wss.

2.https://dodtechspace.dtic.mil/dodtechspace/docs/DOC-25228 (CAC secured website).

3.Ibid

4.GAO-16-185T.

5.Ibid.

6.Ibid

7.Ibid.

8.https://www.globalfoundries.com/news-events/press-releases/samsung-and-globalfoundries-forgestrategic-collaboration-deliver-multi.

9.https://www.electronicdesign.com/technologies/embedded-revolution/article/21805175/globalfoundriesprepares-smaller-silicon-after-skipping-10-nanometers#:~:text=Jun%2014%2C%202017-

,Last%20year%2C%20GlobalFoundries%20said%20that%20it%20had%20skipped%20the%2010nm,riv als%20like%20TSMC%20and%20三星.

10.https://www.anandtech.com/show/13277/globalfoundries-stops-all-7nm-development.

11.https://dodtechspace.dtic.mil/dodtechspace/docs/DOC-25228 (CAC secured website).

12.https://nstxl.org/opportunity/rapid-assured-microelectronics-prototypes-using-advanced-commercialcapabilities-ramp/.

13.Ibid.

16.https://nstxl.org/opportunity/request-for-designs-rapid-assured-microelectronics-prototypes-usingadvanced-commercial-capabilities-ramp-phase-ii/.

17.https://govtribe.com/opportunity/federal-contract-opportunity/state-of-the-art-heterogeneous-integratedpackaging-ship-prototype-project-s2marts-n0016419snc10.

18.https://www.navsea.navy.mil/Media/News/Article/2005099/nswc-crane-leverages-ota-to-ensure-thatthe-us-government-has-access-to-secure/ (CAC Required Site).

19.Ibid.

20.Ibid.

21.https://www.govconwire.com/2019/11/navy-selects-6-companies-for-ship-microelectronics-tech-devtproject/

22.https://www.defense.gov/Newsroom/Releases/Release/Article/2384039/department-of-defenseannounces-1972-million-for-microelectronics/.

23.https://nstxl.org/opportunity/rapid-assured-microelectronics-prototypes-commercial-ramp-c/.

24.Ibid.

25.https://nstxl.org/wp-content/uploads/2020/12/219G019-RAMP-C-RFS_FINAL-1-28-21.pdf.

26.https://www.anandtech.com/show/13277/globalfoundries-stops-all-7nm-development.

27.https://www.sammobile.com/news/samsung-win-intel-failure-7nm/.

28.https://www.forbes.com/sites/willyshih/2020/05/15/tsmcs-announcement-of-a-us-fab-is-bignews/?sh=776f6f742340.

29.https://www.aip.org/fyi/federal-science-bill-tracker/116th/creating-helpful-incentives-producesemiconductors-chips.

30.https://www.prnewswire.com/news-releases/semiconductor-industry-applauds-ndaa-enactment-urgesfull-funding-for-semiconductor-manufacturing-and-research-provisions-301199880.html.

31.https://www.govtrack.us/congress/bills/116/hr6395/text.

32.https://www.ft.com/content/13094950-fb45-4686-9ef9-8199c674b90d

33.https://www.tomshardware.com/news/tsmc-prioritizing-apple-consoles.

34.Ibid.

35.Ibid

36.https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a524792.pdf.

原文来源：网络安全应急技术国家工程研究中心

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）连载四