在《美国芯片法案》中，多次提到美国国家标准与技术研究所（NIST），且在法案“研究和创新基金”中有100亿美元是用于该机构的。法案提到“打造NIST的创新能力，在计量领域引领全球”的目标，提出未来5年内要为国家标准与技术研究所拨款96.8亿美元，重点聚焦计量和标准研究。可见，计量和标准在美国芯片研发创新中的地位举足轻重，NIST是研发创新的引领者。
NIST于2022年8月发布题为《美国半导体行业的战略机遇》报告，对美国半导体生态系统面临的关键计量挑战、应对这些挑战的策略等进行了分析。报告强调，美国半导体行业正处于关键发展阶段，而计量是最主要的挑战，也是最亟待解决的关键问题。美国要继续占据全球半导体产业的领先地位，就要在半导体的测量服务、先进计量研发试验台、创新制造计量、新的技术来源以及标准等方面发力并迎接挑战。
从报告中我们可以看到，要发展半导体产业，从跟跑到并跑、领跑，计量和标准是基础的基础，也是迈不过去的一道坎。要想真正实现不受制于人的技术，就要在计量和标准上发力，才有可能占据技术的主导权和主动权。
下文将简要介绍报告主要内容，供读者参考。
半导体关乎国家的经济增长、国家安全以及公共卫生与安全。微电子技术的革命性进展将持续推动通信、信息技术、医疗保健、国防系统、交通运输、能源和基础设施的发展与创新。微电子的体积会越来越小，处理速度会越来越快，结构会越来越复杂，并提供前所未有的功能，其创造变革的潜力将呈指数级增长。下一代系统、设备和相关技术对于解决社会最迫切的需求至关重要。将制造复杂的微电子器件集成、封装，而且成本更低、执行效率更高，性能、功能和安全性更可靠，这些都是下一代微电子技术面临的严峻挑战。
《美国芯片法案》授权美国国家标准与技术研究所承担关键计量的研发角色，致力于加强美国微电子面向未来的变革性应用和发展。NIST的微电子研究使命目标是：实施微电子研究计划，以实现测量科学、标准、材料特性、仪器、测试及制造能力，加速下一代微电子计量基础研发，进而确保美国在该领域的竞争力和全球领先地位。
计量是美国微电子行业发展面临的主要挑战
计量在高达50%的半导体制造步骤中发挥着关键作用，以确保半导体的质量、产量和性能。随着设备变得更加复杂，计量、监控、预测和确保制造质量的能力变得更加困难。例如，现代芯片可能包含1000多亿个复杂的纳米器件，这些器件中的原子数不足50个，所有这些器件的工作原理要保持相同，芯片才能正常工作。美国半导体行业目前面临着使用变通方法和工具不足的计量挑战，计量的缺失或不足将降低产品质量和产量，增加制造成本，减缓产品创新。
半导体计量学的重大突破将有助于提高国内半导体行业的生产、创新和竞争力。
从实验室的基础和应用研发到概念验证、大规模原型制作、工厂制造、组装和包装，以及最终部署前的性能验证，半导体技术发展的所有阶段都需要计量。
虽然美国曾经在半导体制造业处于世界领先地位，但目前产量仅占全球的12%，并且最先进的芯片并不在美国生产。当前，全球主要（工业）大国都严重依赖半导体推动的信息和计算技术发展，因此各国都加大了对半导体的投资。美国出台《芯片法案》并授权拨款，加大对半导体行业和供应链的资金支持，激励创新投资。
美国要想在半导体领域继续占据领导地位，就需要加大计量技术研发，并取得重大成果突破，尤其是：
推动美国在标准制定方面的领先地位，以加强美国在先进微电子材料、设计、制造和封装方面的全球竞争力。
开发和部署急需的计量服务（参考材料、参考数据、校准），以推动美国在微电子制造和相关技术方面的领先地位。
开发和部署创新的制造计量技术，使美国工业能够提高制造产量、改善性能，并加快下一代微电子产品的上市进程。
开发和部署新颖的、有保证的和开源技术，以降低整个供应链（从设计和开发到制造、包装，直至回收、报废）的微电子安全风险。
建立先进的计量研发试验台，配备最先进的设备和工具，以推动下一代微电子的计量科学创新。
建立并保持与工业界的合作伙伴关系，以加速技术从实验室向商业市场的转移，并支持专业人才开发和部署。
半导体行业主要涉及哪些计量学？
计量学是测量及其应用的科学。NIST计量工作的重点是推进计量科学和相关标准化进程，以增强经济安全和提高生活质量。
半导体涉及的计量包括：
物理计量：材料、装置、系统和工艺的尺寸和物理特性的测量。
计算计量学：基于物理的多维信息建模、重建和可视化，与物理计量学相结合，以分析、预测和控制系统和过程的性能。
虚拟化和自动化：数据收集、管理、处理和分析与机器学习（ML）以及用于制造的过程控制、安全和身份验证的其他信息。
测量服务：机器和设备、标准参考材料（SRM）、标准参考数据（SRD）和标准参考仪器（SRI）的校准，以确保制造数据可追溯，并与既定基准匹配，即国际单位制（SI）。
测量和文本标准：规定的定义、尺寸、材料、工艺、实践、性能、产品、系统、服务、试验方法和抽样程序，或部件分类。
上述计量研发（R&D）是半导体供应链的基础。超过50%的半导体制造都涉及计量，以其确保质量、产量和性能。半导体在一平方厘米大小的芯片上可以有数百亿个晶体管，所有晶体管都要同时满足规范性要求，需要在原子尺度上测量其结构和成分。
为了实现新兴3D设备和3D异质集成的潜力，必须在测量科学、标准、材料表征、仪器、测试和制造能力方面取得突破。复杂的设备、高度集成、体积更小、性能更优，并在一系列环境中满足尺寸公差、性能和可靠性的要求，这些都对计量研发提出了挑战。
这些需求包括广泛的技术成熟度，从中试规模的原型设计和验证到生产和商业化，以及实验室和制造厂的衔接。
美国半导体制造业面临的七大计量挑战
微电子技术的进步和创新将产生革命性的新产品，但需要以先进的计量学为基础和支撑。未来尖端产品面临的高度复杂的集成器件给半导体制造业带来了挑战。
计量学是微电子设计、制造和封装的基础，也是关键材料和次级供应链的基础。不仅需要物理和计算计量学来完成辅助设计，还需要在制造的所有阶段进行评估、测试、表征检测各类组件等。计量学需要识别、表征和缓解影响性能、质量的缺陷和可能出现的其他问题，并在制造阶段提供产品保证。计量是在制造开始时验证材料以及最终产品质量监测的关键。
未来的计量技术，在表征、测试和检查下一代设备、集成电路和封装要求等方面将超越现有技术。复杂的设备需要先进的纳米级计量能力，需要识别原子类型和位置以及评估层叠的能力。在某些情况下，计量学还必须满足适用于在线大批量生产的需求，能够实时提供检测结果。
当前美国半导体计量面临七方面的挑战。
1. 材料纯度、性质和来源的计量问题
当前微电子材料的技术进展：
超微芯片使用金属钴和钌替代铜，材料的微小互联，设备的标度持续到3nm及以下，涉及叠层要非常薄且有良好的导电性。
6G封装用电介质材料，更高的无线电频率需要新型的电介质材料，且必须耐高温，以承受制造过程和复杂设备中信号损失引起的发热。
2D金属硫化物由于更高的载流子迁移率、吸收系数和更窄带隙范围，有望成为宽带和高性能光电探测器的材料。
宽禁带半导体允许器件在比硅等传统半导体材料更高的电压和温度下工作。宽带隙半导体是固态照明、电力电子和射频应用（如手机和雷达）的关键组件。
过去10年，半导体材料的多样性和全球采购都出现了爆炸式增长。随着对更快、更小集成电路需求的增长，科学家们已经采用了数百种材料和化学品。新金属、电介质、蚀刻气体、光敏电阻、抗反射涂层等都对材料的纯度、性能提出了更高要求。
当前，微电子材料的供应来源是高度多样化和全球化的。半导体材料的市场规模巨大，预计到2025年底将达到700亿美元。新材料的引入和全球采购需要保持材料纯度、物理特性和来源的一致性，但也同时带来了材料可能被污染的问题。半导体制造商需要通过工具和计量来验证所购材料的完整性。材料在生产、储存、运输和交付的整体链条上可能有多个接触点，在这些接触点又会产生被污染的可能。这就需要通过新的计量方法和工具以及标准来确保纯度、物理特性和来源。如果没有这些计量工具和计量办法，原子尺度的缺陷或不充分的微观特性会严重限制下一代设备和集成系统的产量、性能和可靠性。不受或少受污染的仪器、材料，会同时减少晶圆缺陷，这是导致半导体制造成本高低和产量的最主要因素。不同的材料制造商在计量方面可能有不同的准确性，或者有自己独特的方法来评估材料是否符合质量或规格要求。
为满足多样化供应链对半导体材料纯度、物理性能和未来日益严格的技术要求，需要开发新的计量方法和标准。重点要关注缺陷和污染物的识别，目标是在供应商之间建立统一的物料质量标准，并能够跟踪潜在的杂质来源。
2. 面向未来微电子制造的先进计量学
微电子计数制
DRAM和NAND虽然都是大容量商用内存半导体组件，但功能不同。DRAM管理数据并需要电源（易失性）；NAND闪存存储数据，不需要电源（非易失性）。
场效应晶体管（FET）——一种使用电场控制半导体中电流流动的晶体管。
制造良率——微电子加工质量的定量测量。它是产品在制造和包装过程中未被丢弃的部分。
晶体管——用于放大或切换电信号和电源的半导体器件。晶体管是现代电子产品的基本组成部分之一。
3D晶体管——垂直（三维）而非水平（平面）形成的晶体管结构，用于改进性能和增加密度。
未来发电设备的先进制造需要在物理和计算计量学方面取得突破。
微电子学的最新进展是结合了更复杂的3D设备和纳米结构材料。这些设备具有许多优点，例如功耗更低、体积更小。预计未来高级节点CMOS和其他晶圆级高级器件和电路（如高频、硅光子学）将快速发展。CMOS缩放越来越关注低电压、成本效益和更高性能。通过集成技术，先进的CMOS已经从平面发展到三维，新的晶体管结构也已经出现，如鳍场效应晶体管（FinFET）等。纳米晶体管的一种很有前景的方法是水平或垂直配置的GAA FET，特别是对于3nm及以上的高级节点。
随着设备变得更加复杂，对设备的计量也提出了挑战性。测量和表征结构是识别问题区域和确保半导体制造产量的传统方法。然而，当应用于三维结构时，计量工具不仅成本高，而且常常不能满足实际测量的需要。
先进的节点制造需要知道3D设备中每个原子的位置和类型，以满足系统性能不断提高而对计量提出的要求。部分挑战在于描述由各种材料/薄膜、多层和微小通道孔组成的3D结构的内部及叠层数量，层数越多，计量就越困难。此外，没有一种计量工具能够进行所有必要的测量。普遍用于2D表征的工具（例如，电子显微镜、光学系统），在穿透层方面是不能满足3D或多叠层测量需求的。为了应对这一挑战，需要将计量研发与标准制定结合起来。要开发：
新型材料和器件的性能，如GAA，研发互补场效应管，新型互联和电介质。
物理特性表征（尺寸、热、机械、电、磁、光），在表面、接口和器件具有更高分辨率、灵敏度、准确度、可容量。
用于表面缺陷和杂质并与其他性能和可靠性有关的计量研发，可提高半导体的速度、分辨率、非破坏性技术。
整个半导体制造过程中相关数据的评估和关联。
工艺设计、开发和控制的标准，如参考资料和文件标准。
捕捉极少出现，但会造成灾难性的缺陷，如极紫外光刻（EUV)可能发生的随机事件的评估。
3. 在高级封装中实现组件集成的计量
先进的封装理念
异构集成——将单独制造的组件集成到更高级别的组件中，以提供增强的功能和更好的操作特性。
多芯片模块——多个集成电路（IC）/芯片集成到单个封装或模块中，以减少所需的基板空间。
3D集成电路——通过垂直（三维）堆叠晶圆片和/或模具裸片（三维）并通过硅通孔（TSV）进行电气连接而形成的集成电路。
封装系统——与芯片上的功能集成在同一基板上的片上系统（SoC）相比，将多个集成电路捆绑在一个封装中的方法。
扇出式晶圆封装——将连接点从芯片表面扇出，以实现更多外部输入/输出；使用环氧树脂模具嵌入芯片，而不是放置在基板上。
集成光子学——光子学的一个新兴分支，将波导和器件作为集成结构被制造在平面衬底或平面上。
光学互连——是指利用光将信号从集成电路或系统的一部分传输到另一部分。
先进微电子复杂组件和新材料的封装面临的新计量学挑战
先进的封装已成为微电子技术持续提高性能的关键因素。高级封装使具有不同功能（逻辑、内存、GPS、电源、加速计等）的多种设备能够集成并封装在一起，以满足特定应用的要求。先进的封装设备和工艺可以使芯片性能更高、功能更多、速度更快、体积更小、成本更低。通过在软件包中共同设计和集成不同的组件，可以显著提高系统性能。
异构集成是一种可行的方法，可以将所有组件集成而形成一个功能更强大、性能更高的异构系统，对于未来设备有更高性能、更小和更轻外形、更低功率、更低成本都是至关重要的。
不同材料和组件的集成需要新的测量标准和能力，涉及多个长度测量和物理特性测量，其准确性也必须经过验证。
用于封装的工艺和技术是发生在制造之后的，并会影响计量和检验结果。材料可能不标准，或者包装可能使用不同类型的材料，从而影响检验要求。后端工艺和技术的独特测量方法，例如测量凸点间距和尺寸，以及检测和表面埋藏缺陷。这些快速涌现的先进封装概念需要灵活、适应性强的测量系统来控制各种参数（2D和3D）。
这些都需要在计量领域开展相应的研发工作，如：
现场测量，快速测量和验证接口、下层互联以及内部三维结构，孔隙衬底量、应力、附着力和可靠性等，以提高芯片可容量和分辨率。
薄膜、表面、埋藏特征和界面的物理特性（尺寸、热学、机械、光学、磁学、电学）
将各类芯片、片上系统和存储器进行集成封装的方法
用于组件集成的机械测量方法（混合粘合、界面粘合、粘合完整性等）
在整个封装过程中的评估和数据关联。
4. 半导体材料、设计和元件的建模与仿真
为了有效地建模和模拟下一代半导体材料、工艺、设备、电路和系统设计，需要研发先进的计量工具。
硬件设计正变得越来越复杂且需要跨学科，涉及软件、制造和新材料。建模和仿真是半导体行业用来缩短新技术开发周期并（实现）产品化的关键要素。
紧凑电路和系统的快速发展，产品的新型号不断涌现。必须通过模型和仿真分析复杂的设备特性，并在各种环境和操作条件下进行严格的测试和优化。
基于物理特性的建模和优化要满足各种条件，且要确保设备运行的特征和性能处于最佳状态。虽然这些模型早已确定，但其计算速度可能不够快，无法进行更高层次的分析，包括电路设计。在这种情况下，就需要采用经验模型（基于实验数据的计算机模型）。在设备模型的准确性和计算速度之间取得最优，保证设备的最佳运行状态。
未来的半导体技术将更加复杂，系统频率将更高，并会由此产生更高的封装密度和更多组件。设计者将更关注诸如电路之间的电磁耦合或因元件密度更大而引起的发热和散热等问题。随着速度和密度的增加，电气性能可能会随着速度和密度的增加而降低，从而需要对信号、功率和热完整性进行建模和控制。更小和更高频率的器件轮廓需要更精确的掺杂物和应力轮廓，以及其他在制造过程中的重要参数。相互作用的元件数量越多，问题就越大。未来设计的仿真技术必须能够在大型异构集成系统中进行建模，并实现多种物理效应。
整个半导体价值链需要在模型表征方法、数据处理和验证方面进行重大改进，以最大限度地发挥其作用。
美国需要改进计量工具，以有效地建模和模拟未来的半导体材料、工艺、器件、电路和微电子系统设计。要开发基于多物理模型、一系列关键测量和人工智能等下一代高级设计仿真器，创造一系列工具，以增强美国微电子设计师的能力。
5. 半导体制造过程的建模与仿真
当物理空间发生冲突和干扰时，可以实时测试虚拟模型，预测未来事件，将信息反馈给物理空间，确定改进设计的位置，并在客户和设计师之间提供有效的沟通。
需要突破性开发计量工具，对整个半导体制造过程进行无缝建模和模拟。建模和仿真对于微电子和半导体的制造至关重要，从材料投入到晶片制造和系统组装。制造过程的有效建模能够更好地控制基本性能参数、识别缺陷瑕疵及其根源，保证质量，以及进行预测性设备维护。
半导体制造可以有数千个步骤，因为具有多层芯片、组件和系统被集成并组装成复杂的结构。计量学在制造的每一个步骤中发挥着关键作用，计算计量学（基于数据建立的模型）尤其重要。
测量方面的突破和共识标准的制定对于改进数据处理、分析、虚拟化和自动化以及实现更高的制造效率和加速上市时间至关重要。制造工艺模型和计量学的不足会极大地影响半导体产量和良率，导致可集成到终端产品的芯片和系统数量减少，并延迟整体生产。
虽然简单的物理模型的计算用时较短，并被普遍应用，但这些模型并不能满足更复杂和精密的制造工艺要求。需要研发能够准确模拟下一代设备制造参数和过程的模型。
数字孪生是一种很有前途的方法。例如，一个强大的制造设施的虚拟孪生可以模拟每件设备的所有相关操作。这可以优化制造过程和参数，以提高产量和可靠性。在维护方面，虚拟孪生可以提供有关设备潜在故障或预防性维护调度的反馈，使技术人员能够在设备故障之前进行维修。在整个半导体价值链中，每天都会产生和收集大量被分解或未被充分利用的数据（多达15TB/天/工厂）。需要有重大的突破，才能使工具无缝地建模和模拟整个半导体制造过程，并有效地利用这些大型、不同的数据集进行决策。
基于上述需求，美国的计量研发应聚焦于：
能够实现高效的流程开发和优化的建模、数据分析和验证工具的研发，实现高效的流程开发和优化工具。
自动化和虚拟化的标准、协议和标准数据。
从单一处理步骤到完整芯片制造、系统封装，支持数字孪生的测量和标准。
高级分析的应用和验证，如机器学习和人工智能，用于复杂制造工艺设计、开发、自动化和集成的建模与优化。
6. 微电子新材料、工艺和设备的标准化
需要新的标准和验证方法来加速未来信息和通信技术的发展。
标准提供了技术规范、性能标准和其他要求，以指导材料、工艺和设备的设计和生产。按照标准进行生产可以实现整个供应链的兼容性和互操作性，并确保产品的性能、质量、可靠性、安全和保障。标准的使用甚至可以推动行业创新、降低成本和实施行业的整体解决方案。
新材料和高度集成的微电子产品层出不穷，标准化对于确保（美国）国内半导体行业的持续增长至关重要。1973年，美国半导体晶圆激增至超过2000种，使美国产业发展面临重大的低效问题。但后续晶圆制造商合作制定了统一的规格，使80%的晶圆生产在几年内符合了新标准。建立晶圆尺寸的一致性使设备公司能够专注于产品的差异化和创新，以提高性能和降低成本。
当今，新材料、新工艺和新设备的整合，对前端和后端半导体来说都是非常重要的。前端和后端半导体设备的整合需要一套现代化的标准，以提高准确性、可追溯性、有效性和安全性。关键微电子系统的准确性、可追溯性、可验证和安全性的标准包括：SRMs、SRD、设备校准标准以及书面协议和指南。验证与确认（V&V）是指独立测试产品或系统是否符合其规范和预期用途。在制造业中，V&V从工艺设计到生产过程中获取数据，以科学地证明该工艺或设备始终按预期运行。
针对上述变化，计量要开展数据汇交、工艺验证和其他与标准相关的研发，以支持下一代半导体生产的文件标准、SRM、校准协议和服务等方面的发展。具体关键研发领域为：
用于检测纳米级缺陷、污染物和微量杂质的参考材料。
纳米尺寸和材料表征的参考材料。
校验、验证和新方法，以实现工艺开发和大批量生产中设备的高精度成组设备间的匹配（即工具套件与使用的工艺和材料要匹配）。
高级封装和异构集成的SMR和数据，包括高频电性能和热机械性能。
来自不同供应商的可互操作设备和软件的标准，确保在整个供应链中保护知识产权、数据完整且可溯源。
跟踪材料从制造到最终使用的标准，包括任何可能改变材料性能的因素。
7. 加强微电子元件和产品安全性和溯源的计量
确保许多电子系统所必需的微小而复杂的半导体芯片的安全可能是一种挑战。微电子的开发、集成和部署后的使用所涉及的复杂性越来越凸显，新的安全风险和漏洞层出不穷。微电子制造全球供应链非常复杂。而对国防、航空、汽车、医疗设备、电信、电网等领域的安全性和可靠性要求又非常高，而这些领域的半导体供应链又很脆弱。
芯片短缺助长了造假、知识产权盗窃、设计的反向工程，进而出现了芯片质量不可控、缺陷芯片增加等问题。如果没有验证半导体来源的手段，恶意程序或芯片可能会被添加到供应链的任何地方，并有可能绕过防御机制，破坏设备，窃取用户信息。强大的硬件安全已经成为一种现实的要求。
为了应对这些挑战，美国国防部正在采用“零信任”政策，这意味着微电子只有在经过验证后才能被视为安全。私营部门也需要类似的信任和保证机制，以确保基本市场和基础设施（金融市场、电网、医疗系统、交通和通信）的复原力。先进的成像技术、取证和其他方法正被用于检测假货和恶意电路。半导体元件正在通过标记和标签进行认证，以跟踪供应链的移动并提供产品的来源。硬件安全保护的挑战贯穿整个供应链，涉及所有制造商和材料供应商，以及广泛的商业部门。国家在如此多的关键技术上对微电子的依赖，要求对硬件安全采取全面、有力的方法。例如，集成芯片可能有嵌入的恶意软件，而组装的部件可能有受损的部件。需要新的方法和标准来创建一个植根于可信任和有保证的半导体生态系统，严格管理从材料投入到系统成品的全流程，其中会涉及大量测量方法和标准，包括安全分析标准和准则，结合漏洞提出策略，并用于整个产品生命周期的测试和验证。
结论与启示
这份报告是NIST制定和扩大计量研发计划的重要路线图，旨在支持美国半导体行业下一代微电子战略。通过《芯片法案》，美国政府授权了激励措施和计划，以支持美国半导体制造、研发和供应链安全。美国国会已明确授权并拨款，以加速NIST对下一代微电子技术的计量研发。从资金安排，到确定的关键计量研发重点，可透视美国致力于对下一代半导体技术从根源——计量和标准上的掌控安排。
10月7日，美国宣布了一项针对中国人工智能和半导体技术的出口管制政策，长达139页，其本质是：切断中国获取高端人工智能芯片的渠道，切断中国获得美国芯片设计软件的渠道，切断中国获取美国半导体制造设备的渠道，切断中国获取美国半导体零部件的渠道。美国一方面加大对我国获取和使用美国半导体技术的管控，遏制我发展，另一方面加大本国基础研发投入，特别是在计量和标准方面加大投入，以继续占据全球半导体技术发展主导地位。
对于半导体如此复杂的工艺、产品、生态体系而言，无论在哪个关键技术节点上取得长线突破，计量和标准都极其重要，它既是基础研究，也是产业化迈不过去的一道坎。当前，大家普遍都在关注光刻机、光刻胶等短板技术、设备、材料问题，而忽视了计量和标准的问题！在我国各类半导体基金和计划中，对于半导体领域计量和标准的引导和统筹部署几乎很少见到。面对复杂的半导体技术和产业链，如何确定关键节点的突破，如何将计量和标准纳入关键节点的研发全流程直至产业化，是我们亟待思考和解决的问题。在这方面，我们应该借鉴国外的做法。面对先进、快速发展的半导体技术，美国认为计量是其迫切需要突破的短板。面对美国切断我获取高端芯片的来源，在我们必须加大基础研发投入的背景下，计量应成为系统性研发工作的重要组成部分。与光刻机、光刻胶等短板相比，计量可能是我国半导体产业“木桶效应”那块最短的板！