美国国家标准技术研究院《2024 年半导体和微电子标准工作组年度报告》

2025年5月21日，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布《2024 年半导体和微电子标准工作组年度报告》，旨在向机构间标准政策委员会（ICSP）汇报联邦政府在半导体和微电子领域的标准活动。报告提出供应链与安全、芯粒（Chiplets）、计量与测量科学、数字孪生四大战略标准优先领域，涵盖安全处理器、先进封装、互操作性等 12 个子主题，并指出当前标准制定组织（SSOs）参与情况及未来需填补的 gaps（如缺乏统一标准、检测系统灵敏度不足等）。报告还列出 8 个参与机构，强调与《关键和新兴技术国家标准化战略》（NSSCET）的一致性，旨在通过标准化提升美国在半导体领域的竞争力与安全性。

一、四大战略标准优先领域及12个子主题

1、供应链与安全

核心目标：保障半导体从设计、制造到分销全链条的完整性、可靠性与安全性，防范供应链攻击、假冒组件及供应中断风险。

子主题 1：安全处理器与整体安全

定义：通过硬件级安全功能（如加密处理器、可信平台模块 TPM）保护敏感信息，抵御物理篡改、侧信道攻击（如功耗分析）和网络威胁。

当前进展：联邦政府开发的 T-Core 处理器集成加密套件与硬件身份验证，支持安全启动和可信执行环境。传统处理器逐步引入加密加速器、安全核心架构，但安全功能碎片化。

挑战与差距：缺乏统一标准机构，各厂商安全实现不一致（如无全球认可的安全处理器认证框架）。供应链透明度不足，难以验证组件来源的真实性（如材料溯源标准缺失）。

相关标准组织：ISO（信息技术安全标准）、IEEE（计算机架构安全协议）、可信计算集团（TCG，TPM 标准）。

子主题 2：真伪鉴定与反假冒

定义：通过检测技术识别假冒芯片（如回收、重标组件），防止劣质或恶意组件流入供应链。

当前进展：现有检测方法（如电气测试）可靠性不足，部分场景准确率仅随机水平。行业依赖 SAE AS6081（分销商反假冒标准）和 IEC 62668（航空电子防假冒流程）。

挑战与差距：缺乏标准化测试样本（如 “金标准” 芯片数据库），难以统一检测设备校准。长期可靠性验证不足，尤其对军工等长生命周期产品，材料老化导致的性能漂移难以预测。

技术机会：开发基于机器学习的二阶效应分析（如芯片物理指纹识别），提升检测灵敏度。

子主题 3：供应可用性、稀缺性与过时管理

定义：应对半导体短缺、技术迭代导致的组件过时（如停产芯片替代），保障关键系统（如国防装备）持续运行。

当前进展：全球芯片短缺暴露供应链脆弱性，美国依赖海外制造（如台积电）。国防部通过 GEM/AME 项目（通用微电路仿真技术）替代过时芯片，支持武器系统升级。

挑战与差距：单一来源供应商风险高（如某些特种器件仅少数厂商生产）。材料短缺（如 EUV 光刻所需特种气体）和制造瓶颈（如先进封装产能不足）加剧供应压力。

2、芯粒（Chiplets）

核心目标：推动模块化芯片设计（将功能分解为独立小芯片 Die，通过先进封装集成），提升性能、降低成本并支持异构集成。

子主题 1：先进封装与异构集成

定义：通过 2.5D/3D 堆叠、硅中介层（Interposer）等技术集成多个 Chiplet，实现高密度互连与高效散热。

当前进展：国防部 SHIP 项目资助 3D 异构集成技术，目标是提升国防电子系统的小型化与可靠性。行业联盟 UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）推动 Die-to-Die 互连标准，支持跨厂商 Chiplet 互操作。

挑战与差距：热管理难题：高密度集成导致局部温度升高，需新型热界面材料（如金刚石散热片）。封装成本高：先进工艺（如混合键合）设备投资大，中小企业难以普及。

相关标准组织：JEDEC（多芯片封装标准 JC-63）、SEMI（3D 封装全球技术委员会）。

子主题 2：互操作性

定义：确保不同厂商 Chiplet 在电气、协议和物理层面兼容，实现 “即插即用” 集成。

当前进展：UCIe 协议已成为主流，定义了物理层（如差分信号）和逻辑层（如数据链路协议）。开源项目如 BoW（Bunch of Wires）探索低成本互连方案，适用于数据中心等场景。

挑战与差距：物理接口标准不统一（如键合间距：10μm vs. 5μm），限制跨代际 Chiplet 兼容。软件生态滞后：缺乏统一的驱动程序和系统级调试工具，影响集成效率。

子主题 3：互连技术

定义：优化 Chiplet 间信号传输（如高频时钟、数据总线），平衡带宽、延迟与功耗。

未来重点：2025 年计划讨论串行互连（如 Gbps 级差分信号）与并行互连（如硅通孔 TSV 阵列）的选型策略。研究新型互连材料（如铜 - 铜直接键合）以降低接触电阻，提升信号完整性。

3、计量与测量科学

核心目标：通过高精度测量与标准化方法，保障半导体制造工艺控制、材料表征与质量验证。

子主题 1：先进封装计量

定义：测量 3D 封装中的关键参数，如 Die 对齐精度（亚纳米级）、互连电阻、热膨胀系数匹配度。

当前进展：原子力显微镜（AFM）和 X 射线断层扫描用于检测微结构缺陷，但效率低、成本高。行业采用 ISO/TC 213（几何产品规范）和 ASME B89（尺寸计量标准）规范测量流程。

挑战与差距：纳米级缺陷（如层间空洞）检测缺乏实时手段，依赖破坏性测试。热界面材料（TIM）性能测量标准缺失，导致散热设计依赖经验试错。

子主题 2：未来微电子制造

定义：开发面向下一代工艺（如 3nm 以下节点、量子芯片）的计量技术，支持工艺优化与良率提升。

技术方向：AI 驱动的计量模型：通过机器学习分析海量测量数据，预测工艺偏差（如 EUV 光刻剂量波动）。原位测量技术：在制造过程中实时监控（如等离子体刻蚀时的原子层厚度监测）。

子主题 3：半导体材料完整性与安全

定义：检测材料纯度（如晶圆杂质浓度）、机械强度（如抗裂纹能力）及供应链溯源（如稀土元素来源）。

关键需求：建立 GaN/SiC 等宽禁带半导体的缺陷表征标准，提升功率器件可靠性。开发材料溯源技术（如同位素指纹分析），防范供应链中的掺假风险。

4、数字孪生（Digital Twin）

核心目标：通过物理系统的虚拟镜像（实时数据驱动模型），优化制造流程、供应链管理与质量控制。

子主题 1：制造流程与设备管理

定义：为光刻机、沉积设备等建立数字孪生，实时监控运行状态并预测维护需求。

当前进展：基于 ISO 23247 标准（制造数字孪生框架）开发的模型，已用于预测 CMP（化学机械抛光）设备的磨头磨损。工业物联网（IIoT）传感器采集温度、振动等数据，通过边缘计算实时更新虚拟模型。

挑战与差距：多源数据（如 PLC 控制数据、工艺参数）融合难度大，需统一数据格式（如 OPC UA 协议）。模型验证缺乏标准化流程（如 Verification, Validation and Uncertainty Quantification, VVUQ），影响预测可信度。

子主题 2：供应链管理与保障

定义：构建供应链数字孪生，模拟物流中断、需求波动等场景，优化库存与产能分配。

未来应用：2025 年计划探索区块链与数字孪生结合，实现组件溯源（如从晶圆到成品的全链条追踪）。开发全球供应链风险预警模型，识别地缘政治对关键节点（如台湾晶圆厂）的影响。

子主题 3：质量控制

定义：通过数字孪生预测芯片缺陷（如光刻胶残留、刻蚀不均），在生产早期介入修正。

技术路径：基于历史良率数据训练 AI 模型，实时标记高风险工艺步骤（如离子注入剂量异常）。集成计量数据（如 CD-SEM 测量结果）与仿真模型，实现缺陷成因根因分析（RCA）。

三、标准制定组织（SSOs）与参与机构

主要国际组织：

联邦参与机构：国防部（DoD）、国土安全部（DHS）、NIST、美国空军、海军、太空军等 8 个机构，通过 SMSWG 协调标准制定。

四、未来建议与差距（Gaps）

统一标准框架：建立安全处理器与数字孪生的跨机构标准，避免碎片化（如整合 NVD 数据库与硬件漏洞管理）。

技术创新：投资 AI 驱动检测技术（如反假冒的二阶效应分析）、高分辨率计量工具（如亚纳米级 CD-SEM）。

国际协作：推动美国主导的芯粒开放标准（如加入 UCIe、BoW 联盟），提升供应链透明度（如 GIDEP 数据交换机制国际化）。

来源：tbtguide

来源：cacs.mofcom.gov.cn