微電子芯片，也被稱為集成電路(IC)，是現(xiàn)代社會的核心。作為電子設(shè)備的重要組成部分，集成電路促進(jìn)了通信、計算、醫(yī)療、軍事系統(tǒng)、交通、清潔能源以及無數(shù)其他對美國國家和經(jīng)濟(jì)安全至關(guān)重要的應(yīng)用的發(fā)展。分立半導(dǎo)體存儲器和存儲器（DRAM和NAND）目前幾乎占所有集成電路銷售的三分之一，并且比半導(dǎo)體行業(yè)任何其他領(lǐng)域增長更快，預(yù)計這一趨勢將持續(xù)下去。目前，存儲器和存儲芯片約占世界300mm半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)量的三分之二。

在數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)和當(dāng)前“數(shù)據(jù)爆炸”時代推動下，計算生態(tài)系統(tǒng)中生成和存儲的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，這也使得半導(dǎo)體內(nèi)存和存儲在整個計算基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著數(shù)據(jù)的持續(xù)增長，工作負(fù)載和應(yīng)用程序被迫遷移到內(nèi)存容量更大的體系結(jié)構(gòu)。此外，存儲器和存儲技術(shù)的進(jìn)步為半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，其迭代速度大約是前沿邏輯的兩倍，需要世界上最先進(jìn)的制造工藝技術(shù)和工具。

與其他國家相比，美國在存儲領(lǐng)域中的競爭力面臨著幾個挑戰(zhàn)，包括規(guī)模經(jīng)濟(jì)和更有限的投資激勵。隨著美國希望通過國家半導(dǎo)體技術(shù)中心(NSTC)加強(qiáng)對半導(dǎo)體行業(yè)的投資，在基礎(chǔ)存儲器技術(shù)領(lǐng)域的投資和建立卓越存儲器聯(lián)盟，都對確保美國在整個微電子領(lǐng)域的持續(xù)競爭力至關(guān)重要。這一努力將需要許多不同的創(chuàng)新，包括新存儲器架構(gòu)、新材料、器件和工藝技術(shù)的想法，以及制造工具的進(jìn)步。

在本文中，美光和西部數(shù)據(jù)概述了存儲器行業(yè)，并詳細(xì)介紹了美國存儲器行業(yè)面臨的競爭挑戰(zhàn)，確定了與存儲器領(lǐng)域相關(guān)的特定技術(shù)重點(diǎn)領(lǐng)域，并針對每個領(lǐng)域提出了建議。

過去70年里，半導(dǎo)體電子技術(shù)的進(jìn)步推動并增強(qiáng)了無數(shù)行業(yè)，如電信（廣播、電視、電話、互聯(lián)網(wǎng)）、商業(yè)、航空航天和國防以及銀行等產(chǎn)業(yè)。我們生活的方方面面都與半導(dǎo)體交織在一起，因此半導(dǎo)體在美國國民經(jīng)濟(jì)活動和國家安全中發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，與其他細(xì)分市場相比，半導(dǎo)體行業(yè)競爭力的成本（資本和運(yùn)營）較高。美國半導(dǎo)體行業(yè)每年將約五分之一的收入投入研發(fā)（2020年為440億美元），在美國主要行業(yè)中所占比例第二高，僅次于制藥業(yè)。持續(xù)的進(jìn)步對于提高美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的競爭力至關(guān)重要，這需要在核心研究、制造技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)系統(tǒng)方面加大持續(xù)投資。

根據(jù)Gartner，Inc.的調(diào)查結(jié)果，2021全球半導(dǎo)體收入總計5950億美元，比2020年增長26.3%。這一收入增長是由不斷增長的計算基礎(chǔ)設(shè)施需求以及Covid-19大流行推動的。圖1顯示了2021年各細(xì)分市場的情況。

邏輯部分的特點(diǎn)是處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的集成電路，其組件需要不斷縮放以在成本、性能、功率和特征方面具有競爭力。例如微處理器、圖形處理器、無線基帶處理器、無線片上網(wǎng)絡(luò)和微控制器等等。豐富的消費(fèi)后市場的產(chǎn)品需求支撐著電信和互聯(lián)網(wǎng)（數(shù)據(jù)中心、智能手機(jī)、游戲設(shè)備等）先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。在過去的十年里，不斷重新開發(fā)和改進(jìn)的邏輯芯片成本過高，這使得全球只有少數(shù)幾家最大的公司擁有生產(chǎn)能力。

存儲器/數(shù)據(jù)存儲的特點(diǎn)是，在性能和保持要求的范圍內(nèi)存儲和檢索數(shù)據(jù)的集成電路組件。該細(xì)分市場由DRAM和NAND技術(shù)和產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位，需要一些最先進(jìn)和尖端的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。DRAM和NAND分別被用作幾乎所有電子應(yīng)用程序和系統(tǒng)的工作存儲器和存儲器，包括智能手機(jī)、個人電腦、服務(wù)器和車輛。雖然DRAM和NAND有一些相似之處，但它們也有一些關(guān)鍵的區(qū)別，這將在下一節(jié)中討論。

存儲器領(lǐng)域的獨(dú)特之處在于，技術(shù)創(chuàng)新對于嵌入式集成電路技術(shù)(主要由制造廠生產(chǎn))和獨(dú)立產(chǎn)品(在專用設(shè)施生產(chǎn))是同等重要的。到目前為止，半導(dǎo)體行業(yè)依靠摩爾定律的縮放優(yōu)勢，已經(jīng)經(jīng)歷了可預(yù)測的發(fā)展節(jié)奏。然而，這種節(jié)奏被接近原子縮放極限技術(shù)所阻礙。向3D架構(gòu)設(shè)計方法的過渡可以擴(kuò)展這些技術(shù)的進(jìn)步，特別是在基于半導(dǎo)體的存儲器和存儲的情況下。鑒于對這些技術(shù)的爆炸性需求，以及對更高性能、更高能效和更先進(jìn)功能的迅速增長的需求，基于半導(dǎo)體的內(nèi)存和存儲的重點(diǎn)發(fā)展至關(guān)重要。

模擬部分包括必須與連續(xù)、非離散（非數(shù)字）信息（例如來自傳感器、電氣設(shè)備和空中廣播的信息）接口的集成電路組件。該部分包括混合信號控制，其中模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，反之亦然。這類半導(dǎo)體采用專門的工藝技術(shù)，調(diào)整高靈敏度精度要求，往往使用非前沿（稱為傳統(tǒng)或落后工藝節(jié)點(diǎn)）技術(shù)制造。

最后一類是其他半導(dǎo)體技術(shù)的總稱：光電子、傳感器和分立（OSD）元件。特別是，分立元件執(zhí)行單獨(dú)的電子功能，如電阻器、晶體管和整流器。與模擬組件一樣，這些芯片使用跟蹤技術(shù)處理節(jié)點(diǎn)，或者在某些分立器件的情況下，使用完全不同且不太嚴(yán)格的工藝。

考慮到半導(dǎo)體在美國經(jīng)濟(jì)和國防所有領(lǐng)域發(fā)揮的關(guān)鍵作用，美國政府資助的研究支出迫切需要反映出該行業(yè)對國家未來安全和經(jīng)濟(jì)健康的重要性。雖然聯(lián)邦政府占美國半導(dǎo)體研發(fā)總投資的13%，但這一比例遠(yuǎn)低于所有其他技術(shù)部門22%的平均水平，見圖2。美國在半導(dǎo)體行業(yè)的強(qiáng)大領(lǐng)導(dǎo)地位是公認(rèn)的。隨著內(nèi)存在下一代計算中的重要性日益增加，美國聯(lián)邦投資必須優(yōu)先考慮內(nèi)存和存儲研發(fā)。

正如所討論的，通過為人工智能、5G和數(shù)據(jù)中心提供基礎(chǔ)能力，內(nèi)存和存儲的進(jìn)步刺激了包括醫(yī)療保健、汽車、通信和國防在內(nèi)各行業(yè)的創(chuàng)新。由于這一點(diǎn)，以及前面提到的共同產(chǎn)生的“數(shù)據(jù)爆炸”，內(nèi)存和存儲已從2000年占全球半導(dǎo)體行業(yè)收入的10%增長到今天約占行業(yè)收入的30%。隨著技術(shù)進(jìn)步對密度、性能和先進(jìn)功能的要求不斷提高，這一趨勢將持續(xù)下去。例如，與4G手機(jī)相比，5G智能手機(jī)的內(nèi)存（DRAM）增加了50%，存儲（NAND）內(nèi)容增加了一倍。今天的自動駕駛車輛需要與高級數(shù)據(jù)中心服務(wù)器一樣多的DRAM和NAND存儲。隨著這項技術(shù)的發(fā)展和擴(kuò)散，內(nèi)存消耗將繼續(xù)增加。國際數(shù)據(jù)公司（IDC）預(yù)測，到2025年，全球?qū)a(chǎn)生175ZB（每ZB等于一萬億GB）的數(shù)據(jù)。信息存儲支撐著這種數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)，使半導(dǎo)體存儲器幾乎滲透到日常生活的方方面面，并為更廣泛的半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展設(shè)定了步伐。

存儲器在電子系統(tǒng)中無處不在的特性意味著存儲單元約占半導(dǎo)體制造中整個器件數(shù)量的85%。然而，美國的存儲器制造僅占全球總量的2%。考慮到DRAM和NAND在所有計算中的重要作用，以及作為以數(shù)據(jù)為中心的基礎(chǔ)設(shè)施需求的基礎(chǔ)，這種增長將繼續(xù)下去。DRAM和NAND通過增強(qiáng)精準(zhǔn)醫(yī)療能力、優(yōu)化智能制造、為金融服務(wù)提供動力以及幫助實現(xiàn)自主交通，開啟了經(jīng)濟(jì)機(jī)遇。由于存儲技術(shù)在美國經(jīng)濟(jì)中的重要作用和數(shù)據(jù)安全的重要性，美國保持存儲技術(shù)的領(lǐng)先地位至關(guān)重要。聯(lián)邦倡議，如提議的NSTC，提供了一個獨(dú)特的機(jī)會，來支持持續(xù)的國內(nèi)存儲技術(shù)創(chuàng)新，從而支持美國的國家和經(jīng)濟(jì)安全。

一、NAND和DRAM擴(kuò)展

雖然DRAM和NAND閃存在基本結(jié)構(gòu)器件形成和后端金屬化方面具有相似的技術(shù)元素，但它們也驅(qū)動著不同的獨(dú)特的前沿半導(dǎo)體技術(shù)需求。NAND具有幾個獨(dú)特的要求，特別是與高寬高比蝕刻相關(guān)的技術(shù)，其比一般的邏輯應(yīng)用先進(jìn)得多。類似地，DRAM需要精確沉積獨(dú)特的材料和領(lǐng)先的光刻技術(shù)，用于其他半導(dǎo)體部分不需要的高密度電容器結(jié)構(gòu)。對于DRAM和NAND來說，一代比特增長、成本降低以及最終各種終端產(chǎn)品的性能取決于健康的擴(kuò)展路線圖。

二、新興和其他存儲

還有其他存儲器技術(shù)填補(bǔ)了利基應(yīng)用和市場，包括獨(dú)立SRAM、NOR閃存和掩模可編程ROM等不容易被DRAM和NAND閃存填補(bǔ)的易失性和非易失性存儲器技術(shù)?！靶屡d存儲器”類別包括專注于新型材料和架構(gòu)的開發(fā)，是專注于解決整個計算范式中新層的的新進(jìn)企業(yè)，以及解決現(xiàn)有DRAM和NAND路線圖的更長范圍擴(kuò)展限制。這些新興存儲器包括用于存儲單元的新型材料-電阻RAM、相變材料(PCM)、磁性RAM (MRAM)和基于鐵電材料的RAM (FeRAM)。雖然ReRAM和PCM在利基應(yīng)用中取得了有限的成功，但它們不能作為DRAM和NAND閃存架構(gòu)的替代技術(shù)。

三、未來技術(shù)趨勢和挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)密度、帶寬能力和電源管理方面的持續(xù)改進(jìn)仍然是內(nèi)存和存儲行業(yè)的優(yōu)先事項。這些優(yōu)先事項將通過新的創(chuàng)新材料和工藝技術(shù)，結(jié)合2.5D和3D支持的新計算架構(gòu)和模式，以及更先進(jìn)的系統(tǒng)芯片（SoC）和封裝解決方案，實現(xiàn)持續(xù)的技術(shù)擴(kuò)展。鑒于當(dāng)今最先進(jìn)的半導(dǎo)體解決方案的集成水平，這一研發(fā)工作還需要包括技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。這一生態(tài)系統(tǒng)涵蓋了美國國家實驗室和學(xué)術(shù)界的核心研究、內(nèi)在工藝能力的設(shè)備供應(yīng)商、實現(xiàn)產(chǎn)品進(jìn)步的異構(gòu)封裝創(chuàng)新，以及與產(chǎn)能增長保持同步的成本效益測試方法。

隨著DRAM進(jìn)入下一個開發(fā)階段，由于該技術(shù)接近其基于當(dāng)前確定的材料和工藝的基本物理極限，它將面臨若干挑戰(zhàn)。這些限制包括非常昂貴的極紫外（EUV）光刻，其需要顯著的每比特成本縮放。當(dāng)今最先進(jìn)的設(shè)備和系統(tǒng)中的尖端DRAM是基于大約12納米至15納米的最小特征，這是由于DRAM的結(jié)構(gòu)要求光刻能力超出最先進(jìn)的邏輯要求。隨著傳統(tǒng)DRAM擴(kuò)展的物理極限逼近，出現(xiàn)了顛覆性技術(shù)轉(zhuǎn)型的機(jī)會，這將對行業(yè)動態(tài)產(chǎn)生重大影響。與NAND的開發(fā)類似，全球各地的研發(fā)人員都在努力通過遷移到3D來顛覆平面DRAM技術(shù)。雖然相當(dāng)多的研發(fā)人員已經(jīng)探索了取代DRAM的各種類型的內(nèi)存技術(shù)，但沒有一種技術(shù)能夠在速度、可靠性和可擴(kuò)展性方面與DRAM競爭。

NAND閃存體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)遷移到3D，每一個連續(xù)的新一代3D NAND驅(qū)動器都會通過添加更多的存儲層來增加位的面積密度，這也導(dǎo)致存儲器陣列的橫向縮放以增加對存儲器位的接觸，從而降低每個新3D節(jié)點(diǎn)提供的越來越便宜的存儲器能力。與DRAM類似，隨著行業(yè)發(fā)展到數(shù)百甚至數(shù)千層，工藝變得越來越復(fù)雜，單片3D NAND解決方案需要巨大的未來創(chuàng)新，以繼續(xù)實現(xiàn)性能和成本的進(jìn)步。

為了幫助確保存儲器技術(shù)中比特密度縮放和/或比特成本降低的持續(xù)步伐，必須在基于替代存儲機(jī)制的“新興”和新存儲器概念中加強(qiáng)額外的研究路徑，還必須同時關(guān)注架構(gòu)創(chuàng)新，以利用新內(nèi)存技術(shù)所支持的功能，并最大限度地提高市場上終端應(yīng)用的系統(tǒng)級性能和成本效益。這些新的存儲器系統(tǒng)概念化，或邏輯存儲器層次結(jié)構(gòu)的重新構(gòu)想，可以產(chǎn)生更高效的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過靈活使用存儲器和邏輯器件進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得顯著的系統(tǒng)級性能增益，避開當(dāng)前的限制。

此外，還需要進(jìn)一步投資開發(fā)新的芯片堆疊方法，即所謂的異構(gòu)集成（HI），這也就需要多芯片鍵合和專用封裝。這項技術(shù)將計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中尚未統(tǒng)一集成的不同部分緊密結(jié)合在一起，從而提供了更高的信息傳輸速度和能耗降低。HI還允許實現(xiàn)對傳統(tǒng)的線和焊球連接來說過于復(fù)雜和/或不切實際的新架構(gòu)。

當(dāng)前的數(shù)據(jù)處理方案依賴于數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)處理分離的體系結(jié)構(gòu)，這就需要不斷地在內(nèi)存中來回傳輸信息，會在時間和精力上產(chǎn)生巨大的性能成本?！按鎯Α敝傅氖窍到y(tǒng)中的時間和能量瓶頸，而由高級分析、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和視頻流驅(qū)動的數(shù)據(jù)量的巨大增長加劇了這一問題。新的內(nèi)存創(chuàng)新始于，利用通過使內(nèi)存更集中于計算中心來消除高昂成本的數(shù)據(jù)移動方法，從而創(chuàng)建所謂的“以內(nèi)存為中心”的體系結(jié)構(gòu)。組織機(jī)構(gòu)正在利用前所未有的內(nèi)存技術(shù)創(chuàng)新，使計算更接近數(shù)據(jù)源，從而大幅提高性能并開啟技術(shù)轉(zhuǎn)型的新時代。研發(fā)領(lǐng)先的內(nèi)存技術(shù)是支持這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

通過將計算功能放在DRAM附近（也稱為近內(nèi)存計算），可以獲得更大的效率增益。通過直接在用于內(nèi)存計算的快速內(nèi)存（如DRAM）上執(zhí)行計算，可以實現(xiàn)更高的效率。模擬計算和完全模擬加速器通過為每個存儲器單元提供大量可能的狀態(tài)，并并行地對大量數(shù)據(jù)執(zhí)行計算來進(jìn)一步擴(kuò)展范圍以提高效率。雖然這是一個有前途的方向，但設(shè)備特性和可變性仍然是關(guān)鍵挑戰(zhàn)，合適的高質(zhì)量模擬存儲設(shè)備仍然難以找到。特定的綁定工作負(fù)載更適合特定類型的以內(nèi)存為中心的處理解決方案，或者處理解決方案的組合，而向特定領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)（DSA）發(fā)展的趨勢加劇了這種情況。DSA可以根據(jù)正在處理的工作負(fù)載或域的特性，調(diào)整體系結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)更高的效率。

每個計算系統(tǒng)都有一個最大允許功率，在圖3中標(biāo)記為“系統(tǒng)功率墻”，是數(shù)據(jù)位傳輸（以GB/s為單位的帶寬）和數(shù)據(jù)移動成本（PJ/B）的最大組合。雖然模擬加速器的效率最高，但只有某些工作負(fù)載適合這種計算方法，因此DSA將規(guī)定如何在新架構(gòu)和傳統(tǒng)架構(gòu)之間最佳地分配工作負(fù)載。

我們已經(jīng)開始看到集成電路基礎(chǔ)設(shè)施的變革和存儲器的發(fā)展，為了支持日益數(shù)據(jù)驅(qū)動的生活方式的需求。內(nèi)存和存儲芯片技術(shù)已經(jīng)過渡到后摩爾定律體系：3D縮放模式，這一轉(zhuǎn)變推動了下一代材料、單元工藝、器件、電路和架構(gòu)技術(shù)解決方案研發(fā)的重大轉(zhuǎn)變。利用基于第一原理的方法，需要一種有效的方法來探索和評估用于連續(xù)存儲芯片解決方案的新材料和器件。支持這種轉(zhuǎn)變的生態(tài)系統(tǒng)，包括用于材料、工藝、復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的工具，以及用于材料、結(jié)構(gòu)和TCAD建模的平臺，需要在支持持續(xù)3D縮放的道路上發(fā)展和成熟。

在這條道路上繼續(xù)前進(jìn)，需要對計算、內(nèi)存和存儲之間的交互進(jìn)行徹底的重新想象。最優(yōu)解決方案是將所有組件作為一個整體，包括材料、新型器件、電路設(shè)計、架構(gòu)和異構(gòu)（3D）封裝，同時將框架、操作系統(tǒng)、軟件和應(yīng)用程序優(yōu)化合并在一起，并仍然滿足新計量的安全要求和需求。

以內(nèi)存為中心的計算是在內(nèi)存限制的工作負(fù)載下，以低能耗和高性能執(zhí)行高級計算的邏輯路徑，包括人工智能推理和訓(xùn)練。任何以內(nèi)存為中心的計算都需要從應(yīng)用程序到存儲位的集成創(chuàng)新，包括架構(gòu)、框架、操作系統(tǒng)和內(nèi)存系統(tǒng)。計算堆棧中的所有項目必須在系統(tǒng)級驅(qū)動的以內(nèi)存為中心的范例中一起發(fā)展。

采用以內(nèi)存為中心的架構(gòu)為快速、高效的計算系統(tǒng)創(chuàng)造了巨大的潛力。但是，根據(jù)以數(shù)據(jù)為中心的工作負(fù)載結(jié)構(gòu)，需要在帶寬和能量之間進(jìn)行權(quán)衡。為了實現(xiàn)這一點(diǎn)，系統(tǒng)必須采用異構(gòu)設(shè)計，如圖4所示：1）從當(dāng)前通用的以計算為中心的體系結(jié)構(gòu)發(fā)展而來；2）采用新型專用加速器感知設(shè)計；3）采用以內(nèi)存為中心的、領(lǐng)域特定的新型架構(gòu)、數(shù)據(jù)移動感知編程模型以及緊密耦合的內(nèi)存和計算架構(gòu)，將更多計算推向內(nèi)存。

圖5展示了當(dāng)前和未來以內(nèi)存為中心的計算新模式的構(gòu)建模塊。通過以3D方式堆疊內(nèi)存芯片（稱為高帶寬內(nèi)存（HBM）），并以2.5D方式將這些堆棧與系統(tǒng)集成，使工作負(fù)載更接近內(nèi)存?，F(xiàn)在，人們正在探索新的存儲架構(gòu)，將邏輯功能插入到硅級的存儲芯片中，與存儲陣列一起，并在存儲陣列內(nèi)部，以實現(xiàn)深層內(nèi)存功能。將這種存儲器和計算協(xié)同再向前推進(jìn)一步，我們可以想象內(nèi)存和邏輯的完全融合，其中模擬內(nèi)存功能被安排來提供并發(fā)計算能力。

為了實現(xiàn)存儲技術(shù)的突破性發(fā)展，需要能夠與傳統(tǒng)器件集成的新概念和相關(guān)材料。為了與當(dāng)前的DRAM和NAND技術(shù)競爭，任何新的存儲器或選擇設(shè)備的發(fā)現(xiàn)都必須在性能、功率、面積、功能、成本和復(fù)雜性等許多（如果不是全部）關(guān)鍵設(shè)備指標(biāo)方面提供顛覆性的優(yōu)勢。效益評估必須考慮整體系統(tǒng)級需求，并對材料、工藝、器件和電路以及系統(tǒng)架構(gòu)的整個堆棧進(jìn)行基準(zhǔn)測試?？s放考慮已經(jīng)被推進(jìn)到可能需要利用固有的2D和1D材料設(shè)備解決方案的程度，并且可能需要在接近原子分辨率下工作的概念。重要的是理解基本的器件機(jī)制，以及某些設(shè)備概念缺陷（例如，可能涉及開關(guān)機(jī)制中的原子運(yùn)動），這通常會導(dǎo)致設(shè)備級別的可變性或隨機(jī)性。為了在大型陣列實施中使用，必須幾乎完全消除任何設(shè)備性能變化。

為了確保美國在半導(dǎo)體存儲器和存儲技術(shù)關(guān)鍵領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，NSTC應(yīng)制定并闡明，實現(xiàn)下一代這些技術(shù)的長期（>5年）愿景和路線圖。

卓越存儲聯(lián)盟（MCOE）將支持這一時代的變革和所需的新技術(shù)創(chuàng)新。MCOE應(yīng)是跨行業(yè)、學(xué)術(shù)界和政府的重點(diǎn)工作，具有與克服本文概述中的挑戰(zhàn)相關(guān)的明確目標(biāo)，并應(yīng)與其他關(guān)鍵卓越聯(lián)盟（Coe）保持一致，以支持NSTC的總體目標(biāo)。

MCOE應(yīng)專注于存儲器的材料、工藝、3D結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的競爭前研究，并與其他Coe在封裝和互連技術(shù)方面進(jìn)行合作，以實現(xiàn)下一代高能效計算和特定領(lǐng)域加速器?；顒討?yīng)包括三維設(shè)計自動化和建模工具/方法的開發(fā)。MCOE還應(yīng)確定一系列全國性的內(nèi)存性能擴(kuò)展所面臨的重大挑戰(zhàn)，鼓勵整個美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的大規(guī)模合作。

MCOE實現(xiàn)下一代解決方案的關(guān)鍵活動包括：

• 材料、基礎(chǔ)工藝/計量技術(shù)和最先進(jìn)的分析技術(shù)的先進(jìn)研究和開發(fā)

• 用于快速開發(fā)和協(xié)同優(yōu)化復(fù)雜技術(shù)和系統(tǒng)的建模方法和工具

• 下一代3D存儲技術(shù)和支持矢量開發(fā)

• 晶圓和芯片級的異構(gòu)集成（功能和/或物理）

• X點(diǎn)陣列與先進(jìn)CMOS集成，用于新概念驗證

• 解決堆疊存儲芯片相關(guān)挑戰(zhàn)的先進(jìn)封裝

卓越存儲聯(lián)盟（Memory Coalition of Excellence）的路線圖應(yīng)側(cè)重于使用新概念（如近內(nèi)存計算、內(nèi)存計算和模擬計算）的、以內(nèi)存為中心的計算架構(gòu)，旨在加速普遍的數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載（如人工智能推理和訓(xùn)練）。

NSTC基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)能夠開發(fā)構(gòu)建原型的關(guān)鍵能力，以展示下一代微電子應(yīng)用的改變游戲規(guī)則的改進(jìn)。設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)提供先進(jìn)的內(nèi)存/存儲、邏輯和模擬系統(tǒng)原型，并支持支持材料、設(shè)備和封裝。

為實現(xiàn)這些目標(biāo)而設(shè)想的基礎(chǔ)設(shè)施包括先進(jìn)的300 mm潔凈室空間，具有制造全流程概念存儲器芯片原型、組件和模塊的尖端半導(dǎo)體工具能力，以及用于驗證和測試的專用系統(tǒng)實驗室。為了確保從實驗室到工廠的快速過渡，材料和設(shè)備應(yīng)與每個COE中的工藝和集成技術(shù)一起共同開發(fā)?；A(chǔ)設(shè)施應(yīng)包括：

• 用于構(gòu)建復(fù)雜3D納米結(jié)構(gòu)的工藝/工具硬件開發(fā)

• 用于高級掩模和晶圓圖案化（EUV）解決方案的工具/材料/掩模

• 開發(fā)下一代高級建模方法和工具的平臺（物理、材料、結(jié)構(gòu)、TCAD、設(shè)計等）

• 加速開發(fā)下一代解決方案的組合材料/器件方法

• 先進(jìn)的計量和材料分析/表征工具

• 與NSTC合作，推動高級內(nèi)存/邏輯異構(gòu)集成的技術(shù)載體，并利用與NSTC中封裝/HI相關(guān)的其他高級研發(fā)

• 開發(fā)具有極高對準(zhǔn)精度和低缺陷率的先進(jìn)晶圓到晶圓和芯片到晶圓鍵合技術(shù)

• 驅(qū)動高級結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、材料和電子設(shè)計自動化（EDA）建模解決方案

• 全流程加工和計量步驟所需的所有制造工具均配有專用的300 mm潔凈室空間

• 高級metro/測試/表征資源

• 內(nèi)存測試芯片原型支持

為了實現(xiàn)NSTC投資的最大價值，最大限度地提高執(zhí)行速度和與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同效應(yīng)，并提供最佳專業(yè)知識，我們建議將卓越存儲聯(lián)盟的一部分構(gòu)建在現(xiàn)有領(lǐng)先設(shè)施的相鄰附件中。MCOE將被配置為促進(jìn)行業(yè)和大學(xué)研究人員與學(xué)生之間擴(kuò)大互動機(jī)會。此外，MCOE將為員工隊伍發(fā)展提供先進(jìn)的設(shè)施、最先進(jìn)的工具和指導(dǎo)環(huán)境?；A(chǔ)設(shè)施的設(shè)計將確保NSTC員工能夠輕松訪問。為了促進(jìn)從實驗室到工廠的快速過渡，MCOE將配備有支持項目的設(shè)備，以驗證需要前沿半導(dǎo)體技術(shù)原型的初創(chuàng)企業(yè)和小公司提出的新概念。作為創(chuàng)新設(shè)施分布式網(wǎng)絡(luò)的樞紐，存儲聯(lián)盟將成為涵蓋學(xué)術(shù)界、國家實驗室、初創(chuàng)企業(yè)和行業(yè)參與者（包括工具和軟件供應(yīng)商）的合作生態(tài)系統(tǒng)的錨。該生態(tài)系統(tǒng)將提供支持縱向和橫向集成的基礎(chǔ)設(shè)施，存儲器聯(lián)盟將與其他卓越聯(lián)盟合作，提供集成整個半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)新進(jìn)展的前沿創(chuàng)新。

擴(kuò)大半導(dǎo)體概念原型的合作對于把內(nèi)存、存儲、邏輯和模擬結(jié)合在一起至關(guān)重要，能夠給支持對異構(gòu)解決方案帶來更多關(guān)注，并促進(jìn)來自多個技術(shù)載體（如材料、器件、電路、架構(gòu)、軟件和建模）的新概念組合。一個集體的、協(xié)作的存儲聯(lián)盟框架，加上現(xiàn)場的、最先進(jìn)的制造設(shè)施，將創(chuàng)造一個吸引來自政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的最優(yōu)秀研究人員的環(huán)境。

為了吸引所需人才，NSTC需要制定引人注目的技術(shù)路線圖，提供最先進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施，并展示其為跨學(xué)科合作提供無與倫比機(jī)會的能力。

國家半導(dǎo)體技術(shù)中心（NSTC）可以在推動美國技術(shù)創(chuàng)新和長期領(lǐng)導(dǎo)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用?？紤]到半導(dǎo)體行業(yè)創(chuàng)新的激烈步伐以及對存儲器和存儲日益增長和不斷擴(kuò)大的需求，存儲器必須是NSTC的一個關(guān)鍵重點(diǎn)。NSTC的協(xié)同推動可以通過支持下一代以內(nèi)存為中心的設(shè)計架構(gòu)、3D內(nèi)存結(jié)構(gòu)技術(shù)開發(fā)和異構(gòu)集成，加快內(nèi)存和存儲領(lǐng)域的創(chuàng)新。NSTC應(yīng)創(chuàng)建一個卓越存儲聯(lián)盟，以支持對未來計算基礎(chǔ)設(shè)施所需的、上述以內(nèi)存為中心的、創(chuàng)新的集中關(guān)注。對內(nèi)存進(jìn)步的投資，將防止基于半導(dǎo)體的技術(shù)停滯不前，并確保技術(shù)進(jìn)步的持續(xù)節(jié)奏，從而確保美國經(jīng)濟(jì)和國家安全的持續(xù)。