一、美國公部門推動半導體產業之創新政策
首先，美國公私部門投入半導體領域研發情形，公部門投入半導體研發創新的比重遠低於私部門。依據半導體產業協會（Semiconductor Industry Association, SIA）調查，2019年美國在私部門於半導體領域的研發創新投入金額將近400億美元，公部門則僅將近60億美元，而近年來私部門投入創新研發程度逐年上升，但公部門僅約略持平、成長幅度不大。關於美國公私部門對於整體產業的研發投入概況，2018年時公、私部門於整體產業領域投資比例分別約為22%：70%，其中公部門研發投資比例近半投資於半導體領域（即公部門在半導體領域的研發創新投資），顯示美國公部門仍然十分重視對於半導體領域的創新研發；但仍遠不足私部門的投資。
至於，美國政府推動半導體產業國家級創新策略，過往以半導體領域基礎與前瞻研究為主，前瞻研究包括突破既有半導體限制之研究，以及擴大應用半導體至其他相關科技領域（如國防領域、航空與太空等）。之後隨著美中貿易及科技競爭之下，對經濟安全的考量與掌握最先進半導體技術等，皆成為國家級戰略之最優先推動方向；此外，因應國際暖化課題，半導體在節能減碳上的應用也被納入國家級策略內。
美國政府實現半導體創新策略作法，主要由政府各部會透過其轄下研發創新單位，投入在半導體領域的基礎研究、測量與評估及應用研發等。關於美國政府單位投入半導體研發創新的組織架構，如圖1所示。從上級至下級各個組織單位來看，最高位階的NSTC（National Semiconductor Technology Center, NSTC）與OSTP職責協助美國總統整合聯邦政府內有關研發創新發展的各部會，並制定研發創新方向，也為美國總統針對美國科技政策提出建議，協調各政府單位在科技政策與預算方面的運作狀況。再往下則是透過4個重要部會，包括：國家科學基金會（National Science Foundation, NSF）、國防部（the Department of Defense, DoD）、商務部（the Department of Commerce, DoC）及能源部（the Department of Energy, DoE）等來執行半導體領域創新研發。
資料來源：中經院繪製。
圖1 美國半導體研發創新組織架構
進一步而言，美國公部門推動半導體產業的創新政策，在2022年美國政府推出《晶片法案》（CHIPS）後，於上述政府體制下持續推展，未來預計將透過「國家半導體技術中心」作為核心推展相關策略。到目前為止CHIPS法案所提出之策略的進展如下（White House, 2023）[1]：
1.NSTC將由商務部與國防部、能源部及國家科學基金會等合作成立，雖然到目前（2023年9月）為止尚未成立並正式運作，但商務部已提出NSTC未來目標與任務。NSTC未來目標包括：延伸美國在半導體科技的領導地位、大幅減少從設計點子到商業化之過程的時間與成本、建立並維持半導體工作勞力發展的生態系。2.商務部投入110億美元技術研發資金，包括量測技術研發計畫（metrology program）、國家先進封裝製造計畫（National Advanced Packaging Manufacturing Program, NAPMP）等；另外也預計成立至多3個新的「美國先進製造」（Manufacturing USA）機構進行相關研發。3.國防部在2022年底投入微電子研發計畫，希望支持硬體原型生產、實驗室之間新技術的移轉、訓練必要人力資源等。
二、美國研發機構投入半導體技術創新
承前文，美國公部門投入在研發創新之重要部會（國家科學基金會、國防部、商務部、能源部），在各個部會旗下有設立相關研發機構，來推動半導體產業技術研發。表1彙整部會轄下研發機構投入半導體技術研發之重點。
表1 美國各部會旗下機構投入半導體技術研發重點
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政府單位名稱
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半導體研發投入重點
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國家科學基金會
(National Science
Foundation, NSF)
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電腦與資訊科學及工程學局(Computer and Information Science and Engineering Directorate, CISE)
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電子、光學與磁力裝置、半導體合成生物學、通訊、電晶體與感測系統、新興科技發展基礎、軟體與硬體基礎、先進製造及材料研究計畫。近期投入特定領域(Domain-Specific)演算研究、異質整合、與半導體新材料研究
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國防部
(the Department of Defense, DoD)
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國防高等研究計畫署
DARPA
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主要以基礎研究、應用研究、先進技術開發為資助重點；
(1)基礎研究：超寬能隙半導體、磁性小型化及單片整合組件、可低溫運作之新型矽電晶體設計、鐵電性演算用於CMOS、先進製造技術實現3D異質整合的設計/組裝/測試等；
(2)應用研究：推動新的半導體及微電子技術轉化成解決國家安全與支持作戰人員所需基本技術、可低溫運作的新型矽電晶體設計、通用微型規模光學系統導入高性能光源雷射至光子晶片PIC製造、兼容III-V類半導體G波段陣列電子計畫、加密演算技術、實現3D異質整合之設計組裝測試等先進製造工具、技術、原型設計；確保不受網路威脅的新興硬體或固態安全架構等；
(3)先進技術開發：模組化高功率雷射技術；混合模式之超大規模積體電路技術；封裝過程中具極端可擴展性的光子學技術；毫米波數位陣列等
另外DARPA也透過「電子復興倡議計畫」(Electronics Resurgence Initiative, ERI)及與半導體研發機構SRC：共同大學微電子計畫(Joint University Microelectronics Program, JUMP)等與國外企業或研發機構合作研發
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先進製造中心之美國製造整合光學機構
「AIM Photonics」
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投入關鍵半導體技術領域有4個主要方向：電信/資料通訊Telecom/Datacom、射頻類比應用RF Analog Applications、光學積體電路感測器PIC Sensors、光學積體電路陣列技術PIC Array Technologies
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先進製造中心之美國軟性混合電子製造機構
「NextFlex」
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軟性混合電子(flexible hybrid electronics, FHE)的研發應用，涵蓋：醫療保健應用、庫存管理用RFID/感測器系統、波段天線陣列、超薄模具組裝應用、機器人外骨骼、FHE生產/封裝流程、智慧紡織品、數位生產、軍用溫溼度感測器、自動駕駛車、車載資通訊設備
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商務部
(the Department of Commerce, DoC)
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國家標準暨技術研究院
(National Institute of Standards and Technology, NIST)
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半導體量測技術、標準的研發。包括研擬測量電路寬度標準、克服晶圓技術提升之物理限制、奈米微生產裝置工廠、尋求邏輯IC、記憶體等新材料研究及檢測半導體裝置製造過程中奈米級汙染物
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能源部
(the Department of Energy, DoE)
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先進製造中心之第三類半導體技術研發機構
「PowerAmerica」
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第三類半導體(寬能隙半導體)、半導體所使用新的演算方式與其對提升能源效率的研究/發展/驗證/商業應用。涵蓋第三類半導體基礎研究到商業化應用相關研發
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資料來源：中經院彙整。
美國國家科學基金會（NSF）由旗下電腦與資訊科學及工程學局（Computer and Information Science and Engineering Directorate, CISE）主導投入半導體研發，項目包括：電子、光學與磁力裝置；半導體合成生物學；通訊、電晶體與感測系統；新興科技發展基礎；軟體與硬體基礎；先進製造；以及材料研究計畫等。而在半導體相關基礎研發方向針對「特定領域（Domain-Specific）演算合作研究」、「異質整合帶來之先進功能與高效能」、「增加能源效能與永續性半導體系統新材料」等。
其次，DARPA是國防部內推動半導體研發的最重要單位，主要透過產官學合作進行研發計畫，關切國防相關半導體領域，以此研發最先進半導體技術。另外，由國防部主導研發中心AIM Photonics與NextFlex等，前者以光學相關積體電路為主要研發方向；後者則是透過資助研發建立下一階段的軟混合電子製造生態系，加速軟性混合電子產品在美國被採用與製造。強調生產流程要能引領美國國防部技術轉型，並且建立扎實穩健的軟性混合電子相關勞動力。而商務部旗下NIST投入半導體研發創新目的重點，在於半導體量測、評估及建立標準等相關技術。為了增強經濟安全和提高美國公民生活品質，NIST推進半導體領域量測科學、標準及技術，以促進美國創新與工業競爭力。過去NIST投入半導體相關研究與成果領域包括：研擬測量電路寬度標準、克服晶圓技術提升之物理限制、奈米微生產裝置工廠、尋求邏輯IC、記憶體等新材料研究及檢測半導體裝置製造過程中奈米級汙染物等。
相對於國防部與商務部，能源部關切半導體研發創新焦點在於如何節省能源。因此，能源部投入半導體研發創新領域關注在有助於省電應用的「第三類半導體」（又稱寬能隙半導體）、半導體所使用新的演算方式與其對提升能源效率的研究、發展、驗證及商業應用（Research, Development, Demonstration, and Commercial Application, RDD&CA）等。相關研發最主要由能源部轄下、同屬美國先進製造中心之一的「PowerAmerica」進行。PowerAmerica在推動第三類半導體相關研發上，所關切是可以在更高溫、更高頻率與更高電壓的環境中運作的半導體相關元件，研發方向在於提升碳化矽（SiC）及氮化鎵（GaN）半導體的製造能力和使用程度。此外，PowerAmerica也投入第三類半導體生產，其與X-FAB合作以在德州Lubbock地區建立一間第三類半導體代工廠，以該設施生產碳化矽功率元件；除了碳化矽外，PowerAmerica也支持氮化鎵功率電子生態系。
三、美國關鍵半導體企業投入技術創新
美國半導體企業投入半導體技術創新概況，其相關企業銷售營運表現，根據IC Insights公布2021年全球半導體企業銷售前10大排名，總體以美國企業為占多數（占6家廠商），此6家美國半導體企業包括英特爾（Intel）、美光科技（Micron）、高通（Qualcomm）、輝達（Nvidia）、博通（Broadcom）及德州儀器（Texas Instruments）等。進一步彙整近年美國關鍵半導體企業布局半導體相關技術重點（請參見表2）：首先，在供應鏈布局上，近年來美國半導體企業持續擴大在美國投資興建晶圓製造廠，以提升美國本地晶圓製造產能；而亞洲同樣也是企業擴大投資的重點地區，包括像是導入先進製程技術於工廠又或者增加亞洲地區之研發含量。
表2 美國關鍵半導體企業投入半導體技術重點
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IDM廠
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IC設計
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材料設備
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第三類
半導體
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英特爾
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德州
儀器
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美光
科技
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高通
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輝達
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應用材料
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Wolfspeed
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近兩年供應鏈布局
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美歐建新廠、美國/馬來西亞廠產線升級
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美國建
新廠
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擴大亞洲(台)且導入先進製程技術
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收購美國企業升級晶片設計
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n.a
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擴大亞洲(台)廠並導入先進製程技術、亞洲(韓)設立研發據點
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美國建新廠
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異質整合製程
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美國(封裝整合)
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n.a
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n.a
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n.a
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NVLink-C2C晶片整合系統
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美國(高速成像、奈米製造)、
歐洲(異質整合晶片、離子/原子沉積技術)
亞洲(異質整合封裝、先進封裝)
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n.a
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第三類半導體
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n.a
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氮化鎵技術
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n.a
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n.a
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n.a
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n.a
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美國(碳化矽研究)
歐洲(碳化矽晶片裸片)
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車用
領域
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n.a
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歐洲(車用類比與崁入式處理)
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美國(ADAS安全低功耗DRAM記憶體)、
歐洲(次世代機器學習)
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美國(車用晶片、高階車用自駕軟體)
歐洲(自駕矽系統單晶片/軟體、車載資訊系統)
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中國大陸(自駕車系矽系統單晶片)
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美國(先進電池技術)
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美國(電動車充電設備)、歐洲(電動車碳化矽逆變器解決方案)、中國大陸(電動車碳化矽MOSFET)
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AI
領域
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AI軟體工具
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邊緣AI
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美國(深度學習)
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台灣(AI研究)
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美國(高效能運算、邊緣AI)、歐洲(AI數位分身)
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n.a
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n.a
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量子
領域
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荷蘭(矽量子)
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n.a
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n.a
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n.a
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歐洲(量子運算編程)
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n.a
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n.a
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光子
領域
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美國(光子積體電路光纖耦合)
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n.a
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n.a
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光子學
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n.a
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n.a
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註：國家別以粗體標示，代表企業與該國的產/學/研等機構有所合作。
資料來源：中經院彙整。
其次，觀察美國半導體企業技術研發在異質整合、第三類半導體、車用、AI、量子與光子等領域投入動向：第一，美國半導體IDM製造、IC設計及材料設備等廠商均投入在異質整合領域，其中美國材料設備商與美國、歐洲及亞洲廠商之間合作各有所異，與美國關注在異質封裝整合、高速成像與奈米製造，而與歐洲合作在異質整合晶片及原子/離子沉積技術等，亞洲則是投入在異質封裝等。第二，第三類半導體最具代表性廠商為Wolfspeed，公司致力開發製造碳化矽晶片與相關研究；而美國IDM廠商如德儀也布局在氮化鎵晶片產品的研發。第三，車用與AI晶片當前普遍成為美國半導體企業營運重點，在車用晶片及軟體系統供應歐洲與中國大陸車廠作為電動車、自駕車等應用；AI晶片主要有IDM製造、IC設計廠布局其中，在AI技術與歐美與臺灣等有所連結。最後，投入新興技術的量子與光子領域，近年美國IDM製造、IC設計等廠商均有所投入。
四、結語
綜前述，美國半導體產業可以說是國家經濟主要驅動力。在拜登政府上台後，推出強化國內半導體製造之產業政策的《晶片法案》，期待強化半導體供應鏈與國家安全保障之外，也在半導體領域的研發創新預計投入更多預算，甚至設立新的半導體相關研發創新單位，以確保美國在全球半導體領域研究開發面的領先地位。美國在半導體領域研發創新投入情形，過去雖然在投入資金上遠遠不及私部門投入，但是政府各部會皆積極投入半導體研發創新：由國家科學與科技委員會及白宮科學與科技辦公室主導半導體與微電子領域的研發創新方向，再由相關部會如國家科學基金會（國家整體科技研發）、國防部（主管軍事相關先進技術）、商務部（主管半導體領域相關產業標準）及能源部（因應對半導體的新興需求）各自轄下單位或研究計畫進行半導體相關研發創新。
另一方面，在企業部分，當前美國擁有處於國際領先的關鍵半導體企業，其高度投入研發創造營收，此也造就美國半導體產業占全球市場近一半的份額。美國半導體企業未來持續提升在美本土晶圓製造能力，並視亞洲為半導體重要生產所在地。普遍來說，美國半導體相關企業隨著市場產業發展趨勢與需求，在多個半導體技術領域發展動向觀察：當前美國半導體企業投入在車用及AI晶片與相關技術，相較其他技術領域成熟；而第三類半導體領域目前美國已有具代表性企業，第三類半導體將也會是美國半導體相關廠商後續投入發展之重點。另外，美國企業也投入資源，研發在新興技術的量子與光子領域。
[1] White House(2023). “FACT SHEET: One Year after the CHIPS and Science Act, Biden-?Harris Administration Marks Historic Progress in Bringing Semiconductor Supply Chains Home, Supporting Innovation, and Protecting National Security.” https://www.whitehouse.gov/briefing-room/statements-releases/2023/08/09/fact-sheet-one-year-after-the-chips-and-science-act-biden-harris-administration-marks-historic-progress-in-bringing-semiconductor-supply-chains-home-supporting-innovation-and-protecting-national-s/. Latest accessed: 2023/09/26.