美國國防部“可信代工”現危機，臺積電英特爾三星可望成贏家

有消息說，美國國防部正在為“可信計劃”制定新的應對方案。據悉，在新方案中，軍事/航空客戶在晶圓代工廠的選擇方面有了更多的回旋余地，臺積電、英特爾、三星電子可望成贏家。而事情的起因竟是格芯半導體（GlobalFoundries）宣布將無限期擱置7nm FinFET項目。

2018年8月格芯半導體宣布將無限期擱置7nm FinFET項目，只維持14nm FinFET和12nm SOI工藝的相關研發。不料此舉引起美國軍事/航空工業的擔憂，更有可能會引發美國國防部（DoD，Department of Defense）“可信代工”危機。

“可信代工”的起源和發展

美國國防部于2003年開始實施“可信代工計劃（TFP，Trusted Foundry Program）”。美國國防部為什么要實施“可信代工計劃”呢？這說來話長呀。

從晶體管發明以來，到1980年代，雖然芯片制造技術一直掌握在美國人手中，但當時的美國國防部就非常注意芯片的安全供應問題，認為先進的微電子技術對當前和下一代防御能力至關重要。

在1960年代和1970年代，美國國防部門是半導體、大型計算機和電信的重要推動者之一。美國國防部早就認識到芯片技術對于美國的軍事優勢至關重要。但此后市場發生了巨大變化。從1980年代開始，個人電腦（PC）起飛，推動了商用集成電路（IC）市場的發展，接下來是手機。隨著商用集成電路市場的擴大，軍用/航空芯片業務在整體半導體市場中的份額變得越來越小，已經不足全球半導體市場份額的1%。美國當時很少有公司去追逐這項業務，甚至有的公司認為生產國防軍用芯片一種煩惱的事情。

1990年代開始，當美國芯片制造技術開始向海外轉移時，美國國防部更是擔心芯片的安全供應問題，擔心無法確保所用設備的安全性。

于是，美國國防部于1990年在位于馬里蘭州米德堡（Fort Meade）的國家安全局（NSA，National Security Agency）建立了自己的晶圓制造廠、封裝廠，以確保芯片的安全供應。

但是由于生產線的升級成本變得越來越昂貴，而晶圓廠生產的軍用芯片量又極少，最終被逼無奈，只好關門大吉了。

為了確保芯片的安全供應，美國國防部和國家安全局在21世紀初共同制定的一項新計劃，被稱為“可信代工計劃”。

該計劃決定將芯片生產外包給美國本土工廠，在2003--2004年間，“藍色巨人”IBM旗下的微電子集團贏得了第一份合同，成為美國國防部領先的可信代工服務的唯一供應商，包括兩個IBM旗下的工廠，一個位于佛蒙特州埃塞克斯強克遜（Essex Junction），一個位于紐約州東菲什基爾（East Fishkill）。

根據美國國防部的“可信代工計劃”規定，在此計劃中，高級管理人員和晶圓廠工人必須接受背景調查和安全審查。然后，晶圓生產線會為商業客戶和國防客戶制造晶圓，但對于國防部業務而言，必須和商業客戶分開。

據美國國防部官方信息披露，“可信代工計劃”最初是作為與IBM的長期合同安排實施的，以確保獲得前沿的代工技術。但是在計劃實施后不久，美國國防部就意識到僅僅依靠IBM的能力在供應鏈中留下了一些空白，很快就推動新的“可信賴的供應商”計劃，將其擴大至微電子供應鏈，以確保供應鏈可信賴。

到2007年“可信代工計劃”擴大到覆蓋整個供應鏈，包括IC設計公司、光掩模供應商、特色晶圓制造廠和封裝測試公司。這些供應商被稱為“值得信賴的供應商（Trusted Suppliers）”，“值得信賴的供應商”必須通過認證流程，包括背景調查和保護其設施，證明供應商可以滿足一整套安全和運營標準，擴大可信服務的供應商的范圍。 

然而，與IBM的情況不同，“值得信賴的供應商”沒有保證業務的年度合同，但是可以利用其可信賴的資格去競標政府業務。

這個“值得信賴的供應商”的資格是可以傳承的，如果晶圓制造廠出售了，其購買方自動承接該資格。如賽普拉斯半導體在明尼蘇達州的200毫米晶圓廠于2008年獲得了國防部“值得信賴的供應商”計劃的認證，2017年，SkyWater收購了賽普拉斯明尼蘇達州的200毫米工廠，現在SkyWater將自己定位為晶圓代工廠商，制程工藝達90nm。SkyWater在購買晶圓制造時也自動獲得了“值得信賴的供應商”資格。

更牛的是格芯半導體收購IBM微電子業務，不僅傳承了“值得信賴的供應商”的資格，還延續了美國國防部交給IBM的“可信代工”業務合同。

“可信代工”的危機

獲得“值得信賴的供應商”資格認證并非適用于所有公司或所有晶圓制造廠。畢竟軍事/航空工業的體量有限，回報非常有限。

同時，在“值得信賴的供應商”計劃中，有各種CMOS代工廠和專業代工廠，這些供應商中最先進的工藝是90nm。

在先進工藝方面，IBM在2015年之前為“可信代工計劃”提供了足夠的代工產能，但當IBM不將半導體視為核心業務時，旗下半導體業務部門被出售給了格芯半導體。

IBM出售半導體業務在美國國防部門引起了極大的轟動。實事求事說，格芯半導體不是一家美國公司，它是由位于阿聯酋阿布扎比的穆巴達拉所有。

然而，考慮各種情況，美國國防微電子部門（DEMA，the Defense Microelectronics Activity）還是承認佛蒙特州和紐約州的工廠是“可信代工計劃”的一部分，包括1A類和ITAR指定，并將IBM的可信代工合同轉讓給格芯半導體。

格芯半導體透過佛蒙特州和紐約州的工廠提供硅鍺（SiGe）和射頻（RF）工藝，最先進的CMOS工藝只有32nm SOI技術。

2017，美國國防微電子部門與格芯半導體計劃擴展到包括14nm finFET技術，透過位于紐約馬爾塔（Malta）的300mm晶圓廠（FAB8）生產。實事求事說，FAB8沒有取得“可信代工”資格認證。事實上，該工廠只具有2類標識，這意味著工廠采用了完整性措施。

但不管如何，先進工藝還得繼續，國防客戶可以使用格芯半導體FAB8的14nm工藝以及光掩模和IC封裝服務，并與IBM位于加拿大布羅蒙（Bromont）的封測廠合作，一起開展ITAR和可信代工服務，提供一個端到端解決方案，以滿足國防部的芯片安全問題。

當格芯半導體在2018年8月宣布無限期擱置7nm FinFET項目時，美國“可信代工計劃”被逼再次調整。盡管格芯半導體將繼續提供14nm及以上的服務，但國防客戶需要在10nm/7nm及先進的工藝范圍內尋找另外一種解決方案。

美國國防部至少在短期內不需要10nm/7nm工藝。至于軍方的需求，目前的工藝平臺足夠了。雖然還不到危機時刻，但是，美國國防部確實需要考慮未來并開發出需要計算的新AI硬件。

美國本土擁有14nm工藝制程產能的制造廠不少，除了前文提到的格芯半導體位于紐約馬爾塔的FAB8，還有英特爾（Intel）的眾多300mm晶圓制造廠，以及三星電子（Samsung）位于德州奧斯?。?/span>Austin）的300mm晶圓制造廠。但具有諷刺意味的是，這些晶圓制造廠都不在美國國防部目前的可信賴范圍內。

在格芯半導體宣布無限期擱置7nm FinFET項目后，更先進的10nm/7nm工藝制程的選擇范圍僅限于英特爾、三星電子和臺積電（TSMC）三者之間。不管如何，美國國防部必須找到一個方案，與三者的一個或多個進行合作才行。

盡管臺積電、英特爾、三星電子都不在“值得信賴的供應商”列表中，但根據美國國防部官方信息披露，美國國防部已經與臺積電、英特爾、三星電子有不同程度的合作，和臺積電有研究應用的芯片生產，三星電子為美國情報高級研究計劃局（IARPA）完成一些人工智能（AI）工作，和英特爾進行研究開發合作。

美國國防部的應對策略

事實上，現在美國國防部采購的FPGA產品，不管是賽靈思（Xilinx）還是Flex Logix的產品，都是由臺積電位于臺灣的晶圓制造廠生產的，可臺積電沒有“可信代工”或“值得信賴的供應商”資格。

就算把格芯的FAB8算上，也只能提供14nm及以上的工藝制程，可如果要采用10nm工藝，可還是需要與臺積電或其他沒有可信資格誰的客戶合作。

美國國防部下屬的國防科學委員會（DSB，Defense Science Board）認為芯片在海外制造是一種安全隱患。在目前高度全球化的集成電路產業供應鏈中，產品定義和代碼屬于可信范圍，IP、EDA工具屬于半可信，晶圓制造、封裝屬于不可信。

為此，美國國防高級研究計劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）于2006年啟動了“芯片可信任（Trust in IC）計劃”，意圖找到一種對芯片的評估和測試方法，以確認芯片的安全性和可信性，涉及包括IC的設計、制造和封裝等。

所以，美國國防部正在為“可信計劃”制定新的應對方案。據悉，在新方案中，軍事/航空客戶在晶圓代工廠的選擇方面有了更多的回旋余地。具體來說有以下三點：

1、14nm及以上工藝制造和格芯半導體合作。

2、在國防部“值得信賴的供應商”列表中選擇代工廠。（目前有74家“值得信賴的供應商”，其中有21個晶圓代工制造廠供選擇）

3、選用不在“值得信賴的供應商”列表中的代工廠，可能是美國或非美國供應商。

關于第3點，我們通過賽靈思航空航天與國防部資深總監大衛·岡巴（David Gamba）的講話可以了解的更清楚。大衛·岡巴表示，可以使用像臺積電這類的海外代工晶圓廠，FPGA由我們的客戶編程，因此在制造過程中，代工商不會知道客戶的設計信息是什么。在海外生產的理由是美國需要擁有最新、最先進的技術。國防軍用客戶希望為他們的作戰人員提供最先進的技術，他們是從臺積電獲得的。

關鍵是如何確定不在“值得信賴的供應商”列表中的代工廠的可信賴度。據消息稱，美國國防部正在制定新的方案。當然，這是一個復雜的過程。

具體來說包括以下三點：

1、新的供應鏈管理方法。

2、新的設計、制造和封裝技術，包括可相互進行模塊化組裝的“小芯片chiplet”。

3、使用分段式生產，器件中的晶體管部分在一個晶圓廠中生產，后面的金屬化在一個可信賴的制造設施中完成。為此，美國國防部又準備為成熟工藝節點建立自有工廠。