美國國防部“可信代工”現(xiàn)危機(jī)，臺(tái)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(jì)劃”制定新的應(yīng)對(duì)方案。據(jù)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(tái)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(dǎo)體（GlobalFoundries）宣布將無限期擱置7nm FinFET項(xiàng)目。

2018年8月格芯半導(dǎo)體宣布將無限期擱置7nm FinFET項(xiàng)目，只維持14nm FinFET和12nm SOI工藝的相關(guān)研發(fā)。不料此舉引起美國軍事/航空工業(yè)的擔(dān)憂，更有可能會(huì)引發(fā)美國國防部（DoD，Department of Defense）“可信代工”危機(jī)。

“可信代工”的起源和發(fā)展

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

從晶體管發(fā)明以來，到1980年代，雖然芯片制造技術(shù)一直掌握在美國人手中，但當(dāng)時(shí)的美國國防部就非常注意芯片的安全供應(yīng)問題，認(rèn)為先進(jìn)的微電子技術(shù)對(duì)當(dāng)前和下一代防御能力至關(guān)重要。

在1960年代和1970年代，美國國防部門是半導(dǎo)體、大型計(jì)算機(jī)和電信的重要推動(dòng)者之一。美國國防部早就認(rèn)識(shí)到芯片技術(shù)對(duì)于美國的軍事優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。但此后市場發(fā)生了巨大變化。從1980年代開始，個(gè)人電腦（PC）起飛，推動(dòng)了商用集成電路（IC）市場的發(fā)展，接下來是手機(jī)。隨著商用集成電路市場的擴(kuò)大，軍用/航空芯片業(yè)務(wù)在整體半導(dǎo)體市場中的份額變得越來越小，已經(jīng)不足全球半導(dǎo)體市場份額的1%。美國當(dāng)時(shí)很少有公司去追逐這項(xiàng)業(yè)務(wù)，甚至有的公司認(rèn)為生產(chǎn)國防軍用芯片一種煩惱的事情。

1990年代開始，當(dāng)美國芯片制造技術(shù)開始向海外轉(zhuǎn)移時(shí)，美國國防部更是擔(dān)心芯片的安全供應(yīng)問題，擔(dān)心無法確保所用設(shè)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(yīng)。

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

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

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

根據(jù)美國國防部的“可信代工計(jì)劃”規(guī)定，在此計(jì)劃中，高級(jí)管理人員和晶圓廠工人必須接受背景調(diào)查和安全審查。然后，晶圓生產(chǎn)線會(huì)為商業(yè)客戶和國防客戶制造晶圓，但對(duì)于國防部業(yè)務(wù)而言，必須和商業(yè)客戶分開。

據(jù)美國國防部官方信息披露，“可信代工計(jì)劃”最初是作為與IBM的長期合同安排實(shí)施的，以確保獲得前沿的代工技術(shù)。但是在計(jì)劃實(shí)施后不久，美國國防部就意識(shí)到僅僅依靠IBM的能力在供應(yīng)鏈中留下了一些空白，很快就推動(dòng)新的“可信賴的供應(yīng)商”計(jì)劃，將其擴(kuò)大至微電子供應(yīng)鏈，以確保供應(yīng)鏈可信賴。

到2007年“可信代工計(jì)劃”擴(kuò)大到覆蓋整個(gè)供應(yīng)鏈，包括IC設(shè)計(jì)公司、光掩模供應(yīng)商、特色晶圓制造廠和封裝測試公司。這些供應(yīng)商被稱為“值得信賴的供應(yīng)商（Trusted Suppliers）”，“值得信賴的供應(yīng)商”必須通過認(rèn)證流程，包括背景調(diào)查和保護(hù)其設(shè)施，證明供應(yīng)商可以滿足一整套安全和運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)大可信服務(wù)的供應(yīng)商的范圍。 

然而，與IBM的情況不同，“值得信賴的供應(yīng)商”沒有保證業(yè)務(wù)的年度合同，但是可以利用其可信賴的資格去競標(biāo)政府業(yè)務(wù)。

這個(gè)“值得信賴的供應(yīng)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(dòng)承接該資格。如賽普拉斯半導(dǎo)體在明尼蘇達(dá)州的200毫米晶圓廠于2008年獲得了國防部“值得信賴的供應(yīng)商”計(jì)劃的認(rèn)證，2017年，SkyWater收購了賽普拉斯明尼蘇達(dá)州的200毫米工廠，現(xiàn)在SkyWater將自己定位為晶圓代工廠商，制程工藝達(dá)90nm。SkyWater在購買晶圓制造時(shí)也自動(dòng)獲得了“值得信賴的供應(yīng)商”資格。

更牛的是格芯半導(dǎo)體收購IBM微電子業(yè)務(wù)，不僅傳承了“值得信賴的供應(yīng)商”的資格，還延續(xù)了美國國防部交給IBM的“可信代工”業(yè)務(wù)合同。

“可信代工”的危機(jī)

獲得“值得信賴的供應(yīng)商”資格認(rèn)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(yè)的體量有限，回報(bào)非常有限。

同時(shí)，在“值得信賴的供應(yīng)商”計(jì)劃中，有各種CMOS代工廠和專業(yè)代工廠，這些供應(yīng)商中最先進(jìn)的工藝是90nm。

在先進(jìn)工藝方面，IBM在2015年之前為“可信代工計(jì)劃”提供了足夠的代工產(chǎn)能，但當(dāng)IBM不將半導(dǎo)體視為核心業(yè)務(wù)時(shí)，旗下半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部門被出售給了格芯半導(dǎo)體。

IBM出售半導(dǎo)體業(yè)務(wù)在美國國防部門引起了極大的轟動(dòng)。實(shí)事求事說，格芯半導(dǎo)體不是一家美國公司，它是由位于阿聯(lián)酋阿布扎比的穆巴達(dá)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(rèn)佛蒙特州和紐約州的工廠是“可信代工計(jì)劃”的一部分，包括1A類和ITAR指定，并將IBM的可信代工合同轉(zhuǎn)讓給格芯半導(dǎo)體。

格芯半導(dǎo)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(jìn)的CMOS工藝只有32nm SOI技術(shù)。

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

但不管如何，先進(jìn)工藝還得繼續(xù)，國防客戶可以使用格芯半導(dǎo)體FAB8的14nm工藝以及光掩模和IC封裝服務(wù)，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(wù)，提供一個(gè)端到端解決方案，以滿足國防部的芯片安全問題。

當(dāng)格芯半導(dǎo)體在2018年8月宣布無限期擱置7nm FinFET項(xiàng)目時(shí)，美國“可信代工計(jì)劃”被逼再次調(diào)整。盡管格芯半導(dǎo)體將繼續(xù)提供14nm及以上的服務(wù)，但國防客戶需要在10nm/7nm及先進(jìn)的工藝范圍內(nèi)尋找另外一種解決方案。

美國國防部至少在短期內(nèi)不需要10nm/7nm工藝。至于軍方的需求，目前的工藝平臺(tái)足夠了。雖然還不到危機(jī)時(shí)刻，但是，美國國防部確實(shí)需要考慮未來并開發(fā)出需要計(jì)算的新AI硬件。

美國本土擁有14nm工藝制程產(chǎn)能的制造廠不少，除了前文提到的格芯半導(dǎo)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(nèi)。

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

盡管臺(tái)積電、英特爾、三星電子都不在“值得信賴的供應(yīng)商”列表中，但根據(jù)美國國防部官方信息披露，美國國防部已經(jīng)與臺(tái)積電、英特爾、三星電子有不同程度的合作，和臺(tái)積電有研究應(yīng)用的芯片生產(chǎn)，三星電子為美國情報(bào)高級(jí)研究計(jì)劃局（IARPA）完成一些人工智能（AI）工作，和英特爾進(jìn)行研究開發(fā)合作。

美國國防部的應(yīng)對(duì)策略

事實(shí)上，現(xiàn)在美國國防部采購的FPGA產(chǎn)品，不管是賽靈思（Xilinx）還是Flex Logix的產(chǎn)品，都是由臺(tái)積電位于臺(tái)灣的晶圓制造廠生產(chǎn)的，可臺(tái)積電沒有“可信代工”或“值得信賴的供應(yīng)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(tái)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(xué)委員會(huì)（DSB，Defense Science Board）認(rèn)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(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈中，產(chǎn)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(jí)研究計(jì)劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）于2006年啟動(dòng)了“芯片可信任（Trust in IC）計(jì)劃”，意圖找到一種對(duì)芯片的評(píng)估和測試方法，以確認(rèn)芯片的安全性和可信性，涉及包括IC的設(shè)計(jì)、制造和封裝等。

所以，美國國防部正在為“可信計(jì)劃”制定新的應(yīng)對(duì)方案。據(jù)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(diǎn)：

1、14nm及以上工藝制造和格芯半導(dǎo)體合作。

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

3、選用不在“值得信賴的供應(yīng)商”列表中的代工廠，可能是美國或非美國供應(yīng)商。

關(guān)于第3點(diǎn)，我們通過賽靈思航空航天與國防部資深總監(jiān)大衛(wèi)·岡巴（David Gamba）的講話可以了解的更清楚。大衛(wèi)·岡巴表示，可以使用像臺(tái)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(huì)知道客戶的設(shè)計(jì)信息是什么。在海外生產(chǎn)的理由是美國需要擁有最新、最先進(jìn)的技術(shù)。國防軍用客戶希望為他們的作戰(zhàn)人員提供最先進(jìn)的技術(shù)，他們是從臺(tái)積電獲得的。

關(guān)鍵是如何確定不在“值得信賴的供應(yīng)商”列表中的代工廠的可信賴度。據(jù)消息稱，美國國防部正在制定新的方案。當(dāng)然，這是一個(gè)復(fù)雜的過程。

具體來說包括以下三點(diǎn)：

1、新的供應(yīng)鏈管理方法。

2、新的設(shè)計(jì)、制造和封裝技術(shù)，包括可相互進(jìn)行模塊化組裝的“小芯片chiplet”。

3、使用分段式生產(chǎn)，器件中的晶體管部分在一個(gè)晶圓廠中生產(chǎn)，后面的金屬化在一個(gè)可信賴的制造設(shè)施中完成。為此，美國國防部又準(zhǔn)備為成熟工藝節(jié)點(diǎn)建立自有工廠。