DARPA与得州共建3D异构集成实验晶圆厂

美国国防高级研究计划局（DARPA）与得克萨斯州政府近日启动一项总额约14亿美元的联合投资，将奥斯汀一座上世纪八十年代的旧晶圆厂改造为专注3D异构集成（3DHI）的实验性晶圆厂，由得州大学奥斯汀分校的得克萨斯电子研究所（Texas Institute for Electronics, TIE）负责运营。该项目被纳入DARPA“下一代微电子制造计划”（Next-Generation Microelectronics Manufacturing, NGMM）的核心基础设施，目标是通过堆叠多材料、多类型芯片，突破传统平面硅工艺的性能瓶颈，为美国在国防、人工智能和高性能计算领域提供新一代微电子底座。

一、资金结构与项目定位

从资金结构看，这一项目体现出州立财政和联邦国防经费的“叠加效应”。项目总规模约14亿美元，其中得州州政府出资约5.52亿美元，用于改造厂房、购置关键设备和支持相关项目运营；DARPA通过NGMM计划投入约8.4亿美元，承担主要研发和制造能力建设开支。

TIE所在厂房前身为一座1980年代建设的半导体生产线，经过多轮易主后被改造为研究设施。本次再开发的目标，是将其升级为全球首家专门服务3D异构集成先进封装的实验晶圆厂，为美国政府、军工企业和本土初创公司提供开放的工艺验证和小批量试制能力，而非传统意义上的高产能代工厂。

按照NGMM规划，该项目被设定为一个五年期计划：前期重点完成设备装机、工艺打通和设计套件建设，并在2026年前后基本完成主要设备部署；中后期则通过一批具有代表性的3DHI示范项目验证工艺成熟度，最终在计划结束后转入自我经营的商业化运行状态。

二、技术路线

3D异构集成的核心思想，是在一个封装内堆叠并互联由不同材料、不同制程制成的芯片，使系统性能不再受限于单一工艺节点和二维布线规则。DARPA在项目说明中指出，如果仅在硅基芯片之间进行三维堆叠，相对传统二维集成的性能提升上限约为三十倍；而将硅与氮化镓、碳化硅等宽禁带材料以及光子芯片进行异质集成，理论上有望带来接近百倍的综合性能提升，这也是3DHI被视为“后摩尔时代”关键路径的原因所在。

要把这一理念落地为可工程实现的制造体系，TIE与NGMM首先从设计规则入手，建设工艺设计套件（PDK）与封装/组装设计套件（ADK）。前者定义了在该晶圆厂进行芯片制造时必须遵守的几何、工艺和参数约束；后者则为三维封装、电气互联、热管理和可靠性设计提供系统级规则，被视为3DHI工艺的“心脏”。在此基础上，项目选取相控阵雷达、红外焦平面阵列和紧凑型电源模组三类代表性器件作为示范样本，通过从设计到试制的完整流程，验证工艺能力并完善设计套件，为后续更广泛的应用奠定基础。

与主流大规模代工厂相比，这座晶圆厂被定位为“多品种、小批量”的试验性制造平台，需要针对种类繁多、批量有限的高端芯片进行工艺优化。这意味着传统依赖大量同质晶圆反复试验来“磨平”工艺缺陷的做法并不适用。因此，TIE计划与奥斯汀当地初创企业合作，引入基于机器学习的工艺建模工具，通过对设备参数与工艺结果的大量数据分析，预估工艺调整的影响，以减少试错成本并提高产线可预测性，在一定程度上体现了“AI赋能先进制造”的技术特点。

三、生态构建

从参与主体看，NGMM并非孤立的单一项目，而是依托TIE及其合作网络，构建由高校、研究机构和企业组成的广泛联盟。得州大学奥斯汀分校披露，目前已有三十余家企业和近二十所高校加入相关合作框架，围绕3DHI材料、封装结构、热管理和失效机理等方向开展联合研究。这些研究不仅为晶圆厂本身提供新材料和新工艺，也为美国先进封装标准的制定积累实践基础。

人才培养是这一生态的重要一环。得州科技大学已获得约375万美元的资金支持，用于建设面向3D异构集成的硕士培养项目，课程覆盖先进封装、系统级设计和可靠性工程等内容，旨在在项目建设期内形成一批熟悉3DHI设计与制造的工程师队伍。这一教育项目同样由DARPA和得州州政府共同出资，体现出在建设硬件基础设施的同时同步布局高端人才供给的政策取向。

对硬件初创企业而言，这座实验晶圆厂被寄望于填补“实验室样品”与“成熟代工厂量产”之间的断层。长期以来，美国许多从事新型材料、功率器件或高频器件的初创公司，在原型样品阶段可以依托大学或国家实验室完成试验，但在需要稳定、可重复的小批量制造时，往往难以获得主流商用代工厂的支持，从而陷入所谓“从实验室到工厂的鸿沟”。通过提供面向3DHI的工艺平台、设计套件和封装验证能力，NGMM希望为此类企业提供一个可负担的试制和工艺爬坡环境，降低创新型硬件公司的进入门槛。

四、发展展望

从更宏观的角度看，DARPA与得州联合投资3D异构集成实验晶圆厂，是美国在先进封装与后摩尔时代微电子战略布局中的关键一环。一方面，相较于美国芯片法案侧重晶圆制造产能与工艺节点竞争，NGMM和TIE更聚焦封装与系统级创新，通过3DHI在封装层面实现性能飞跃，有助于在经典硅工艺微缩空间受限的条件下继续提升系统能效比和集成度；另一方面，作为国防机构主导的项目，它明显带有面向军用电子、雷达感知、指挥控制与边缘AI计算等应用的战略导向。

这一项目也具有一定示范意义：通过将联邦国防研发预算、州级产业基金、高校科研能力和初创企业创新活力绑定在同一平台上，它尝试为美国高端硬件产业探索一种新的“联合建设—开放验证—市场化运营”的模式。如果NGMM能够在五年周期内形成稳定的3DHI工艺和可复制的设计规范，并成功支撑一批具有示范效应的应用案例，那么TIE有望成为美国先进封装领域的技术源头之一，并在全球3D异构集成竞争格局中占据重要位置。 

参考文献：

[1]Samuel K. Moore. DARPA and Texas Bet $1.4 Billion on a Unique Foundry [EB/OL].(2025-11-10).https://spectrum.ieee.org/3d-heterogeneous-integration.

[2]Luke James. DARPA invests $1.4 billion to build experimental Texas foundry for next-generation 3D chips — Austin plant to buck standard fab models to focus on high-mix, low-volume production[EB/OL].(2025-11-13).https://www.tomshardware.com/darpa-invests-1-4-billion-to-build-texas-foundry-for-next-gen-3d-chip-integration.

[3]DARPA and Texas Government Invest $1.4 Billion in 3D Heterogeneous Integration Wafer Fab[EB/OL].(2025-11-18).https://www.semicone.com/article-335.html.