灵活的小隔间，采用玻璃幕墙的高管办公室，正在等待记录方程式和创意的墙上白板，用于处理嘈杂和危险工艺流程的地下实验室。在某一些程度上，位于美国宾夕法尼亚州伯利恒理海大学校园内的Ideal半导体公司就是如此。最明显的不同在于，公司外面的长椅上坐着18世纪发明家和电力爱好者本杰明•富兰克林真人大小的雕像。

  Ideal公司的联合发起人兼首席执行官马克•格拉纳汉（Mark Granahan）承认，他曾与做过“风筝与钥匙”实验的老本杰明•富兰克林（雕像）有过几次静思时刻，但要将一个聪明的想法变成一家有价值的半导体公司，仅仅从创始人那里获得灵感是远远不足的。从灵感闪现到实验室演示，最终实现量产，一直以来都是硬件初创公司面临的重大挑战。然而，Ideal公司的发展过程尤其能体现美国半导体行业目前的创造力现状，特别是能体现出这家初创公司的创始人全力倡导的《芯片和科学法案》会带来怎样的积极变化。

  这项法案于2022年通过，最为人所知的内容是，将投入数百亿美元在美国建设新的尖端互补金属氧化物半导体（CMOS）工厂，当时美国绝对没这样的设施。但这项工作还有另一个目的：加速新技术从实验室到工厂的关键转化过程，从而带来更多更好、能够在美国制造（大多数情况下）的半导体发明。

  Ideal公司的创始人们认为，正是这一点为半导体初创公司带来最大的改变。有多大呢？对Ideal公司的首款产品来说，《芯片与科学法案》来得有点太迟了，该公司的高管认为，如果这项法律能早些出台和实施，公司推出上市产品就不用耗费7年之久，可能只需一半的时间和60%的成本。如果它对一家初创公司能够产生这样的影响，那就能想象，它对具有上百家乃至上千家这样加速发展的初创公司的行业和创新生态系统，会产生怎样的影响。

  “如果有时间、有资金，那很多问题都能解决。”格拉纳汉说，“但作为一家初创公司，时间和资金是永远都不够的。”希望《芯片与科学法案》以及欧洲和别的地方的类似努力能够为初创公司节省一些时间和资金。

  要了解Ideal的发展道路以及《芯片与科学法案》可能对它产生的影响，我们第一步需要知道Ideal公司是基于哪种发明建立起来的。这种发明不是某种新型人工智能处理器、独特的存储设备或低温量子接口芯片。实际上，它只是半导体领域看起来最不起眼的东西：分立硅金属氧化物半导体场效应晶体管，用于功率传送电路。

  类似的设备随处可见，大多数都用在将一种电压转换为另一种电压。墙上的调光开关中至少有一个；汽车上有数百个；一台人形机器人在大多数情况下要60多个，用于驱动关节中的电机；现在你周围10米以内几乎肯定有一个。根据半导体行业协会的报告，2022年，这种分立器件的市场规模达到340亿美元，预计到2030年将增长至500亿美元。

  理想的功率晶体管在关闭时能阻断高电压，在打开时则可无阻力传导电流，并能在不损失功率的情况下快速切换状态。但没有一种设备是真正理想的，格拉纳汉以及该公司的另两位联合发起人大卫•豪雷吉（David Jauregui）和迈克尔•伯恩斯（Michael Burns）认为，相比当前市场上领先的硅器件，他们能够做到更接近理想状态。

  要了解他们是怎么做到的，我们应该从落后一代的硅器件的晶体管架构入手。这种晶体管被称为HEXFET，由国际整流器公司首先开发出来，它改变了规则，将晶体管的构建从主要在硅平面上转变为垂直结构。

  这种演变后的结构变成了一个层状蛋糕，从底部到顶部，愈高愈复杂。最底部是一块经过化学掺杂的硅，具有高浓度的过量可移动电子，使其成为n型硅。这是设备的漏极。其上方是一个更厚但过量电子浓度较低的区域。最上面一层则更为复杂。设备的源极——一个n型区域，通过通道与器件的其余部分垂直隔开。通道是一个具有过量可移动正电荷（空穴）的p型区域。在通道的中心嵌入了晶体管的栅极，通过狭窄的绝缘层与别的部分实现电隔离。

  栅极上的正电压会将p型区域中的正电荷推向一边，在源极与漏极之间形成导电路径，开启设备。实际的HEXFET由许多这样的垂直器件并联组成。

  HEXFET是一次巨大的飞跃，但高电压却是它的致命弱点。如果将它设计成阻挡更高的电压，比如说采用加厚中间层，那么当它导电时，设备的电阻会急剧上升，上升速度会超过试图阻挡的电压的平方。高电压操作很重要，因为能减少传输中的损失，即使在电动汽车和计算机内部这样的较短距离也是如此。

  今天硅功率晶体管的领先架构方案，被称为RESURF超级结。它通过用p型材料替换部分中间的n型层，实现较低的电阻结构，阻挡更高的电压。结果是形成了一个电荷平衡的结构，能够阻挡高电压。但这种方案实际上将设备的导电面积减半，意味着很难降低电阻，提高性能。

  Ideal公司的创意被称为SuperQ，让硅层“蛋糕”既好看，又好吃。其在保持RESURF阻挡高电压能力的同时，恢复了HEXFET的导电面积。SuperQ没有采用大量的p型硅来平衡设备的内部电荷，而是通过在狭窄的深沟槽里形成纳米级薄膜获得相同的效果。这样，晶体管重新获得了宽的低电阻结构，同时仍能应付高电压。

  但这种双赢方案需要硅功率设备领域没有的芯片制造技术，即能够刻蚀深且狭窄（高纵横比）的沟槽，以及一次铺设一个原子层材料的工具。这些在先进互补金属氧化物半导体和存储芯片制造中很常见，但在制造分立器件的环境中获取这些技术是Ideal公司面临的一个主要障碍。

  在2014年，格拉纳汉将之前的初创公司Ciclon出售给德州仪器后退休。“我花了一些时间休息和思考。”他说。对于格拉纳汉，休息和思考意味着阅读IEEE出版物和其他技术期刊。

  正是在此期间，在克服硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）局限性的方法中，他看到了曙光。特别是，他注意到在光伏电池领域，一些试图实现电荷平衡的实验工作。这依赖于两件东西。第一是高k介电材料——氧化铝、二氧化铪和其他绝缘体，擅长在传输电荷电场的同时抑制电荷。这些材料五年前才起步在英特尔的CPU中使用。第二是构建这些绝缘体纳米级薄膜的方法。这种技术被称为原子层沉积（ALD）。

  格拉纳汉在宾夕法尼亚州立大学的纳米制造实验室购买了实验时间，开始尝试不同的介电材料和加工配方，最终证明SuperQ概念是可行的，但实现这一目标需要一些先进的加工设备。

  “这里没有顿悟时刻。”在谈到发明过程的初始阶段时，他说，“为了让我们到达起点，我不得不经历了一个学习过程。”

  与许多潜在变革性想法一样，这个起点也有几率会成为终点。早期的主要障碍都一样，就是资金。

  根据格拉纳汉和Celesta Capital的风险投资家尼克•布雷思韦特（Nic Braithwaite）的说法，当时美国的风险投资普遍对半导体初创公司不感兴趣。布雷思韦特在半导体技术开发和芯片封装领域工作了数十年，然后于2008年与他人共同创立了他的第一支基金，再于2013年创立了Celesta。他说，当时“没有人投资半导体”。

  “我们需要一个合作伙伴来开发设备架构和与之相关的工艺技术。”他解释道。Ideal公司的创始人寻找的是一家拥有专业设备并愿意帮他们开发新工艺的美国代工厂。可惜的是，在2017年，这样的代工厂并不存在。

  决心寻找国内合作伙伴的Ideal公司高管们决定采取一个“次优解决方案”。他们找到了一家位于美国加州的小型制造商（高管们不愿透露其名称），但其能力和帮助Ideal开发SuperQ设备的速度都不够理想。为了能继续这项工作，Ideal甚至不得不为此公司投资设备。

  走到这一步，Ideal公司的创始人发现了美国半导体行业一些令人担忧的情况。其中最关键的是，芯片制造整体上极度集中在亚洲，特别是中国台湾。2018年，先进半导体行业的大公司大多是总部设在美国的无晶圆公司。也就是说，它们负责设计芯片，然后雇用代工厂，如台湾积体电路制造公司（以下简称台积电）或三星公司来生产这些芯片。通常，这一些企业还会在亚洲由第三家公司测试和封装芯片，最后再运回设计者手中。

  现在，这一切依然如此。这是AMD、苹果、谷歌、英伟达、高通等美国科技巨头的标准操作程序。

  2018年，美国制造尖端逻辑芯片的能力已经萎缩，濒临消亡。当时，英特尔只生产自己的芯片，在新工艺技术的开发上跌跌撞撞，首次落后于台积电。位于纽约马尔塔的全球第三大代工厂格芯突然放弃开发先进的工艺技术，因为如果继续下去，将把公司拖入财务恶性循环。

  当时的情况非常失衡，最先进的逻辑芯片制造100%在亚洲进行，而台积电就占据了92%。（对于不那么先进的芯片，情况也差不多：77%在亚洲制造，其中中国占30%。）

  “亚洲对美国的半导体发展有着‘搁置否决权’。”格拉纳汉总结道，“美国已经失去了它初创半导体的生态系统。”

  出于这种担忧和沮丧，格拉纳汉和共同创始人及执行董事长迈克尔•伯恩斯（Michael Burns）采取了积极行动：他们把自己的经历汇报给了美国政府。“我和伯恩斯，尤其是伯恩斯，在华盛顿花了很多时间与众议院和参议院的人交谈——工作人员（共和党人、人），任何愿意听我们说话的人。”格拉纳汉说道。伯恩斯估计他们开了多达75场会议。他说，回应总体来说是“很多的疑惑”。许多他们与之交谈的政客根本不相信美国在半导体生产上已经落后了这么多。

  不过，美国政府的某些部门已经对此表示担忧，将半导体视为国家安全问题。因此，2019年底，旨在将先进半导体制造业带回美国的《芯片与科学法案》的种子开始在华盛顿发芽。虽然在国会两院都获得了两党的一些支持，但那时这并非是优先问题。

  还记得2020年全世界疫情带来的供应链物流“速成课”吗？在疫情引发混乱的第一年，消费者想要的许多东西都没有办法获得，而其直接或间接原因都是半导体短缺。

  “《芯片与科学法案》的出台早于疫情，但疫情真正暴露了我们应该这项法案的原因。”曾在一家半导体初创公司担任首席技术官的格雷格•耶里克（Greg Yeric）说道，现在他是美国商务部《芯片与科学法案》执行办公室的研究主任。

  修正立法的势头开始增加，2021年1月初，美国国会推翻了总统的否决，通过了一项国防法案，其中便包括后来的《芯片与科学法案》的框架。《芯片与科学法案》于2022年8月正式签署成为法律，承诺为芯片和科学领域提供520亿美元，其中390亿美元用于资助新制造企业，20亿美元用于国防部门的半导体，110亿美元用于研发。这笔研发资金也支持伯恩斯及其同事一直在推动的“美国国家半导体技术中心”（NSTC）的概念。

  从初创公司的角度来看，国家半导体技术中心的目的是为新技术的测试和试验提供场所，推动从实验室到工厂的过渡。Ideal多年来一直受困于此阶段。在美国国家半导体技术中心的战略规划文件中，政府表示其目的是“扩大获取设计和制造资源的渠道”并“减少将技术推向市场的时间和成本”。

  美国国家半导体技术中心将怎么来实现这些目标呢？一些细节开始浮现。该中心将由一家名为Natcast的公私合作伙伴运营，思科系统前首席安全官迪尔德丽•汉福德（Deirdre Hanford）最近被任命为该公司的首席执行官。2024年7月，美国政府决定建设3座重要的国家半导体技术中心设施：一座原型制作和先进封装试验工厂，一座行政管理和设计场地，以及一个极紫外光（EUV）光刻技术中心（极紫外光刻是开发尖端互补金属氧化物半导体的关键技术，投资超过1亿美元）。按照美国政府的计划，国家半导体技术中心设计场地设施将于2025年投入运营， 极紫外光刻技术中心于2026年投入到正常的使用中，最后是原型制作和封装试验工厂于2028年投入使用。

  “我们如果能使用国家半导体技术中心的这些功能，我想就可以填补这一领域空白。”格拉纳汉说。

  如今，7年过去了，Ideal即将推出其首款SuperQ器件。该初创公司还找到了制造商，即位于美国明尼苏达州布卢明顿的Polar半导体公司。2024年9月底，Polar成为第一家获得《芯片与科学法案》资助（1.23亿美元）的公司，用于晶圆厂的扩大和现代化，其目标是将美国的生产能力翻一番，并把自己打造为代工厂。

  对Ideal而言，美国国家半导体技术中心的原型设施可能来得太晚，但对于新一批硬件初创公司来说则可能正是时候。耶里克所在的《芯片与科学法案》执行办公室在推动各项研发工作，帮助下一代芯片初创公司更快地发展起来。

  同样重要的是，《芯片与科学法案》正在扩大美国国内的制造规模，这也有助于初创公司发展。截至2024年9月底，约有360亿美元已承诺用于全美的27个制造和技术开发项目。“如果你的设计受到晶圆厂能力的限制，那么在某一些程度上也会限制你的创新能力。”Celesta Capital的布雷思韦特说，“希望是，如果有美国本土的代工厂服务，就能更好地为美国初创企业来提供支持。”