美国“半导体合成生物技术”联盟调研报告
- 背景 -
半导体可以用于制造我们日常生活各方面所依赖的信息技术基础设施，涉及金融、交通、能源、医疗保健、教育、通信、娱乐系统和服务等领域。摩尔定律描述的趋势在推动性能和功能提高的同时降低了成本。然而时至今日，半导体行业面临着固体物理学的极限，以及技术开发和制造成本的急剧增加。为了能从包括物联网和大数据等科技进步中获益，我们需要新的方法来收集、共享、分析以及存储数据和信息。其中一个方法为处在合成生物技术和半导体技术交叉领域的半导体合成生物技术（Semiconductor Synthetic Biology 或 SemiSynBio）。
半导体合成生物技术将合成生物技术与传统半导体技术结合在一起，是一种具有显著高能效和处理能力优势的新型半导体技术。SemiSynBio利用生物系统超越硅基系统的显著高能效和信息处理优势，有望从根本上重新定义半导体设计和制造，创造与我们今天已知的不同的新型行业。这些进展将建立在DNA合成和表征、电子设计自动化、纳米制造以及对用于高能效信息处理生物过程理解的突破上。
2013年10月，非盈利组织美国半导体研究联盟（Semiconductor Research Corporation，SRC）启动了“半导体合成生物技术”项目（Semiconductor Synthetic Biology program或SemiSynBio program），将研究半导体生物混合系统，为未来信息通信技术提供深刻见解和机遇。
2015年5月7日，美国半导体研究联盟联合美国国家标准技术研究院（NIST）及相关业界合作机构，启动了“半导体合成生物技术”联盟（Semiconductor Synthetic Biology consortium或SemiSynBio consortium），将在扩建现有联盟的同时，制作一份为期十五年的“半导体合成生物技术”路线图，旨在加强美国在半导体技术发展和制造领域，包括生物/半导体混合系统的领导地位。
美国半导体研究联盟（SRC）
及
“半导体合成生物技术”联盟
美国半导体研究联盟
（SRC）
美国半导体研究联盟（SRC）是一个位于美国北卡罗莱纳州的非营利性技术联盟，成立于1982年，其合作伙伴包括美国顶级高校、半导体行业巨头公司，以及美国相关政府组织。SRC的任务是运营一系列联盟以及多种在美国和全球范围内的研究项目，该联盟的研究项目由政府政策和半导体行业的需求引领，通过顶级学术院校的研发力量获取技术创新成果。作为世界第一的大学研究管理联盟，SRC通过提供早期研究成果和相关受过高等教育的技术人才，为联盟成员提供具有竞争力的优势。SRC最大化项目之间的协同作用，以低研究成本解决联盟成员的研究需求，通过共享知识产权成果，减少美国半导体行业的研发支出并实现共同成员的价值最大化。凭借其受到高度评价的大学研究计划，SRC在一些行业最具影响力的机构的研发战略中发挥着不可或缺的作用。
“半导体合成生物技术”计划
（SemiSynBio program）
1.项目介绍
2013年10月23日，美国半导体研究联盟宣布启动“半导体合成生物技术”计划（ Semiconductor Synthetic Biology program或SemiSynBio program），将研究半导体生物混合系统，为未来信息通信技术提供深刻见解和机遇。该计划专注于合成生物学和半导体技术之间的协同作用，促进探究性、多学科、长期性的大学研究，为多个工业领域带来新型突破性解决方案。由半导体工业需求引导的大学研究成果，将显著加快未来数代集成电路的发展，促进性能、设计和应用的不断进步。
该计划第一阶段将在三个相关领域支持六个探索性项目：
第一个为细胞形态半导体电路设计领域，将从细胞生物学获得的经验应用到新型芯片体系结构中，反之亦然；
第二个为生物电子传感器、执行器和能源领域，用以开发半导体生物混合系统；
第三个为分子级精确增材制造领域，将在受生物启发的数纳米级尺度上开发制造工艺。
该研究计划第一阶段的研究成果将用于指导未来多代半导体合成生物技术研究。半导体研究联盟的全球研究合作计划（GRC）将为第一阶段研究投资225万美元。该计划最初将向麻省理工学院、麻省理工艾摩斯特分校、耶鲁大学、乔治亚大学、杨百翰大学以及华盛顿大学等六所大学投资。
2. 研究领域介绍
1）细胞形态半导体电路设计
半导体电路和系统的设计者已经开始把目光转向生物科学以寻求模拟和数字化设计的新方法以及线路和系统架构，特别是最低能量电子系统。“细胞形态电子学（cytomorphic electronics）”一词指的是受细胞中的化学电路（chemical circuits）和信息处理过程的启发而开发的电子线路和信息处理过程。
2）生物电子传感器，执行器和能源
生物传感器具有在多功能半导体系统中发挥重要作用的潜力。例如，SRC正在研究的在CMOS技术中集成活细胞而形成的混合生物半导体系统，在低操作能量下具有很高的信号灵敏度和特异性。
3）分子级精度增材制造
随着半导体制造中对于更加严格的图案形成（pattern formation）和复杂材料系统的需求持续增长（其特征尺寸缩小到5nm），基于分子的自组装可能为光刻驱动的制造业（lithographically driven manufacturing）提供一种替代方案。DNA可以用作一种活性剂（active agent）提供指导结构形成的信息。SRC正在对生产过程进行研究，以期能够既提升产量又能对正确形成的结构进行净化以显著减少制备DNA纳米结构时出现的缺陷。
3. Semiconductor Synthetic Biology项目相关数据
“半导体合成生物技术”联盟
（SemiSynBio consortium）
1. SemiSynBio consortium项目介绍
半导体工业对美国经济和国家安全至关重要。但美国国内工业目前面临两大挑战。一个挑战是不断增长的技术难度以及持续开发、制造传统硅半导体的成本。传统硅基半导体技术正在接近固体物理学的极限，研发和设备生产的成本正在急剧上升。另一个挑战是海外，特别是亚洲先进制造能力的发展，这些发展中的大部分是由政府的政策和资助推动的，目的为促进该国家的产业发展。这使得美国领导变革性、跨越式替代品如SemiSynBio的开发变得至关重要的。
2015年5月7日，美国半导体研究联盟联合美国国家标准技术研究院（NIST）以及相关公司成立了“半导体合成生物技术”联盟（SemiSynBio consortium）。美国半导体联盟将和11家公司、来自世界顶级大学和海军研究办公室的专家一起，努力联合半导体工业和生物技术领域的组织，扩大已经建立的“半导体合成技术”联盟，提高美国半导体合成生物技术的实力，规划一份将技术从基础研究转化为商品的路线图。
该项目的目的为：
Ÿ 开发可转化的半导体合成生物平台技术
Ÿ 开发新型制造工艺
Ÿ 将这些优势在美国转化成商品
目前正在建立的“半导体合成生物技术”联盟，其中包括各方相关利益群体的代表。联盟成员对来自整个价值链以及来自半导体和生物技术行业的所有利益相关方开放。学术专家的参与将确保该项目获得关键学科领先的科学和工程信息。该联盟还邀请了与信息系统（从传感器到信息处理和存储）中先进制造业的研发相关的政府组织。该项目将促进对半导体工业所面临问题的非传统思考，这些前瞻式的计划将积极探索把生物活动和半导体相匹配的新领域，发展未来的颠覆性信息技术，以使社会获益。
l 领导机构：美国半导体研究联盟（SRC）
l 联邦资金：500万美元，来自NIST的AMTech项目
l 项目持续时间：24个月，2015年5月-2017年5月
l 项目负责人：SRC高级科学家Victor Zhirnov
l 项目经理：Thomas R. Lettieri
2. “半导体合成生物技术”路线图（SemiSynBio Roadmap）
通过美国国家标准技术研究院的制造科技项目（NIST AMTech）的支持，“半导体合成生物技术”联盟正在开发一个“半导体合成生物技术”路线图（SemiSynBio Roadmap），这项工作预计将于2017年中期完成。
在传统半导体和其他行业中进行创新研究然后将结果转变为生产的时间约为10年或更长。SemiSynBio技术可能会超出这个时间范围。因此，“半导体合成生物技术”路线图预计将覆盖长达15年的时间。这种长期的计划将允许工业界利益相关者在参与半导体行业加速发展的同时保持个人竞争力。该项目有从根本上重新定义半导体设计、制造和供应链的潜力。
3. “半导体合成生物技术”路线图涉及的五个技术领域
路线图围绕五个技术领域进行组织。在这些领域中，路线图将会确立技术目标和目的，对每个技术领域的状况进行评价，确定先进制造技术的挑战与障碍，规定量化目标与进展指标，并且排列研究需求的优先顺序。这五项技术领域如下：
1）基于DNA的海量信息存储
计算与存储所需的设备规模与能源消耗已经成为了现代信息与通信技术（ICT）中具有战略重要性的问题。分子DNA存储器已证实具有~1019 bit/㎝³的存储密度，这比任何已知的其他存储技术高出数个数量级。1kg DNA具有~2×1018 Mbit的最大理论存储量而无需误差校正，这相当于2035-2040年全世界的总预期存储需求。DNA合成和DNA测序的速度越来越快，成本越来越低，这使得探索DNA存储技术变得可能。“半导体合成生物技术”联盟将会对大规模生产低成本并且可以集成进半导体信息技术的DNA存储系统进行路线图规划。
2）高效节能、受细胞启发并且基于细胞的物理与计算系统
虽然诸如晶体管这样的电子器件可以制作成纳米级，但是微处理器以及其他集成系统的尺寸一般都是厘米级。处于亚毫米尺寸的细胞“机器”能够在仅消耗很少能源的情况下执行多种功能。细胞信息处理的原理需要被进一步深入理解，这样才能让基于半导体或者生物体，或者是两者结合的计算系统成为可能。路线图将会详述实现超低能耗有机和无机计算以及新型仿生和生物电路（就是所谓的细胞形态系统）所需克服的障碍。
3）智能传感器系统
将活细胞集成进CMOS技术的方法在混合生物半导体系统中已经证明能够在低操作能量下获得很高的灵敏度和特异性。除此之外，生物或仿生系统的集成可能会为芯片的供能提供可选方案。自供电芯片智能传感器系统（Self-powered, on-chip Intelligent Sensor Systems）集成了生物传感功能和能量产生功能，具备无机信息/计算能力，并使得多种新应用成为可能。示例应用包括药物开发用快速高通量化学筛选，个人化医疗中的诊断与治疗计划，用于国防和环境需求的化学和生物药剂侦测。实现细胞-半导体系统要克服的挑战之一就是维持细胞在硅上的活性。
4）生物系统设计
利用先进电子设计自动化（EDA）工具以及复杂设计观念有助于大幅度提高生物设计自动化（BDA）的复杂性。Alberto Sangiovanni-Vincentelli这位杰出学术研究人员兼两个最大的EDA公司（Cadence和 Synopsys）共同创立者看到了将EDA中的“秘诀”延伸到BDA的重大机会。对处于EDA/BDA之间的基本障碍进行路线图规划需要来自这两个领域的专家投入。
5）DNA控制的10nm以下生产挑战
细胞以高产量和低能耗生产出复杂的新结构。生物组装的装配速度为大约1018分子/秒（在生物生长速率下一个1Gb的芯片可以在5秒内建造起来），而其能耗仅有约10-17 J/分子，比传统减材制造少100倍。基于已经证实的由DNA控制且结构日益复杂的自组装，这类方法有潜力制造复杂的10nm以下半导体结构。同时，工程化微生物有望用于生产多种半导体加工处理中需要的重要化学品和材料，例如新型低K值介电膜。存在的挑战是如何将这些原理验证（proof of principle）扩展到更复杂和更相关的结构和系统中。
4. 参与该联盟的组织名单
总共有30个来自工业界、政府和学术界的组织参与该联盟，详细名单如下：
工业界组织：
●欧特克股份有限公司
（Autodesk）
●GenoCAD
●Gingko Bioworks
●格罗方德半导体股份有限公司
（GlobalFoundries）
●IBM
●英特尔（Intel）
●明导国际（Mentor Graphics）
●美光科技（Micron）
●微软（Microsoft）
●Mubadala Technology
●Raytheon BBN Technologies
●SynBioBeta
●美国特纳
（Turner Designs Hydrocarbon Instr.）
●Twist Biosciences
学术界：
●美国博伊西州立大学
（Boise State University）
●美国波士顿大学
（Boston University）
●美国杨百翰大学
（Brigham Young University）
●美国哥伦比亚大学
（Columbia University）
●美国达特茅斯学院
（Dartmouth College）
●美国佐治亚理工学院
（Georgia Institute of Technology）
●美国北卡罗莱纳州立大学
（NCSU）
●美国加州大学洛杉矶分校
（UCLA）
●美国伊利诺伊大学香槟分校
（UIUC）
●美国北卡罗来纳大学格林斯伯勒分校
（UNC Greensboro）
●美国华盛顿大学
（University of Washington）
政府：
●美国国防部（DoD）
●美国海军研究办公室（ONR）
●美国国家标准技术研究所（NIST）
●美国国家科学基金会（NSF）
总结
目前，依赖于硅基系统的传统半导体正接近固体物理学极限，半导体厂商如果继续按照摩尔定律来研发更高级的工艺流程，会面临物理和经济（投入产出比）两方面的挑战。美国“半导体合成生物技术”联盟通过探索具有显著高能效和处理优势的生物-半导体混合系统，将促进对半导体工业所面临问题的非传统思考，该前瞻性计划有望从根本上重新定义半导体设计、制造和供应链。该计划不仅有望发展未来的颠覆性信息技术，促进半导体行业的更新换代，使社会发展获益，还可促进美国对变革性、跨越式半导体技术替代品的开发，巩固美国在半导体技术研发和制造业中的领导地位。
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