DARPA助推後摩爾電子產業

為了應對市場力量推動本來充滿活力的全球電子產業走向更狹窄的計算機應用領域，遠離下一波創新浪潮，美國國防高級研究計劃局(DARPA)投入15億美元進行「基礎性改進」，啟動後摩爾定律(moore"s Law)時代的電子產業。這個為期五年的路線圖被稱為「電子復興計」(Electronics Resurgence Initiative，ERI)，據相關官員表示該計劃支撐了美國國防部的一些頂級技術重點領域，包括量子計算，人工智慧，先進位造，空間和生物技術。美國國防高級研究計劃局7月23日在舊金山召開了ERI一次峰會，重點關注ERI的三大支柱：新的晶元架構、集成電路設計和材料及集成。

美國國防部高級研究計劃局(DARPA)微系統技術辦公室(Microsystems Technology Office)主任William Chappell博士表示：「我們正在努力做的是基礎性改進而非任何一家公司合作夥伴想要或試圖自己做的事情。」Chappell博士說，「摩爾定律是把雙刃劍，在保證其繼續有效的同時，必須忍受從fab到設計再到驗證流程中成本的急劇上升，甚至呈指數級增長。我們正試圖尋找其他途徑，如在製造領域，可以通過新材料或者不僅僅依賴晶體管伸縮的新的集成工藝中來達到目的。」在峰會期間，美國國防部高級研究計劃局還宣布了一份大學和企業研究工作清單，旨在推進其「三支柱」晶元戰略。儘管晶元製造商英特爾公司(Intel corp.)以及其競爭對手GPU生產商Nvidia corp.和ARM等越來越關注專有應用，其中許多是由人工智慧和其他新興的機器學習應用驅動的，但是DARPA正在嘗試重啟半導體研發周期，以應對全球大規模的晶元投資。

美國國防部高級研究計劃局的微電子計劃正值中美貿易競爭加劇之時。在2018年的美國國防戰略中，美國將中國描述為未來發展的兩個強大的競爭對手之一。中國增加對微電子領域的投資，引起美國的擔憂，擔心中國可能在美國軍事系統中隱藏使用晶元的惡意程序或代碼。Chappell博士特別提到中國對本土晶元行業的1500億美元的投資，認為這一計劃也將支持其它方面的規劃，包括2030年成為人工智慧世界領導者的國家戰略，但同時指出，中國的大部分投資都投向了製造設施，而不是試圖在技術上取得進步。ERI極力確保美國和歐洲在晶元設計和其產生的有價值的知識產權核（IP核）的領導地位。Chappell博士說「我們需要確保我們和我們的盟國都有新的發明，當老的工藝正在被大量複製的時候我們要發明了新的工藝。」

美國國防部高級研究計劃局(DARPA)估計，這場全球競爭的技術戰場將圍繞著新材料、新片上系統(SoCs)的設計自動化以及可混合、匹配兼容於其他系統的新架構等方面展開。其中電子設備智能設計（Intelligent Design of Electronic Assets，IDEA）項目，試圖開發一個平台，以支持SoCs自動化設計流程和晶元封裝，以及與更大的系統互連。這些未來的晶元設計流程將利用機器學習、分析和自動化技術在大規模生產之前驗證晶元設計。IDEA項目的參與者包括Cadence、vidia和卡內基梅隆大學等。

ERI的晶元架構研究集中在可重構的框架上，這些框架利用專用硬體來解決特定的計算問題。軟體定義硬體(SDH)的參與者包括英特爾、NVIDIA、高通公司、系統與技術研究所、喬治亞理工學院、斯坦福大學、密歇根大學、華盛頓大學和普林斯頓大學等。這項硬體結合「特定領域」SoC的項目工作於去年秋天啟動。與此同時，Nvidia將領導一個由行業和大學研究人員組成的團隊，依託SDH項目尋求性能增益，其路徑有些類似於今天的ASICs，不犧牲數據密集型演算法的可編程性。晶元架構項目的目標之一是為硬體開發開源軟體，包括機器學習。

半導體材料和電路集成方面主要解決若隱若現的性能問題，例如困擾當前大數據應用程序的"內存瓶頸"。其中一項任務就是找到新的方法來組合基於各種材料和設計的不同IP核。如麻省理工學院(MIT)、斯坦福大學(Stanford)和其它一些領先的工程學院的研究人員把重點放在新興的三維SoC設計（3DSoC項目）以及未來的方法上（FRANC項目）。3DSoC項目旨在開發材料、設計工具和製造技術，以便在單一襯底上構建三維微系統。3DSoC的參與者包括：喬治亞理工學院；斯坦福大學；麻省理工學院；Skywater Technology Foundry，這是一家位於明尼蘇達州的純粹的200-mm晶元製造廠，其根源可以追溯到控制數據公司(Control Data corp.)；Cypress Semiconductor於近期加入。FRANC項目旨在促進「利用新材料特性的電路設計和消除或減少數據流動的方式處理數據的集成方案」。FRANC項目的參與者包括加利福尼亞大學洛杉磯分校、HRL實驗室、應用材料公司、Ferric inc.、加州大學洛杉磯分校、明尼蘇達大學和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校。

最後，美國國防部高級研究計劃局的Chappell博士說，晶元計劃的目的是「看看未來的可能是什麼。」他補充道，「比以往任何時候都更重要的是，我們有的新發明，以確保半導體空間不會成為一種商品。」

譯自：HPCwire

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