DARPA电子复兴计划诞生的背景与意义.doc
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1、DARPA电子复兴计划诞生的背景与意义美国国防高级研究计划局(DARPA)于2017年6月1日宣布推出电子复兴计划(Electronics Resurgence Initiative,简称ERI)。计划未来五年投入超过 20亿美元,联合国防工业基地、学术界、国家实验室和其他创新温床,开启下一次电子革命。这是美国在电子领域花重金打造的又一具有国家战略的科研计划,本文将总体概要性的解读电子复兴计划诞生的背景与意义,电子复兴计划的3大研究领域及6大研究方向。之后的系列文章将针对3大研究领域:材料与集成、系统架构、设计分专题进行研究与探讨。一、DARPA电子复兴计划诞生的背景与意义DARPA成立于19
2、58年,也正是Kilby提出集成电路的那一年,很多硅时代的进步,包括半导体材料的基本进步,大规模集成和精密制造,也都是在DARPA的支持和推动下得以实现。但是,与大多数发展道路一样,缩放(也即将更多的晶体管放在同一个芯片上)也终将迎来终点。以摩尔定律为代表的电子小型化道路,将逐步触到物理学和经济学的极限。随着这个转折点的临近,微电子技术的发展将需要一个新的创新阶段,从而继续保持电子创新的现代奇迹。过去70年来,美国因其在电子和半导体领域的领先地位,享受到了经济、政治和国家安全上的优势。如今,在摩尔定律走向终结,电子领域急需转变突破的关键点,在人工智能和量子等新兴技术及产业涌现的当下,美国布局E
3、RI计划是为了下一个十年乃至百年的领先,同时也是为国防部一些顶级技术重点领域,包括量子计算、人工智能、先进制造以及太空和生物技术,打下重要的基础。ERI计划将专注于开发用于电子设备的新材料,开发将电子设备集成到复杂电路中的新体系结构,以及进行软硬件设计上的创新。ERI计划将补充DARPA去年创建的“联合大学微电子学计划”(Joint University Microelectronics Program,简称JUMP)。二、ERI计划与JUMP计划形成互补JUMP计划是DARPA和行业联盟半导体研究公司联合资助的最大的基础电子研究工作。预计在5年时间里投入1.5亿美金,联合了MIT、伯克利、加
4、州大学体系里的美国众多一流高校和研究所,设置了6个不同的研究中心,探索6大不同的方向,是一个多学科跨领域的大规模长期合作计划,目标是大幅度提高各类商用和军用电子系统的性能、效率和能力(performance, efficiency, and capabilities)。根据JUMP计划的公开资料,这些研究和开发工作应该“为美国国防部在先进的雷达、通信和武器系统方面提供无与伦比的技术优势,为军事和工业部门带来优势,并为美国的经济和未来的经济增长,提供独特的信息技术和对商业竞争力至关重要的处理能力”。JUMP计划专注于中长期(8到12年)探索性研究,预期的国防和商业价值将在2025到2030年这个
5、时间线实现。联盟致力于将资源集中在高风险、高收益、长期创新研究上面,加速电子技术和电路及子系统的生产力增长和性能提升,从而解决电子和系统技术中现有的和新出现的挑战。图1 2017年9月公布的ERI计划图如果说JUMP是一个更侧重基础和研究探索的计划,那么ERI则更加实际一点,也更接近产业。ERI的三大关注重点:开发用于电子设备的新材料(Materials and Integration):探索使用非常规电路元件而非更小的晶体管来大幅提高电路性能。硅是最常见的微系统材料,硅锗等化合物半导体也在特定应用中发挥了一定的作用,但这些材料的功能灵活性有限。ERI将表明,元素周期表为下一代逻辑和存储器组件
6、提供了大量候选材料。研究将着眼于在单个芯片上集成不同的半导体材料,结合了处理和存储功能的“粘性逻辑”(sticky logic)设备,以及垂直而非平面集成微系统组件。开发将电子设备集成到复杂电路中的新体系结构(Architectures):探索针对其执行的特定任务而优化的电路结构。GPU是机器学习持续进展的基础,GPU已经证明了从专用硬件体系结构中能够获得大幅的性能提升。ERI将探索其他机遇,例如能根据所支持的软件需求调整进行可重新配置的物理结构。进行软硬件设计上的创新(Design):重点开发用于快速设计和实现专用电路的工具。与通用电路不同,专用电子设备可以更快、更节能。尽管DARPA一直投
7、资于这些用于军事用途的专用集成电路(ASIC),但ASIC的开发可能会花费大量时间和费用。新的设计工具和开放源代码设计范例可能具有变革性,使创新者能够快速便宜地为各种商业应用创建专用电路。三、DARPA“电子复兴计划”峰会宣布六大项目合作研究团队2018年7月23日,DARPA在加利福尼亚州旧金山举办的首届年度“电子复兴计划”(ERI)峰会开幕式上,宣布了ERI六大项目合作研究团队,旨在扶持和培养在材料与集成、电路设计和系统架构三方面的创新性研究。这六个项目旨在补充传统晶体管尺寸的不断缩小并确保持续改进电子性能(解决Moore在50年前即预测到将在当前半导体发展蓝图最后阶段出现的问题),分别为
8、:1.“三维单芯片系统”3DSoC:Three Dimensional Monolithic System-on-a-Chip2.“新式计算基础需求”FRANC:Foundations Required for Novel Compute3.“特定领域片上系统”DSSoC:Domain-Specific System on a Chip4.“软件定义硬件”SDH:Software Defined Hardware5.“高端开源硬件”POSH:Posh Open Source Hardware6.“电子设备智能设计”IDEA:Intelligent Design of Electronic As
9、sets图2 ERI计划六大项目专注于系统架构、电路设计、材料与集成3大领域1、材料与集成领域(1)“三维单芯片系统”(3DSoC)项目传统微电子芯片为平面、二维结构,3DSoC项目主要聚焦在单衬底第三维度垂直向上构建微系统所需材料、设计工具和制造技术的研发。通过该项目可实现逻辑、存储及输入/输出元件的高效封装,从而使系统的运行功耗更低,计算速度提升50倍以上。选定合作研究团队为Georgia Institute of Technology,Massachusetts Institute of Technology。(2)“新式计算基础需求”(FRANC)项目项目的目标是超越传统逻辑和存储功能
10、相分离的冯诺依曼架构。当前,在冯诺依曼架构下,因数据在存储单元和处理器之间传输所造成的时间延迟和能量消耗成为阻碍计算机性能进一步提升的主要原因。针对该项目所提出的研究计划需要展示如何通过开发新型材料、器件及算法加速逻辑电路中的数据存储速度或通过设计全新的、比以往更为复杂的逻辑和存储电路结构来突破这一“存储瓶颈”。选定合作研究团队为Applied Materials、Ferric、HRL Laboratories、University of California, Los Angeles、University of Illinois at UrbanaChampaign、University o
11、f Minnesota。2、系统架构领域(1)“特定领域片上系统”(DSSoC)项目该项目的设立是受通过单一编程框架实现多应用系统快速开发需求的驱动。这一单一编程框架能够使片上系统设计人员将通用、专用(如专用集成电路)、硬件加速辅助处理、存储和输入/输出等要素进行混合和匹配,从而实现特定技术领域应用片上系统的简单编程。例如,软件定义无线电(software-defined radio)就是这些特定技术领域中的一种,应用范围包括移动通信、卫星通信、私人网络、所有类型雷达和网络空间电子战等。选定合作研究团队为Arizona State University、IBM、Oak Ridge Nation
12、al Laboratory、Stanford University。(2)“软件定义硬件”(SDH)项目该项目旨在构建可重构软硬件设计和制造的决策辅助技术基础。这些可重构软硬件需要具备运行数据密集型算法的能力(具备该能力是实现未来机器学习和自主系统的基础)和与目前专用集成电路(ASICs)相当的性能。在现代战争中,决策是由所获取的数据信息来驱动的,例如,由成千上万个传感器提供的情报、监视和侦察(ISR)数据、后勤物流/供应链数据和人员绩效评估指标数据等。对这些数据的有效利用依赖于可进行大规模计算的有效算法。选定合作研究团队为Georgia Institute of Technology、Int
13、el、NVIDIA、Princeton University、Qualcomm、Stanford University、Systems 3、电路设计领域(1)“高端开源硬件”(POSH)项目该项目旨在构建一个开源的设计和验证框架,包括以低成本实现超复杂片上系统设计的技术、方法和标准。DARPA“电子复兴”计划团队期望利用可降低复杂片上系统设计门槛的全新设计工具开启专用设计创新的新时代。开源软件最有可能成为在应用层面实现创新的工具。选定合作研究团队为Brown University、LeWiz、Princeton University、Sandia National Labs、Stanford
14、University、Synopsys、University of Southern California、University of Utah、University of Washington、Xilinx。(2)“电子设备智能设计”(IDEA)项目该项目将开发创建电子硬件自动化布局生成器所需的算法、方法、软件,使没有电子设计知识的用户能够在24小时内完成混合信号集成电路、系统级封装和印刷电路板等电子硬件的物理设计。选定合作研究团队为Cadence Design Systems、Northrop Grumman、Princeton University、Purdue University、U
15、niversity of California, San Diego、University of Illinois at UrbanaChampaign、University of Michigan、University of Minnesota、University of Utah、University of Texas at Austin、Yale University。图3 DARPA于2018年7月公布6大项目合作研究团队2近年来(2005年2018年),美国国防高级研究计划局(DARPA)在集成电路的材料领域进行了多项研究,对材料的研究创新不仅仅局限于半导体器件材料的研究,而是更加强
16、调了材料在集成电路集成中所发挥的应用。下面详细介绍DARPA最近推出的电子复兴计划(Electronics Resurgence Initiative,简称ERI)中与材料相关的研究内容。材料与集成领域的主要研究方向包括三维单芯片系统(3DSoC)和新式计算基础需求(FRANC)。图1 ERI计划中材料与集成领域的研究内容一、“三维单芯片系统”(3DSoC)项目传统微电子芯片为平面、二维结构,3DSoC项目主要聚焦在单衬底第三维度垂直向上构建微系统所需材料、设计工具和制造技术的研发。通过该项目可实现逻辑、存储及输入/输出元件的高效封装,从而使系统的运行功耗更低,计算速度提升50倍以上。该项目材
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