美国积极开创下一个百年领先,加大投资研究新型芯片开发工具

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美国将在未来四年向两项研究计划投入1亿美元,创造一种新的芯片开发工具,旨在大幅降低设计芯片的壁垒。

这两项计划涉及15家公司和200多名研究人员,此前一直处于秘密筹备阶段,在刚刚结束的设计自动化大会(DAC 2018)上首次得到公开讨论。

不仅如此,这两项计划都只是美国国家“电子复兴计划”(Electronics Resurgence Initiative,ERI)的一部分。电子复兴计划(ERI)由DARPA管理,预计在未来五年投入15亿美元,推动美国电子行业向前发展。

美国国会最近还增加了对ERI的投入,每年多注资1.5亿美元。因此,整个项目资金将达到22.5亿美元。

DARPA 计划7月底在硅谷举办为期3天的“电子复兴计划峰会”,汇聚受摩尔定律影响最大的企业,包括来自商业部门、国防工业基地、学术界和政府的高级代表,就电子、人工智能、光子等五大领域的未来研究计划展开头脑风暴,共同塑造美国半导体创新的未来方向。

就在6月27日,美国正式开始了他们的“十年量子计划”,确保美国不落后于推动量子计划的其他国家。

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,美国正在积极计划开创他们下一个十年乃至百年的领先。

人类历史上最重要的技术轨迹走向停滞,技术创新和进步更加大胆的时代即将开始

电子复兴计划的源起,是美国国防部在2018年财政年度预算中,提出给DARPA补充拨款7500万美元,联合公共部门和私人企业,提升芯片性能,方法包括但不限于:不断缩小元件体积,全新的微系统材料,设计和架构的创新。

之所以说“补充”,是因为国防部此前已经计划拨款2亿美元,用于协调电子和光子相关系统方面的工作,此外还不算商业部门的额外投资。

目前,微系统技术界经过20世纪高速发展后,正陷入一系列可以预期的长期发展障碍。微电子革命始于第二次世界大战后晶体管的发明,如今,一片小小片的芯片上已经可以容纳几十亿的晶体管。但转折点已经到来。

“近70年来,美国一直享受着由电子创新领先地位而带来的经济和安全优势,”DARPA微系统技术办公室(MTO)主管Bill Chappell说。“如果我们想保持领先地位,就需要推动一场不依赖传统方法取得进展的电子革命。电子复兴计划的要点,就是通过电路专业化(circuit specialization)来争取进步,并理清下一阶段进步的复杂性,这将对商业和国防利益产生深远的影响。”

电子革命,20世纪最伟大的科技发展奇迹之一

为了理解美国电子复兴计划意在实现的变革的重要性,我们有必要在这里回顾一下上一次这样的范式转换,带来了多么巨大的变革。

1948年7月1日,《纽约时报》的D4页(一个完全不重要的版面),悄然出现了一个叫做“晶体管”(transistor)的词。

当天的“无线电通讯”专栏,一开始是在介绍两个新的电台节目,但却不知为何在收尾的时候,落脚到一个晦涩的技术新闻上面:

昨天,一种叫做晶体管的设备在贝尔实验室首次得到了公开展示,它在通常使用真空管的无线电设备中有几项应用。

 

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当天《纽约时报》的头版

 

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在完全不重要的 D4 版,以一个“无线电新闻专栏”,最开始是在介绍两个新的节目

 

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结尾却落脚到一则技术新闻,“晶体管”在这里第一次出现。图片来源:rarenewspapers

从真空管到晶体管的转变被证明是划时代的,在晶体管之上,我们构筑起了超过70年的电子技术发展。

DARPA成立于1958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,注定将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。

ERI计划的介绍中写道:“这一转折点不仅标志着人类历史上最重要的技术轨迹之一的走向平缓和停滞(flattening),同时也标志着技术创新和技术进步更加大胆的时代的开始。”

这也是DARPA发起ERI的初衷。

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ERI 计划:拼凑起来的微电子模块体现了众多参加过以前 DARPA-行业-学术合作的大学团体所完成的工作。DARPA 新的 ERI 电子复兴计划正在推动微系统结构和功能的新时代。来源:DARPA

电子复兴计划:预期的商业和国防利益将在2025-2030年实现

根据公开资料,电子复兴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。

这一切,都是为了在将微系统设计变为现实产品的时候比以往更加高效。这也意味着,电子复兴计划的技术重点,是在不进行缩放的前提下,确保电子性能的持续改进和提升。

新的研究工作将补充DARPA去年创建的“联合大学微电子学计划”(Joint University Microelectronics Program,JUMP)。在这里,也有必要提一下这个JUMP计划。

JUMP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。

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2017 年 9 月公布的 ERI 计划图

再来看ERI。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: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: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: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。

日前在DAC 2018上公开讨论的,正是ERI计划中的第三点,用于灵活设计和开发芯片的两项计划。接下来在 7 月 ERI 峰会上,会就其他计划披露更多细节。新智元也将密切关注,敬请期待后续报道。

Chappell说:“微电子技术的不断发展和日益复杂化,以及计算、通信、导航和依赖于这些电子设备的无数其他技术的发展速度令人吃惊,但它们主要发生在基本相同的硅基方法上。”

“看看在过去的十年里,仅凭手机技术,世界已经发生了多大的变化。为了继续保持这一发展步伐,即使我们失去了传统缩放带来的好处,我们也需要挣脱传统,接受ERI新计划的全部创新。”

“我们期待与商业部门、国防工业基地、学术界、国家实验室和其他创新温床开展合作,开启下一次电子革命。”

芯片大厂和重点国防承包商悉数参与,将“改变整个行业的经济状况”

在奥斯汀举行的设计自动化大会(Design Automation Conference)期间,许多行业高管跟 Chappell 见面时,第一次听说了ERI,而大会吸引了来自 Analog Devices,ARM,Cadence,IBM,Intel,Qualcomm,Synopsys,TSMC 和Xilinx 等公司的约 60 人参加。

Nvidia 的架构研究副总裁 Steve Keckler 在活动中介绍了 GPU 设计师与 DARPA 合作的情况,他说:“我认为 ERI 是一个让更多合作伙伴将产品推向市场的机会,许多人之前没有与 DARPA 合作过。”

本周,DARPA 在圣何塞举行了为期两天的会议,旨在与芯片专家合作并与他们建立合作伙伴关系。会议有多达 300 人参加,约 45 家公司,10 家国防承包商和众多大学。

Chappell 在活动休息期间说:这是背后强硬力量的开端(This is the start of something with teeth behind it)。

早些时候,DARPA 在华盛顿特区与国防承包商举行了一次会议,以征询他们的想法。ERI 项目经理团队将在 9 月份将最佳概念纳入正式的提案呼吁。 DARPA 将在接下来的 7 个月中挑选和谈判获胜项目的合同,然后才会发布资金并开始艰苦的工作。

在本文开篇提到的那两个项目(分别名为 DEAS 和 POSH),代表了“有史以来最大的EDA研究项目之一”,管理这两个项目的DARPA 官员 Andreas Olofsson 表示。

其共同的目标是对抗日益增长的芯片设计的复杂性和成问题。实质上,POSH 的目标是创建一个开源的硅模块库,IDEAS 则能够生成各种开源和商业工具,以自动测试这些模块并将其编辑到 SoC 和电路板中。

如果成功的话,这些项目“将改变整个行业的经济状况”,使公司能够设计出相当低容量芯片,这在今天是不可想象的。Olofsson说,它还可能为在政府安全机制下工作的设计人员打开一扇门,他们可以针对毫秒级的延迟制定自己的SoC,而不需要通过商业公司实现。

“最重要的是,我们必须改变硬件设计的文化。现在,我们没有开放共享……但是在软件方面,Linux 已经做到了。共享软件成本是业界的最佳选择,我们也可以共享一些硬件组件。

Olofsson 呼吁将更多的专业知识直接嵌入到设计工具中。这些程序的目标是为芯片和电路板提供更自动化的数字和模拟工具。

 

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