美國DARPA 官員日前首次公開討論了美國“電子復(fù)興計劃”初步細(xì)節(jié)。計劃未來五年投入超過20 億美元，聯(lián)合國防工業(yè)基地、學(xué)術(shù)界、國家實驗室和其他創(chuàng)新溫床，開啟下一次電子革命。美國因其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢而成為20世紀(jì)的科技強(qiáng)國。如今，在摩爾定律走向終結(jié)，人工智能和量子等新興技術(shù)及產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)的當(dāng)下，美國正在積極計劃開創(chuàng)他們下一個十年乃至百年的領(lǐng)先。

美國將在未來四年向兩項研究計劃投入1 億美元，創(chuàng)造一種新的芯片開發(fā)工具，旨在大幅降低設(shè)計芯片的壁壘。

這兩項計劃涉及15 家公司和200 多名研究人員，此前一直處于秘密籌備階段，在剛剛結(jié)束的設(shè)計自動化大會（DAC 2018）上首次得到公開討論。

不僅如此，這兩項計劃都只是美國國家“電子復(fù)興計劃”（Electronics Resurgence Initiative，ERI）的一部分。電子復(fù)興計劃（ERI）由DARPA 管理，預(yù)計在未來五年投入15 億美元，推動美國電子行業(yè)向前發(fā)展。

美國國會最近還增加了對ERI 的投入，每年多注資1.5 億美元。因此，整個項目資金將達(dá)到22.5 億美元。

DARPA 計劃7 月底在硅谷舉辦為期3 天的“電子復(fù)興計劃峰會”，匯聚受摩爾定律影響最大的企業(yè)，包括來自商業(yè)部門、國防工業(yè)基地、學(xué)術(shù)界和政府的高級代表，就電子、人工智能、光子等五大領(lǐng)域的未來研究計劃展開頭腦風(fēng)暴，共同塑造美國半導(dǎo)體創(chuàng)新的未來方向。

就在6 月27 日，美國正式開始了他們的“十年量子計劃”，確保美國不落后于推動量子計劃的其他國家。

過去70 年來，美國因其在電子和半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，享受到了經(jīng)濟(jì)、政治和國家安全上的優(yōu)勢。如今，在摩爾定律走向終結(jié)，電子領(lǐng)域急需轉(zhuǎn)變突破的關(guān)鍵點，在人工智能和量子等新興技術(shù)及產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)的當(dāng)下，美國正在積極計劃開創(chuàng)他們下一個十年乃至百年的領(lǐng)先。

人類歷史上最重要的技術(shù)軌跡走向停滯，技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步更加大膽的時代即將開始

電子復(fù)興計劃的源起，是美國國防部在2018 年財政年度預(yù)算中，提出給DARPA 補(bǔ)充撥款7500 萬美元，聯(lián)合公共部門和私人企業(yè)，提升芯片性能，方法包括但不限于：不斷縮小元件體積，全新的微系統(tǒng)材料，設(shè)計和架構(gòu)的創(chuàng)新。

之所以說“補(bǔ)充”，是因為國防部此前已經(jīng)計劃撥款2 億美元，用于協(xié)調(diào)電子和光子相關(guān)系統(tǒng)方面的工作，此外還不算商業(yè)部門的額外投資。

目前，微系統(tǒng)技術(shù)界經(jīng)過20 世紀(jì)高速發(fā)展后，正陷入一系列可以預(yù)期的長期發(fā)展障礙。微電子革命始于第二次世界大戰(zhàn)后晶體管的發(fā)明，如今，一片小小片的芯片上已經(jīng)可以容納幾十億的晶體管。但轉(zhuǎn)折點已經(jīng)到來。

“近70 年來，美國一直享受著由電子創(chuàng)新領(lǐng)先地位而帶來的經(jīng)濟(jì)和安全優(yōu)勢，”DARPA 微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）主管Bill Chappell 說。“如果我們想保持領(lǐng)先地位，就需要推動一場不依賴傳統(tǒng)方法取得進(jìn)展的電子革命。電子復(fù)興計劃的要點，就是通過電路專業(yè)化（circuit specialization）來爭取進(jìn)步，并理清下一階段進(jìn)步的復(fù)雜性，這將對商業(yè)和國防利益產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”

電子革命，20世紀(jì)最偉大的科技發(fā)展奇跡之一

為了理解美國電子復(fù)興計劃意在實現(xiàn)的變革的重要性，我們有必要在這里回顧一下上一次這樣的范式轉(zhuǎn)換，帶來了多么巨大的變革。

1948 年7 月1 日，《紐約時報》的D4頁（一個完全不重要的版面），悄然出現(xiàn)了一個叫做“晶體管”(transistor)的詞。

當(dāng)天的“無線電通訊”專欄，一開始是在介紹兩個新的電臺節(jié)目，但卻不知為何在收尾的時候，落腳到一個晦澀的技術(shù)新聞上面：

昨天，一種叫做晶體管的設(shè)備在貝爾實驗室首次得到了公開展示，它在通常使用真空管的無線電設(shè)備中有幾項應(yīng)用。

當(dāng)天《紐約時報》的頭版

在完全不重要的D4 版，以一個“無線電新聞專欄”，最開始是在介紹兩個新的節(jié)目

結(jié)尾卻落腳到一則技術(shù)新聞，“晶體管”在這里第一次出現(xiàn)。圖片來源：rarenewspapers

從真空管到晶體管的轉(zhuǎn)變被證明是劃時代的，在晶體管之上，我們構(gòu)筑起了超過70 年的電子技術(shù)發(fā)展。

在晶體管推出十年后，德州儀器的Jack Kilby 展示了第一個集成電路，所有的電路元件都放在同一個半導(dǎo)體材料芯片上，由此開啟了晶體管走向無限小型化的道路，現(xiàn)在回頭看，這個發(fā)展軌跡簡直可以稱得上是奇跡。

DARPA 成立于1958 年，也正是Kilby 提出集成電路的那一年，很多硅時代的進(jìn)步，包括半導(dǎo)體材料的基本進(jìn)步，大規(guī)模集成和精密制造，也都是在DARPA 的支持和推動下得以實現(xiàn)。

但是，與大多數(shù)發(fā)展道路一樣，縮放（也即將更多的晶體管放在同一個芯片上）也終將迎來終點。以摩爾定律為代表的電子小型化道路，注定將觸到物理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的極限。隨著這個轉(zhuǎn)折點的臨近，微電子技術(shù)的發(fā)展將需要一個新的創(chuàng)新階段，從而繼續(xù)保持電子創(chuàng)新的現(xiàn)代奇跡。

ERI 計劃的介紹中寫道：“這一轉(zhuǎn)折點不僅標(biāo)志著人類歷史上最重要的技術(shù)軌跡之一的走向平緩和停滯（flattening），同時也標(biāo)志著技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步更加大膽的時代的開始。”

這也是DARPA 發(fā)起ERI 的初衷。

ERI 計劃：拼湊起來的微電子模塊體現(xiàn)了眾多參加過以前DARPA-行業(yè)-學(xué)術(shù)合作的大學(xué)團(tuán)體所完成的工作。DARPA 新的ERI 電子復(fù)興計劃正在推動微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的新時代。來源：DARPA

電子復(fù)興計劃：預(yù)期的商業(yè)和國防利益將在2025-2030年實現(xiàn)

根據(jù)公開資料，電子復(fù)興計劃將專注于開發(fā)用于電子設(shè)備的新材料，開發(fā)將電子設(shè)備集成到復(fù)雜電路中的新體系結(jié)構(gòu)，以及進(jìn)行軟硬件設(shè)計上的創(chuàng)新。

這一切，都是為了在將微系統(tǒng)設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實產(chǎn)品的時候比以往更加高效。這也意味著，電子復(fù)興計劃的技術(shù)重點，是在不進(jìn)行縮放的前提下，確保電子性能的持續(xù)改進(jìn)和提升。

新的研究工作將補(bǔ)充DARPA 去年創(chuàng)建的“聯(lián)合大學(xué)微電子學(xué)計劃”（Joint University Microelectronics Program，JUMP）。在這里，也有必要提一下這個JUMP 計劃。

JUMP 是DARPA 和行業(yè)聯(lián)盟半導(dǎo)體研究公司聯(lián)合資助的最大的基礎(chǔ)電子研究工作。預(yù)計在5 年時間里投入1.5 億美金，聯(lián)合了MIT、伯克利、加州大學(xué)體系里的美國眾多一流高校和研究所，設(shè)置了6 個不同的研究中心，探索6 大不同的方向，是一個多學(xué)科跨領(lǐng)域的大規(guī)模長期合作計劃，目標(biāo)是大幅度提高各類商用和軍用電子系統(tǒng)的性能、效率和能力（performance, efficiency, and capabilities）。

根據(jù)JUMP 計劃的公開資料，這些研究和開發(fā)工作應(yīng)該“為美國國防部在先進(jìn)的雷達(dá)、通信和武器系統(tǒng)方面提供無與倫比的技術(shù)優(yōu)勢，為軍事和工業(yè)部門帶來優(yōu)勢，并為美國的經(jīng)濟(jì)和未來的經(jīng)濟(jì)增長，提供獨(dú)特的信息技術(shù)和對商業(yè)競爭力至關(guān)重要的處理能力”。

JUMP 計劃專注于中長期（8 到12 年）探索性研究，預(yù)期的國防和商業(yè)價值將在2025 到2030 年這個時間線實現(xiàn)。聯(lián)盟致力于將資源集中在高風(fēng)險、高收益、長期創(chuàng)新研究上面，加速電子技術(shù)和電路及子系統(tǒng)的生產(chǎn)力增長和性能提升，從而解決電子和系統(tǒng)技術(shù)中現(xiàn)有的和新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

2017 年9 月公布的ERI 計劃圖

再來看ERI。如果說JUMP 是一個更側(cè)重基礎(chǔ)和研究探索的計劃，那么ERI 則更加實際一點，也更接近產(chǎn)業(yè)。ERI 的三大關(guān)注重點：

- 開發(fā)用于電子設(shè)備的新材料：探索使用非常規(guī)電路元件而非更小的晶體管來大幅提高電路性能。硅是最常見的微系統(tǒng)材料，硅鍺等化合物半導(dǎo)體也在特定應(yīng)用中發(fā)揮了一定的作用，但這些材料的功能靈活性有限。ERI 將表明，元素周期表為下一代邏輯和存儲器組件提供了大量候選材料。研究將著眼于在單個芯片上集成不同的半導(dǎo)體材料，結(jié)合了處理和存儲功能的“粘性邏輯”（sticky logic）設(shè)備，以及垂直而非平面集成微系統(tǒng)組件。

- 開發(fā)將電子設(shè)備集成到復(fù)雜電路中的新體系結(jié)構(gòu)：探索針對其執(zhí)行的特定任務(wù)而優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)。GPU 是機(jī)器學(xué)習(xí)持續(xù)進(jìn)展的基礎(chǔ)，GPU 已經(jīng)證明了從專用硬件體系結(jié)構(gòu)中能夠獲得大幅的性能提升。ERI 將探索其他機(jī)遇，例如能根據(jù)所支持的軟件需求調(diào)整進(jìn)行可重新配置的物理結(jié)構(gòu)。

- 進(jìn)行軟硬件設(shè)計上的創(chuàng)新：重點開發(fā)用于快速設(shè)計和實現(xiàn)專用電路的工具。與通用電路不同，專用電子設(shè)備可以更快、更節(jié)能。盡管DARPA 一直投資于這些用于軍事用途的專用集成電路（ASIC），但ASIC 的開發(fā)可能會花費(fèi)大量時間和費(fèi)用。新的設(shè)計工具和開放源代碼設(shè)計范例可能具有變革性，使創(chuàng)新者能夠快速便宜地為各種商業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建專用電路。

日前在DAC 2018 上公開討論的，正是ERI 計劃中的第三點，用于靈活設(shè)計和開發(fā)芯片的兩項計劃。接下來在7 月ERI 峰會上，會就其他計劃披露更多細(xì)節(jié)。

Chappell 說：“微電子技術(shù)的不斷發(fā)展和日益復(fù)雜化，以及計算、通信、導(dǎo)航和依賴于這些電子設(shè)備的無數(shù)其他技術(shù)的發(fā)展速度令人吃驚，但它們主要發(fā)生在基本相同的硅基方法上。”

“看看在過去的十年里，僅憑手機(jī)技術(shù)，世界已經(jīng)發(fā)生了多大的變化。為了繼續(xù)保持這一發(fā)展步伐，即使我們失去了傳統(tǒng)縮放帶來的好處，我們也需要掙脫傳統(tǒng)，接受ERI 新計劃的全部創(chuàng)新。”

“我們期待與商業(yè)部門、國防工業(yè)基地、學(xué)術(shù)界、國家實驗室和其他創(chuàng)新溫床開展合作，開啟下一次電子革命。”

芯片大廠和重點國防承包商悉數(shù)參與，將“改變整個行業(yè)的經(jīng)濟(jì)狀況”

在奧斯汀舉行的設(shè)計自動化大會（Design Automation Conference）期間，許多行業(yè)高管跟Chappell 見面時，第一次聽說了ERI，而大會吸引了來自Analog Devices，ARM，Cadence，IBM，Intel，Qualcomm，Synopsys，TSMC 和Xilinx 等公司的約60 人參加。

Nvidia 的架構(gòu)研究副總裁Steve Keckler 在活動中介紹了GPU 設(shè)計師與DARPA 合作的情況，他說：“我認(rèn)為ERI 是一個讓更多合作伙伴將產(chǎn)品推向市場的機(jī)會，許多人之前沒有與DARPA 合作過。”

本周，DARPA 在圣何塞舉行了為期兩天的會議，旨在與芯片專家合作并與他們建立合作伙伴關(guān)系。會議有多達(dá)300 人參加，約45 家公司，10 家國防承包商和眾多大學(xué)。

Chappell 在活動休息期間說：這是背后強(qiáng)硬力量的開端（This is the start of something with teeth behind it）。

早些時候，DARPA 在華盛頓特區(qū)與國防承包商舉行了一次會議，以征詢他們的想法。ERI 項目經(jīng)理團(tuán)隊將在9 月份將最佳概念納入正式的提案呼吁。  DARPA 將在接下來的7 個月中挑選和談判獲勝項目的合同，然后才會發(fā)布資金并開始艱苦的工作。

在本文開篇提到的那兩個項目（分別名為DEAS 和POSH），代表了“有史以來最大的EDA研究項目之一”，管理這兩個項目的DARPA 官員Andreas Olofsson 表示。

其共同的目標(biāo)是對抗日益增長的芯片設(shè)計的復(fù)雜性和成問題。實質(zhì)上，POSH 的目標(biāo)是創(chuàng)建一個開源的硅模塊庫，IDEAS 則能夠生成各種開源和商業(yè)工具，以自動測試這些模塊并將其編輯到SoC 和電路板中。

如果成功的話，這些項目“將改變整個行業(yè)的經(jīng)濟(jì)狀況”，使公司能夠設(shè)計出相當(dāng)?shù)腿萘啃酒@在今天是不可想象的。Olofsson說，它還可能為在政府安全機(jī)制下工作的設(shè)計人員打開一扇門，他們可以針對毫秒級的延遲制定自己的SoC，而不需要通過商業(yè)公司實現(xiàn)。

“最重要的是，我們必須改變硬件設(shè)計的文化。現(xiàn)在，我們沒有開放共享……但是在軟件方面，Linux 已經(jīng)做到了。共享軟件成本是業(yè)界的最佳選擇，我們也可以共享一些硬件組件。

Olofsson 呼吁將更多的專業(yè)知識直接嵌入到設(shè)計工具中。這些程序的目標(biāo)是為芯片和電路板提供更自動化的數(shù)字和模擬工具。

來源：EETimes；DARPA /新智元

參考資料

DARPA ERI：https://www.darpa.mil/news-events/2017-06-01     
JUMP：https://www.src.org/compete/s201617/     
https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1333422