美國DARPA 官員日前首次公開討論了美國“電子復興計劃”初步細節。計劃未來五年投入超過20 億美元，聯合國防工業基地、學術界、國家實驗室和其他創新溫床，開啟下一次電子革命。美國因其在半導體領域的優勢而成為20世紀的科技強國。如今，在摩爾定律走向終結，人工智能和量子等新興技術及產業涌現的當下，美國正在積極計劃開創他們下一個十年乃至百年的領先。

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

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，在剛剛結束的設計自動化大會（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“電子復興計劃”（Electronics Resurgence Initiative，ERI）的一部分。電子復興計劃（ERI）由DARPA 管理，預計在未來五年投入15 億美元，推動美國電子行業向前發展。

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“電子復興計劃峰會”，匯聚受摩爾定律影響最大的企業，包括來自商業部門、國防工業基地、學術界和政府的高級代表，就電子、人工智能、光子等五大領域的未來研究計劃展開頭腦風暴，共同塑造美國半導體創新的未來方向。

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體領域的領先地位，享受到了經濟、政治和國家安全上的優勢。如今，在摩爾定律走向終結，電子領域急需轉變突破的關鍵點，在人工智能和量子等新興技術及產業涌現的當下，美國正在積極計劃開創他們下一個十年乃至百年的領先。

人類歷史上最重要的技術軌跡走向停滯，技術創新和進步更加大膽的時代即將開始

電子復興計劃的源起，是美國國防部在2018 年財政年度預算中，提出給DARPA 補充撥款7500 萬美元，聯合公共部門和私人企業，提升芯片性能，方法包括但不限于：不斷縮小元件體積，全新的微系統材料，設計和架構的創新。

之所以說“補充”，是因為國防部此前已經計劃撥款2 億美元，用于協調電子和光子相關系統方面的工作，此外還不算商業部門的額外投資。

目前，微系統技術界經過20 世紀高速發展后，正陷入一系列可以預期的長期發展障礙。微電子革命始于第二次世界大戰后晶體管的發明，如今，一片小小片的芯片上已經可以容納幾十億的晶體管。但轉折點已經到來。

“近70 年來，美國一直享受著由電子創新領先地位而帶來的經濟和安全優勢，”DARPA 微系統技術辦公室（MTO）主管Bill Chappell 說。“如果我們想保持領先地位，就需要推動一場不依賴傳統方法取得進展的電子革命。電子復興計劃的要點，就是通過電路專業化（circuit specialization）來爭取進步，并理清下一階段進步的復雜性，這將對商業和國防利益產生深遠的影響。”

電子革命，20世紀最偉大的科技發展奇跡之一

為了理解美國電子復興計劃意在實現的變革的重要性，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），悄然出現了一個叫做“晶體管”(transistor)的詞。

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

昨天，一種叫做晶體管的設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備中有幾項應用。

當天《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目

結尾卻落腳到一則技術新聞，“晶體管”在這里第一次出現。圖片來源：rarenewspapers

從真空管到晶體管的轉變被證明是劃時代的，在晶體管之上，我們構筑起了超過70 年的電子技術發展。

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，現在回頭看，這個發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，很多硅時代的進步，包括半導體材料的基本進步，大規模集成和精密制造，也都是在DARPA 的支持和推動下得以實現。

但是，與大多數發展道路一樣，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，注定將觸到物理學和經濟學的極限。隨著這個轉折點的臨近，微電子技術的發展將需要一個新的創新階段，從而繼續保持電子創新的現代奇跡。

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

這也是DARPA 發起ERI 的初衷。

ERI 計劃：拼湊起來的微電子模塊體現了眾多參加過以前DARPA-行業-學術合作的大學團體所完成的工作。DARPA 新的ERI 電子復興計劃正在推動微系統結構和功能的新時代。來源：DARPA

電子復興計劃：預期的商業和國防利益將在2025-2030年實現

根據公開資料，電子復興計劃將專注于開發用于電子設備的新材料，開發將電子設備集成到復雜電路中的新體系結構，以及進行軟硬件設計上的創新。

這一切，都是為了在將微系統設計變為現實產品的時候比以往更加高效。這也意味著，電子復興計劃的技術重點，是在不進行縮放的前提下，確保電子性能的持續改進和提升。

新的研究工作將補充DARPA 去年創建的“聯合大學微電子學計劃”（Joint University Microelectronics Program，JUMP）。在這里，也有必要提一下這個JUMP 計劃。

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

根據JUMP 計劃的公開資料，這些研究和開發工作應該“為美國國防部在先進的雷達、通信和武器系統方面提供無與倫比的技術優勢，為軍事和工業部門帶來優勢，并為美國的經濟和未來的經濟增長，提供獨特的信息技術和對商業競爭力至關重要的處理能力”。

JUMP 計劃專注于中長期（8 到12 年）探索性研究，預期的國防和商業價值將在2025 到2030 年這個時間線實現。聯盟致力于將資源集中在高風險、高收益、長期創新研究上面，加速電子技術和電路及子系統的生產力增長和性能提升，從而解決電子和系統技術中現有的和新出現的挑戰。

2017 年9 月公布的ERI 計劃圖

再來看ERI。如果說JUMP 是一個更側重基礎和研究探索的計劃，那么ERI 則更加實際一點，也更接近產業。ERI 的三大關注重點：

- 開發用于電子設備的新材料：探索使用非常規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材料，硅鍺等化合物半導體也在特定應用中發揮了一定的作用，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體材料，結合了處理和存儲功能的“粘性邏輯”（sticky logic）設備，以及垂直而非平面集成微系統組件。

- 開發將電子設備集成到復雜電路中的新體系結構：探索針對其執行的特定任務而優化的電路結構。GPU 是機器學習持續進展的基礎，GPU 已經證明了從專用硬件體系結構中能夠獲得大幅的性能提升。ERI 將探索其他機遇，例如能根據所支持的軟件需求調整進行可重新配置的物理結構。

- 進行軟硬件設計上的創新：重點開發用于快速設計和實現專用電路的工具。與通用電路不同，專用電子設備可以更快、更節能。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 的開發可能會花費大量時間和費用。新的設計工具和開放源代碼設計范例可能具有變革性，使創新者能夠快速便宜地為各種商業應用創建專用電路。

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

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

“看看在過去的十年里，僅憑手機技術，世界已經發生了多大的變化。為了繼續保持這一發展步伐，即使我們失去了傳統縮放帶來的好處，我們也需要掙脫傳統，接受ERI 新計劃的全部創新。”

“我們期待與商業部門、國防工業基地、學術界、國家實驗室和其他創新溫床開展合作，開啟下一次電子革命。”

芯片大廠和重點國防承包商悉數參與，將“改變整個行業的經濟狀況”

在奧斯汀舉行的設計自動化大會（Design Automation Conference）期間，許多行業高管跟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 的架構研究副總裁Steve Keckler 在活動中介紹了GPU 設計師與DARPA 合作的情況，他說：“我認為ERI 是一個讓更多合作伙伴將產品推向市場的機會，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系。會議有多達300 人參加，約45 家公司，10 家國防承包商和眾多大學。

Chappell 在活動休息期間說：這是背后強硬力量的開端（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 項目經理團隊將在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。

其共同的目標是對抗日益增長的芯片設計的復雜性和成問題。實質上，POSH 的目標是創建一個開源的硅模塊庫，IDEAS 則能夠生成各種開源和商業工具，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“將改變整個行業的經濟狀況”，使公司能夠設計出相當低容量芯片，這在今天是不可想象的。Olofsson說，它還可能為在政府安全機制下工作的設計人員打開一扇門，他們可以針對毫秒級的延遲制定自己的SoC，而不需要通過商業公司實現。

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

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

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