来源：国防科技信息网，作者：工业和信息化部电子第一研究所 李铁成
【据DARPA官方网站2017年9月13日报道】DARPA宣布引入新的投资项目来进一步推进“电子复兴”计划。“电子复兴”计划（ERI：Electronics Resurgence Initiative）于2017年6月正式启动，DARPA期望通过该计划开启全新的创新途径，来应对微电子技术领域即将要面对的来自工程技术和经济成本方面的挑战。对于已持续发展了半个世纪的微电子技术，这些问题得如果不到解决，势必会影响未来的发展。为保持电子行业健康的发展势头，DARPA“电子复兴”计划将在接下来的四年里投入数亿美元资金，以扶持和培养在先进材料、电路设计工具和系统架构三方面的创新性研究。除了DARPA的现有项目和当前美国最大的大学基础电子研究项目“联合大学微电子项目”（JUMP）之外，DARPA又通过发布三个广泛机构公告（BAAs）在“电子复兴”计划中增添了六个全新的项目。
DARPA“电子复兴”计划新增的六个项目分别为：
“三维单芯片系统”（3DSoC：Three Dimensional Monolithic
System-on-a-Chip）项目
“新式计算基础需求”（FRANC：Foundations Required for Novel
Compute）项目
“电子设备智能设计”（IDEA：Intelligent Design of Electronic
Assets）项目
“高端开源硬件”（POSH：Posh Open Source Hardware）项目
“软件定义硬件”（SDH：Software Defined Hardware）项目
“特定领域片上系统”（DDSoC：Domain-Specific System on a Chip）项目。
其中，3DSoC和FRANC项目为“电子复兴”计划材料和集成支柱领域提供支撑，IDEA和POSH项目为“电子复兴”计划电路设计支柱领域提供支撑，SDH和DDSoC为“电子复兴”计划系统架构领域提供支撑。
ERI材料和集成领域新项目：3DSoC和FRANC
为了回答“我们是否可以利用非传统电子材料集成来增强传统硅集成电路以及实现与传统等比例缩放思路相关的性能提升？”这一问题，DARPA决定开展“三维单芯片系统”（3DSoC）和“新式计算基础需求”（FRANC）两个新项目。计划大纲详见编号为HR001117S00056的广泛机构公告（BAAs）文件。
“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。
“新式计算基础需求”（FRANC）项目：此项目的目标是超越传统逻辑和存储功能相分离的冯诺依曼架构（以数学、物理学和计算机科学先驱约翰冯诺依曼命名）。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”。
ERI电路设计领域新项目：IDEA和POSH
为了回答“我们是否可以降低设计现代片上系统的复杂度、缩短设计所需时间，并开创电路和系统专门化的全新时代？”这一问题，DARPA决定开展“电子设备智能设计”（IDEA）和“高端开源硬件”（POSH）两个新项目。计划大纲详见编号为HR001117S0054的广泛机构公告（BAAs）文件。
“电子设备智能设计”（IDEA）项目：该项目的最终目标之一是实现“设计过程中无人干预”的能力，甚至在混合信号集成电路、多集成电路模块系统级封装和印刷电路板等复杂电子技术的24小时设计框架中也无需专家进行设计。
“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。
ERI系统架构领域新项目：SDH和DDSoC
为了回答“我们是否能够在继续依赖传统编程结构的情况下，获得专用化芯片所带来的好处？”这一问题，DARPA决定开展“软件定义硬件”（SDH）和“特定领域片上系统”（DDSoC）两个新项目。计划大纲详见编号为HR001117S0055的广泛机构公告（BAAs）文件。
“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。
“特定领域片上系统”（DDSoC）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。
新项目与DARPA现有项目和JUMP计划相结合可构成实现下一阶段创新的更为坚实的基础，并在2025年到2030年时间框架内提供对国家安全至关重要的电子技术能力。
下一步，将汇集对这六个新项目感兴趣的研究人员，开展项目“提案者日”（Proposers Day）活动，以推动新项目的顺利运行。其中，系统架构领域的SDH和DDSoC项目的“提案者日”活动，分别已于9月18和19日两天在弗吉尼亚州阿林顿举行。电路设计领域的IDEA和POSH项目的“提案者日”活动将于9月22日在加州山景城举行。材料和集成领域的FRANC项目已于9月15日以网络研讨会的形式举行相关活动。DDSoC项目“提案者日”活动定于9月22日在DARPA位于阿林顿的总部举行。关于这些“提案者日”的更多细节，详见DARPA编号为DARPA-SN-17-75的特别通知。
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超越传统等比例缩放思路
DARPA提出“电子复兴”新举措
来源：易索芯科技（ID：E-Research）
美国防部在其2018财年预算中为DARPA提供了一笔价值7500万美元的基金拨款，用于支持其开展一项政府与民间范畴的“电子复兴”新举措（下称新举措）。该项新举措的提出旨在为电子产品性能提升不再单单依靠器件的小型化而是从根本上采用全新的微系统材料、设计及架构的新时代打好坚实的基础。这笔新基金将作为2018财年DARPA在电子学、光子学及相关系统研发领域投入经费的补充，进而开创一个价值超过2亿美元，后续由重要商业部门投资作进一步补充的合作机制。
新举措诞生的时期正是微系统技术行业在长达数十年不间断的传奇式发展后预计将长期面临一系列发展障碍的时期。二战后由晶体管的发明所引发的微电子技术革命使我们拥有了今天能容纳数以亿计微小晶体管数字开关的集成电路芯片。然而，当前的微电子技术发展正处在一个转折点。超越这一转折点的创新者将不再仅仅依赖于通过将越来越多的电子器件挤进越来越小的空间内的方式来获得器件性能的提升。
新举措的负责人，DARPA微系统技术办公室（MTO）主任比尔·查普尔指出：“将近七十多年以来，美国作为世界电子科技创新的引领者已经享有了经济和安全方面的优势。如果我们想要继续保持领先，就必须掀起一场全新的不依赖于传统获得进步的方法的电子技术革命。这正是新举措的重点所在——通过电路专门化实现技术进步以及讨论下一阶段对商业及国防利益均会产生广泛影响的技术进展的复杂性。”
想要了解新举措实现之后所能带来变化究竟会有多大，可以回顾于1948年7月1日悄悄公之于众的上一次类似的范式转变。就是在那时，“晶体管”一词在《纽约时报》D4页首次低调亮相。当天的“广播电台新闻”栏目以介绍两个新的电台节目开始，而以一些鲜为人知的科技新闻结尾：“一种被称为晶体管的器件昨天首次被证实可以应用于通常以真空管为核心的收音机中。”这一由真空管向晶体管的转变被证明是具有里程碑式意义的，开启了电子科技长达70多年的通过增加微型元器件集成数量来获得电子产品性能改善的道路。
例如，在晶体管问世10年之后，德州仪器的杰克·凯比展示了第一个集成电路——这是一个伟大的突破，自此所有电路元件都可以共享由半导体材料制成的单芯片上的空间且开辟出一条看似不可思议的晶体管持续微型化的道路。谈到现代化，没有什么能比作为当今巨大且多样化技术环境基础的微电子芯片更具代表性的了。
然而，凡是道路总会有走到尽头的时候。电子器件神奇般的微型化，正如著名的摩尔定律（以英特尔联合创始人戈登·摩尔的名字命名）描述的那样实现了以越来越低的单位成本产出越来越强的计算能力，但注定会遇到物理学和经济学上的局限性。随着这一转折点的临近，微电子技术的持续发展将需要一个新的创新阶段来维持和推动电子技术创新的现代奇迹继续前行。这一转折点不仅标志着人类历史上一个最重要的技术发展轨迹的改变，而且还标志着一个技术创新和发展更为大胆的时代。这正是DARPA新举措的用武之地。
新举措旨在通过专注于开发可用于电子器件的新型材料、可将器件集成为复杂电路的全新架构以及能够使微系统设计以前所未有的高效率转化为现实的软硬件设计创新，在不依赖于传统等比例缩放思路的条件下，实现电子器件性能的持续提升。未来的几个月，DARPA微系统技术办公室（MTO）将通过技术讨论、研讨会及其它渠道与微电子行业团体进行交流和沟通，来建立一个相互协作、成本分担的研究议程，从而引领微系统进入一个激动人心的创新新时代。新的研究计划将作为DARPA最近刚刚设立的最大规模的大学基础电子学研究项目 “联合大学微电子项目”（JUMP）的补充。JUMP由DARPA和半导体研究公司（一个行业协会）共同出资设立。
图1 拼图中的微电子芯片都是之前参与过DARPA-产业界-学术界合作项目的众多大学研究团体所完成的具有代表性研究工作成果。新举措的执行将为未来电子技术的发展开创一个什么样的时代？将会取得哪些成果？我们拭目以待！
新举措的主要内容分为材料、架构和设计三个部分：
材料部分
新举措的材料部分将探索利用非常规的电路材料，在无需更小晶体管的情况下，大幅提高电路性能。尽管硅是我们最为熟悉的制造微系统的材料，锗硅等化合物半导体材料也在微系统制造中扮演着恰当的角色，但这些材料在功能上的灵活性有限且只能存在于单一平面层内。为制造下一代逻辑和存储器件，新举措将进一步研究和挖掘周期表内所有可能的候选材料。研究工作将着眼于开发在单片上集成不同的半导体材料的新方法、将逻辑处理及存储功能相结合的“粘性逻辑”器件以及微系统器件的非平面垂直集成工艺。
架构部分
新举措的架构部分将研究针对所执行专门任务的最优化的电路结构。已为机器学习的发展做出很多贡献的图形处理单元（GPU），已经证明了通过专门硬件架构可以获得性能上的提升。新举措还将继续探索其它的可能性，例如可根据所支持的软件需求进行调整的可重构物理架构。
设计部分
新举措的设计部分将专注于研发可对专门电路进行快速设计和实现的开发工具。与一般用途的电路相比，专门电路更快、更节能。尽管DARPA一直寄希望于发展军事专用集成电路（ASICs），但是专用集成电路的开发成本太高、且非常耗时。新的设计工具和开放源码的设计范式可能会改变这一现状，使得创新人员可以快速而廉价地为一系列商业应用创建专门电路。
查普尔指出：“令人震惊的是，微电子技术、计算技术、通信技术、导航技术以及数不清的依靠这些电子技术的其它技术的扩展和日益成熟，基本上都是基于同样的硅基方法。我们看看在刚刚过去的十年时间里，仅仅由于移动电话技术的发展就给这个世界带来了多么大的变化。为了在传统等比例缩放方法逐渐失效的情况下，继续保持向前发展的步伐，我们需要打破传统，接受新举措所提出的各种创新思路。我们期待与事业部门、国防工业基地、学术界、国家实验室以及其他技术创新的温床紧密合作，共同发起一场新的电子技术革命。”
