首发 | 美国“电子复兴计划”中的先导类项目概况

时事 2024-11-06 18:10 北京

先导类项目是DARPA“电子复兴计划”3大项目群之一，主要聚焦微电子技术发展，致力于提升集成电路产品性能的基础研究和前沿探索，先于“电子复兴计划”启动，后纳入“电子复兴计划”，为“电子复兴计划”提供了牵引，也是“电子复兴计划”的重要基础。

项目布局

先导类项目于15年后陆续启动，2017年被纳入“电子复兴计划”，2023年结束，经费投入合计2.39亿元。2019年7月，“电子复兴计划”将该类项目研究重点划为三维异构集成、设计与安全、专用功能3大方向，包括“通用异构集成与知识产权复用策略”等6个项目。

三维异构集成方向，安排“通用异构集成与知识产权复用策略”项目。2015年启动，2022年结束，经费投入0.7亿美元，重点研发芯粒互联技术，旨在绕过制程工艺发展瓶颈，通过封装手段提升芯片晶体管集成密度，既快速实现国防部小批量专用集成电路的设计和制造，又降低时间和成本压力。

“更快速实现电路设计”项目画像

设计与安全方向，安排“更快速实现电路设计”和“硬件固件整合系统安全”2个项目。其中，“更快速实现电路设计”项目于2016年启动，2019年结束，经费投入3亿美元，重点构建知识产权复用、优化芯片设计流程，旨在大幅压缩美国防部定制的高性能专用集成电路设计周期和设计成本，以满足国防部先进武器系统对定制电路的快速研发要求；“硬件固件整合系统安全”项目2017年启动，2021年结束，经费投入0.22亿美元，重点开发安全的硬件体系结构和工具，旨在从源头解决硬件中的潜在漏洞，实现集成电路内生安全，改变依赖软件补丁保护系统安全的局面，进一步提升美国网络安全防护能力。

“层次识别验证开发”项目画像

专用功能方向，主要安排“层次识别验证开发”“终身机器学习”和“近零功耗射频与传感器”3个项目。其中“层次识别验证开发”项目于2016年启动，于2023年结束，经费投入0.8亿美元，重点研发新型系统架构，开发适合稀疏数据处理的高性能处理器，解决通用处理器效率低、功耗大、处理实时性不高等问题，进一步提升网络安全、基础设施监控和社交媒体分析等能力；“终身机器学习”项目于2017年启动，2023年结束，经费投入0.06亿美元，重点研发类生物智能机器学习技术，解决现有人工智能依赖前期训练无法处理未知情况的问题，以提升人工智能对新环境的适应性；“近零功耗射频与传感器”项目于2015年启动，2019年结束，经费投入0.3亿美元，重点研发能量信号探测预警传感器技术，解决现有战场无人值守网络传感器系统因功耗大而影响实用性的问题，以提升美国战场态势感知能力。

典型项目进展情况

从目前掌握情况看，“电子复兴计划”先导类6个项目已完成攻关，基本达到预期目标。

三维异构集成方向，“通用异构集成与知识产权复用策略”项目实现预期目标。2019年，美英特尔公司发布高级接口总线的芯粒间互联标准，并将其用于英特尔最新系列现场可编程门阵列产品；2020年8月，密歇根大学发布了芯粒集成架构、芯片和封装协同设计自动化工具，为实现芯粒设计制造和集成提供了条件。

“通用异构集成与知识产权复用策略”项目画像

设计与安全方向，两个项目均已实现预期目标。其中，在“更快速实现电路设计”项目中，美南加州大学提出定制化的IC设计流程，采用标准流程将片上系统设计工作量缩小到原来的1/10，实现了IC知识产权的复用和军用芯片的代工/设计聚合服务；密歇根大学创新了可重用、模块化和自动化设计流程，基于该流程，仅用9个月就完成了复杂芯片的全流程设计；英伟达公司采用高级设计综合技术、多芯片模组封装技术和自动化设计流程，仅不到10名研究人员在6个月内就完成了复杂芯片设计和验证，工作量减少到原来的1/10，周期大幅缩短。在“硬件固件整合系统安全”项目中，2020年7月—10月，美DARPA举办首个漏洞赏金计划，邀请安全众包公司对项目研发的新型安全硬件架构进行压力试验，近600名研究人员花费13000多个小时对原型验证系统进行攻击，仅发现10个有效漏洞；2021年7月，洛·马公司利用该项目研发的技术，为美空军研究实验室开发出安全架构专用集成电路。

专用功能方向，3个项目均已基本完成，实现预期目标。其中，在“层次识别验证开发”项目中，美英特尔公司开发出基于可编程集成统一存储器体系架构的图形处理器，与典型图形处理器系统相比，性能平均提升129倍，最高提升521倍；在全球高性能芯片顶级会议上，英特尔公司展示了基于该架构的1太比特/秒硅光互联528线程处理器。在“终身机器学习”项目中，泰莱达技术公司提出了一种与人脑神经调节机制相似的人工智能算法，可持续学习且自我监督，已成功用于无人机目标识别训练；南加州大学开发出一种机器人肢体的仿生算法，应用该算法的机器人，能以类似动物的肌腱驱动，甚至可在没有先验知识的情况下学会行走；休斯研究实验室基于海马体和大脑皮层的双重记忆体结构的研究，开发出超级图灵进化终身学习架构，该架构可以根据经验不断学习，提高性能并更新知识，且无需人工监督。在“近零功耗射频与传感器”项目中，加州大学圣迭戈分校利用组合技术实现产品待机功耗仅为4.5纳瓦；查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室利用组合技术，实现产品待机功耗低于1纳瓦，工作功耗低于10纳瓦；安谋科技公司开发出一款功率配置与近零功耗传感器相匹配的微控制器，待机功耗仅为10纳瓦。

实施成效

“电子复兴计划”先导类项目突破了大批微电子前沿技术，推动了集成电路设计工具和设计模式的创新，探索了国防专用集成电路设计制造降本增效的新路径，取得了大量研究成果，在推进美国电子技术跨越发展上发挥了重要作用。

芯粒互联等重点技术取得突破，将引发集成电路全产业链各环节创新发展。“通用异构集成与知识产权复用策略”项目突破了数字系统模块化技术、模拟系统模块化技术、异构集成技术以及开发工具和评估技术等，打通了从芯粒标准制定、芯粒生成、芯粒集成到系统评价的全流程，探索了提升芯片晶体管集成密度、实现产品低成本快速定制的新方法，推动了芯粒互联从概念研究走向现实应用。在该项目推动下，英特尔与超微半导体、安谋科技、高通、三星、台积电等十大行业巨头共同成立了芯粒标准联盟，形成了通用芯粒互联标准规范，为建立更广泛的芯粒互联开放生态系统奠定了基础，这将推动电子设计自动化工具、设计、制造、封装、测试等集成电路全产业链环节创新发展。

设计流程与工具优化技术降低了设计门槛，将推动微电子技术更广泛发展。“更快速实现电路设计”项目利用高层次综合技术、机器学习技术、知识产权复用技术和自动化生成器技术，对芯片设计流程与工具进行了大幅优化，效果显著，经验证，设计周期缩短至原来的1/10以下。项目成果解决了单片电路设计周期长、人员投入多、设计成本高等问题，降低了芯片设计的门槛，这将吸引更多的风险投资和创业团队进入微电子行业，从而推动微电子技术更广泛发展。

机器学习、传感网络等前沿技术实现突破，为微电子技术创新发展开辟了更广阔前景。“层次识别验证开发”“终身机器学习”“近零功耗射频与传感器”项目在大数据分析、机器学习、传感网络等方面实现重大技术突破。在大数据分析方面，突破了架构设计和内存优化技术，研发了可编程集成的统一存储器体系架构，有效解决了通用处理器内存墙和多节点系统并行化问题。基于该架构，英特尔开发了适用稀疏数据处理的高性能处理器，其处理流图的速度预计比当前快1000倍，这将帮助美国解决在网络安全、基础设施监控和社交媒体领域的严峻挑战。在机器学习方面，突破了机器自主学习技术、监控技术，探索了人工智能自主长期学习机制和方法，未来有望使人工智能产品在遇到无法预知的事件、元素、情景时仍可从容应对。在传感网络方面，突破了射频接收机组合技术、射频接收机氮化铝射频直流转换技术、集成温度传感器芯片技术等多项实现近零功耗的关键技术，几乎覆盖了准静态、机械波谱、电磁波谱、光谱范围内的所有近零功耗传感器技术，为构建极低功耗值守型态势感知信息系统提供了核心技术保证。

目前，“电子复兴计划”的上述先导类项目已基本完成，并取得系列研究成果。2023年11月，DARPA公开提出“三维异构集成将是推动微电子创新下一波浪潮的主要力量”，并建议为此专门成立美国先进微电子制造中心。鉴此，对先导类项目成果应用及后续布局发展情况，应持续密切关注，加强研究。

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