美國“電子復(fù)興計劃”中的先導(dǎo)類項目概況

先導(dǎo)類項目是DARPA“電子復(fù)興計劃”3大項目群之一，主要聚焦微電子技術(shù)發(fā)展，致力于提升集成電路產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)研究和前沿探索，先于“電子復(fù)興計劃”啟動，后納入“電子復(fù)興計劃”，為“電子復(fù)興計劃”提供了牽引，也是“電子復(fù)興計劃”的重要基礎(chǔ)。

項目布局

先導(dǎo)類項目于15年后陸續(xù)啟動，2017年被納入“電子復(fù)興計劃”，2023年結(jié)束，經(jīng)費投入合計2.39億元。2019年7月，“電子復(fù)興計劃”將該類項目研究重點劃為三維異構(gòu)集成、設(shè)計與安全、專用功能3大方向，包括“通用異構(gòu)集成與知識產(chǎn)權(quán)復(fù)用策略”等6個項目。

三維異構(gòu)集成方向，安排“通用異構(gòu)集成與知識產(chǎn)權(quán)復(fù)用策略”項目。2015年啟動，2022年結(jié)束，經(jīng)費投入0.7億美元，重點研發(fā)芯粒互聯(lián)技術(shù)，旨在繞過制程工藝發(fā)展瓶頸，通過封裝手段提升芯片晶體管集成密度，既快速實現(xiàn)國防部小批量專用集成電路的設(shè)計和制造，又降低時間和成本壓力。

設(shè)計與安全方向，安排“更快速實現(xiàn)電路設(shè)計”和“硬件固件整合系統(tǒng)安全”2個項目。其中，“更快速實現(xiàn)電路設(shè)計”項目于2016年啟動，2019年結(jié)束，經(jīng)費投入3億美元，重點構(gòu)建知識產(chǎn)權(quán)復(fù)用、優(yōu)化芯片設(shè)計流程，旨在大幅壓縮美國防部定制的高性能專用集成電路設(shè)計周期和設(shè)計成本，以滿足國防部先進(jìn)武器系統(tǒng)對定制電路的快速研發(fā)要求；“硬件固件整合系統(tǒng)安全”項目2017年啟動，2021年結(jié)束，經(jīng)費投入0.22億美元，重點開發(fā)安全的硬件體系結(jié)構(gòu)和工具，旨在從源頭解決硬件中的潛在漏洞，實現(xiàn)集成電路內(nèi)生安全，改變依賴軟件補(bǔ)丁保護(hù)系統(tǒng)安全的局面，進(jìn)一步提升美國網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力。

專用功能方向，主要安排“層次識別驗證開發(fā)”“終身機(jī)器學(xué)習(xí)”和“近零功耗射頻與傳感器”3個項目。其中“層次識別驗證開發(fā)”項目于2016年啟動，于2023年結(jié)束，經(jīng)費投入0.8億美元，重點研發(fā)新型系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)適合稀疏數(shù)據(jù)處理的高性能處理器，解決通用處理器效率低、功耗大、處理實時性不高等問題，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)安全、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控和社交媒體分析等能力；“終身機(jī)器學(xué)習(xí)”項目于2017年啟動，2023年結(jié)束，經(jīng)費投入0.06億美元，重點研發(fā)類生物智能機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，解決現(xiàn)有人工智能依賴前期訓(xùn)練無法處理未知情況的問題，以提升人工智能對新環(huán)境的適應(yīng)性；“近零功耗射頻與傳感器”項目于2015年啟動，2019年結(jié)束，經(jīng)費投入0.3億美元，重點研發(fā)能量信號探測預(yù)警傳感器技術(shù)，解決現(xiàn)有戰(zhàn)場無人值守網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)因功耗大而影響實用性的問題，以提升美國戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力。

典型項目進(jìn)展情況

從目前掌握情況看，“電子復(fù)興計劃”先導(dǎo)類6個項目已完成攻關(guān)，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

三維異構(gòu)集成方向，“通用異構(gòu)集成與知識產(chǎn)權(quán)復(fù)用策略”項目實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。2019年，美英特爾公司發(fā)布高級接口總線的芯粒間互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，并將其用于英特爾最新系列現(xiàn)場可編程門陣列產(chǎn)品；2020年8月，密歇根大學(xué)發(fā)布了芯粒集成架構(gòu)、芯片和封裝協(xié)同設(shè)計自動化工具，為實現(xiàn)芯粒設(shè)計制造和集成提供了條件。

設(shè)計與安全方向，兩個項目均已實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。其中，在“更快速實現(xiàn)電路設(shè)計”項目中，美南加州大學(xué)提出定制化的IC設(shè)計流程，采用標(biāo)準(zhǔn)流程將片上系統(tǒng)設(shè)計工作量縮小到原來的1/10，實現(xiàn)了IC知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)用和軍用芯片的代工/設(shè)計聚合服務(wù)；密歇根大學(xué)創(chuàng)新了可重用、模塊化和自動化設(shè)計流程，基于該流程，僅用9個月就完成了復(fù)雜芯片的全流程設(shè)計；英偉達(dá)公司采用高級設(shè)計綜合技術(shù)、多芯片模組封裝技術(shù)和自動化設(shè)計流程，僅不到10名研究人員在6個月內(nèi)就完成了復(fù)雜芯片設(shè)計和驗證，工作量減少到原來的1/10，周期大幅縮短。在“硬件固件整合系統(tǒng)安全”項目中，2020年7月—10月，美DARPA舉辦首個漏洞賞金計劃，邀請安全眾包公司對項目研發(fā)的新型安全硬件架構(gòu)進(jìn)行壓力試驗，近600名研究人員花費13000多個小時對原型驗證系統(tǒng)進(jìn)行攻擊，僅發(fā)現(xiàn)10個有效漏洞；2021年7月，洛·馬公司利用該項目研發(fā)的技術(shù)，為美空軍研究實驗室開發(fā)出安全架構(gòu)專用集成電路。

專用功能方向，3個項目均已基本完成，實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。其中，在“層次識別驗證開發(fā)”項目中，美英特爾公司開發(fā)出基于可編程集成統(tǒng)一存儲器體系架構(gòu)的圖形處理器，與典型圖形處理器系統(tǒng)相比，性能平均提升129倍，最高提升521倍；在全球高性能芯片頂級會議上，英特爾公司展示了基于該架構(gòu)的1太比特/秒硅光互聯(lián)528線程處理器。在“終身機(jī)器學(xué)習(xí)”項目中，泰萊達(dá)技術(shù)公司提出了一種與人腦神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制相似的人工智能算法，可持續(xù)學(xué)習(xí)且自我監(jiān)督，已成功用于無人機(jī)目標(biāo)識別訓(xùn)練；南加州大學(xué)開發(fā)出一種機(jī)器人肢體的仿生算法，應(yīng)用該算法的機(jī)器人，能以類似動物的肌腱驅(qū)動，甚至可在沒有先驗知識的情況下學(xué)會行走；休斯研究實驗室基于海馬體和大腦皮層的雙重記憶體結(jié)構(gòu)的研究，開發(fā)出超級圖靈進(jìn)化終身學(xué)習(xí)架構(gòu)，該架構(gòu)可以根據(jù)經(jīng)驗不斷學(xué)習(xí)，提高性能并更新知識，且無需人工監(jiān)督。在“近零功耗射頻與傳感器”項目中，加州大學(xué)圣迭戈分校利用組合技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品待機(jī)功耗僅為4.5納瓦；查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室利用組合技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品待機(jī)功耗低于1納瓦，工作功耗低于10納瓦；安謀科技公司開發(fā)出一款功率配置與近零功耗傳感器相匹配的微控制器，待機(jī)功耗僅為10納瓦。

實施成效

“電子復(fù)興計劃”先導(dǎo)類項目突破了大批微電子前沿技術(shù)，推動了集成電路設(shè)計工具和設(shè)計模式的創(chuàng)新，探索了國防專用集成電路設(shè)計制造降本增效的新路徑，取得了大量研究成果，在推進(jìn)美國電子技術(shù)跨越發(fā)展上發(fā)揮了重要作用。

芯?；ヂ?lián)等重點技術(shù)取得突破，將引發(fā)集成電路全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)創(chuàng)新發(fā)展?！巴ㄓ卯悩?gòu)集成與知識產(chǎn)權(quán)復(fù)用策略”項目突破了數(shù)字系統(tǒng)模塊化技術(shù)、模擬系統(tǒng)模塊化技術(shù)、異構(gòu)集成技術(shù)以及開發(fā)工具和評估技術(shù)等，打通了從芯粒標(biāo)準(zhǔn)制定、芯粒生成、芯粒集成到系統(tǒng)評價的全流程，探索了提升芯片晶體管集成密度、實現(xiàn)產(chǎn)品低成本快速定制的新方法，推動了芯?；ヂ?lián)從概念研究走向現(xiàn)實應(yīng)用。在該項目推動下，英特爾與超微半導(dǎo)體、安謀科技、高通、三星、臺積電等十大行業(yè)巨頭共同成立了芯粒標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，形成了通用芯?；ヂ?lián)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為建立更廣泛的芯粒互聯(lián)開放生態(tài)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，這將推動電子設(shè)計自動化工具、設(shè)計、制造、封裝、測試等集成電路全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)創(chuàng)新發(fā)展。

設(shè)計流程與工具優(yōu)化技術(shù)降低了設(shè)計門檻，將推動微電子技術(shù)更廣泛發(fā)展?！案焖賹崿F(xiàn)電路設(shè)計”項目利用高層次綜合技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)復(fù)用技術(shù)和自動化生成器技術(shù)，對芯片設(shè)計流程與工具進(jìn)行了大幅優(yōu)化，效果顯著，經(jīng)驗證，設(shè)計周期縮短至原來的1/10以下。項目成果解決了單片電路設(shè)計周期長、人員投入多、設(shè)計成本高等問題，降低了芯片設(shè)計的門檻，這將吸引更多的風(fēng)險投資和創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊進(jìn)入微電子行業(yè)，從而推動微電子技術(shù)更廣泛發(fā)展。

機(jī)器學(xué)習(xí)、傳感網(wǎng)絡(luò)等前沿技術(shù)實現(xiàn)突破，為微電子技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展開辟了更廣闊前景?！皩哟巫R別驗證開發(fā)”“終身機(jī)器學(xué)習(xí)”“近零功耗射頻與傳感器”項目在大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、傳感網(wǎng)絡(luò)等方面實現(xiàn)重大技術(shù)突破。在大數(shù)據(jù)分析方面，突破了架構(gòu)設(shè)計和內(nèi)存優(yōu)化技術(shù)，研發(fā)了可編程集成的統(tǒng)一存儲器體系架構(gòu)，有效解決了通用處理器內(nèi)存墻和多節(jié)點系統(tǒng)并行化問題?；谠摷軜?gòu)，英特爾開發(fā)了適用稀疏數(shù)據(jù)處理的高性能處理器，其處理流圖的速度預(yù)計比當(dāng)前快1000倍，這將幫助美國解決在網(wǎng)絡(luò)安全、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控和社交媒體領(lǐng)域的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在機(jī)器學(xué)習(xí)方面，突破了機(jī)器自主學(xué)習(xí)技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)，探索了人工智能自主長期學(xué)習(xí)機(jī)制和方法，未來有望使人工智能產(chǎn)品在遇到無法預(yù)知的事件、元素、情景時仍可從容應(yīng)對。在傳感網(wǎng)絡(luò)方面，突破了射頻接收機(jī)組合技術(shù)、射頻接收機(jī)氮化鋁射頻直流轉(zhuǎn)換技術(shù)、集成溫度傳感器芯片技術(shù)等多項實現(xiàn)近零功耗的關(guān)鍵技術(shù)，幾乎覆蓋了準(zhǔn)靜態(tài)、機(jī)械波譜、電磁波譜、光譜范圍內(nèi)的所有近零功耗傳感器技術(shù)，為構(gòu)建極低功耗值守型態(tài)勢感知信息系統(tǒng)提供了核心技術(shù)保證。

目前，“電子復(fù)興計劃”的上述先導(dǎo)類項目已基本完成，并取得系列研究成果。2023年11月，DARPA公開提出“三維異構(gòu)集成將是推動微電子創(chuàng)新下一波浪潮的主要力量”，并建議為此專門成立美國先進(jìn)微電子制造中心。鑒此，對先導(dǎo)類項目成果應(yīng)用及后續(xù)布局發(fā)展情況，應(yīng)持續(xù)密切關(guān)注，加強(qiáng)研究。

責(zé)任編輯：王宇璇