回顧DARPA與摩爾定律交織的歷史分析

來(lái)源：內(nèi)容由 公眾號(hào) 半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）翻譯自「DARPA」，作者 William Chappell，謝謝。

1965年，傳奇科技先驅(qū)戈登·摩爾（Gordon Moore）讓我們踏上了長(zhǎng)達(dá)50年的漫長(zhǎng)旅程，因此，將我們的時(shí)代視為“微電子時(shí)代”是有道理的。那一年，摩爾在《電子》（Electronics）雜志上發(fā)表了一篇題為“在集成電路上塞進(jìn)更多元件”的文章，文中預(yù)言了技術(shù)的發(fā)展軌跡：集成電路的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴环?，而每個(gè)晶體管的成本則會(huì)降低。當(dāng)這篇三頁(yè)紙的論文首次發(fā)表在這個(gè)小眾行業(yè)雜志上時(shí)，早期的讀者可能無(wú)法想象它對(duì)電子行業(yè)的影響。然而，這個(gè)卑微的開(kāi)端展現(xiàn)了我們今天眾所周知的摩爾定律的進(jìn)步路線。

摩爾不太可能想到，他會(huì)為數(shù)億美元聯(lián)邦研究資金的投資、甚至工業(yè)界的更巨額的投資規(guī)劃出一條路線。他和許多來(lái)自政府和工業(yè)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)人一同預(yù)測(cè)了這一進(jìn)步的終結(jié)。然而，通過(guò)獨(dú)創(chuàng)性、資金和合作伙伴關(guān)系，預(yù)言繼續(xù)得以實(shí)現(xiàn)。

與許多研究機(jī)構(gòu)一樣，DARPA已將摩爾定律作為制定電子創(chuàng)新持續(xù)發(fā)展道路的一種手段。幾十年來(lái)，DARPA在電子技術(shù)的進(jìn)步上投入了大量資金，產(chǎn)生了許多改變行業(yè)的技術(shù)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了摩爾的預(yù)言。

DARPA自成立以來(lái)通常依賴于一種開(kāi)放的研究模式，即與非國(guó)防導(dǎo)向的伙伴進(jìn)行合作。相比于軍事研究中通常要求的保密制度，這種包容和合作的模式產(chǎn)生的結(jié)果是，DARPA在半導(dǎo)體基礎(chǔ)領(lǐng)域的投資讓美國(guó)的半導(dǎo)體技術(shù)一馬當(dāng)先，成為引領(lǐng)者。我們幫助建立了社區(qū)，讓創(chuàng)意得以嚴(yán)格發(fā)展，然后由行業(yè)完善和制造，從而產(chǎn)生技術(shù)進(jìn)步，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和國(guó)防收益。正確導(dǎo)航摩爾定律一直是我們?nèi)蝾I(lǐng)導(dǎo)地位的決定性因素。

DARPA在集成電路技術(shù)方面的最早投資之一是“超大規(guī)模集成電路（VLSI）”計(jì)劃。在20世紀(jì)70~80年代，VLSI匯集了整個(gè)研究團(tuán)體，在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微電子制造，以及設(shè)計(jì)制造、測(cè)試和評(píng)估的全周期方面取得了重大進(jìn)展。這些研發(fā)承諾幫助克服了摩爾提出的晶體管微縮趨勢(shì)的早期障礙。VLSI技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展，進(jìn)一步增強(qiáng)了美國(guó)的軍事能力，加強(qiáng)了國(guó)家安全，同時(shí)也開(kāi)創(chuàng)了商業(yè)應(yīng)用的新時(shí)代【1】。

VLSI計(jì)劃的成果之一包括“精簡(jiǎn)指令集計(jì)算（RISC）”處理器，這些處理器為超級(jí)計(jì)算機(jī)、美國(guó)宇航局火星探路者號(hào)探測(cè)器，以及今天的手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備【2】等提供了計(jì)算能力。由于RISC處理器的發(fā)展，圖形硬件的性能每年增長(zhǎng)55%，基本上每18個(gè)月性能就能翻一番【3】。雖然摩爾的言論僅僅描述了晶體管數(shù)量的增加與成本之間的反比關(guān)系，但性能的提升很快成為晶體管微縮的代名詞，并成為持續(xù)微縮的主要?jiǎng)恿Α?/p>

VLSI計(jì)劃強(qiáng)調(diào)了DARPA同美國(guó)電子界持續(xù)合作的必要性，以及DARPA在為進(jìn)一步創(chuàng)新打開(kāi)大門(mén)方面可以發(fā)揮的作用。為了促進(jìn)對(duì)新芯片設(shè)計(jì)的追求，DARPA于1981年1月建立了“金屬氧化物半導(dǎo)體執(zhí)行服務(wù)機(jī)構(gòu)（MOSIS）”。MOSIS提供了短周期、低成本的能力來(lái)制造有限批量的定制和半定制微電子器件。這項(xiàng)服務(wù)為研究人員提供了機(jī)會(huì)，否則他們無(wú)法直接使用微電子制造設(shè)備。在超過(guò)35年的發(fā)展歷程中，MOSIS促進(jìn)了微電子設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的穩(wěn)步創(chuàng)新。

雖然美國(guó)在上世紀(jì)70年代至80年代初加快了微電子技術(shù)創(chuàng)新的步伐，但日本在上世紀(jì)80年代末在先進(jìn)半導(dǎo)體生產(chǎn)和制造領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。為了重新獲得主導(dǎo)地位，“半導(dǎo)體制造技術(shù)聯(lián)盟（SEMATECH）”在DARPA和美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的支持和資助下成立。在隨后的幾十年里，該聯(lián)盟促進(jìn)了制造商和供應(yīng)商之間的社區(qū)參與，并顯著提高了下一代生產(chǎn)工具和設(shè)備的研發(fā)。到1992年，美國(guó)占全球半導(dǎo)體產(chǎn)量的82%，這在一定程度上要?dú)w功于這種跨社區(qū)的努力【4】。

在上世紀(jì)80年代末至90年代初，全新的和不斷發(fā)展的軍事和商業(yè)應(yīng)用，包括先進(jìn)武器系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、全球定位系統(tǒng)（GPS），繼續(xù)推動(dòng)對(duì)高性能、低成本微電子的需求。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需要的晶體管的持續(xù)微縮要求半導(dǎo)體材料、器件集成方案，以及其他技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)出現(xiàn)更多的創(chuàng)新。

在此期間，DARPA資助了一個(gè)計(jì)劃，這項(xiàng)計(jì)劃開(kāi)創(chuàng)了半導(dǎo)體光刻技術(shù)的先河。該計(jì)劃與學(xué)術(shù)界和工業(yè)界合作，推動(dòng)了新型透鏡材料和光刻膠的開(kāi)發(fā)，新型透鏡材料和光刻膠突破了以往技術(shù)只能達(dá)到248nm光刻的技術(shù)壁壘，并支持新一代193nm光刻技術(shù)。這些微型化和電路密度方面的進(jìn)展對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。新的光刻技術(shù)迅速成為主流，業(yè)界人士將其應(yīng)用于先進(jìn)的商業(yè)和軍事微電子領(lǐng)域。

在20世紀(jì)90年代早期對(duì)新材料和集成方案的探索的基礎(chǔ)上，DARPA于1995年啟動(dòng)了一項(xiàng)開(kāi)發(fā)25nm以下的晶體管的計(jì)劃。在該項(xiàng)目下完成的研究工作導(dǎo)致了FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的問(wèn)世，F(xiàn)inFET基于一種新型3D晶體管設(shè)計(jì)，利用突出的鰭狀硅結(jié)構(gòu)，允許多個(gè)柵極在一個(gè)晶體管上工作。今天，領(lǐng)先的芯片制造商繼續(xù)使用FinFET技術(shù)將晶體管縮小到7nm。

雖然摩爾的預(yù)測(cè)在過(guò)去50年里為晶體管微縮的發(fā)展指明了方向，但正是工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府機(jī)構(gòu)（如DARPA）的聰明才智和奉獻(xiàn)精神，才使摩爾定律成為了現(xiàn)實(shí)。DARPA的投資幫助工業(yè)界和國(guó)防部（DOD）克服了傳統(tǒng)晶體管微縮的障礙，通過(guò)發(fā)現(xiàn)新材料突破了目前的限制，并可以滿足未來(lái)的性能和效率要求。這只有通過(guò)圍繞新穎的設(shè)計(jì)方案和架構(gòu)培育協(xié)作和創(chuàng)新的環(huán)境，以及在微電子制造和生產(chǎn)中開(kāi)放實(shí)驗(yàn)路徑才能實(shí)現(xiàn)。

正是由于VLSI、MOSIS和SEMATECH等計(jì)劃對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)的商業(yè)與國(guó)防支持相互交織在一起的歷史，美國(guó)在微電子創(chuàng)新方面享有全球領(lǐng)導(dǎo)地位的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這使得消費(fèi)類電子產(chǎn)品受益于國(guó)防部的傳統(tǒng)組件，如GPS，以及利用尖端商業(yè)處理器和專用集成電路的處理能力的軍事系統(tǒng)。

從1965年的雜志開(kāi)始，幾乎沒(méi)有人會(huì)想到戈登·摩爾的預(yù)測(cè)會(huì)切實(shí)描繪出進(jìn)入微電子時(shí)代50年的歷程——集成電路的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴环?，而每個(gè)晶體管的成本將會(huì)下降。

回首過(guò)去，展望未來(lái)：摩爾定律的拐點(diǎn)

美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)是獨(dú)一無(wú)二的，其貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)內(nèi)其他主要制造業(yè)【5】。在過(guò)去的30年里，半導(dǎo)體行業(yè)的增長(zhǎng)迅速增長(zhǎng)，超過(guò)美國(guó)GDP增長(zhǎng)率的6倍【6】。

然而，并非所有好事都能永遠(yuǎn)持續(xù)下去。今天，根據(jù)摩爾定律，半導(dǎo)體技術(shù)仍在繼續(xù)進(jìn)步，但這一進(jìn)步正顯示出放緩的跡象。除了隨著器件尺寸的不斷縮小所帶來(lái)的工藝極限以外，繼續(xù)沿著這條道路走下去的經(jīng)濟(jì)學(xué)相關(guān)的意外后果正在浮出水面。不斷增加的電路復(fù)雜性和相關(guān)的開(kāi)發(fā)成本使許多商業(yè)和政府組織無(wú)法參與電子研發(fā)的前沿。今天，美國(guó)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造面臨三大挑戰(zhàn)，威脅著行業(yè)未來(lái)的健康發(fā)展，也威脅著我們的軍事能力：

1 集成電路設(shè)計(jì)成本飛漲，限制了創(chuàng)新。只有擁有大量商業(yè)需求的大型全球跨國(guó)公司才能在當(dāng)今的電子領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)。這嚴(yán)重限制了資金短缺的初創(chuàng)公司和國(guó)防部設(shè)計(jì)人員可以制造的電路的復(fù)雜性。

2 外國(guó)投資正在扭曲市場(chǎng)，推動(dòng)了向美國(guó)以外的轉(zhuǎn)移。中國(guó)投資1500億美元發(fā)展制造業(yè)的計(jì)劃吸引了外國(guó)的興趣。甚至到2015年，中國(guó)已經(jīng)開(kāi)始建造26座新的300mm半導(dǎo)體代工廠【7】，并啟動(dòng)了1300座無(wú)晶圓廠【8】。這些全球性的經(jīng)濟(jì)力量正在為變革性的半導(dǎo)體發(fā)明提供資金保障，以保持其領(lǐng)先地位。

3不斷走向一般化和抽象的趨勢(shì)正在扼殺硬件的潛在收益。管理現(xiàn)代電子系統(tǒng)的復(fù)雜性（從制造和設(shè)計(jì)電路到編程）的成本不斷上升，導(dǎo)致了抽象層的增加。從堆棧底部的發(fā)明（例如新材料）到計(jì)算堆棧更高處的賺錢(qián)部分的眾多步驟使得人們不愿意進(jìn)行大投資。再加上晶體管持續(xù)微縮所帶來(lái)的可預(yù)見(jiàn)的好處，這就創(chuàng)造了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，只有通用的電子硬件才能在經(jīng)濟(jì)上取得成功，而且大部分價(jià)值已經(jīng)向軟件堆棧更高層次的應(yīng)用程序靠攏。因此，硬件已經(jīng)變得更接近于一種商品，將專業(yè)硬件在性能上的大部分潛在收益保留下來(lái)，只在特定的情況下使用。

在這種情況下，回到行業(yè)的起源，并從該領(lǐng)域的引領(lǐng)者那里尋找前進(jìn)的線索，是很有啟發(fā)性的。甚至在1965年設(shè)定路線時(shí)，摩爾自己就預(yù)見(jiàn)到了微縮的終結(jié)。在他的開(kāi)創(chuàng)性論文中，他傳達(dá)了我們所知道的摩爾定律，摩爾預(yù)測(cè)，除了技術(shù)和工程方面的挑戰(zhàn)之外，經(jīng)濟(jì)局限性最終可能成為微縮的障礙。同樣重要的是，在他的文章的第三頁(yè)，他預(yù)測(cè)，在我們今天所知的設(shè)計(jì)自動(dòng)化、材料科學(xué)、封裝和架構(gòu)專業(yè)化領(lǐng)域的進(jìn)展，可以為日益強(qiáng)大的電子產(chǎn)品開(kāi)辟道路。

根據(jù)摩爾50年前的觀察，他準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了我們今天所達(dá)到的目標(biāo)。為了紀(jì)念摩爾定律在電子領(lǐng)域的持續(xù)存在，DARPA將這一點(diǎn)稱為“摩爾定律的拐點(diǎn)”——在這一點(diǎn)上，我們今天確定的優(yōu)先事項(xiàng)將決定電子生態(tài)系統(tǒng)是會(huì)變得停滯、僵化和傳統(tǒng)，還是會(huì)變得動(dòng)態(tài)、靈活和創(chuàng)新。

電子復(fù)興計(jì)劃：對(duì)摩爾定律的拐點(diǎn)的回應(yīng)

隨著摩爾定律的拐點(diǎn)的臨近，美國(guó)政府決定采取大規(guī)模行動(dòng)，在未來(lái)五年內(nèi)投資15億美元，用于DARPA牽頭的“電子復(fù)興計(jì)劃（ERI）”。ERI尋求建立一個(gè)專業(yè)、安全、高度自動(dòng)化的創(chuàng)新周期，使美國(guó)電子界從通用硬件時(shí)代轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)系統(tǒng)。

基于DARPA的電子發(fā)明傳統(tǒng)，ERI旨在促進(jìn)前瞻性的合作和新方法，以迎來(lái)電路專業(yè)化的新時(shí)代。這項(xiàng)大規(guī)模的計(jì)劃將把DARPA的開(kāi)放研究模式應(yīng)用于微電子領(lǐng)域的未來(lái)，并將政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)、國(guó)防工業(yè)基地和國(guó)防部聯(lián)合起來(lái)，創(chuàng)造持續(xù)和巨大進(jìn)步所需的環(huán)境。

根據(jù)摩爾1965年論文第三頁(yè)所提供的指導(dǎo)，ERI試圖創(chuàng)建一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，智能設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具能夠直接將邏輯圖轉(zhuǎn)換成物理芯片，中間不需要任何特殊的工程干預(yù)。這將使生產(chǎn)為特定功能設(shè)計(jì)的小批量定制電路（或加速器核心）在經(jīng)濟(jì)上可行，而不僅僅是生產(chǎn)大量通用電路。構(gòu)建和連接定制電路陣列以形成更大的系統(tǒng)的能力可以讓我們快速高效地創(chuàng)建各種獨(dú)特的電子產(chǎn)品。

ERI由DARPA的若干項(xiàng)目組成，其中許多項(xiàng)目是在2017年6月正式宣布ERI計(jì)劃后啟動(dòng)的，重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)研究方向：架構(gòu)、材料和集成，以及設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方向的團(tuán)隊(duì)尋求開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)放的框架，使研究人員和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這些算法能夠快速自動(dòng)地將高級(jí)功能和要求轉(zhuǎn)換為定制電路的物理布局。為了確保各種定制電路、材料和器件技術(shù)可以一起用于構(gòu)建更大的系統(tǒng)，材料和集成推動(dòng)力將研究新的互連標(biāo)準(zhǔn)以及新型存儲(chǔ)器和邏輯電路的集成。最后，架構(gòu)推動(dòng)力將探索電路級(jí)協(xié)調(diào)和硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，以幫助創(chuàng)建模塊化和靈活的系統(tǒng)，能夠適應(yīng)并優(yōu)化新器件和加速器核心的組合，使之適應(yīng)任何應(yīng)用。

設(shè)計(jì)

“也許新設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)自動(dòng)化程序無(wú)需任何特殊的工程就能從邏輯圖轉(zhuǎn)化為技術(shù)實(shí)現(xiàn)。”

——戈登·摩爾，1965年

雖然摩爾無(wú)法預(yù)測(cè)晶體管微縮會(huì)達(dá)到哪種程度，但他確實(shí)理解晶體管數(shù)量的增加最終會(huì)讓電路變得太過(guò)復(fù)雜，設(shè)計(jì)師無(wú)法手動(dòng)布局，需要開(kāi)發(fā)自動(dòng)化工具。當(dāng)摩爾發(fā)表他的言論時(shí)，集成電路有大約50個(gè)晶體管；如今，這個(gè)數(shù)字約為210億【9】。隨著晶體管數(shù)量的不斷增加，電子社區(qū)開(kāi)始開(kāi)發(fā)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具，以幫助實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程自動(dòng)化。雖然這些工具在幫助設(shè)計(jì)人員管理數(shù)十億晶體管布局的復(fù)雜性方面具有強(qiáng)大功能，但它們并沒(méi)有跟上物理制造能力和模擬電路的興起，這些電路仍然是手動(dòng)設(shè)計(jì)的。結(jié)果，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的規(guī)模爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)專業(yè)技術(shù)的需求從未如此強(qiáng)烈。

模塊化設(shè)計(jì)方法的發(fā)展有助于減輕EDA的一些局限。設(shè)計(jì)師采用的一種技術(shù)是將經(jīng)常使用的電路功能放到離散的、模塊化的塊中，稱為知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）塊，人們可以使用和重用IP塊來(lái)創(chuàng)建更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)。相比之下，在2000年，超過(guò)90％的芯片必須進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)。如今，這一數(shù)字發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)師們將設(shè)計(jì)好的IP塊用于90%以上的芯片【10】。

然而，盡管IP塊的使用越來(lái)越多，但設(shè)計(jì)和驗(yàn)證新硬件的成本迅速上升，這使得除了大公司以外，其余公司都無(wú)法獲得前沿電子產(chǎn)品?！皩?shí)現(xiàn)更快速的集成電路（CRAFT）”計(jì)劃旨在通過(guò)使用自動(dòng)生成器快速創(chuàng)建新電路并加速設(shè)計(jì)周期來(lái)探索此問(wèn)題的解決方案。最近，CRAFT計(jì)劃的研究人員展示了一種利用自動(dòng)生成器生成數(shù)字電路的設(shè)計(jì)流程，比傳統(tǒng)方法快7倍。換言之，這些工具使小型設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的生產(chǎn)效率提高了7倍。

要想在即將到來(lái)的摩爾定律的拐點(diǎn)之后保持持續(xù)的前進(jìn)勢(shì)頭，就需要突破機(jī)器學(xué)習(xí)的極限，將自動(dòng)化擴(kuò)展到電路設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。受摩爾先見(jiàn)之明的啟發(fā)，ERI設(shè)計(jì)推進(jìn)的兩個(gè)新項(xiàng)目旨在探索以機(jī)器為中心的硬件設(shè)計(jì)流程，這些設(shè)計(jì)流程可以支持復(fù)雜電子電路的物理布局生成，無(wú)需人工，而且在24小時(shí)內(nèi)完成。為了促進(jìn)電路塊的可靠重用和利用開(kāi)源設(shè)計(jì)社區(qū)的集體智慧，這些工作尋求利用新的模擬技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)對(duì)電路塊進(jìn)行驗(yàn)證并模擬。隨著這些增強(qiáng)的設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的出現(xiàn)，越來(lái)越多的創(chuàng)新者進(jìn)入的門(mén)檻將降低，從而誕生出一個(gè)前所未有的電子技術(shù)專業(yè)化和高能力的時(shí)代。

材料和集成

“……用較小的功能構(gòu)建大型系統(tǒng)，這些系統(tǒng)是分開(kāi)封裝且互連的。”

——戈登·摩爾，1965年

管理模塊化的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是如何在不影響性能的情況下正確地連接越來(lái)越多的功能塊。自2000年以來(lái)，每個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量從4200萬(wàn)個(gè)增加到210億個(gè)【11】，而同一芯片上的IP塊數(shù)量也增加了10倍以上【12】。此外，這些功能塊越來(lái)越多地成為數(shù)字電路和模擬電路的混合體，而且往往由完全不同的材料制成，這進(jìn)一步加大了集成的難度。

為了實(shí)現(xiàn)摩爾用小功能塊構(gòu)建大功能的愿景，我們需要找到各種不同的塊之間連接和通信的新方法。

摩爾對(duì)材料和集成的預(yù)測(cè)已經(jīng)在DARPA的“通用異構(gòu)集成和IP重用策略（CHIPS）”計(jì)劃中實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)研究工作旨在開(kāi)發(fā)模塊化芯片設(shè)計(jì)，通過(guò)集成各種IP模塊，以預(yù)制小芯片（chiplet）的形式進(jìn)行快速組裝和重新配置。這些chiplet利用標(biāo)準(zhǔn)布局和接口輕松連接在一起。該計(jì)劃最近宣布，英特爾將向CHIPS計(jì)劃提供其專有接口及其相關(guān)IP，以用作該計(jì)劃的標(biāo)準(zhǔn)接口。英特爾的直接參與將有助于確保該計(jì)劃中的所有不同的IP塊能夠無(wú)縫連接在一起。這是朝著建立國(guó)家互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)邁出的一大步，該標(biāo)準(zhǔn)將實(shí)現(xiàn)大型模塊化系統(tǒng)的快速組裝。

在晶體管數(shù)量不斷增長(zhǎng)的背后，常常被忽略的是在芯片之間來(lái)回傳輸數(shù)據(jù)所需的互連數(shù)量的平行增長(zhǎng)。連線的激增不僅使設(shè)計(jì)過(guò)程變得復(fù)雜，還為數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)建了更長(zhǎng)，更復(fù)雜的路徑。為了更直觀地體現(xiàn)這種規(guī)模，假想現(xiàn)代芯片中的所有連線首尾相連，它的長(zhǎng)度將超過(guò)21英里。對(duì)于將中央處理單元（CPU）和存儲(chǔ)器分開(kāi)的大多數(shù)計(jì)算體系結(jié)構(gòu)而言，在日益復(fù)雜的線路之間移動(dòng)數(shù)據(jù)嚴(yán)重限制了計(jì)算性能。這個(gè)難題甚至有自己的名字——“內(nèi)存瓶頸”。例如，在前沿芯片上執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法，超過(guò)92％的執(zhí)行時(shí)間要花在等待訪問(wèn)內(nèi)存上。

由于新標(biāo)準(zhǔn)接口和當(dāng)前互連的性能限制使得大量電路組合成為可能，我們必須提出一個(gè)問(wèn)題：新材料和全新的體系結(jié)構(gòu)在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)方面可以發(fā)揮什么作用？針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，ERI材料與集成計(jì)劃下的一個(gè)新項(xiàng)目計(jì)劃探索微系統(tǒng)組件的垂直而非平面集成的使用。通過(guò)利用第三維度，設(shè)計(jì)人員可以顯著減小基本組件（如CPU和內(nèi)存）之間的連線長(zhǎng)度。仿真結(jié)果表明，使用較舊的90nm節(jié)點(diǎn)制造的3D芯片比使用平面集成在7nm節(jié)點(diǎn)上制造的電路性能好50倍。此外，另一個(gè)項(xiàng)目將研究新材料和架構(gòu)，重新考慮處理器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)流，為處理日益增加的科學(xué)、傳感器、社會(huì)、環(huán)境和許多其他類型的數(shù)據(jù)提供新的解決方案。

架構(gòu)

“大型功能的可用性，結(jié)合功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，應(yīng)該可以使大型系統(tǒng)的制造商快速并經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)和構(gòu)建各種各樣的器件?！?/p>

——戈登·摩爾，1965年

摩爾定律的不懈步伐確保了通用計(jì)算機(jī)成為過(guò)去50年的主導(dǎo)架構(gòu)。與摩爾定律所取得的性能提升相比，探索新的計(jì)算機(jī)架構(gòu)、投入多年和數(shù)億美元的開(kāi)發(fā)成本毫無(wú)經(jīng)濟(jì)效益。然而，隨著摩爾定律的趨勢(shì)開(kāi)始放緩，從通用硬件中擠出性能變得越來(lái)越困難，這為專業(yè)架構(gòu)的復(fù)興奠定了基礎(chǔ)。

在設(shè)想未來(lái)會(huì)是什么樣子時(shí)，摩爾提出了一個(gè)框架，通過(guò)專注于“功能設(shè)計(jì)和構(gòu)造”來(lái)提供專業(yè)架構(gòu)，人們會(huì)得到具有經(jīng)濟(jì)意義的可制造系統(tǒng)。換言之，他在設(shè)想靈活的架構(gòu)，可以利用專門(mén)的硬件更快速更高效地解決特定的計(jì)算問(wèn)題。

去年，DARPA啟動(dòng)了“分層識(shí)別驗(yàn)證漏洞（HIVE）”計(jì)劃，目的是探索專用集成電路的優(yōu)化，優(yōu)化后的集成電路可以分析大型數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的各種關(guān)系，例如社交媒體、傳感器饋送和科學(xué)研究。通過(guò)與高通、英特爾等行業(yè)合作伙伴合作，HIVE計(jì)劃旨在開(kāi)發(fā)一種能夠處理大規(guī)模數(shù)據(jù)分析的專用集成電路，其速度比現(xiàn)有處理技術(shù)快1000倍。這種先進(jìn)的硬件能夠分析由物聯(lián)網(wǎng)、不斷擴(kuò)展的社交網(wǎng)絡(luò)和未來(lái)的傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)以十億計(jì)和萬(wàn)億計(jì)的邊緣數(shù)據(jù)集。

雖然HIVE是當(dāng)前進(jìn)步的一個(gè)例子，但需要更多的創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)摩爾的專業(yè)硬件愿景。采用更專業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是通用處理器的靈活性和專用處理器的效率之間的矛盾。如果設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)專用硬件難以使用或難以編程，他們可能會(huì)放棄硬件能夠提供的效率。

這兩個(gè)新的ERI的架構(gòu)計(jì)劃試圖證明靈活性和效率之間不一定是對(duì)立的。這些計(jì)劃旨在開(kāi)發(fā)確定合適數(shù)量和專業(yè)類型的方法，同時(shí)使系統(tǒng)盡可能具有可編程性和靈活性。

其中一個(gè)計(jì)劃是研究可重新配置的計(jì)算架構(gòu)和軟件環(huán)境，它們?cè)诓粻奚ㄓ眯曰蚩删幊绦缘那疤嵯?，使?shù)據(jù)密集型應(yīng)用的性能接近專用于處理的單一應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的性能。由此產(chǎn)生的功能將實(shí)現(xiàn)基于對(duì)輸入數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理的計(jì)算資源的實(shí)時(shí)優(yōu)化。該計(jì)劃將實(shí)現(xiàn)優(yōu)于最先進(jìn)的通用處理500~1000倍的處理性能，并提供針對(duì)應(yīng)用的專用處理性能，同時(shí)保持靈活性和可編程性。

ERI架構(gòu)支柱下的第二個(gè)計(jì)劃將探索組合大量加速器核心的方法。盡管用加速器內(nèi)核可以比在通用處理器上運(yùn)行軟件更快、更高效地執(zhí)行特定功能，但是在許多異構(gòu)內(nèi)核上編程和協(xié)調(diào)應(yīng)用程序一直是巨大的挑戰(zhàn)。一種解決方案是采用計(jì)算堆棧的垂直視圖，從應(yīng)用軟件到操作系統(tǒng)，一直到底層硬件。通過(guò)探索域驅(qū)動(dòng)方法（domain-driven approach）的概念來(lái)確定適當(dāng)?shù)募铀倨鳎淮送?，致力于更好的語(yǔ)言和編譯器，以優(yōu)化這些加速器的代碼；為了在這樣一個(gè)復(fù)雜的處理器上運(yùn)行的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)智能調(diào)度，該計(jì)劃正在研究定制芯片的新概念，它可以快速利用無(wú)數(shù)加速器來(lái)處理多個(gè)應(yīng)用程序。

邁向更具創(chuàng)新性的未來(lái)

摩爾定律帶來(lái)的收益并沒(méi)有保證，而是通過(guò)商業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府之間的獨(dú)創(chuàng)性和密切合作實(shí)現(xiàn)的。如今，集成電路設(shè)計(jì)成本的不斷上升、外國(guó)投資的不斷增加，以及硬件的商品化威脅著一個(gè)富于創(chuàng)新且充滿活力的國(guó)內(nèi)微電子產(chǎn)業(yè)的未來(lái)的健康發(fā)展。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，“電子復(fù)興計(jì)劃（ERI）”將建立在政府與行業(yè)成功合作的悠久傳統(tǒng)基礎(chǔ)上，營(yíng)造下一波美國(guó)半導(dǎo)體創(chuàng)新所需的環(huán)境。

CHIPS計(jì)劃正在推動(dòng)一種新的微系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)基于將小型單功能的chiplet混合并匹配到芯片大小的系統(tǒng)中，其能力相當(dāng)于整塊PCB上的芯片和元件。