重啟信息技術革命（三）

重啟信息技術革命（三）

編者按

2015年，華盛頓特區舉辦了一場關于重啟信息技術革命的研討會，對實現信息技術的跨越式發展問題進行了探討。美國半導體行業協會（SIA）、美國半導體研究公司（SRC）以及他們的成員公司和半導體技術專家共同發布了一份倡議報告——《重啟信息技術革命行動倡議》，在之前的文章中主要對技術革命相關發展情況、大數據的基礎設施技術、智能基礎設施組成要素等內容進行分析，本期將對關鍵技術研究面臨的挑戰及如何采取行動進行闡述。

關鍵技術研究面臨的挑戰

未來的信息技術和系統正面臨重大的現實挑戰，若不解決好，可能會限制其增長。

1.高能效傳感和計算

提高能源效率是強制性要求，以便充分實現未來的信息技術功能。如果沒有進步，那么在晶體管、芯片和系統層面的電力需求其成本將變得過高。在所有層面，能源效率都是至關重要的，從最小的傳感器，到超高性能的處理器和系統。

行業遵循摩爾定律的能力帶來了更小的晶體管，但也帶來了更大的功率密度和相關的熱管理問題。每個芯片上更多的晶體管數量意味著更多的互聯——最先進的微處理器其總的互連長度可達數千米。但隨著互連縮小，它們變得更加低效。如今，處理器使用的一大半能源經互連用于傳輸數據，例如在存儲單元與邏輯單元之間。傳統的方法是“跑到”物理極限。降低芯片上數據管理“能源成本”需要協調研究新材料、設備和體系結構。而在過去，對這些主題需要單獨進行解決，若想取得有意義的進展，研究需要采取一種多學科的和協調的方法。

高能效的傳感器對物聯網而言是必不可少的。具有強大現場“智能”和通信能力的分布式傳感器，允許在本地進行決策和執行，將減少管理預期海量數據所需的能量。校準和驗證檢查工作應能訪問遠程的傳感器，如果它們長時間單獨存在，那么必須具備高效的能源收集和利用機制。此外，還可以將智能傳感器設備聯結成網，以執行集體性任務，根據需要創建分布式信息計算和存儲容量，進一步降低能耗。

從根本上說，必須要有一個新的概念模型和新的支持架構，使得處理龐大的互聯網數據流成為可能，并能夠及時提取和提出見解。若想能耗不出現爆炸性的增長，則這種新技術和新架構的能效需要比當前對主流數字半導體技術所做的最好估計還要高若干個數量級。

此外，對具備智能功率管理的微型能源（電池和能源收集設備），還有一個關鍵性的需求。為了盡可能減少傳輸的數據量，在傳感器節點上需要充足的本地非易失性存儲密度。

如果要建造能力更強的系統（如超過百億億次計算能力的系統），那么高性能計算機和大型數據中心中的核心技術的能效還需更高。最具成本效益的解決方案將是一種可以在高性能、移動和嵌入式傳感器系統中實施的單一技術。然而，在這些不同應用中的最優解決方案可能采取不同的方法。因此，對多種技術應做進一步的探討。

研究的焦點領域應包括有關傳感器和先進處理器的極低功率設備、新穎的能量收集裝置、可減少數據傳輸的新穎電路架構、探索突破因沒有顯著的功率均衡而引起的噪聲波動所造成的物理極限，以及納米光子學和片上光子學集成。需要下一代電子設計自動化（EDA）工具，包括經過改進的傳感器、處理器和系統模型，以及用于度量能源降低效能的驗證技術。在系統層面，需要研究如何在所有層面為物聯網植入智能以及提高能效。

2.網絡-物理系統

在未來的信息技術基礎設施中，網絡-物理系統是一個特殊和重要的問題。為實現成功的CPS，必須研究解決一系列重要的設計問題：

一是設計健壯、高效、有效的網絡算法，以應對物理系統中可能發生的意料之外的事件；

二是在富有成本效益地利用現有的網絡資源（如云計算）與構思一個獨立于網絡資源的獨立系統之間做好權衡；

三是以最低的能耗實現高的性能；

四是異步操作能力以及協同應對系統控制；

五是在一個制造環境中，當面對意想不到的系統動態行為時，維持過程的可重復性。

六是在保證連接性的同時，保證安全性；

七是在開放的CPS架構（利用諸多因素的有利條件）與數據和知識產權保護之間做好權衡。

對未來系統而言，安全性和私密性是兩個最大的挑戰。當前信息技術的薄弱環節使它們易遭受攻擊，這可能導致數據丟失、隱私泄露以及可能被惡意利用。

3.智能存儲

需要新的存儲技術和管理系統來存儲和歸檔預期的、爆炸性增長的數據。為取得數據存儲技術的進步，需要開展從設備層面到系統層面的研究工作。這些新的存儲系統需要提供對數據的訪問，以便進行處理并能夠完成歸檔操作，此外，必須以這樣一種方式對其進行管理，即可以實施智能數據清洗，以減少存儲容量。

新的存儲架構，如處理器在存儲器上，將是顛覆性的創新和進步，需要在硬件系統層面和軟件系統層面開展深入研究，以便優化對存儲的管理。

未來的智能芯片將為實現數十億分布式、網絡化系統信息計算和存儲能力的結合提供前所未有的機遇。需要提高對可擴展性問題的基本認識，以及設計和操作這樣的大規模、分布式系統。應對好該領域的挑戰將開創“非常大系統科學”領域的一個新篇章。

4.實時通信生態系統

在通信網絡架構和技術方面需要研究和創新，這樣才有可能快速傳送和接收關鍵數據，以便進行分析，并防止因大規模數據傳輸而出現的網絡通信堵塞。除了快，通信網絡還必須盡可能降低所有層面上的能耗和傳輸錯誤，從網絡邊緣到集中處理系統。

數據的價值將嚴重依賴交付時間，一些數據可能在幾毫秒鐘后即失去其價值。因此，需要對實時數據流和數據分析學領域開展研究。無論通信變得多快，預計數據量將出現顛覆性增長，并將淹沒整個信息技術行業，除非發明新的存儲、通信和處理技術。

5.多層次和可擴展的安全

對未來系統而言，安全性和私密性是兩個最大的挑戰。當前信息技術的薄弱環節使它們易遭受攻擊，這可能導致數據丟失、隱私泄露以及可能被惡意利用。需要在基礎層面開展研究，這遠遠超出了鏈路和存儲的密碼協議范疇。

物聯網帶來的密集連接帶來了額外的挑戰。為使用戶接受和保護財產甚至生命，物聯網將需要一個非常高水平的免受攻擊能力。否則，全球分布式通信智能芯片系統可能成為最大的和最易遭受惡意行為攻擊的目標。適當水平的安全性必須嵌入在每一個硬件和網絡中；安全性必須在設計之初就要考慮到，而不是固定為一個事后的想法。需要基于基礎物理學和信息科學來理解關于安全性的限制。

物聯網研究人員和設計人員應探索以下關于物聯網安全性問題的答案：如何定義和度量安全性？硬件可以提供軟件水平的、更大的安全性嗎？必須連接總是意味著脆弱性嗎？在多大程度上物聯網數據保留機制應包括數據擦除功能？有類似應用于物聯網設計的社會信用嗎？安全應被看作是一種分級服務并相應地根據最終用戶的情況來定價嗎？為了實現一個值得信賴的物聯網，需要更多的標準嗎？

6.下一代制造范式

現有的主流半導體制造技術不支持未來智能芯片所需的異構3D系統制造。需要在材料、制造、裝配和封裝領域開展基礎研究，以便實現新的信息技術硬件從最小的傳感器節點，到超高性能的處理器。展示未來技術前景的例子包括最終可獲得100 nm打印性能的半導體噴墨打印、可達分子尺度的原子級處理反應器、靈活和可重構的3D結構以及生物啟發技術。

當前的半導體制造需要大量生產才能實現經濟上可行。硬件模塊化原理（即分布式制造單元網絡，當中可以下載并生成新的設計），可以促成速度快得多的、應用特定的新硬件組成部件開發。可以用新興的或傳統的方式組合的硬件模塊制造技術將支持各種各樣的創新，包括小尺寸產品的開發，并可能為當前系統制造安全“補丁”。模塊化制造，結合新的設計和測試工具，將使各種規模的企業能開發最初專用的或小規模的應用，而后快速實現迭代設計。

從長遠來看，半導體制造需要一個新的范式，因為現有的主流平面技術并不能很好地適應1 mm和更小尺寸的異構系統。在這些尺寸上，空間是關鍵資產，最緊湊的設計是三維設計。離散的組成部件在這樣嚴苛的空間限制條件下是不可能的。

生成測量數據或對執行命令做出響應的傳感器/執行器系統制造，將構成特殊的挑戰。今天，制造過程和傳感器封裝通常依賴于特定的傳感器，這是低效且昂貴的，需要對制造和封裝傳感器/執行器系統的新方法開展研究。

關于傳感器的另一個重大制造挑戰是健壯的和經濟的多模組合制造。今天，利用單獨的過程來制造不同的智能傳感器節點基本組件，如CMOS電路、MEMS傳感器、閃存以及儲能器/集能器。沒有一個普遍存在的、類似數字系統CMOS的過程。此外，需要新的封裝技術來應對小尺寸設備和傳感器。

最后，有關最終緊湊硬件（如智能傳感器節點）的材料基提出了一個重大的挑戰。如果部署多達萬億個的傳感器節點，那么今天使用的硅可能不再繼續可用，特別是如果許多這樣的傳感器節點是“短命的”和一次性的。我們需要更加持續可用的材料，例如，如同自然界中的可回收或重用的碳基系統。對替代材料（如聚合物和紙）在集成系統制造中的潛在作用需做進一步探討和研究。

現有的主流半導體制造技術不支持未來智能芯片所需的異構3D系統制造。需要在材料、制造、裝配和封裝領域開展基礎研究，以便實現新的信息技術硬件從最小的傳感器節點，到超高性能的處理器。

7.洞察計算

洞察計算需要對機器學習、數據分析和神經形態計算開展深入研究。需要用于解決復雜問題的新算法以及用于用戶-機器接口的新方法。最終，洞察計算需要在本報告所述的所有領域取得進步，從高能效傳感到通信和新穎制造。此外，還需要研究人員之間的協調，例如，在材料、設備和體系結構、或者軟件和硬件領域的研究人員。這些領域的進步將主要取決于與其他領域之間的協調，過去，它們之間尚未實現很好的協調和集成。

8.物聯網測試平臺

由于物聯網正變得越來越復雜，因此非常需要一個基礎設施來測試新的技術。如今，沒有任何富有代表性的測試平臺或演示系統可用來支撐未來預期的物聯網。沒有這樣一個測試平臺，解決方案驗證和基準測試將是不可能的。這樣一個演示系統的定義和支持將需要快速的和富有意義的進展。這樣一個平臺應該可供來自學術界，行業和政府部門的研究人員使用。

需要采取的行動

1.一個新的、協調一致的研究倡議

為重啟信息技術革命并確保國家在對經濟活力和國家安全至關重要的信息技術和信息管理領域不容置疑的、長期的領導，需要一個新的、有針對性的研究倡議——國家計算和洞察技術生態系統（N-CITE）倡議。

倡議的目標應是協調在本報告所述之領域中的研究工作：高能效計算和傳感；網絡-物理系統；智能存儲；實時通信系統；多層次和可擴展的安全；下一代制造模式；洞察計算等。

必須勇敢應對技術的挑戰，以便完全實現物聯網和大數據的益處，這預計需要在公共部門和私營部門的支持下付出巨大努力。為加快關鍵科學與工程的進步并將成果有效轉換為實際使用，倡議應包括政府、行業、學術界的合作伙伴關系。

1）課前階段。在混合式教學實施時，教師每周在課前將設計自主學習任務單和在線配套課程資源上傳至藍墨云端。課前自主學習任務單由四部分組成：①學習要達成的教學目標、學習的難點和重點以及學習方法、手段的建議等；②課前自主學習任務，請學生按照自己的節奏安排時間，觀看配套資源及其他相關學習資料并閱讀對應的教材章節；③自主進行學習效果檢測，自學完學習材料后，完成配套的自測題目，并按照學習任務書單的提示自行檢查課前學習效果；④仿真實驗學習，根據提供的實驗仿真模型，首先了解仿真模型各模塊的功能，通過改變控制參數和負載類型，觀察相關工作波形。

倡議必須橋接多個學科和研究領域，它們通常沒有協作。為取得進步，需要在材料、電路和系統方面開展反復和協調研究。硬件和軟件需要協同設計。需要在多個層面考慮安全問題，從芯片到應用層。設計時應考慮到制造問題。

政府、學術界和行業下一步要做的是基于本報告中所述的建議，確定一系列更詳細的研究優先級。這樣一個計劃或路線圖可以用來評估當前研究計劃尚未妥善解決的差距，可以用來指導未來的計劃。N-CITE倡議將為跨機構的以及公私之間的協作和協調提供一個框架。

2.發揮、保持和增強現有計劃的作用

N-CITE倡議應建立在行業和政府支持的現有計劃基礎之上，這些計劃主要關注于信息技術、半導體和納米技術的長期研究。

2015年7月，通過行政命令，提出了國家戰略計算倡議（NSCI），旨在實現高性能計算（HPC）的最大益處。NSCI奠定了百億億次計算系統的研究和開發框架，它將提供百倍于當前系統的性能。此外，再進一步，NSCI將創建一條通向未來HPC系統的道路，其能力將超越當前半導體技術的極限。這些目標與提議之N-CITE倡議的目標是一致的。

聯邦政府的國家納米技術倡議（NNI）包括在納米電子學和納米制造研究方面的重大投資。2010年，NNI建立了一系列簽名倡議，專注于“具有國家級重要性的技術領域（通過加強跨部門的協調和協作，將取得更快進展）”的研究，包括2020年及以后的納米電子學以及可持續發展的納米制造業。NNI正在提出“重大挑戰”，以引導更大的公私合作和參與，實現“大膽的但可實現的”、納米技術激發的目標。正在考慮的“重大挑戰”包括：創建不大于一粒米的設備，它可傳感、計算和通信，它沒有電線，且在10年內無需維護，它將啟動一場“物聯網”革命；創建速度快百倍而能耗更小的計算機芯片。這些重大挑戰也將直接支持提議之N-CITE倡議。

其他的國家工作針對的是生物學和技術的聚合。主管部門的BRAIN（通過推進創新技術發展實現對大腦的深入研究）倡議，主要專注于更好地了解人類的大腦，將有助于開發腦啟發計算。此外，半導體行業正在領導制定一個技術路線圖，以實現電子學和先進生物學的交叉。路線圖的五個主題是：基于DNA的大規模信息存儲；高能效的、細胞啟發的、基于細胞的物理和計算系統；智能傳感器系統；生物系統設計自動化；以及有關半導體制造和集成的生物通路。

圖1 對應所選機構的任務

提議之N-CITE倡議與這些跨部門和行業引導的活動相輔相成。進一步地，直接刺激開發下一代洞察計算系統將提供支持諸多美國政府機構的能力，以完成其各自的任務，如圖1所示。

3.公私合作伙伴關系模式

實現真正的洞察計算系統將能滿足政府的需求，通過政府-行業之間的協作，商業應用也將得到大大加快。半導體行業有著悠久的與政府合作歷史，以確定和支持關鍵的平臺技術研究，這些已幫助美國半導體行業保持競爭力和世界領袖地位。半導體研究公司（SRC）成立于1982年，在業界支持下，代表業界來管理這種類型的研究工作。如今，SRC涵蓋眾多的研究項目，其中許多通過與聯邦研究機構建立合作伙伴關系來支持。半導體行業協會成立于1977年，負責提出公共政策方面的問題、提供教育、提出倡議，以通過研究和技術，來推動半導體行業的進步。

例如，DARPA和MARCO（SRC的一個附屬機構）共同資助了半導體技術高級研究網絡（STARnet）計劃，包括TerraSwarm研究中心，它主要專注于智能、聯網傳感器和執行器普遍集成的研究。納米電子學研究倡議（NRI）是一個由SRC成員公司組成的聯盟，它與國家標準和技術研究院（NIST）、美國國家科學基金會（NSF）合作，主要專注于超越當前之計算技術的研究。此外，SRC和NSF還共同資助了不同領域眾多有針對性的研究工作，如安全、可信、有保證、彈性的半導體和系統、耐故障系統以及多核芯片設計和架構。最后，在NIST先進制造技術聯盟（AMTech）計劃的支持下，SRC正在領導組建一個聯盟以及制定一個旨在聚合半導體技術和先進生物學的路線圖。

N-CITE倡議需要政府與行業合作伙伴之間的強有力協調，以便應對此處所述的研究挑戰。半導體行業模式不僅提供了有利于整個行業的研究資金，而且增強了大學研究和學生教育，有利于聯邦研究計劃的通報，得到了公眾對研究工作的支持，并消除了技術“從實驗室到制造廠”的轉化障礙。

除了建立在現有研究項目基礎之上，N-CITE倡議還將發揮相關活動的作用，如IEEE關于重啟計算的、企業范圍的項目。

信息技術和基礎設施未來展望

通過實現自動化制表以及發揮計算處理和編程作用來為企業和個人提供生產力，今天的計算機系統帶來了巨大的經濟效益和社會效益。未來新的洞察計算系統將永遠改變人們與計算機系統的交互方式，幫助其擴展知識，并做出涉及極其巨大、快速變化之數據的復雜決策。這些未來的系統提供了大量的機會來改善我們的社會和日常生活。不過，需要開展許多研究，以應對數據日益豐富之世界帶來的失控挑戰。美國需要采納和資助一個創新議程，創建一個新的引擎來驅動下一代人類經驗、經濟和社會進步、安全和可持續發展。

（翻譯：盛開）