美國“電子復興計劃”中的“大學聯(lián)合微電子計劃”概況

“大學聯(lián)合微電子計劃”（JUMP）是“電子復興計劃”3大項目群之一，于2018年1月正式啟動，由DARPA與非營利性組織半導體研究聯(lián)盟（SRC）合作，分階段實施，每個階段為期5年，每年投資4000萬美元。該計劃第一階段于2022年12月結束，第二階段（JUMP"2.0）于2023年1月正式啟動。“大學聯(lián)合微電子計劃”聚焦基礎研究，主要發(fā)揮高校基礎研究優(yōu)勢，瞄準微電子領域長遠發(fā)展，通過機理創(chuàng)新，為“電子復興計劃”其他項目孵化與長期創(chuàng)新提供牽引和支持。

第一階段總體布局

“大學聯(lián)合微電子計劃”針對微電子技術與應用的重難點問題，組織多所高校共同組建專業(yè)研究中心進行攻關。第一階段投入資金2.08億美元，其中DARPA投資40%，半導體研究聯(lián)盟投資60%。半導體研究聯(lián)盟披露該計劃第一階段有3大目標：創(chuàng)建新的通用架構和系統(tǒng)設計技術，為新器件類型和新異構集成解決方案提供基礎；設計研發(fā)新型電子元器件，使其能在保持現(xiàn)有性能不變時功耗降低1個—3個數(shù)量級；開展未來微電子人才培養(yǎng)，為美國儲備優(yōu)質研究力量。

第一階段研究主題

“大學聯(lián)合微電子計劃”第一階段共設立“從射頻到太赫茲的傳感器與通信系統(tǒng)”“分布式計算與網絡”“認知計算”和“智能存儲”4個聚焦應用的主題，為顛覆性系統(tǒng)或產品的實現(xiàn)提供科學與工程支撐；設立“先進架構與算法”“先進器件、封裝與材料”2個聚焦基礎的主題，為微電子技術發(fā)展提供共性學科基礎性支撐。

從射頻到太赫茲的傳感器與通信系統(tǒng) 物聯(lián)網、衛(wèi)星通信、5G等前沿技術對頻譜資源的需求增長迅速，促使現(xiàn)有通信頻段愈發(fā)擁擠，供需矛盾愈發(fā)突出。為解決以上問題，“大學聯(lián)合微電子計劃”布局“從射頻到太赫茲的傳感器與通信系統(tǒng)”主題，旨在研發(fā)能在微波、毫米波或太赫茲下工作的新型傳感或通信系統(tǒng)，實現(xiàn)能在復雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定運行的自適應通信服務能力。為實現(xiàn)以上目標，重點關注：具有可重構、自適應、多功能、多模式、可有效利用電磁頻譜特征的先進通信系統(tǒng)；具有智能化、抗干擾、可擴展、自主操作與決策能力的信息處理系統(tǒng)及架構；可以互連多個傳感器，實現(xiàn)超低功耗、高數(shù)據速率、遠程傳感通信的通信鏈路與集成通信組件；可以感知、監(jiān)測多個變量的小型、低成本傳感器以及大幅面柔性智能傳感器。

圍繞該主題，“大學聯(lián)合微電子計劃”設立太赫茲通信與感知綜合技術研究中心，由加州大學圣芭芭拉分校的馬克·羅德威爾領導，參與高校包括：加州大學圣芭芭拉分校、加州大學伯克利分校、加州大學圣迭戈分校、康奈爾大學、麻省理工學院、紐約大學、斯坦福大學。

分布式計算與網絡 分布式系統(tǒng)一般涵蓋多個用戶、應用及硬件，具有組網靈活、智能協(xié)作特點，是實現(xiàn)作戰(zhàn)體系“靈巧化”的關鍵驅動。但是，物理層面的傳輸延遲與能耗限制往往使現(xiàn)有分布式計算機系統(tǒng)所能關聯(lián)的軟硬件資源十分有限。為解決以上問題，“大學聯(lián)合微電子計劃”布局“分布式計算與網絡”主題，旨在探索一種創(chuàng)新型超大規(guī)模分布式架構，解決計算、存儲和網絡性能提升面臨的能耗制約問題，打破現(xiàn)有硬件及分布式架構限制，有效提升拒止環(huán)境下戰(zhàn)場指揮控制能力。為實現(xiàn)以上目標，重點關注：具有高擴展性和高效率的大規(guī)模分布式系統(tǒng)；可大幅降低延遲、能耗的數(shù)據中心級互聯(lián)和網絡創(chuàng)新技術；分布式網絡系統(tǒng)的設計規(guī)范；彈性分布式計算技術；可將有線、無線通信的能效和數(shù)據傳輸速度提高一個數(shù)量級以上的架構、協(xié)議、算法及系統(tǒng)。

圍繞該主題，“大學聯(lián)合微電子計劃”設立面向普遍感知、認知和行動網絡的計算及基礎設施研究中心，由卡內基梅隆大學的安東尼·羅領導，參與高校包括：卡內基梅隆大學、加州大學伯克利分校、加州大學洛杉磯分校等。

認知計算 智能算法作為生成、分發(fā)、傳播信息的底層邏輯和實現(xiàn)手段，決定了信息的產生形式和呈現(xiàn)方式，是推動未來戰(zhàn)爭邊界拓展與推動認知域作戰(zhàn)能力迭代的關鍵資源。為提高美軍認知域作戰(zhàn)能力，“大學聯(lián)合微電子計劃”布局“認知計算”主題，旨在通過馮·諾伊曼架構、非馮·諾伊曼架構或兩種架構結合的方式創(chuàng)建一種新型認知計算系統(tǒng)，通過系統(tǒng)與使用者的實時互動以及大規(guī)模學習，實現(xiàn)自主推理及決策。為實現(xiàn)以上目標，重點關注：可自主獲取、開展處理數(shù)據、感知、規(guī)劃的輔助決策系統(tǒng)；情境感知、深度神經網絡等適用于通識認知的通用算法；在載人或無人平臺的硬件及軟件層面實現(xiàn)高精度傳感和反饋的人機接口；具有自優(yōu)化、自修復、智能交互能力的彈性認知系統(tǒng)網絡；具有更高性能與更高可擴展性的先進算法；用于模糊神經網絡的新記憶元件與電路。

圍繞該主題，“大學聯(lián)合微電子計劃”設立支持自主智能的類腦認知計算研究中心，由普渡大學的考希克·羅伊領導，參與高校包括：普渡大學、亞利桑那州立大學、佐治亞理工學院、麻省理工學院、賓夕法尼亞州立大學等。

智能存儲 信息技術的進步使數(shù)據的生成速度和數(shù)量大幅增加，數(shù)據傳輸在能耗、延遲以及帶寬上的能力不足，使現(xiàn)有計算系統(tǒng)的數(shù)據處理面臨嚴重瓶頸。為解決以上問題，“大學聯(lián)合微電子計劃”布局“智能存儲”主題，旨在優(yōu)化高性能智能存儲的操作系統(tǒng)、編程模型、內存管理技術和原型系統(tǒng)架構，大幅提升體積密度、信息處理密度、能耗比及性能。為實現(xiàn)以上目標，重點關注：存算一體技術；新穎存儲器架構；具有高擴展、高耐用、高集成的新型存儲器件；制造相關存儲器件所需的材料與工藝。

圍繞該主題，“大學聯(lián)合微電子計劃”設立智能存儲和存內計算技術研究中心，由弗吉尼亞大學凱文·斯卡德龍領導，參與高校包括：弗吉尼亞大學、康奈爾大學、賓夕法尼亞州立大學、加州大學洛杉磯分校、加州大學圣迭戈分校等。

先進架構與算法 當前分布式集群、對稱多處理器等復雜系統(tǒng)架構通常由同構硬件組成，部署后難以修改，無法實現(xiàn)性能、能效和成本的靈活擴展。為解決以上問題，“大學聯(lián)合微電子計劃”布局“先進架構與算法”主題，旨在解決各種片上和片外異構加速器的設計和集成難題，創(chuàng)新架構與算法，使其具有比傳統(tǒng)“CPU+GPU”等已知方法更優(yōu)的效率、性能和擴展靈活性。為實現(xiàn)以上目標，重點關注：存內計算；可重構計算；軟硬件協(xié)同設計技術；異構系統(tǒng)間的自動配置與自動調優(yōu)機制；面向新技術與架構的編程語言；節(jié)能電路/架構以及先進電源管理技術；具有新穎存儲架構的片上系統(tǒng)；軟硬件加密技術；新架構的建模方法。

圍繞該主題，“大學聯(lián)合微電子計劃”設立應用驅動架構研究中心，由密歇根大學瓦萊里亞·貝爾塔科領導，參與高校包括：密歇根大學、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、麻省理工學院、康奈爾大學、哈佛大學、佐治亞理工學院等。

先進器件、封裝與材料 為實現(xiàn)計算、傳感、數(shù)據處理與存儲技術的顛覆性突破，需要對基于新材料、新工藝的先進有源、無源器件以及新的互連與封裝技術展開研究。為促進相關技術發(fā)展，“大學聯(lián)合微電子計劃”布局“先進器件、封裝與材料”主題，旨在探索具有全新功能或特性，整體指標優(yōu)于現(xiàn)有產品或技術的新材料、器件與工藝。為實現(xiàn)以上目標，重點關注：突觸記憶器件、人工神經元等用于認知計算的先進元器件；新型嵌入式內存等先進智能存儲器件；單片三維集成、異構等先進封裝集成技術；面向新材料與新封裝工藝的熱管理技術；具有高可靠、高性能的有源、無源器件；先進柔性電子材料以及新型鐵電材料。

圍繞該主題，“大學聯(lián)合微電子計劃”設立節(jié)能集成納米技術應用及系統(tǒng)驅動中心，由圣母大學的休曼·達塔領導，參與的高校包括：圣母大學、康奈爾大學、佐治亞理工學院、普渡大學、斯坦福大學、加州大學伯克利分校等。

第一階段成效研判

經過5年研究，各中心面向學科基礎技術及應用，累計承擔259項研究任務，發(fā)表研究出版物6000余份，培養(yǎng)1600余名相關專業(yè)技術人員，向社會輸送了大量優(yōu)秀人才，圍繞技術重點，取得多項突破。“大學聯(lián)合微電子計劃”第一階段整體取得較好成效。

突破毫米波及太赫茲傳感通信關鍵技術，推動構建海陸空天地多維通信架構。太赫茲通信與感知綜合技術研究中心解決了高速率、高頻網絡面臨的技術挑戰(zhàn)，研發(fā)了低噪聲高功率放大器、自對準磷化銦雙極納米晶體管等先進器件，相關成果為推動毫米波及太赫茲通信與感知系統(tǒng)的發(fā)展與應用做出重要貢獻。2019年7月，在IEEE高級無線通信信號處理會議上，該中心發(fā)布了毫米波成像系統(tǒng)，系統(tǒng)具備極高的圖像分辨率與精度，可有效提升惡劣條件下飛機自動駕駛以及機載感知能力；2022年6月，該中心在年度會議上公布了世界首個完全封裝的電控單波束和多波束相控陣列，該陣列具有較高集成度與適用性，可有效推動海陸空天地多維通信架構的構建，促進異構通信網絡的緊密網格化部署；截至2022年底，該中心共承擔相關研究任務58項，發(fā)表學術出版物755篇，培養(yǎng)相關方向學生179名。

提升分布式系統(tǒng)安全與通信能力，孵化多個面向軍事應用的分布式與先進感知系統(tǒng)。面向普遍感知、認知和行動網絡的計算及基礎設施研究中心致力于云計算和邊緣計算的緊密結合，構建了具有高自主性與智能性的分布式計算中間層，提出了緊湊型、模塊化多功能傳感器及超低功耗硬件框架，提升改進了分布式系統(tǒng)的安全、通信、資源管理能力，有效推動了新一代感知與認知技術的發(fā)展及應用，相關增強現(xiàn)實邊緣網絡架構系統(tǒng)成果在軍事和公共安全方面具有較大應用潛力。2019年4月，該中心開發(fā)出一種在通信受阻時，使用無人機群進行通信中繼的方法。無人機群可根據通信需求靈活改變配置，定制數(shù)據容量及通信范圍。相較于傳統(tǒng)方法，該方法的信號傳輸容量提高了3倍；2022年10月，該中心提出一種面向公共安全和軍事用途的增強現(xiàn)實加固型顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以讓用戶在黑暗、煙塵等視覺視線受干擾，且沒有事先安裝標簽或傳感器的條件下，實現(xiàn)人工智能場景交互。截至2022年底，該中心共承擔相關研究任務34項，發(fā)表學術論文733篇，培養(yǎng)相關方向學生191名。

提出具有強魯棒性與高準確性的先進算法，發(fā)展?jié)M足實戰(zhàn)需求的智能系統(tǒng)。支持自主智能的類腦認知計算研究中心通過對神經網絡、人工智能等展開深入研究，在推動人工智能技術的作戰(zhàn)運用方面作出重要貢獻。2021年11月，該中心在《自然》期刊上披露一種薄膜高頻天線陣列，可實現(xiàn)多設備間的靈活高帶寬信息傳輸。該陣列具有極強的部署靈活性和伸彎韌性，可在飛機機翼、人體皮膚、建筑掩體等不同介質表面附著。2022年5月，該中心發(fā)布一種使無人機在森林等野外復雜環(huán)境中能夠安全飛行的自適應重規(guī)劃技術，飛行速度為2.5米/秒。截至2022年底，該中心共承擔相關研究任務21項，發(fā)表學術論文1294篇，培養(yǎng)相關方向學生279名。

優(yōu)化存算一體技術與復雜硬件設計，實現(xiàn)智能存儲器件關鍵指標的跨越式提升。智能存儲和存內計算技術研究中心研究存算一體技術、存儲架構重構以及編譯方法，設計的新型存算一體器件在吞吐量、緩存效率等方面均有較大提升，推動了高性能、數(shù)據密集型計算的發(fā)展。同時，該中心推出了多個復雜硬件設計系統(tǒng)，可有效減輕設計人員的工作量，實現(xiàn)高度可移植的異構智能存儲器件的快速設計。2021年11月，該中心在IEEE計算機輔助設計國際會議上提出一種近內存圖形處理器，相較于傳統(tǒng)單用途圖形處理器，吞吐量提高了1.2～1.9倍，顯著提升了圖形處理能力；2020年4月，該中心提出一種自動化模型生成系統(tǒng)，設計人員僅需提出性能與準確性需求，便可從已訓練好的模型中自動生成符合要求的模型變體，極大降低了復雜硬件的設計難度，同時節(jié)約了成本與時間。截至2022年底，該中心共承擔相關研究任務27項，發(fā)表學術論文891篇，培養(yǎng)相關方向學生223名。

推出開放性軟件與測試平臺，加快電子領域先進技術成果轉化效率。應用驅動架構研究中心圍繞系統(tǒng)設計創(chuàng)新展開研究，推出開源設計工具與先進技術測試平臺，提出高度可復用的硬件、架構與模型，在簡化下一代計算系統(tǒng)的設計制造難度、降低電子器件設計制造的成本與時間，以及打通前沿技術的應用轉化路徑方面收獲頗豐。2022年8月，該中心發(fā)布在線代碼布局優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使代碼配置文件始終與當前執(zhí)行需求相匹配，并始終與運行代碼完美映射，可將多種設計軟件的運行速率提升1倍以上。2021年11月，該中心發(fā)布全球首個關注擴展現(xiàn)實的測試平臺ILLIXR，該平臺具有開源化、模塊化、可擴展化特征，能有效支撐虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等前沿技術的應用測試。截至2022年底，該中心共承擔相關研究任務29項，發(fā)表學術論文977篇，培養(yǎng)相關方向學生265名。

鐵電材料領域取得多項突出進展，為推動集成電路進一步發(fā)展奠定基礎。節(jié)能集成納米技術應用及系統(tǒng)驅動中心專注基礎材料合成、新型器件、封裝與單片異構集成方案的研究，在鐵電材料、三維集成存儲器等方面取得大量成果，為下一個“超大規(guī)模電路”時代的到來打下基礎。2020年12月，該中心展示了一種基于單片三維集成的鐵電場效應晶體管，具有低溫處理、高可靠性與超快寫入速度等優(yōu)異特性。相較傳統(tǒng)存儲器，基于該晶體管的存儲器在面積、能耗、延遲等性能方面均具有很大的優(yōu)勢。2022年10月，該中心宣布制備出一種基于二氧化鋯的硅上薄膜，這種新材料在超薄狀態(tài)下依舊具有較好的鐵電性，《科學》期刊認為該成果將對下一代電子產品產生重要影響，具有廣泛前景。截至2022年底，該中心共承擔相關研究任務90項，發(fā)表學術論文1502篇，培養(yǎng)相關方向學生307名。

第二階段規(guī)劃布局

2023年1月，DARPA宣布“大學聯(lián)合微電子計劃”第二階段正式啟動，該階段預計投入經費超2.45億美元，將吸引42所高校共同組建7個全新的研究中心。該階段將在第一階段基礎上，通過引入全新的思維理念，推動新想法付諸實踐，實現(xiàn)高校與國防工業(yè)界間的高水平互動，加快思想交流與技術轉型，維持美國微電子領域優(yōu)勢。DARPA在提案人研討會上提出了該階段的4個關注重點。一是加快技術探索，保護美國國內微電子知識產權；二是促進產研交流，加強微電子前沿技術轉化效率；三是為“電子復興計劃”未來項目孵化奠定技術基礎；四是培養(yǎng)包括DARPA項目經理在內的高水平研究人才。

該階段設立“認知”“智能感知行動”“通信與連接”“分布式計算機系統(tǒng)與架構”“智能內存和存儲”5個系統(tǒng)主題，旨在推動未來顛覆性架構與系統(tǒng)的實際應用；設立“先進單片和異構集成”“用于數(shù)字和模擬的高性能節(jié)能器件”兩個技術主題，旨在研究推動未來電子技術發(fā)展的新材料、新器件與新互聯(lián)方式。

認知主題方向 由喬治亞理工學院牽頭，設立認知系統(tǒng)共同設計中心，旨在創(chuàng)建可持續(xù)大規(guī)模學習，有目的、有彈性、能自主運行的認知計算系統(tǒng)，實現(xiàn)安全有效地推理與決策。研究方向聚焦：下一代人工智能系統(tǒng)與架構；新興計算方法；超越馮·諾依曼的架構創(chuàng)新；新計算范式的系統(tǒng)方法；跨學科協(xié)同設計、建模和基準測試。預計投入經費3770萬美元。

智能感知行動主題方向 由佐治亞理工學院牽頭，設立認知多頻譜傳感器中心，旨在尋求模擬集成電路的根本性突破，實現(xiàn)具備自動感知與推理能力的新一代智能接口，促進下一代人工智能和邊緣設備的發(fā)展。研究方向聚焦：新型智能傳感器；射頻與太赫茲組件；光子學或其他模式的傳感器陣列及相關信號處理技術；多傳感器或多頻段通信的系統(tǒng)封裝與異構集成；電源管理；傳感器數(shù)據處理；異常數(shù)據智能檢測。預計投入經費2800萬美元。

通信與連接主題方向 由哥倫比亞大學牽頭，設立泛在連接中心，旨在發(fā)現(xiàn)無線通信、系統(tǒng)間通信、芯片間通信的新技術方法，為相關應用提供高寬帶、低能耗連接方式。研究方向聚焦：驅動軟件的可編程架構和演示；通信前端組件及子系統(tǒng)一體化解決方案；系統(tǒng)級設備和器件；異構集成和新封裝方法；通信的安全性；數(shù)據的完整性與可靠性。預計投入經費3500萬美元。

分布式計算機系統(tǒng)與架構主題方向 由伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校牽頭，設立下一代分布式計算機系統(tǒng)的可演化計算中心，旨在實現(xiàn)可持續(xù)、可擴展異構系統(tǒng)，在分布式、低能耗通用計算方面取得突破式進展。研究方向聚焦：高能效計算和加速器結構中的分布式計算機系統(tǒng)及體系結構；高度異構的系統(tǒng)架構；跨學科協(xié)同設計。預計投入經費3960萬美元。

智能內存和存儲主題方向"""由加州大學圣迭戈分校牽頭，設立智能存儲和內存處理中心，旨在對存儲系統(tǒng)和內存子系統(tǒng)架構進行創(chuàng)新，以應對數(shù)據指數(shù)級增長的發(fā)展趨勢。研究方向聚焦：全堆棧內存和存儲中心；用于智能存儲的架構和算法；先進的器件/電路/封裝級創(chuàng)新和集成；面向大規(guī)模計算的演示平臺；面向新型存儲器件的評價標準和建模方法。預計投入經費5050萬美元。

先進單片和異構集成主題方向由賓夕法尼亞州立大學牽頭，設立微電子系統(tǒng)異構集成中心，旨在從根本上改進三維單片和異構集成，使未來計算平臺的性能密度和效率高于現(xiàn)有水平的100倍。研究方向聚焦：新型光電互連架構及先進封裝；多芯片集成封裝和單片集成；設計新型互連結構、材料和流程。預計投入經費3300萬美元。

用于數(shù)字和模擬的高性能節(jié)能器件主題方向 由康奈爾大學牽頭，設立卓越節(jié)能材料和器件中心，旨在研究具有新功能、新特性的材料與器件，相關成果可以增強或超越傳統(tǒng)半導體技術，并能用于單片集成和異構互連，推動下一代數(shù)字和模擬器應用。研究方向聚焦：高性能數(shù)字和模擬器件；高性能有源、無源元件；新型存儲器件；新型設計與建模技術；先進制造與集成技術；用于測量物理—電—熱特性的新型測試平臺；滿足未來存儲、互連需求的新型材料；基于新材料的晶體管；材料、器件、電路、架構、算法的可編程性協(xié)同設計。預計投入經費3400萬美元。

責任編輯：王宇璇