美國“電子復(fù)興計(jì)劃”中的“Page 3”和新設(shè)項(xiàng)目概況

１965年4月，戈登·摩爾發(fā)表論文《在集成電路中填充更多元件》，提出了預(yù)測集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢的摩爾定律，并在第3頁（Page"3）強(qiáng)調(diào)，“當(dāng)技術(shù)發(fā)展到摩爾定律極限時(shí)，設(shè)計(jì)、材料、架構(gòu)創(chuàng)新將是突破該極限的未來之路”。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，集成電路技術(shù)趨近摩爾定律極限。2018年，美國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）為了突破該極限，擴(kuò)大美集成電路技術(shù)優(yōu)勢，在“電子復(fù)興計(jì)劃”中布局了“Page"3”項(xiàng)目群。該項(xiàng)目群由工業(yè)界主導(dǎo)，大學(xué)配合，并根據(jù)需要持續(xù)新增項(xiàng)目，旨在撬動(dòng)工業(yè)界創(chuàng)新潛力，聚焦新材料、新架構(gòu)和新設(shè)計(jì)，探索后摩爾時(shí)代微電子技術(shù)發(fā)展新路徑，促進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)成果向國防應(yīng)用轉(zhuǎn)化，提高美國在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的全球競爭力。

項(xiàng)目布局

該項(xiàng)目群啟動(dòng)時(shí)包括6個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目周期多為4～4.5年，總投資約2.8億美元，主要由鏗騰、英特爾、英偉達(dá)、高通、IBM等機(jī)構(gòu)承擔(dān)研究。此后，DARPA每年都新增此類項(xiàng)目，目前已增至40多個(gè)。從總體上看，項(xiàng)目布局集中于后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展的材料與集成、系統(tǒng)架構(gòu)、電路設(shè)計(jì)3大關(guān)鍵領(lǐng)域。

材料與集成領(lǐng)域，旨在通過新材料結(jié)合新架構(gòu)，解決內(nèi)存?zhèn)鬏斚拗朴?jì)算速度這一瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)電路性能大幅躍升，提高大數(shù)據(jù)處理能力，為人工智能、超級(jí)計(jì)算等前沿領(lǐng)域發(fā)展奠定基礎(chǔ)。系統(tǒng)架構(gòu)領(lǐng)域，旨在研究專用功能所需的最優(yōu)電路結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)探索簡單編程情況下軟硬件協(xié)同優(yōu)化的新方法。充分發(fā)揮專用、可重構(gòu)電路能力，尋求后摩爾時(shí)代計(jì)算架構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展路徑。電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，旨在開發(fā)專用電路快速設(shè)計(jì)工具，大幅縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、降低復(fù)雜度，解決專用電路設(shè)計(jì)成本高昂問題。

典型項(xiàng)目進(jìn)展

目前，“Page"3”項(xiàng)目群的6個(gè)項(xiàng)目已完成，并部分實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化；新設(shè)項(xiàng)目群大多處于論證啟動(dòng)階段，部分進(jìn)入研發(fā)階段的項(xiàng)目已取得初步成果。

材料與集成領(lǐng)域典型項(xiàng)目 在“Page"3”項(xiàng)目群中有“三維單芯片系統(tǒng)”和“新式計(jì)算需求”2個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目周期均為4.5年，合計(jì)投入經(jīng)費(fèi)6435萬美元。在新設(shè)項(xiàng)目群中有“極端可擴(kuò)展性封裝”“通用微光學(xué)系統(tǒng)激光器”等項(xiàng)目。

“三維單芯片系統(tǒng)”項(xiàng)目共分3個(gè)階段。第一階段主要是采用90納米工藝構(gòu)建基于碳納米管場效應(yīng)晶體管的三維單芯片（3DSoC），并將該技術(shù)轉(zhuǎn)移到美國天水公司的200毫米晶圓上進(jìn)行批量生產(chǎn)。2019年8月，美國麻省理工學(xué)院制造出世界首個(gè)超大規(guī)模全碳納米管互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）微處理器芯片。2020年8月，天水公司和麻省理工學(xué)院宣布，“三維單芯片系統(tǒng)”項(xiàng)目進(jìn)入第二階段，主要提高制造的性能和產(chǎn)量，向商業(yè)化推進(jìn)。第三階段主要是實(shí)現(xiàn)多樣化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的高產(chǎn)量制造，使美國制造工廠可為軍用和商用客戶提供按需代工服務(wù)。

“極端可擴(kuò)展性封裝”項(xiàng)目共分3個(gè)階段：第一階段開展概念、組件及功能演示；第二階段開展集成設(shè)計(jì)和原型制造；第三階段開展可擴(kuò)展性、復(fù)雜性和成熟度檢驗(yàn)。項(xiàng)目在其主攻的光子組件并行架構(gòu)、多光子芯片模塊、封裝內(nèi)光互連取代電互連等研究方向上取得突破。

2020年3月，艾亞實(shí)驗(yàn)室公司和英特爾公司合作，首次將光信號(hào)傳輸元件封裝至芯片內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了從系統(tǒng)級(jí)、電路板級(jí)光互連向芯片內(nèi)部光互連的演進(jìn)。在現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）中，采用兩個(gè)光子接口小芯片取代了傳統(tǒng)電輸入/輸出接口，小芯片能夠在功耗降低到1/10的情況下，將互連帶寬密度提高1000倍，從而使封裝內(nèi)芯片間數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1000吉比特/秒（現(xiàn)為100吉比特/秒），帶寬高達(dá)5.12太比特/秒，為實(shí)現(xiàn)人工智能、云、高性能計(jì)算、5G和激光雷達(dá)等應(yīng)用提供新的途徑。

同時(shí)，通過項(xiàng)目的實(shí)施，還形成了創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，支撐商業(yè)用戶和國防部用戶長期持續(xù)共享項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)新成果。

系統(tǒng)架構(gòu)領(lǐng)域典型項(xiàng)目 在“Page"3”項(xiàng)目群中有“軟件定義硬件”和“特定領(lǐng)域片上系統(tǒng)”兩個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目周期均為4年，合計(jì)投入經(jīng)費(fèi)1.15億美元。在新設(shè)項(xiàng)目群中有“數(shù)字射頻戰(zhàn)場模擬器”“物理安全保障架構(gòu)”等項(xiàng)目。

“特定領(lǐng)域片上系統(tǒng)”項(xiàng)目在定制化專用芯片研制試點(diǎn)、專用芯片設(shè)計(jì)方法與工具等技術(shù)方向上取得突破。在定制化專用芯片研制試點(diǎn)方向上，2022年，美國威斯康星大學(xué)研發(fā)出一種用于邊緣人工智能應(yīng)用的特定領(lǐng)域片上系統(tǒng)，集成了一個(gè)通用RISC-V核心和5個(gè)硬件加速器，用于執(zhí)行可穿戴健康監(jiān)測任務(wù)。評(píng)估表明，該系統(tǒng)的執(zhí)行效率比軟件方式快9.1倍，能效高8.9倍。在專用芯片設(shè)計(jì)方法與工具方向上，2023年，美國得克薩斯大學(xué)開發(fā)了特定領(lǐng)域片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)支持系統(tǒng)快速模擬，與現(xiàn)行設(shè)計(jì)工具相比，模擬速度提升8400倍，精度提升98.5%，大幅加快協(xié)同設(shè)計(jì)速度，在自動(dòng)駕駛和機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

“數(shù)字射頻戰(zhàn)場模擬器”項(xiàng)目：2019年，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室展示了該系統(tǒng)原型；2020年，美陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部對(duì)其進(jìn)行測試，評(píng)估新型電子戰(zhàn)系統(tǒng)在真實(shí)射頻環(huán)境中的性能；2021年8月，美太平洋海軍信息戰(zhàn)中心與佐治亞理工學(xué)院簽訂1150萬美元的訂單，推進(jìn)以此項(xiàng)目為基礎(chǔ)的“新型高性能計(jì)算機(jī)”項(xiàng)目。作為模擬戰(zhàn)場射頻環(huán)境的強(qiáng)大工具，該項(xiàng)目成果在軍事和國防工業(yè)中應(yīng)用廣泛，可用于開發(fā)、測試?yán)走_(dá)與電子戰(zhàn)等射頻系統(tǒng)。

電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域典型項(xiàng)目 在“Page"3”項(xiàng)目群中有“電子設(shè)備智能設(shè)計(jì)”和“高端開源硬件”兩個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目周期均為4年，合計(jì)投入經(jīng)費(fèi)近1億美元。在新設(shè)項(xiàng)目群中有“實(shí)時(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)”“安全硅的自動(dòng)實(shí)施”等項(xiàng)目。

“電子設(shè)備智能設(shè)計(jì)”項(xiàng)目分為兩個(gè)階段：第一階段開發(fā)用于芯片物理設(shè)計(jì)的自動(dòng)化布局生成器；第二階段運(yùn)用該生成器結(jié)合現(xiàn)有工藝生產(chǎn)芯片。目前該項(xiàng)目的研究工作已完成，其成果已形成相關(guān)方案、產(chǎn)品和應(yīng)用。2020年7月，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過大量原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法訓(xùn)練得到模型，研發(fā)出自動(dòng)化布局生成器，可實(shí)現(xiàn)電路板自動(dòng)布局和布線。該項(xiàng)目成果使模擬混合信號(hào)電路物理設(shè)計(jì)擺脫了對(duì)專業(yè)人員的高度依賴，即使用戶不具備電子設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，也能在24小時(shí)內(nèi)完成硬件電路的物理設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)物理設(shè)計(jì)耗時(shí)縮短至1/7。

“安全硅的自動(dòng)實(shí)施”項(xiàng)目分3個(gè)階段：第一階段開發(fā)安全算法和架構(gòu)；第二階段開發(fā)安全平臺(tái)；第三階段評(píng)估性能和影響。該項(xiàng)目于2022年4月—2023年4月完成了從建模、設(shè)計(jì)到原型開發(fā)、測試的轉(zhuǎn)化，2023—2024年進(jìn)入最終測試階段。

成效研判

從實(shí)施情況看，“Page"3”和新設(shè)項(xiàng)目群聚焦微電子技術(shù)長遠(yuǎn)發(fā)展，匯聚工業(yè)界和高校優(yōu)勢力量，在材料與集成、系統(tǒng)架構(gòu)、電路設(shè)計(jì)3大領(lǐng)域，完成了多項(xiàng)技術(shù)成果和應(yīng)用轉(zhuǎn)化，取得了單片異構(gòu)集成實(shí)用化、專用芯片定制通用化、芯片電路設(shè)計(jì)智能化等后摩爾時(shí)代微電子技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略性突破。

單片異構(gòu)集成實(shí)用化開辟了提升芯片運(yùn)算速度的新路徑。通過“三維單芯片系統(tǒng)”“極端可擴(kuò)展性封裝”等項(xiàng)目，完成了在單一襯底上構(gòu)建三維微系統(tǒng)的技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)封裝內(nèi)光互聯(lián)，大幅縮短計(jì)算時(shí)間、降低系統(tǒng)功耗，實(shí)現(xiàn)了芯片性能的數(shù)量級(jí)提升。“三維單芯片系統(tǒng)”項(xiàng)目通過將碳納米管進(jìn)行三維集成，大幅降低了邏輯和存儲(chǔ)器的訪問延遲。2020年，DARPA成功將實(shí)驗(yàn)室三維芯片技術(shù)轉(zhuǎn)化為可在美國商業(yè)晶圓廠中實(shí)施的技術(shù)，為單片異構(gòu)集成指明了新方向，對(duì)美國恢復(fù)先進(jìn)制造能力具有重要意義，展示出解決后摩爾時(shí)代信息系統(tǒng)大數(shù)據(jù)處理瓶頸問題的有效能力。“極端可擴(kuò)展性封裝”項(xiàng)目在2020年通過封裝內(nèi)光互連取代電互連，使芯片間的數(shù)據(jù)傳輸能力得到數(shù)量級(jí)提升。DARPA負(fù)責(zé)此項(xiàng)目的項(xiàng)目經(jīng)理稱，“帶有光接口的現(xiàn)場可編程門陣列，將對(duì)改善高性能計(jì)算、人工智能、大規(guī)模仿真和先進(jìn)雷達(dá)等國防軍事能力產(chǎn)生重要影響”。

專用芯片的定制通用化開辟了數(shù)據(jù)密集型算法低成本運(yùn)行的新途徑。“軟件定義硬件”項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)配置、可重構(gòu)的軟硬件全新架構(gòu)，尤其適用于對(duì)算力和靈活性有極高要求的數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域；在節(jié)省芯片面積的同時(shí)，縮短開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市速度。英特爾、英偉達(dá)、賽靈思等企業(yè)已紛紛布局可重構(gòu)架構(gòu)相關(guān)業(yè)務(wù)。未來，DARPA希望通過該項(xiàng)目，推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)在國防軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)一步提升后勤預(yù)測、決策支持、情報(bào)監(jiān)視偵察等能力。上述數(shù)據(jù)理解能力和環(huán)境變化預(yù)測能力，將助力美國形成不對(duì)稱優(yōu)勢。

芯片電路設(shè)計(jì)智能化開辟了專用集成電路設(shè)計(jì)大幅提升效率、降低成本與專業(yè)難度的新路徑。“電子設(shè)備智能設(shè)計(jì)”項(xiàng)目開發(fā)算法和軟件，創(chuàng)建了自動(dòng)化布局生成器，為混合信號(hào)集成電路、系統(tǒng)級(jí)封裝和印制電路板設(shè)計(jì)提供便利。2020年，美陸軍研究實(shí)驗(yàn)室在此自動(dòng)化布局生成器上完成了三維集成電路的設(shè)計(jì)。“高端開源硬件”項(xiàng)目構(gòu)建了一個(gè)開源的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證框架，支持以低成本實(shí)現(xiàn)超復(fù)雜片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)、方法和標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，在大國競爭背景下，DARPA圍繞鞏固并擴(kuò)大美微電子技術(shù)優(yōu)勢的戰(zhàn)略目標(biāo)，組織發(fā)動(dòng)企業(yè)界、學(xué)術(shù)界和軍方的優(yōu)勢力量，重點(diǎn)聚焦材料與集成、系統(tǒng)架構(gòu)、電路設(shè)計(jì)3大技術(shù)領(lǐng)域，成功探索多條后摩爾時(shí)代微電子技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展路徑，有力引領(lǐng)并驅(qū)動(dòng)美國微電子領(lǐng)域技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的“全面復(fù)興”，助力半導(dǎo)體創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈進(jìn)一步完善，為美軍信息化、智能化發(fā)展提供強(qiáng)大的創(chuàng)新動(dòng)力。

責(zé)任編輯：王宇璇