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【特稿】美國製造2025?「電子復興計劃」是什麽?

美國國防高級研究計劃處(DARPA)啟動「電子復興計劃」以維持美國在這方面的優勢。(網絡設計圖片)

【香港輕新聞】超過半個世紀以來,美國在半導體研發及生產方面領先全球。在電腦晶片技術快速發展的時代過後,將面臨物理因素的限制,加上各國技術的競爭,美國正陷入電腦技術長期發展的瓶頸。美國國防高級研究計劃處(DARPA)在2017年6月啟動了「電子復興計劃」,並在2018年7月下旬在舊金山舉行首次ERI峰會,以維持美國在微電子工程技術方面的優勢。

正面臨物理及中國挑戰

自半導體技術發展以來,美國在此方面曾領先世界超過半個世紀,然而摩爾定律(註1)開始不那麼奏效,在物理上要尋求突破已顯得十分困難,美國開始陷入長期發展的阻礙。據美國國防高級研究計劃處「電子復興計劃」(Electronics Resurgence Initiative,ERI)負責人查佩爾(William Chappell)表示,系統晶片無論在設計及製造上都變得愈來愈昂貴,因為需要更大的設計團隊來管理複雜的底層人員,再加上來自中國威脅,令美國晶片產業陷入「內憂外患」。

摩爾定律極限成轉捩點

美國國防高級研究計劃處(DARPA)成立於1958年,很多半導體材料的基本進步,大規模集成電路和精密製造,也都是其支持和推動下得以實現。DARPA表示,以摩爾定律註定將觸到物理學和經濟學的極限,隨著這個轉捩點的臨近,微電子技術將需要一個新的創新階段。ERI計畫指出,此轉捩點不僅標誌著歷史上技術軌跡走向平緩和停滯,同時也標誌著更加大膽的技術創新和技術進步時代開始。

將中國列為強國競爭者

根據美國2018年的國防戰略報告表示,美國國防部已將中國列為兩大強國競爭者之一,對中國加強微電子的投資表示憂慮,並擔心中國會在使用其晶片的美國軍事系統之中,加入惡意的程式及代碼。查佩爾表示,中國現階段的投資仍在製造設施方面,而非基礎理論研究。因此與之前DARPA和大學的合作計劃「聯合大學微電子項目」(Joint University Microelectronics Program ,JUMP)相比,ERI更注重與產業的結合。DARPA認為,ERI及JUMP計劃結合會產生巨大的力量,為2025至2030年美國提供重要的電子技術。

對經濟國防有深遠影響

美國國家「電子復興計劃」(Electronics Resurgence Initiative,ERI)是由DARPA管理,預計在未來五年投入15億美元,美國國最近增加注資每年1.5億美元,整個項目資金將達到22.5億美元,以推動美國電子行業發展。負責人查佩爾(William Chappell)表示,如果要在電子技術保持領先地位,就以不依賴傳統方法,取得進展的電子革命。本計劃就是通過電路專業化(circuit specialization),並理清下一階段發展的複雜性,這將對經濟和國防有深遠的影響。

計劃有三個關注的重點

「電子復興計劃」共有三個關注的重點,其一是開發用於電子設備的新材料;其二是將電子設備集成到複雜的電路新體系結構;其三是在軟硬件設計及生產上的創新。今年七月下旬在舊金山舉行了首次為期三日的「電子復興計劃」峰會(ERI Summit),會議議題包括下一代人工智能的硬件,如何應對摩爾定律的終結,材料與集成等,大會的詳細討論內容,暫時披露的資料甚少。

「電子復興計劃」共有三個關注的重點(網絡圖片)

機器取代人力設計晶片

「電子復興計劃」在這次會議當中,選出了第一批輔助研究的對象,有兩個項目與晶片設計有關,包括「電子裝置的智能設計」(IDEA)及「一流的開源硬件」(POSH)。IDEA是為創建一個「無需人工參與」(no human in the loop)的晶片佈局規劃(layout)生成器,預期目標是全面以機器代替人類設計;POSH旨在將開源的文化和能力,帶入硬件設計領域,用開源的方式,實現以低成本設計出複雜晶片。

「IDEA」輔助研究入圍名單如下:

機構負責人資金(美元)
CadenceDavid White2,410萬
加州大學聖迭戈分校Andrew Kahng1,130萬
加州大學伯克利分校Jonathan Bachrach870萬
密歇根大學David Wentloff640萬
明尼蘇達大學Sachin Apatnekar530萬
普林斯頓大學David Wentzlaff280萬
UIUCMartin Wong170萬
德克薩斯大學奧斯汀分校Nan Sun170萬
普渡大學Dan Jiao130萬
耶魯大學Rajit Manohar120萬
猶它大學Pierre-Emmanuel Gaillardon100萬

 

「POSH」輔助研究入圍名單如下:

機構負責人資金(美元)
桑迪亞國家實驗室Eric Keiter690萬
SynopsysAlex Rabinovitch610萬
南加州大學Tony Levi600萬
斯坦福大學和SiFiveClark Barrett590萬
北卡羅來納大學教堂山分校Michael Taylor270萬
華盛頓大學Richard C.J. Shi250萬
普林斯頓大學David Wentzlaff180萬
賽靈思Edgar Inglesias120萬
猶他大學Pierre-Emmanuel Gaillardon90萬
布朗大學Sherief Reda60萬
LeWiz通訊Chinh Le60萬

 

將以AI實現後勤工作

另外兩項關於架構相關的項目亦獲得資助,包括「軟件定義的硬件」(SDH)和「特定域片上系統」(DSSoC),這些技術是構建在運行時可基於所處理數據,實時重新配置的軟件和硬件的系統。DARPA對這種計劃期望不低,是要在數據密集型算法上,性能可媲美ASIC,又不能犧牲多功能性和可編程性,DARPA又想藉此技術,讓美國國防部廣泛使用機器學習和以人工智能(AI)來實現預測性後勤工作,支持決策、情報、監控和偵查等功能。

「SDH」輔助研究入圍名單如下:

機構負責人資金(美元)
英偉達Stephen Keckler2,270萬
華盛頓大學Michael Bedford Taylor900萬
密歇根大學Ron Dreslinski900萬
斯坦福大學Kunle Olukotun800萬
普林斯頓大學Margaret Martonosi580萬
系統與技術研究所(STR)Brad Gaynor550萬
英特爾Joshua Fryman450萬
喬治亞理工學院Vivek Sarkar450萬
高通Shekhar Borkar200萬

DSSoC輔助研究入圍名單如下:

機構負責人資金(美元)
亞利桑那州立大學Daniel Bliss1,740萬
IBMPradip Bose1,470萬
斯坦福大學Mark Horowitz640萬
橡樹嶺國家實驗室Dr. Jeffrey Vetter600萬
SDH和DSSoC技術是可實時重新配置的軟件和硬件的系統技術。(網絡圖片)

克服諾依曼內存瓶頸

在材料和集成領域方面,也有兩個研究項目獲得資助,包括單片三維片上系統(3DSoC)及新計算所需基礎(FRANC)。3DSoC就是在CMOS基礎上增加多層互連電路,來實現50倍功率計算時間的提升以及降低功耗。FRANC專注於在存儲器中使用新的非易失性設備,利用新的材料和器件,帶來10倍的性能提升。DARPA認為能夠讓以內存為中心的計算架構,克服當前馮‧諾依曼理論架構中出現的內存瓶頸。

「3DSoC」及「FRANC」輔助研究入圍名單如下:

機構負責人資金(美元)
麻省理工學院Max Shulaker6,100萬
佐治亞理工學院Sung Kyu Lim310萬

3DSoC就是在CMOS基礎上增加多層互連電路,相當於電路立體化(網絡圖片)

掙脫傳統啟電子革命

查佩爾表示,微電子技術的不斷發展和日益複雜,在各領域當中的發展速度令人吃驚。在過去十年內,僅憑手機技術,世界已經發生很大的變化。為了繼續保持這一發展步伐,即使失去傳統晶片縮放優勢,亦要掙脫傳統,接受ERI的全部創新計劃。查佩爾期待與商業部門、國防工業基地、學術界、國家實驗室和其他創新溫床開展合作,開啟下一次電子革命。

「電子復興計劃」介紹影片﹕

 

註1:摩爾定律是指電晶體製作得愈來愈小,集成電路/晶片可以放進更多電晶體,令晶片效能迅速提升,過去平均每18個月,效能就提高約一倍。然而,現時尚在準備大量生產的10奈米電晶體,尺寸只等於40-50粒重金屬原子左右(普遍重金屬原子的直徑大約在0.4-0.6奈米之間),現時的製作技術愈來愈難沉積足夠的半導體原料粒子在已光刻的電晶體板面上,也間接導致廢品率增加,成本進一步上升。

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諾文
香港輕新聞編輯

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