美軍方斥15億美元重塑晶元產業，三大問題讓其憂心

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美國軍方擔心，隨著摩爾定律的終結，他們可能會失去自己在半導體晶元方面的優勢。

去年，負責為一系列與美國軍方有關的藍天研究工作提供資金的美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動了一項 15 億美元的名為「電子復興計劃」（ERI）的五年計劃，用來為有關晶元技術進步的研究項目提供支持。

而就在最近，該機構也相應的建立了第一批研究團隊，他們主要選擇了那些未經證實但潛在的強大方法去研究探索，並且希望可以用這些方法為美國晶元的開發和製造帶來一次革新與飛躍。

近年來，與發生了巨大進步與革新的軟體技術相比，硬體創新顯得有些力不從心， 而硬體短板暴露出的幾大問題也頗讓美國軍方擔憂。

美國軍方的三大隱憂

美國軍方擔心的第一個因素有關摩爾定律。

根據摩爾定律，晶元上可以安裝的晶體管數目大約每兩年可以增加一倍，但是今年來各種跡象表明，摩爾定律即將到達極限，即晶元上可以安裝的晶體管數目無法繼續增加。

對於美國軍方賴以生存的電子技術來說，這無疑給它的持續發展帶來了巨大的阻礙，除非美國及時創造出可以繼續推動晶元性能的進步的新的架構和設計。

除了摩爾定律之外，美國軍方還擔心的是集成電路的設計成本的上升，以及在半導體設計和製造方面日漸增長的外國投資的不斷增加——尤其是那些來自「懂中文的人」的投資。

電子復興計劃正在挑戰「不可能」

由於電子復興計劃（ERI）的預算，DARPA 在硬體上的年度支出增加了四倍左右。該計劃的啟動項目也反映出了本計劃重點研究的的三個領域，即晶元設計、晶元架構、以及晶元的材料和集成。

比如說，ERI 中的一個項目就是想要從根本上縮短新型晶元設計所需的時間。

該項目希望通過機器學習或者其他工具可以將晶元設計的流程自動化，將這一過程所需的時間從數年或數月縮短到僅僅一天，如果這一項目成功的話，即使是相對缺乏晶元設計經驗的人員也可以在機器學習的幫助下創造出高質量的設計。

「現在還沒有一個人知道，在沒有人為參與協助的情況下，如何在 24 小時內完成沒有失誤的新的晶元的設計，」該項目中某以團隊的領頭人，來自加州大學聖地亞哥分校的 Andrew Kahng說道，「我們正在開發的方法是一種完全革新的方法。」

圖丨William Chappell

「我們正在做的，是計劃一場類似曾經的釀酒革命的電子產品設計行業的革命，」負責管理 ERI 計劃的 DARPA 辦公室負責人威廉?卡佩爾（William Chappell）說道。

他們的希望是，通過自動設計工具，小型公司也可以在沒有大型晶元製造商的依賴下獨自設計製造晶元，就如同曾經的釀酒革命最終使美國的小型專業釀酒商也可以和啤酒行業巨頭一樣具有充足的創新能力。

新的晶元材料和巧妙的設計

但是，如果我們要超越摩爾定律，我們就必須要有全新的晶元材料以及全新的整合計算能力和內存的方法。

將數據從一個在不同的用於存儲和加工數據的存儲器組件之間來回操作轉移，會消耗大量的能量，而這也是在提高處理能力上的最大難點之一。

對此，上文提到的 ERI 的啟動項目中的另一個項目就是想要探索可以消除或者至少可以大大減少數據轉換需求的新型電路集成方案。這一項目的最終目標是有效地將計算能力內嵌到存儲器中，這將可能會使晶元的性能得到顯著的提升。

在晶元架構方面，DARPA 則希望創建一種可以被實時重新配置的硬體和軟體，這樣就可以處理更多的一般任務或的如特定的人工智慧應用程序的特殊任務。在現有的情況下，完成不同的任務必須要有多個晶元，這大大增加了晶元的複雜性和成本。

不過，DARPA 的一些項目和目前已經在工業領域緊密進行的項目有些重疊。例如「晶元上的 3D 系統」這一項目，該技術旨在通過使用碳納米管等新材料以及更智能的堆疊和分割電子電路來擴展摩爾定律。

Chappell 也承認 DARPA 的項目和工業中的研究產生了重疊，但他相信 DARPA「很有可能才會是在這一方向上做出最大努力的機構。」

這些夠了嗎？

儘管如此，還有一些人認為， DARPA 以及支持美國電子研究的其他政府部門，如能源部，應該花更多的錢來刺激創新。

比如，卡內基梅隆大學教授也是新興技術公共政策專家 Erica Fuchs 就表示，隨著晶元開發越來越專註於更具體的應用，大公司已經漸漸失去了在合作研究方面花錢的興趣，因此整個晶元行業的創新就如同摩爾定律目前一樣遇到了瓶頸。

Fuchs 對 ERI 表示了讚揚，但他認為，與美國將要面臨的挑戰所需的支持相比，美國政府支持電子創新的整體方法「整整低了一個數量級」。