美國下注15億美元重點搞晶元，電子復興計劃首批入圍項目曝光

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問耕 夏乙 安妮 發自 凹非寺

量子位 出品 | 公眾號 QbitAI

上周，數以百計的工程師齊聚舊金山。

在這個靠近矽谷灣區的明星城市，美國首次「電子復興計劃」峰會（ERI Summit）拉開帷幕。

峰會的組織者，是美國國防部高級研究計劃局DARPA。大會演講者，包括今年的圖靈獎得主、Google母公司Alphabet的董事會主席、前任斯坦福校長John Hennessy等多位高科技公司的掌門人和學界領袖。

在這場為期三天的大會上，討論的議題包括下一代人工智慧的硬體，如何應對摩爾定律的終結，材料與集成等等。

但大會的詳細討論，在網上披露甚少。

不過，至少有一個信息，明確的傳達了出來。就在這次的大會上，美國的電子復興五年計劃，選出了第一批入圍扶持項目。?

追蹤入圍項目詳情

然而，這些項目並沒有完整的公布出來。經過一番努力，量子位終於在海量信息中，整理出一個較為完整的答案。

這些項目共分成三組，共計六個類別。

有兩類項目與設計相關：電子裝置的智能設計（IDEA），一流的開源硬體（POSH）。

IDEA

IDEA旨在創建一個「無需人工參與」（no human in the loop）的晶元布局規劃（layout）生成器，讓沒什麼專業知識的用戶也能在一天內完成硬體設計。

而DARPA的願景，是最終讓機器取代人類進行晶元設計。

這個領域最大的撥款（2410萬美元，約合1.65億元）給予Cadence公司David White領導的項目（還有英偉達等合作夥伴）。「這個計劃將為我們的模擬、數字、驗證、封裝和PCB EDA技術奠定基礎」，Cadence公司表示。

PCB EDA指的是印刷電路的自動化設計。

據Cadence高級副總裁Tom Beckley介紹，他們的EDA平台Virtuoso已經包含機器學習技術，有大約30位工程師正從事這方面研究，而IDEA的支持能讓更多機器學習工程師加入其中。

IDEA的全部入圍名單如下：

以上。項目詳情DARPA沒有公布。不過也有一些信息具備參考價值。

去年的EDPS 2017（電子設計過程研討會）上，David White講述了Cadence旗下Virtuoso平台的相關進展。他主要提及了EDA領域面臨的現狀，以及如何使用機器學習技術進行晶元設計等等相關情況。

David White的PPT傳送門在此：http://edpsieee.ieeesiliconvalley.org/EDP2017/Papers/4_David_White.pdf

這個方向也和DARPA的需求一致。

此外，前面提過英偉達也參與了這個項目。據透露，英偉達正在開發中的最新技術，也將用於這個研究之中。英偉達的研究，其實是在DARPA「更快速實現電路設計」（CRAFT）計劃之中。

POSH

POSH旨在將開源的文化和能力，帶入硬體設計領域。官方解釋說：「為了讓定製化、高性能的SoC系統更加普及，POSH計劃需求開發可持續的開源IP生態，以及相應的驗證工具。」

DARPA希望在POSH計劃的支持下，能夠創建一個經過驗證的基礎架構，每一個新的設計無需從零開始，而且要為基於開源檢查的用戶提供更深層次保證。

簡單講就是一句話，用開源的方式，實現超複雜SoC的低成本設計。

POSH的獲資助入圍名單如下：

通過上述列表可見，來自桑迪亞國家實驗室的Eric Keiter，獲得了最多的資金支持（690萬美元，4715萬元人民幣）。

Eric Keiter幾年前領銜研發了Xyce，這是一個開源的SPICE（模擬電路模擬器）引擎。Xyce能夠通過大規模並行計算平台，解決特大電路問題，能在常見的桌面平台和Unix等平台上運行。

除了模擬電子模擬之外，Xyce還可用於研究其他網路系統，例如神經網路和電網等等。當然Xyce是開源的，傳送門在此：

https://xyce.sandia.gov/?

與架構相關也是兩個計劃：軟體定義的硬體（SDH）和特定域片上系統（DSSoC）。

SDH

這個計劃的目標，是構建運行時可基於所處理數據實時重新配置的軟體和硬體。

DARPA對這種軟體+硬體的期望不低，是要在數據密集型演算法上，性能媲美ASIC，又不能犧牲多功能性和可編程性。

當然，更不能像ASIC那樣，為每一種應用開發專門的電路。

DARPA想借這個計劃，讓美國國防部廣泛使用機器學習和里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。

這一領域的資金，最大一筆2270萬美元（約合人民幣1.55億元）撥給了英偉達。英偉達說，他們計劃在項目期間通過硬體和軟體原型來展示創新的技術。

△ Stephen Keckler

合同為期4年，團隊由分管架構研究的英偉達副總裁Stephen Keckler負責，成員除了英偉達員工之外，還有來自MIT、伊利諾伊大學香檳分校（UIUC）加州大學戴維斯分校的研究者們。

Keckler也是德克薩斯奧斯汀大學教授，他的研究領域包括並行計算架構、高性能計算、高能效架構、嵌入式計算等等。

關於英偉達具體要怎樣造出性能媲美ASIC又多功能、可編程的晶元，並沒有太多的介紹。不過這個項目的成果，受益者不止DARPA一家。

Keckler說：「通過這個ERI項目開發的技術，會對電子計算設備的未來，和英偉達的未來產品有潛在影響。」

入選SDH的有9個團隊：

DSSoC

這個計劃的總體目標，是開發一個可編程框架，用來快速開發多用途的片上系統（SoC）。這個框架，要讓SoC設計者更容易針對特定領域的問題，將通用處理器、專用處理器、硬體加速器、內存、輸入/輸出（I/O）等內核結合、搭配起來。

DARPA說，這一領域的團隊會從軟體定義的無線電入手進行探索，幫國防部構建靈活、適應性強、可管理、能對抗複雜信號環境的無線電系統。

DSSoC最高的一筆資金是1740萬美元（約合人民幣1.19億元），撥給了亞利桑那州立大學副教授Daniel Bliss。

△ Daniel Bliss

在這個項目中，Bliss負責的部分叫做專註於領域的高級軟體重新配置異構（Domain-Focused Advanced Software-Reconfiguration Heterogeneous，DASH）。

亞利桑那州立大學介紹說，這個項目，與Bliss在學校里負責的無線信息系統和計算架構（WISCA）實驗室有著一致的目標，都是構建一個新框架，來推進高性能、嵌入式、異構的下一代處理器的開發。

團隊里除了亞利桑那州立大學的成員之外，還有卡耐基梅隆大學（CMU）、密歇根大學的學者，他們還會和ARM、EpiSys Sciences、通用動力等公司合作。

Bliss說，他們會理解如何構造這種新型晶元，開發出構造這類晶元的工具，還會提供為這類晶元編程讓它運行多種應用的軟體和分析工具，包括在晶元內實時運行的工具。

另外，他們還計劃在晶元中嵌入機器學習功能，讓晶元能自己學習。

緊隨其後的是一筆1470萬美元的資金，撥給了IBM，由沃森研究中心的Pradip Bose負責。

DSSoC全部入選項目如下：

在材料和集成領域，也有兩個計劃：單片三維片上系統（3DSoC）；新計算所需基礎（FRANC）。

3DSoC

所謂3DSoC，就是在CMOS基礎上增加多層互連電路，來實現50倍的功率計算時間提升以及降低功耗。

這個計劃入圍的團隊最少，只有兩個。

去年7月，Max Shulaker團隊在Nature上發表文章，提出變革性的納米系統新理念，把計算和數據存儲垂直集成在一個晶元之上。

與傳統集成電路結構不同，這種分層式製備實現了在層間計算、數據存儲、輸入和輸出（如感測）等功能結構。可以在一秒內捕捉大量數據，並在單一晶元上直接存儲，原位實現數據獲得與信息的快速處理。

這個研究的題目是Three-dimensional integration of nanotechnologies for computing and data storage on a single chip，傳送門在此：

https://www.nature.com/articles/nature22994

更早之前，Max Shulaker團隊還研發出全球首台碳納米晶體管計算機。

FRANC

FRANC專註於在存儲器中使用新的非易失性設備。這個計劃尋求利用新的材料和器件，帶來10倍的性能提升。

DARPA認為這些新進步，能夠讓以內存為中心的計算架構，克服當前馮·諾依曼架構中出現的內存瓶頸。

「現在架構中，移動數據的時間，比處理的時間還長」，DARPA還通過LSTM、ResNet-152、Alex Net等案例說明這個問題。

共有6個項目入選FRANC：

獲得最多資金支持的項目，負責人是UIUC的Naresh Shanbhag教授。在他自己的主頁上，公布了一些最新的研究。

傳送門在此：

http://shanbhag.ece.illinois.edu/papers.html

美國電子復興計劃

上面反覆提到的美國「電子復興計劃」（Electronics Resurgence Initiative，ERI）到底是什麼？

這是從2017年6月1日開始，DARPA下的一盤大棋。DARPA期望通過此次計劃，應對微電子技術領域面臨的工程技術和經濟成本方面的挑戰。

DARPA為此下了大手筆，預計未來五年投入15億美元。而下注的不只DARPA，據外媒EETimes報道，美國國會近期也增加了對電子復興計劃的投入，每年最多注資1.5億美元。

據DARPA官方資料顯示，在2018財年，將有2.16億美元里資金流入電子復興計劃。

重金資助的背後，是美國對電子行業形勢深深的焦慮。

半個多世紀以來，美國在半導體領域一直處於領先地位，也成為美國經濟走在世界前列的保障。高速發展後的今天，當摩爾定律開始不那麼奏效，美國開始陷入長期發展的阻礙。此時再不發力，怕是將優勢全無。

在接受外媒IEEE Spectrum採訪時，美國電子復興計劃的負責人Bill Chappell表示目前是一個獨特的時間點。

「想尋求物理突破開始變得越來越難了，這是種潛在的趨勢，可以用整個系統的成本來表示。當前，無論是設計、製造還是在系統晶元上編寫軟體都變得越來越昂貴，需要更大的設計團隊來管理底層的複雜性。」Chappell說。

讓Chappell焦心的除了內憂，還有外患。而這個「外患」，就包括中國。

在2018年的國防戰略中，五角大樓將北京定義為其向前發展的兩大強國競爭者之一。中國增加對微電子的投資開始讓五角大樓心慌，它開始擔心中國是否可能在使用中國晶元的美國軍事系統中隱藏惡意應用程序或代碼。

Chappell表示，中國的大部分投資都是用於製造設施，而非在基礎研究上的探索。可能也是受此影響，和之前DARPA與大學基礎電子研究項目「聯合大學微電子項目」（JUMP）相比，電子復興計劃也開始更注重與產業的結合。

DARPA表示，新項目與JUMP計劃相結合會產生巨大的能量，為下一階段的創新提供基礎，並在2025到2030年內為美國提供重要的電子技術能力。

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