DARPA日前發(fā)布了三個跨部門公告（broad agency announcement，BAA），其中描述了六項新計劃，以解決摩爾50年前預(yù)測到的、在當(dāng)前半導(dǎo)體路線圖最后將會面臨的問題。

根據(jù)美國國防高級研究計劃局（DARPA）微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）主任Bill Chappell所述，戈登·摩爾（Gordon Moore）賴以成名的定律幾十年來一直引導(dǎo)著行業(yè)的發(fā)展，也為DARPA新近發(fā)布的對其電子復(fù)興計劃（ERI）的附加條例提供了思路。DARPA日前發(fā)布了三個跨部門公告（broad agency announcement，BAA），其中描述了六項新計劃，以解決摩爾50年前預(yù)測到的、在當(dāng)前半導(dǎo)體路線圖最后將會面臨的問題。這些計劃將每年向ERI追加7500萬美元，將此為期四年的計劃的預(yù)計年度預(yù)算提升到2.16億美元。DARPA稱其名為Page 3 Investments的新計劃是向摩爾致意——摩爾在1965年4月在《電子學(xué)》（Electronics）雜志上發(fā)表“在集成電路中塞進更多的元件（Cramming More Components on Integrated Circuits）”一文，其中第3頁描述了這些研究挑戰(zhàn)，DARPA將其摘錄在其計劃中。

圖1：DARPA通過與戈登·摩爾50年前預(yù)測的研究要求相關(guān)的六個新計劃，強化了其電子復(fù)興計劃的三大支柱——材料、架構(gòu)和設(shè)計。

熱問題

是否可將單個半導(dǎo)體芯片中成千上萬個元件產(chǎn)生的熱量散發(fā)掉？

如果我們可以將標(biāo)準(zhǔn)高速數(shù)字計算機的體積縮小到其元件本身所占的體積，那么我們可以預(yù)計，以當(dāng)前的功耗來看，它會熱得發(fā)光。但用集成電路則不會如此。因為集成的電子結(jié)構(gòu)是二維的，它們有可用于冷卻的表面靠近每個發(fā)熱中心。此外，電能主要用來驅(qū)動與系統(tǒng)相關(guān)的各種線路和電容。只要功能被限制在晶圓上的一小塊區(qū)域內(nèi)，必須驅(qū)動的電容量就明顯受到限制。實際上，就每單位面積功耗相同來說，若集成結(jié)構(gòu)尺寸實現(xiàn)微縮，則可以以更高的速度使該結(jié)構(gòu)工作。

“清算日”

顯然，我們將能夠打造這樣的高集成度設(shè)備。接下來，我們要問：在什么情況下，我們該這么做。實現(xiàn)特定系統(tǒng)功能的總成本必須少之又少。為此，我們可以將工程分?jǐn)偟綆讉€相同的項目上，或為包含大型功能的工程制定出靈活技術(shù)，以免使一批特定功能承擔(dān)不成比例的費用。也許新發(fā)明的設(shè)計自動化程序可以從邏輯圖直接轉(zhuǎn)化成技術(shù)實現(xiàn)，而無需任何特殊工程處理。以單獨封裝和互連的較小功能來構(gòu)建大型系統(tǒng)可能被證明更加經(jīng)濟。有大型功能可用，結(jié)合功能設(shè)計與建構(gòu)，應(yīng)能使大型系統(tǒng)制造商快速、經(jīng)濟地設(shè)計和構(gòu)建各式各樣的設(shè)備。

線性電路

集成不會像數(shù)字系統(tǒng)那樣徹底改變線性系統(tǒng)。然而，線性電路仍將會實現(xiàn)相當(dāng)大程度的集成。在線性領(lǐng)域，集成電路無法集成大數(shù)值電容器和電感器是其最大的主要限制。

就電容和電感的本質(zhì)來說，這些器件需要以一定容積儲存能量。要實現(xiàn)高Q值，器件容積必須要大。大容量和集成電路的背道而馳從其術(shù)語本身來看就顯而易見。可以預(yù)期，某些共振現(xiàn)象（例如壓電晶體中的共振現(xiàn)象）會有一些調(diào)諧功能應(yīng)用，但在相當(dāng)一段時間內(nèi)，電感器和電容器將始終無法集成掉。

未來的集成射頻放大器很可能包括集成增益級（能以最小成本提供高性能），并散布著相對較大的調(diào)諧元件。

其它線性功能將發(fā)生很大改變。集成結(jié)構(gòu)中相似元件的匹配與一致將能夠?qū)崿F(xiàn)性能顯著提高的差分放大器設(shè)計。使用熱反饋效應(yīng)將集成結(jié)構(gòu)精確穩(wěn)定在某個溫度上，將能夠構(gòu)建晶體穩(wěn)定性好的振蕩器。

即使在微波領(lǐng)域，包括在集成電子學(xué)定義中的結(jié)構(gòu)也會變得越來越重要。與所涉及的波長相比，能夠制造和組裝較小元件，將至少能在較低頻率下使用集中參數(shù)設(shè)計。現(xiàn)在很難預(yù)測，集成電路將能夠伸入微波領(lǐng)域到多大程度。例如，使用多個集成微波電源的相控陣天線的成功實現(xiàn)，就可以使雷達發(fā)生徹底變革。

根據(jù)Chappell的說法，通過延續(xù)摩爾定律，ERI計劃將“站在摩爾的肩膀”，確保延續(xù)曾經(jīng)取得的“最大商業(yè)利益和最強防御能力”。

Chappell相信，DARPA的ERI計劃可以無限期延續(xù)摩爾定律，該計劃已經(jīng)致力于解決材料和集成、電路設(shè)計、系統(tǒng)架構(gòu)和加強基礎(chǔ)研究的根基。

圖2：DARPA的“Page 3”投資——摘錄自戈登·摩爾1965年發(fā)表的關(guān)于電子產(chǎn)業(yè)未來的論文。

DARPA新的三維單片片上系統(tǒng)（3DSoC）計劃旨在通過將處理器、邏輯、存儲器和輸入/輸出封裝在省電、高尺寸的三維立方體中，來在更低功耗的條件下將計算速度提高五十倍。第二個計劃由與3DSoC計劃相同的BAA資助，是新型計算機所需的基礎(chǔ)（FRANC），它將顛覆約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann）的分離式數(shù)據(jù)和存儲功能。DARPA稱，結(jié)合數(shù)據(jù)和存儲功能將克服將數(shù)據(jù)從存儲器傳送到處理器以及反方向傳送的存儲瓶頸。這些努力將需要開發(fā)新型材料（如憶阻器）、元件（如人造神經(jīng)元和突觸）以及算法（包括對人腦建模的算法）。

第二個新的BAA是重新定義電路和系統(tǒng)專業(yè)化的雙方向努力。電子資產(chǎn)智能設(shè)計（IDEA）計劃將著眼自動化設(shè)計，以便即使非工程技術(shù)人員也可以描述要執(zhí)行的功能，而機器人設(shè)計自動化系統(tǒng)一晚上就能完成設(shè)計工作。Posh開源硬件（POSH）計劃將支持互補的開源驗證框架，以便在必要時檢查和重新設(shè)計由IDEA生產(chǎn)的甚至最復(fù)雜的片上系統(tǒng)和印制電路板。

第三個BAA同樣包含兩個計劃。軟件定義硬件（SDH）將能作為可重配置硬件/軟件的“決策助手”，將為使用專用IC的人工智能應(yīng)用運行數(shù)據(jù)密集型算法，以處理現(xiàn)代戰(zhàn)爭以及民用大數(shù)據(jù)應(yīng)用所涉及的數(shù)千個智能、監(jiān)視和偵察傳感器。互補的特定域片上系統(tǒng)（DSSoC）計劃旨在開發(fā)多應(yīng)用硬件/軟件系統(tǒng)，用戶可對其進行混合和匹配，以解決包括移動通信、衛(wèi)星通信、個人區(qū)域網(wǎng)和所有類型雷達在內(nèi)的軟件定義無線電（SDR）等問題。Chappell表示，SDR應(yīng)用將在2025至2030年間用于電子戰(zhàn)。

本文授權(quán)編譯自EE Times。《電子技術(shù)設(shè)計》2017年11月刊版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請注明來源及鏈接。