去年，負(fù)責(zé)為一系列與美國(guó)軍方有關(guān)的藍(lán)天研究工作提供資金的美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)啟動(dòng)了一項(xiàng) 15 億美元的名為“電子復(fù)興計(jì)劃”(ERI)的五年計(jì)劃，用來為有關(guān)芯片技術(shù)進(jìn)步的研究項(xiàng)目提供支持。
而就在最近，該機(jī)構(gòu)也相應(yīng)的建立了第一批研究團(tuán)隊(duì)，他們主要選擇了那些未經(jīng)證實(shí)但潛在的強(qiáng)大方法去研究探索，并且希望可以用這些方法為美國(guó)芯片的開發(fā)和制造帶來一次革新與飛躍。
近年來，與發(fā)生了巨大進(jìn)步與革新的軟件技術(shù)相比，硬件創(chuàng)新顯得有些力不從心， 而硬件短板暴露出的幾大問題也頗讓美國(guó)軍方擔(dān)憂。
美國(guó)軍方的三大隱憂
美國(guó)軍方擔(dān)心的第一個(gè)因素有關(guān)摩爾定律。
根據(jù)摩爾定律，芯片上可以安裝的晶體管數(shù)目大約每?jī)赡昕梢栽黾右槐叮墙衲陙砀鞣N跡象表明，摩爾定律即將到達(dá)極限，即芯片上可以安裝的晶體管數(shù)目無法繼續(xù)增加。
對(duì)于美國(guó)軍方賴以生存的電子技術(shù)來說，這無疑給它的持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的阻礙，除非美國(guó)及時(shí)創(chuàng)造出可以繼續(xù)推動(dòng)芯片性能的進(jìn)步的新的架構(gòu)和設(shè)計(jì)。
除了摩爾定律之外，美國(guó)軍方還擔(dān)心的是集成電路的設(shè)計(jì)成本的上升，以及在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造方面日漸增長(zhǎng)的外國(guó)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(fù)興計(jì)劃正在挑戰(zhàn)“不可能”
由于電子復(fù)興計(jì)劃(ERI)的預(yù)算，DARPA 在硬件上的年度支出增加了四倍左右。該計(jì)劃的啟動(dòng)項(xiàng)目也反映出了本計(jì)劃重點(diǎn)研究的的三個(gè)領(lǐng)域，即芯片設(shè)計(jì)、芯片架構(gòu)、以及芯片的材料和集成。
比如說，ERI 中的一個(gè)項(xiàng)目就是想要從根本上縮短新型芯片設(shè)計(jì)所需的時(shí)間。
該項(xiàng)目希望通過機(jī)器學(xué)習(xí)或者其他工具可以將芯片設(shè)計(jì)的流程自動(dòng)化，將這一過程所需的時(shí)間從數(shù)年或數(shù)月縮短到僅僅一天，如果這一項(xiàng)目成功的話，即使是相對(duì)缺乏芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人員也可以在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下創(chuàng)造出高質(zhì)量的設(shè)計(jì)。
“現(xiàn)在還沒有一個(gè)人知道，在沒有人為參與協(xié)助的情況下，如何在 24 小時(shí)內(nèi)完成沒有失誤的新的芯片的設(shè)計(jì)，”該項(xiàng)目中某以團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)頭人，來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的 Andrew Kahng說道，“我們正在開發(fā)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(jì)劃一場(chǎng)類似曾經(jīng)的釀酒革命的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)的革命，”負(fù)責(zé)管理 ERI 計(jì)劃的 DARPA 辦公室負(fù)責(zé)人威廉?卡佩爾(William Chappell)說道。
他們的希望是，通過自動(dòng)設(shè)計(jì)工具，小型公司也可以在沒有大型芯片制造商的依賴下獨(dú)自設(shè)計(jì)制造芯片，就如同曾經(jīng)的釀酒革命最終使美國(guó)的小型專業(yè)釀酒商也可以和啤酒行業(yè)巨頭一樣具有充足的創(chuàng)新能力。
新的芯片材料和巧妙的設(shè)計(jì)
但是，如果我們要超越摩爾定律，我們就必須要有全新的芯片材料以及全新的整合計(jì)算能力和內(nèi)存的方法。
將數(shù)據(jù)從一個(gè)在不同的用于存儲(chǔ)和加工數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器組件之間來回操作轉(zhuǎn)移，會(huì)消耗大量的能量，而這也是在提高處理能力上的最大難點(diǎn)之一。
對(duì)此，上文提到的 ERI 的啟動(dòng)項(xiàng)目中的另一個(gè)項(xiàng)目就是想要探索可以消除或者至少可以大大減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需求的新型電路集成方案。這一項(xiàng)目的最終目標(biāo)是有效地將計(jì)算能力內(nèi)嵌到存儲(chǔ)器中，這將可能會(huì)使芯片的性能得到顯著的提升。
在芯片架構(gòu)方面，DARPA 則希望創(chuàng)建一種可以被實(shí)時(shí)重新配置的硬件和軟件，這樣就可以處理更多的一般任務(wù)或的如特定的人工智能應(yīng)用程序的特殊任務(wù)。在現(xiàn)有的情況下，完成不同的任務(wù)必須要有多個(gè)芯片，這大大增加了芯片的復(fù)雜性和成本。
不過，DARPA 的一些項(xiàng)目和目前已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域緊密進(jìn)行的項(xiàng)目有些重疊。例如“芯片上的 3D 系統(tǒng)”這一項(xiàng)目，該技術(shù)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(kuò)展摩爾定律。
Chappell 也承認(rèn) DARPA 的項(xiàng)目和工業(yè)中的研究產(chǎn)生了重疊，但他相信 DARPA“很有可能才會(huì)是在這一方向上做出最大努力的機(jī)構(gòu)。”
這些夠了嗎?
盡管如此，還有一些人認(rèn)為， DARPA 以及支持美國(guó)電子研究的其他政府部門，如能源部，應(yīng)該花更多的錢來刺激創(chuàng)新。
比如，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授也是新興技術(shù)公共政策專家 Erica Fuchs 就表示，隨著芯片開發(fā)越來越專注于更具體的應(yīng)用，大公司已經(jīng)漸漸失去了在合作研究方面花錢的興趣，因此整個(gè)芯片行業(yè)的創(chuàng)新就如同摩爾定律目前一樣遇到了瓶頸。
Fuchs 對(duì) ERI 表示了贊揚(yáng)，但他認(rèn)為，與美國(guó)將要面臨的挑戰(zhàn)所需的支持相比，美國(guó)政府支持電子創(chuàng)新的整體方法“整整低了一個(gè)數(shù)量級(jí)”。
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