DARPA日前發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年前預測到的、在當前半導體路線圖最后將會面臨的問題。

根據美國國防高級研究計劃局（DARPA）微系統技術辦公室（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著行業的發展，也為DARPA新近發布的對其電子復興計劃（ERI）的附加條例提供了思路。DARPA日前發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年前預測到的、在當前半導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計年度預算提升到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》（Electronics）雜志上發表“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，DARPA將其摘錄在其計劃中。

圖1：DARPA通過與戈登·摩爾50年前預測的研究要求相關的六個新計劃，強化了其電子復興計劃的三大支柱——材料、架構和設計。

熱問題

是否可將單個半導體芯片中成千上萬個元件產生的熱量散發掉？

如果我們可以將標準高速數字計算機的體積縮小到其元件本身所占的體積，那么我們可以預計，以當前的功耗來看，它會熱得發光。但用集成電路則不會如此。因為集成的電子結構是二維的，它們有可用于冷卻的表面靠近每個發熱中心。此外，電能主要用來驅動與系統相關的各種線路和電容。只要功能被限制在晶圓上的一小塊區域內，必須驅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，若集成結構尺寸實現微縮，則可以以更高的速度使該結構工作。

“清算日”

顯然，我們將能夠打造這樣的高集成度設備。接下來，我們要問：在什么情況下，我們該這么做。實現特定系統功能的總成本必須少之又少。為此，我們可以將工程分攤到幾個相同的項目上，或為包含大型功能的工程制定出靈活技術，以免使一批特定功能承擔不成比例的費用。也許新發明的設計自動化程序可以從邏輯圖直接轉化成技術實現，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建大型系統可能被證明更加經濟。有大型功能可用，結合功能設計與建構，應能使大型系統制造商快速、經濟地設計和構建各式各樣的設備。

線性電路

集成不會像數字系統那樣徹底改變線性系統。然而，線性電路仍將會實現相當大程度的集成。在線性領域，集成電路無法集成大數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來說，這些器件需要以一定容積儲存能量。要實現高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語本身來看就顯而易見。可以預期，某些共振現象（例如壓電晶體中的共振現象）會有一些調諧功能應用，但在相當一段時間內，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諧元件。

其它線性功能將發生很大改變。集成結構中相似元件的匹配與一致將能夠實現性能顯著提高的差分放大器設計。使用熱反饋效應將集成結構精確穩定在某個溫度上，將能夠構建晶體穩定性好的振蕩器。

即使在微波領域，包括在集成電子學定義中的結構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設計。現在很難預測，集成電路將能夠伸入微波領域到多大程度。例如，使用多個集成微波電源的相控陣天線的成功實現，就可以使雷達發生徹底變革。

根據Chappell的說法，通過延續摩爾定律，ERI計劃將“站在摩爾的肩膀”，確保延續曾經取得的“最大商業利益和最強防御能力”。

Chappell相信，DARPA的ERI計劃可以無限期延續摩爾定律，該計劃已經致力于解決材料和集成、電路設計、系統架構和加強基礎研究的根基。

圖2：DARPA的“Page 3”投資——摘錄自戈登·摩爾1965年發表的關于電子產業未來的論文。

DARPA新的三維單片片上系統（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（FRANC），它將顛覆約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann）的分離式數據和存儲功能。DARPA稱，結合數據和存儲功能將克服將數據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新型材料（如憶阻器）、元件（如人造神經元和突觸）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專業化的雙方向努力。電子資產智能設計（IDEA）計劃將著眼自動化設計，以便即使非工程技術人員也可以描述要執行的功能，而機器人設計自動化系統一晚上就能完成設計工作。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計由IDEA生產的甚至最復雜的片上系統和印制電路板。

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的人工智能應用運行數據密集型算法，以處理現代戰爭以及民用大數據應用所涉及的數千個智能、監視和偵察傳感器。互補的特定域片上系統（DSSoC）計劃旨在開發多應用硬件/軟件系統，用戶可對其進行混合和匹配，以解決包括移動通信、衛星通信、個人區域網和所有類型雷達在內的軟件定義無線電（SDR）等問題。Chappell表示，SDR應用將在2025至2030年間用于電子戰。

本文授權編譯自EE Times。《電子技術設計》2017年11月刊版權所有，轉載請注明來源及鏈接。