美國“電子復興計劃”中的先導類項目概況

先導類項目是DARPA“電子復興計劃”3大項目群之一，主要聚焦微電子技術發展，致力于提升集成電路產品性能的基礎研究和前沿探索，先于“電子復興計劃”啟動，后納入“電子復興計劃”，為“電子復興計劃”提供了牽引，也是“電子復興計劃”的重要基礎。

項目布局

先導類項目于15年后陸續啟動，2017年被納入“電子復興計劃”，2023年結束，經費投入合計2.39億元。2019年7月，“電子復興計劃”將該類項目研究重點劃為三維異構集成、設計與安全、專用功能3大方向，包括“通用異構集成與知識產權復用策略”等6個項目。

三維異構集成方向，安排“通用異構集成與知識產權復用策略”項目。2015年啟動，2022年結束，經費投入0.7億美元，重點研發芯粒互聯技術，旨在繞過制程工藝發展瓶頸，通過封裝手段提升芯片晶體管集成密度，既快速實現國防部小批量專用集成電路的設計和制造，又降低時間和成本壓力。

設計與安全方向，安排“更快速實現電路設計”和“硬件固件整合系統安全”2個項目。其中，“更快速實現電路設計”項目于2016年啟動，2019年結束，經費投入3億美元，重點構建知識產權復用、優化芯片設計流程，旨在大幅壓縮美國防部定制的高性能專用集成電路設計周期和設計成本，以滿足國防部先進武器系統對定制電路的快速研發要求；“硬件固件整合系統安全”項目2017年啟動，2021年結束，經費投入0.22億美元，重點開發安全的硬件體系結構和工具，旨在從源頭解決硬件中的潛在漏洞，實現集成電路內生安全，改變依賴軟件補丁保護系統安全的局面，進一步提升美國網絡安全防護能力。

專用功能方向，主要安排“層次識別驗證開發”“終身機器學習”和“近零功耗射頻與傳感器”3個項目。其中“層次識別驗證開發”項目于2016年啟動，于2023年結束，經費投入0.8億美元，重點研發新型系統架構，開發適合稀疏數據處理的高性能處理器，解決通用處理器效率低、功耗大、處理實時性不高等問題，進一步提升網絡安全、基礎設施監控和社交媒體分析等能力；“終身機器學習”項目于2017年啟動，2023年結束，經費投入0.06億美元，重點研發類生物智能機器學習技術，解決現有人工智能依賴前期訓練無法處理未知情況的問題，以提升人工智能對新環境的適應性；“近零功耗射頻與傳感器”項目于2015年啟動，2019年結束，經費投入0.3億美元，重點研發能量信號探測預警傳感器技術，解決現有戰場無人值守網絡傳感器系統因功耗大而影響實用性的問題，以提升美國戰場態勢感知能力。

典型項目進展情況

從目前掌握情況看，“電子復興計劃”先導類6個項目已完成攻關，基本達到預期目標。

三維異構集成方向，“通用異構集成與知識產權復用策略”項目實現預期目標。2019年，美英特爾公司發布高級接口總線的芯粒間互聯標準，并將其用于英特爾最新系列現場可編程門陣列產品；2020年8月，密歇根大學發布了芯粒集成架構、芯片和封裝協同設計自動化工具，為實現芯粒設計制造和集成提供了條件。

設計與安全方向，兩個項目均已實現預期目標。其中，在“更快速實現電路設計”項目中，美南加州大學提出定制化的IC設計流程，采用標準流程將片上系統設計工作量縮小到原來的1/10，實現了IC知識產權的復用和軍用芯片的代工/設計聚合服務；密歇根大學創新了可重用、模塊化和自動化設計流程，基于該流程，僅用9個月就完成了復雜芯片的全流程設計；英偉達公司采用高級設計綜合技術、多芯片模組封裝技術和自動化設計流程，僅不到10名研究人員在6個月內就完成了復雜芯片設計和驗證，工作量減少到原來的1/10，周期大幅縮短。在“硬件固件整合系統安全”項目中，2020年7月—10月，美DARPA舉辦首個漏洞賞金計劃，邀請安全眾包公司對項目研發的新型安全硬件架構進行壓力試驗，近600名研究人員花費13000多個小時對原型驗證系統進行攻擊，僅發現10個有效漏洞；2021年7月，洛·馬公司利用該項目研發的技術，為美空軍研究實驗室開發出安全架構專用集成電路。

專用功能方向，3個項目均已基本完成，實現預期目標。其中，在“層次識別驗證開發”項目中，美英特爾公司開發出基于可編程集成統一存儲器體系架構的圖形處理器，與典型圖形處理器系統相比，性能平均提升129倍，最高提升521倍；在全球高性能芯片頂級會議上，英特爾公司展示了基于該架構的1太比特/秒硅光互聯528線程處理器。在“終身機器學習”項目中，泰萊達技術公司提出了一種與人腦神經調節機制相似的人工智能算法，可持續學習且自我監督，已成功用于無人機目標識別訓練；南加州大學開發出一種機器人肢體的仿生算法，應用該算法的機器人，能以類似動物的肌腱驅動，甚至可在沒有先驗知識的情況下學會行走；休斯研究實驗室基于海馬體和大腦皮層的雙重記憶體結構的研究，開發出超級圖靈進化終身學習架構，該架構可以根據經驗不斷學習，提高性能并更新知識，且無需人工監督。在“近零功耗射頻與傳感器”項目中，加州大學圣迭戈分校利用組合技術實現產品待機功耗僅為4.5納瓦；查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室利用組合技術，實現產品待機功耗低于1納瓦，工作功耗低于10納瓦；安謀科技公司開發出一款功率配置與近零功耗傳感器相匹配的微控制器，待機功耗僅為10納瓦。

實施成效

“電子復興計劃”先導類項目突破了大批微電子前沿技術，推動了集成電路設計工具和設計模式的創新，探索了國防專用集成電路設計制造降本增效的新路徑，取得了大量研究成果，在推進美國電子技術跨越發展上發揮了重要作用。

芯粒互聯等重點技術取得突破，將引發集成電路全產業鏈各環節創新發展。“通用異構集成與知識產權復用策略”項目突破了數字系統模塊化技術、模擬系統模塊化技術、異構集成技術以及開發工具和評估技術等，打通了從芯粒標準制定、芯粒生成、芯粒集成到系統評價的全流程，探索了提升芯片晶體管集成密度、實現產品低成本快速定制的新方法，推動了芯粒互聯從概念研究走向現實應用。在該項目推動下，英特爾與超微半導體、安謀科技、高通、三星、臺積電等十大行業巨頭共同成立了芯粒標準聯盟，形成了通用芯粒互聯標準規范，為建立更廣泛的芯粒互聯開放生態系統奠定了基礎，這將推動電子設計自動化工具、設計、制造、封裝、測試等集成電路全產業鏈環節創新發展。

設計流程與工具優化技術降低了設計門檻，將推動微電子技術更廣泛發展。“更快速實現電路設計”項目利用高層次綜合技術、機器學習技術、知識產權復用技術和自動化生成器技術，對芯片設計流程與工具進行了大幅優化，效果顯著，經驗證，設計周期縮短至原來的1/10以下。項目成果解決了單片電路設計周期長、人員投入多、設計成本高等問題，降低了芯片設計的門檻，這將吸引更多的風險投資和創業團隊進入微電子行業，從而推動微電子技術更廣泛發展。

機器學習、傳感網絡等前沿技術實現突破，為微電子技術創新發展開辟了更廣闊前景。“層次識別驗證開發”“終身機器學習”“近零功耗射頻與傳感器”項目在大數據分析、機器學習、傳感網絡等方面實現重大技術突破。在大數據分析方面，突破了架構設計和內存優化技術，研發了可編程集成的統一存儲器體系架構，有效解決了通用處理器內存墻和多節點系統并行化問題。基于該架構，英特爾開發了適用稀疏數據處理的高性能處理器，其處理流圖的速度預計比當前快1000倍，這將幫助美國解決在網絡安全、基礎設施監控和社交媒體領域的嚴峻挑戰。在機器學習方面，突破了機器自主學習技術、監控技術，探索了人工智能自主長期學習機制和方法，未來有望使人工智能產品在遇到無法預知的事件、元素、情景時仍可從容應對。在傳感網絡方面，突破了射頻接收機組合技術、射頻接收機氮化鋁射頻直流轉換技術、集成溫度傳感器芯片技術等多項實現近零功耗的關鍵技術，幾乎覆蓋了準靜態、機械波譜、電磁波譜、光譜范圍內的所有近零功耗傳感器技術，為構建極低功耗值守型態勢感知信息系統提供了核心技術保證。

目前，“電子復興計劃”的上述先導類項目已基本完成，并取得系列研究成果。2023年11月，DARPA公開提出“三維異構集成將是推動微電子創新下一波浪潮的主要力量”，并建議為此專門成立美國先進微電子制造中心。鑒此，對先導類項目成果應用及后續布局發展情況，應持續密切關注，加強研究。

責任編輯：王宇璇