【PIPES Program】DARPA宣布下一阶段的电子复兴计划项目：极端可微缩性封装中的光子学

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第二阶段扩展的项目组合旨在增加对美国国防部特定电子制造能力的获得，增强硬件安全性，并确保ERI投资转化为国防部应用。

电子复兴计划（ERI）第二阶段开展背景及内容

自2017年6月首次宣布电子复兴计划（Electronics Resurgence Initiative，ERI）——对美国未来的五年的电子系统投入高达15亿美元力推其发展，DARPA正在推出其研究重点的第二阶段。这一阶段由几个正在进行的DARPA项目组成——包括最近授予的六个ERI项目，包括三维单片系统片上（3DSoC）项目、新型计算基础需求（FRANC）项目、电子资产智能设计（IDEA）项目、Posh开源硬件（POSH）项目、软件定义硬件（SDH）项目、领域专用片上系统（DSSoC）项目，ERI解决了摩尔定律长期存在的障碍以及阻碍电子技术50年快速发展的挑战。ERI的下一阶段将侧重于进一步将国防企业的技术需求和能力与电子行业的商业和制造现实相结合。

ERI第二阶段旨在解决电子界在DARPA于7月份在旧金山举行的ERI峰会期间举办的一系列研讨会中提出的三个关键问题。这些关键问题包括需要支持国内制造业选择，并使他们能够针对不同需求开发差异化能力； 投资芯片安全的需求；在ERI项目之间建立新的联系，并在国防应用中展示最终的技术。

“通过ERI，DARPA正在为更加强大、安全、高度自动化的电子行业奠定基础，将我们从一个通用硬件时代转移到专业系统，”DARPA微系统技术办公室（MTO）主任Bill Chappell博士表示 。“自晶体管发明以来，美国电子行业在电子领域保持了全球领先地位。ERI的第一阶段是通过探索新颖的电路材料、架构和设计专业化来保持竞争力所需的研究和开发的重大投资。ERI第二阶段旨在扩大投资，推动我们向美国国内半导体制造部门迈进，从而实现专用电路；验证这些电路可以通过供应链被信任，并且在构建时考虑到安全性；最终可供国防部和商业部门用户使用。”

为了创造独特和差异化的国内制造能力，ERI第二阶段将探索为传统CMOS微缩添加互补和替代矢量。该领域的第一个项目是“极端可微缩性封装中的光子学”（Photonics in the Package for Extreme Scalability，PIPES）项目，它将探索将光子学微缩的优势直接带入芯片的方法。PIPES项目还将致力于建立一个国内生态系统，促进商业和国防部用户长期获得这些新的光子学能力。通过显著降低与数字微电子数据移动相关的能源需求和挑战，该项目可以减少将数百个GPU连接在一起所需的工作量，并实现大规模并行性，能够支持当前和新兴的数据密集型应用，如机器学习、大规模仿真和先进传感器。

与PIPES项目一起，其他ERI第二阶段投资旨在确保新型电子制造能力的发展，并支持为国防部及其商业合作伙伴持续提供差异化、高性能电子产品的战略。这对于国防部很重要，因为它的电子制造需求众多且多样化，其系统具有独特的要求和特定的功能。尽管用于数字处理的传统CMOS微缩仍然是一个重要的投资领域，但许多与国防部相关的关键电子设备很可能来自替代和互补矢量。ERI第二阶段的潜在探索领域包括将微机电系统（MEMS）和射频（RF）组件直接集成到先进电路和半导体制造工艺中。这些努力将建立在ERI材料与集成研究重点的现有工作基础上，补充当前的ERI项目，如FRANC、3DSoC和CHIPS等项目。

在整个2018年的剩余时间里，DARPA计划宣布与ERI峰会上强调的问题相关的额外ERI第二阶段投资。潜在的探索领域包括实现电子元件的可追溯性——从设计到使用，以及可以实施安全和隐私保护的电子产品的开发。潜在的ERI第二阶段项目将考虑对包含安全风险保护有保证的电子产品需求。这些工作将以ERI的设计和架构研究重点为基础，并利用现有的DARPA项目，如解决硬件安全和验证挑战的SSITH项目。

ERI第二阶段还将研究如何增加各种ERI工作之间的联系——从基础研究项目到技术应用项目，以及所有部门开发的ERI技术在国防特定系统中的新兴和未来应用。项目和最终用户之间的这些联系是ERI整体成功的关键，推动了DARPA向国防部及其合作伙伴提供差异化能力。正在制定的项目应有助于确保源自ERI的技术进步将对国家安全产生重大影响。潜在的探索领域包括大规模物理仿真中的ERI应用、认知RF系统、下一代卫星、网络安全等。

PIPES项目开发背景

并行性，或者是几个处理器同时在应用程序或计算上执行的行为，已经越来越多地被微电子工业所接受，作为维持对提高系统性能的需求的一种方式。如今，并行计算架构已经遍及所有应用领域和系统规模——从消费者设备中的多核处理器到国防部系统中的高性能计算。然而，并行性带来的性能增益越来越不受单个节点的计算限制，而是受到它们之间数据移动的限制。当驻留在现代多芯片模块（MCM）上时，这些节点依靠电子链路实现短距离连接，但是一旦系统扩展到电路板级别以及更高级别时，电子链路的性能会迅速降低，需要大量能量来保持在集成电路之间移动数据。扩大使用光学元件而不是电子元件进行数据传输有助于显著降低能耗，同时提高数据容量，从而推动大规模并行化。

“如今，微电子系统受到数据移动成本高昂的限制，无论是以能量、占地面积还是延迟来衡量，”DARPA微系统技术办公室（MTO）项目经理Gordon Keeler博士介绍，“高效的光子信号提供了颠覆性系统可扩展性的途径，因为它消除了保持数据本地化的需要，并且它有望影响数据密集型应用，包括机器学习、大规模仿真和高级传感器。”

光子收发器模块已经实现了长距离光信号传输、具有高带宽和使用光纤的最小损耗。然而，当数据在光学收发器和电子领域中的高级集成电路之间移动时会产生瓶颈，这极大地限制了性能。将光子解决方案集成到微电子封装中将消除这种限制并实现新级别的并行计算。

PIPES项目专注的三个研究领域

新的DARPA项目“极端可微缩性封装中的光子学”（PIPES）项目，旨在通过开发用于数字微电子的高带宽光学信号技术来实现未来的系统可微缩性。PIPES项目跨越三个技术领域，旨在开发和集成光学收发器功能到尖端MCM中，并创建先进的光学封装和开关技术，以满足高度并行系统的数据移动需求。通过PIPES项目开发的高效、高带宽、封装级光子信号对于商业和国防领域的许多新兴应用都很重要。

PIPES项目的第一个技术领域专注于开发与高级集成电路（IC）封装的高性能光输入/输出（I / O）技术，包括现场可编程门阵列（FPGA）、图形处理器（GPU） ）和专用集成电路（ASIC）。除了技术开发之外，该项目还旨在促进国内电子生态系统支持更广泛部署所产生的技术并扩大其影响。

对历史性微缩趋势的预测需要大幅改进带宽密度和能耗以适应未来的微电子输入/输出（I / O）。为了应对这一挑战，PIPES项目的第二个技术领域将研究新颖的组件技术和先进的链路概念，以实现高度可扩展的封装内光输入/输出（I / O）的颠覆性方法，实现前所未有的吞吐量。

PIPES项目前两个技术领域的封装级光子输入/输出（I / O）的成功开发将为系统架构师带来新的挑战。具有分布式并行性的大规模互连网络的开发将创建数百到数千个节点，这将非常难以管理。为了帮助解决这一复杂问题，PIPES项目的第三个技术领域将专注于创建低损耗光学封装方法，以实现高通道密度和端口数，以及可重新配置的低功耗光交换技术。