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美国制定半导体十年计划,聚焦五大方向

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317 1 相约冰河世纪 Lv.4 发表于 · 2020-10-18 21:07 举报 显示全部楼层 复制 正序浏览 |
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美国制定半导体十年计划,聚焦五大方向



新浪新闻.半导体行业观察

10-17

编者按:日前,美国SIA和SRC联合了一份题为“半导体十年计划”的报告中,根据他们的说法,这个计划是由学术界, 和工业界各界领导者共同制定的,它确定了五个方向,认为它们将塑造芯片技术的未来。报告并呼吁美国 在未来十年内每年进行34亿美元的联邦投资,以资助这五个领域的半导体研发。

以下为文章正文:

美国半导体产业在创新层面领先全球,这主要得益于在研发支出上的积极的投入。统计显示,他们当中大部分企业每年会拿出近20%的收入用于研发,这个投入是仅次于制药业。此外,联邦 对半导体研发的资助也成为私人研发支出的催化剂。私营企业和联邦 的半导体研发投资共同维持了美国的创新步伐,使其成为半导体行业的全球领导者。这些研发投资助推了创新和可商业化产品的发展,直接为美国经济和就业做出了重大贡献。

当前信息和通信技术(ICT)中的硬件-软件(HW-SW)范式已经无处不在,这也得益于软件和算法、系统架构、电路、设备、材料和半导体工艺技术等方面的持续创新。然而,ICT要想在未来十年保持其增长率水平,正面临着前所未有的技术挑战。这些挑战主要来自于半导体技术的各种基础限制,这些限制降低了信息处理、通信、存储、感知和驱动的能源效率的世代改进。

长期可持续的ICT增长将依赖于半导体技术能力的突破,从而使解决信息处理效率问题的整体解决方案成为可能。在软件、系统、架构、电路、器件结构以及相关的过程和材料等领域需要突破性的创新,这需要及时和良好协调的多学科研究努力。

为了维持美国半导体的地位,SRC和SIA共同推出这个半导体十年计划中,囊括了信息处理、传感、通信、存储和安全方面的研究重点,以确保半导体和ICT产业的可持续增长:

目前,信息和通信技术正面临着五大重大变革,本报告也将从几大世界基础技术的巨变开始探索,挖掘产业机会。以下为五大重大变革:

巨变1:需要在模拟硬件方面取得根本性的突破,才能产生能够感知、传感和推理的用于全球智能机器的接口;

巨变2:内存需求的增长将超过全球硅供应,为全新的内存和存储解决方案提供了机会;

巨变3:持续可用的通信需要新的研究方向,解决通信容量与数据生成率之间的不平衡;

巨变4:硬件研究需要突破,以应对在高度互联的系统和人工智能中出现的安全挑战;

巨变5:不断增长的能源需求的计算与全球能源生产正在创造新的风险共存,新的计算模式提供了极大提高能源效率的机会;

根据SIA之前的报道,在半导体新时代,要维持和加强美国在ICT领域的领导地位,需要在未来十年中每年持续增加34亿美元的联邦投资(即将联邦对半导体研究的资金增加两倍),以进行大规模的工业相关的基础半导体研究。(十年计划执行委员会就在“十年计划”中确定的5个重大转变,对每年追加的34亿美元投资的分配提出建议。分配的基础是市场份额趋势和我们对不同半导体和ICT技术的研发需求的分析)。

而这个十年计划的主要目标包括:1、认清推动信息和通信技术发展的重要趋势和应用,以及相关的障碍和挑战;2、定量评估将影响未来信通技术的五大巨变的潜力和状况;3、确定改变半导体技术当前发展轨迹的基本目标和指标。

巨变一:模拟硬件方面需根本性突破

根据我们的预测,在未来,我们需要在模拟硬件方面取得根本性的突破,这样才能产生能够感知、传感和推理的用于全球智能机器的接口。

模拟电子处理现实世界中连续可变的多种形状的信号(与数字电子相比,数字电子通常是标准形状,只需要两个电平,1或0)。模拟电子学领域包含多个维度,如图1所示。此外,所有人类可以感知的输入都是模拟的,这就需要基于超压缩感知能力和低操作功率的世界机器接口的仿生解决方案(图2)。

图1,模拟电子学的维度(左)

图2,大脑的感知和推理能力是基于超压缩的感知能力,能够减少10万个数据,并且运算在很低的能耗上。

物理世界本质上是模拟的,而“数字社会”对先进模拟电子设备的需求日益增加,以使物理世界和计算机世界之间的交互成为可能。“感知我们周围的环境是下一代人工智能的基础,下一代人工智能设备将具备感知和推理能力。全球机器界面是当前以信息为中心的经济的核心。例如,下一波先进制造革命预计将来自下一代模拟驱动的工业电子,包括传感、机器人、工业、汽车、医疗等。对于关键任务应用,电子元件的可靠性是优先考虑的问题。例如,如今模拟芯片占汽车电子产品故障的80%,比数字芯片的故障严重十倍。

从物理世界产生的估计总模拟信息相当于~1034位/秒。作为参考,人类总感觉吞吐量在~1017位/秒(图3)。因此,我们感知物理世界的能力明显受到限制。未来的模拟电子技术有巨大的机会来增强人类的感知系统,这将产生重大的经济和社会效应。比如,针对人类感知和认知系统打造的多媒体,囊括神经系统接口和通信技术。这将产生以人为中心的新技术,如基于多感觉的医疗诊断和治疗,带有虚拟香气合成器的完全虚拟现实,或基于室内空气质量的主动气味消除。这可以导致新的以人为中心的技术,如多传感为基础的医学诊断和治疗,完全虚拟现实与虚拟香气合成器,或基于室内空气质量的主动气味消除。

今天,生成模拟数据的能力比我们智能使用数据的能力增长得更快。在不久的将来,这种情况将变得更加严重,来自我们生活和物联网传感器的数据可能会产生模拟数据洪流,在我们最需要的时候掩盖有价值的信息。传感器技术正经历着指数级增长,预计到2032年将有45万亿传感器,每年将产生100万zettabytes(1027字节)的数据。这相当于~1020 bit/秒,从而超过了人类感知的总体吞吐量。因此,从预测的数据洪流中提取关键信息并以适当的方式加以应用是驾驭数据革命的关键。所以,模拟的宏伟目标是通过革命性的技术以更少的能耗和数据位来增加有用的/可操作的信息,例如以105:1的实际压缩/减少比来减少感知-模拟-信息。

对于许多实时应用程序,感知数据的价值是短暂的,有时只有几毫秒。数据必须在该时间范围内使用,在许多情况下,出于延迟和安全考虑,必须在本地使用。因此,追求信息处理技术的突破性进展,如开发分层感知算法,使从原始传感器数据理解环境是一项基本要求。新的计算模型,如模拟“近似计算”是必需的。这与本文后面概述的发现一个全新的“计算轨迹”的宏伟目标#5是一致的。新的模拟技术也可以为通信技术提供巨大的进步。即使在计算机对计算机通信中,在长距离时也需要模拟接口。在输入/输出(I/O)边界收集、处理和通信模拟数据的能力对未来的物联网和大数据至关重要。模拟技术在太赫兹领域的发展将需要未来的传感和通信需求。

行动呼吁

模拟接口连接物理世界和数字世界。我们通过模拟信号获取物理世界信息的集体能力比可用信息低10000亿倍,很快就需要在模拟电子学方面取得突破性进展。新的方法来感知,如感知行动,模拟“人工智能”(AI)平台,大脑启发/神经形态和分层计算,或其他解决方案将是必要的。信息处理技术的突破性进展,如开发感知算法,使人们能够从原始传感器数据中了解环境是一项基本要求。新的计算模式,如模拟“近似计算”, 可以交换能量和计算时间与输出的准确性(大概大脑是这样做的)是必需的。新的模拟技术将给通信技术带来巨大的进步。在输入/输出边界收集、处理和通信模拟数据的能力对未来的物联网和大数据世界至关重要。此外,模拟开发方法需要在生产力上有一个步骤的提高(10倍或更大),以及时解决应用程序爆炸问题。总之,合作研究建立革命性的模式,为未来节能模拟集成电路的广泛的未来数据类型,工作量和应用是必要的。

在这十年里,每年向模拟电子产品的新发展轨迹投资6亿美元。选定的优先研究主题概述如下:

宏伟目标1:

模拟到信息的压缩/减少,实际压缩/减少比为105:1,以一种更类似于人类大脑的方式驱动对信息和“数据”的实际使用。

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汉彬
Lv.5
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