根据美国国防高级研究计划局(DARPA)微系统技术办公室(MTO)主任Bill Chappell所述,戈登·摩尔(Gordon Moore)赖以成名的定律几十年来一直引导着行业的发展,也为DARPA新近发布的对其电子复兴计划(ERI)的附加条例提供了思路。DARPA日前发布了三个跨部门公告(broad agency announcement,BAA),其中描述了六项新计划,以解决摩尔50年前预测到的、在当前半导体路线图最后将会面临的问题。这些计划将每年向ERI追加7500万美元,将此为期四年的计划的预计年度预算提升到2.16亿美元。DARPA称其名为Page 3 Investments的新计划是向摩尔致意——摩尔在1965年4月在《电子学》(Electronics)杂志上发表“在集成电路中塞进更多的元件(Cramming More Components on Integrated Circuits)”一文,其中第3页描述了这些研究挑战,DARPA将其摘录在其计划中。

20171023-DARPA-1 图1:DARPA通过与戈登·摩尔50年前预测的研究要求相关的六个新计划,强化了其电子复兴计划的三大支柱——材料、架构和设计。

热问题

是否可将单个半导体芯片中成千上万个元件产生的热量散发掉?

如果我们可以将标准高速数字计算机的体积缩小到其元件本身所占的体积,那么我们可以预计,以当前的功耗来看,它会热得发光。但用集成电路则不会如此。因为集成的电子结构是二维的,它们有可用于冷却的表面靠近每个发热中心。此外,电能主要用来驱动与系统相关的各种线路和电容。只要功能被限制在晶圆上的一小块区域内,必须驱动的电容量就明显受到限制。实际上,就每单位面积功耗相同来说,若集成结构尺寸实现微缩,则可以以更高的速度使该结构工作。

“清算日”

显然,我们将能够打造这样的高集成度设备。接下来,我们要问:在什么情况下,我们该这么做。实现特定系统功能的总成本必须少之又少。为此,我们可以将工程分摊到几个相同的项目上,或为包含大型功能的工程制定出灵活技术,以免使一批特定功能承担不成比例的费用。也许新发明的设计自动化程序可以从逻辑图直接转化成技术实现,而无需任何特殊工程处理。以单独封装和互连的较小功能来构建大型系统可能被证明更加经济。有大型功能可用,结合功能设计与建构,应能使大型系统制造商快速、经济地设计和构建各式各样的设备。

线性电路

集成不会像数字系统那样彻底改变线性系统。然而,线性电路仍将会实现相当大程度的集成。在线性领域,集成电路无法集成大数值电容器和电感器是其最大的主要限制。

就电容和电感的本质来说,这些器件需要以一定容积储存能量。要实现高Q值,器件容积必须要大。大容量和集成电路的背道而驰从其术语本身来看就显而易见。可以预期,某些共振现象(例如压电晶体中的共振现象)会有一些调谐功能应用,但在相当一段时间内,电感器和电容器将始终无法集成掉。

未来的集成射频放大器很可能包括集成增益级(能以最小成本提供高性能),并散布着相对较大的调谐元件。

其它线性功能将发生很大改变。集成结构中相似元件的匹配与一致将能够实现性能显著提高的差分放大器设计。使用热反馈效应将集成结构精确稳定在某个温度上,将能够构建晶体稳定性好的振荡器。

即使在微波领域,包括在集成电子学定义中的结构也会变得越来越重要。与所涉及的波长相比,能够制造和组装较小元件,将至少能在较低频率下使用集中参数设计。现在很难预测,集成电路将能够伸入微波领域到多大程度。例如,使用多个集成微波电源的相控阵天线的成功实现,就可以使雷达发生彻底变革。

根据Chappell的说法,通过延续摩尔定律,ERI计划将“站在摩尔的肩膀”,确保延续曾经取得的“最大商业利益和最强防御能力”。

Chappell相信,DARPA的ERI计划可以无限期延续摩尔定律,该计划已经致力于解决材料和集成、电路设计、系统架构和加强基础研究的根基。

20171023-DARPA-2 图2:DARPA的“Page 3”投资——摘录自戈登·摩尔1965年发表的关于电子产业未来的论文。

DARPA新的三维单片片上系统(3DSoC)计划旨在通过将处理器、逻辑、存储器和输入/输出封装在省电、高尺寸的三维立方体中,来在更低功耗的条件下将计算速度提高五十倍。第二个计划由与3DSoC计划相同的BAA资助,是新型计算机所需的基础(FRANC),它将颠覆约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)的分离式数据和存储功能。DARPA称,结合数据和存储功能将克服将数据从存储器传送到处理器以及反方向传送的存储瓶颈。这些努力将需要开发新型材料(如忆阻器)、元件(如人造神经元和突触)以及算法(包括对人脑建模的算法)。

第二个新的BAA是重新定义电路和系统专业化的双方向努力。电子资产智能设计(IDEA)计划将着眼自动化设计,以便即使非工程技术人员也可以描述要执行的功能,而机器人设计自动化系统一晚上就能完成设计工作。Posh开源硬件(POSH)计划将支持互补的开源验证框架,以便在必要时检查和重新设计由IDEA生产的甚至最复杂的片上系统和印制电路板。

第三个BAA同样包含两个计划。软件定义硬件(SDH)将能作为可重配置硬件/软件的“决策助手”,将为使用专用IC的人工智能应用运行数据密集型算法,以处理现代战争以及民用大数据应用所涉及的数千个智能、监视和侦察传感器。互补的特定域片上系统(DSSoC)计划旨在开发多应用硬件/软件系统,用户可对其进行混合和匹配,以解决包括移动通信、卫星通信、个人区域网和所有类型雷达在内的软件定义无线电(SDR)等问题。Chappell表示,SDR应用将在2025至2030年间用于电子战。

本文授权编译自EE Times。《电子技术设计》2017年11月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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