DARPA замахнулась на Мура

Управление перспективных исследовательских проектов министерства обороны США (DARPA) в очередной раз решило выступить в роли катализатора научно-технологического прогресса. А в качестве ударного было обозначено уже давно освоенное DARPA магистральное направление — электронная индустрия (DARPA было создано в 1958 году, и, по любопытному совпадению, в том же году Джек Килби из компании Texas Instruments представил первую в мире интегральную схему, ИС).

На инаугурационном мероприятии DARPA под названием ERI Summit, прошедшем в Сан-Франциско с 23 по 25 июля и собравшем около тысячи участников, был дан официальный старт амбициозной программе частно-государственного финансирования передовых разработок в сфере микроэлектроники и полупроводниковых материалов. Эта новая программа, получившая название «Инициатива по возрождению электроники» (Electronics Resurgence Initiative, ERI), пока рассчитана на пять лет, ее общий бюджет должен составить не менее полутора миллиардов долларов (речь идет только о прямом финансировании из федеральной казны; предполагается, что значительный вклад в реализацию ERI должны также внести различные частные компании-партнеры).

По замыслам идеологов программы, различные исследовательские проекты, поддержанные по линии ERI, должны значительно ускорить наступление «новой эры в развитии электроники».

А эту «новую эру» в индустрии, по сути, сегодня ждут как манну небесную, поскольку чудесная логика устойчивого масштабирования (миниатюризации) базовых микроэлектронных компонентов, впервые постулированная еще в середине 1960-х одним из сооснователей Intel Гордоном Муром, уже явно перестала работать.

Как отмечает один из ведущих инженеров-электронщиков Массачусетского технологического института Макс Шулакер (возглавляемый им исследовательский проект на днях получил финансовую поддержку от DAPRA в размере 61 млн долларов), сегодня прирост производительности новых компьютерных чипов фактически застопорился и каждое новое поколение этих чипов обеспечивает лишь 30-процентное увеличение энергоэффективности. В свою очередь эксперт Nokia Bell Labs Грегори Райт дежурно констатирует, что физический предел миниатюризации кремниевых микросхем уже почти достигнут: расстояние между электронами в кремниевых чипах составляет лишь порядка 100 атомных размеров и для предотвращения их утечки из кристалла разработчикам приходится придумывать все более изощренные технические схемы.

Кроме того, свою лепту в приближение переломного момента в истории микроэлектроники вносят и сами крупнейшие компании — производители ИС, явное доминирование которых на рынке заметно ограничивает общую инновационную активность.

И в идеале новая инвестиционная программа DAPRA может резко оживить рынок сразу на нескольких ключевых направлениях: разработка и системная интеграция новых микроэлектронных материалов («посткремниевые» технологии), создание новой архитектуры микросхем и ускорение проектирования, прототипирования и тестирования специализированных устройств и физических структур. Причем предполагаемый мощный позитивный эффект от этой программы может быть достигнут даже без дальнейшего классического масштабирования по Муру.

Простая американская логика

О скором начале практической реализации программы ERI впервые стало известно еще около года назад. Причем все лето 2017-го, согласно информации ряда американских СМИ, руководство DARPA посвятило активным предварительным консультациям с представителями ведущих частных компаний микроэлектронной отрасли и академического научного сообщества США.

Однако в итоге официальный запуск ERI был отложен до июля 2018-го (дополнительное время, очевидно, потребовалось, помимо прочей рутины, для прохождения процедуры согласования предполагаемых объемов и сроков ее бюджетного финансирования), хотя еще в конце июня в том же Сан-Франциско на ежегодной конференции по автоматизации проектирования (Design Automation Conference, DAC), курируемой Международным институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), DARPA представило первых грантополучателей двух исследовательских подпрограмм ERI под кодовыми обозначениями IDEA (Intelligent Design of Electronic Assets, «Разработка интеллектуального электронного оборудования») и POSH (Posh Open Source Hardware, что можно перевести как «Высококлассные аппаратные средства с открытым исходным кодом».

А за неделю до ERI Summit директор управления микросистемных технологий DARPA (Microsystems Technology Office, MTO) и по совместительству руководитель большой программы Electronics Resurgence Initiative Билл Чаппелл дал пространное интервью IEEE Spectrum, официальному журналу и веб-сайту вышеупомянутого IEEE.

Директор управления микросистемных технологий DARPA Билл Чаппелл

darpa.mil

В этом интервью г-н Чаппелл, в частности, констатировал, что «индустрия очень хорошо проявляет себя при решении краткосрочных, безотлагательных проблем. Государство же вступало в игру в прошлом и пытается это делать и в настоящее время в те ключевые моменты, когда необходимо совершить очередной большой технологический рывок. И в случае с электронной индустрией мы сейчас ориентируемся на временной горизонт до 2025–2030 года, причем в качестве своей важнейшей задачи видим стимулирование создания в отрасли крупных коллективных исследовательских проектов и команд, нацеленных на совместную работу по решению больших задач. И именно обеспечение эффективного взаимодействия и обмена продуктивными идеями между различными группами исследователей, работающими на самых разных направлениях, должно значительно ускорить общий инновационный процесс и обеспечить Соединенным Штатам сохранение лидирующих позиций в мире в области электроники и полупроводниковых технологий».

Помимо этого глава управления микросистемных технологий DARPA отметил, что новая инициатива ERI, по сути, станет логическим продолжением недавно стартовавшего большого проекта JUMP (Joint University Microelectronics Program), Объединенной университетской программы по микроэлектронике, совместно финансируемой DARPA и Semiconductor Research Corporation (SRI) — консорциумом частных компаний, работающих в американской электронной индустрии. Общий бюджет этой программы составляет около 200 млн долларов (40% финансирования предоставляет DARPA, 60% — SRI), она направлена на активную поддержку перспективных научных исследований в области микроэлектроники и полупроводниковых технологий, осуществляемых относительно небольшими университетскими командами (без непосредственного участия частного бизнеса).

JUMP пока концентрируется лишь на полудюжине ведущих исследовательских центров при американских университетах, каждый из которых нацелен на решение различных технологических задач в отрасли, однако общее число участвующих в ней ученых-профессионалов, а также студентов и аспирантов быстро растет и уже исчисляется несколькими сотнями человек.

Директор DARPA Стивен Уолкер

darpa.mil

Наконец, стоит упомянуть, что на последнем мероприятии в Сан-Франциско DAPRA провело еще целую серию сессий, мозговых атак и однодневных воркшопов по целому ряду других тематических направлений, в том числе по технологиям искусственного интеллекта (ИИ), фотонике, компьютерной и интернет-безопасности, для того чтобы определиться с возможными новыми инвестиционными программами, намеченными на начало этой осени.

В частности, директор DARPA Стивен Уолкер на ERI Summit официально анонсировал AI Exploration program — специальную программу поддержки исследований в области технологий ИИ, благодаря которой общий объем финансирования, которое управление будет выделять на различные проекты по ИИ и машинному обучению, может превысить 400 млн долларов (по оценкам издания EE Times, только по линии ИИ DARPA сейчас финансирует более 80 программ).

Акцент на новые материалы

Первый материаловедческий блок новой инициативы DARPA ERI будет посвящен изучению возможностей использования нетрадиционных компонентов интегральных схем для существенного увеличения их производительности без необходимости дальнейшей миниатюризации транзисторов. Несмотря на то что кремний до сих пор остается основным «микросистемным» материалом и постепенно растет применение материалов на основе различных полупроводниковых соединений, например кремний-германиевых (SiGe), все они обладают ограниченной функциональной гибкостью и к тому же размещаются в одном плоском (планарном) слое.

Кураторы новой инициативы DARPA рассчитывают, в частности, на то, что в Периодической таблице Менделеева обнаружится богатый набор альтернативных материалов — кандидатов для производства логических элементов и компонентов зарядных устройств (памяти) следующего поколения (одним из наиболее перспективных заменителей кремния, как известно, уже давно считаются углеродные нанотрубки).

При этом дальнейшие исследования будут разворачиваться с прицелом на достижение эффективной интеграции различных полупроводниковых материалов на отдельных чипах и на создание логических устройств, сочетающих в себе функции обработки и сохранения в памяти данных, а также на вертикальную (трехмерную), а не планарную интеграцию компонентов микросхем.

По направлению «Новые материалы и интеграция» будут работать подпрограммы ERI Three Dimensional Monolithic System-on-a-Chip (3DSoC, «Трехмерные монолитные однокристальные системы») и Foundations Required for Novel Compute (FRANC, или, в весьма условном переводе, «Базовые предпосылки для осуществления нестандартных вычислений»).

В частности, по линии подпрограммы 3DSoC к совместной работе уже привлечены ведущие специалисты Стэнфордского университета, Технологического института штата Джорджия, Массачусетского технологического института и пока еще малоизвестной молодой компании Skywater Technology Foundry, базирующейся в штате Миннесота.

И именно по подпрограмме 3DSoC упоминавшаяся ранее исследовательская группа Макса Шулакера из MIT получила самую солидную финансовую поддержку от DARPA.

Этот амбициозный совместный проект MIT и Skywater Technology Foundry нацелен на разработку монолитных 3D-систем (то есть чипов, имеющих три пространственных слоя транзисторов), которые в идеале должны обеспечить этим системам, использующим «базовую» 90-нанометровую технологию, показатели производительности вычислений, сравнимые с уровнями, демонстрируемыми современными однослойными системами, семинанометровыми чипами с КМОП-структурой (на комплементарных металлооксидных полупроводниках). Причем Шулакер и его коллеги за счет инновационной 3D-компоновки рассчитывают добиться почти 50-кратного роста мощности компьютерных вычислений.

Что же касается второй подпрограммы этого блока, FRANC, то она сфокусирована на разработке новых зарядных устройств с энергонезависимой памятью, то есть способных сохранять информацию при выключении электропитания. По линии FRANC первые гранты от DARPA уже получили несколько групп исследователей из HRL Laboratories, компаний Applied Materials и Ferric, а также университетов Калифорнии (в Лос-Анджелесе), Миннесоты и штата Иллинойс (в Урбана-Чампейн).

Архитектурная оптимизация

Вторая важная составляющая ERI, поиск новой архитектуры микроэлектроники, ориентирована на разработку интегральных структур, оптимизированных под конкретные прикладные задачи. Так, новые графические процессоры (GPU) уже обеспечили заметный прогресс в сфере машинного обучения, стимулировав общий рост производительности благодаря использованию специализированных аппаратных архитектур.

По данному направлению DARPA рассчитывает достичь серьезного прогресса в сфере разработки высокопроизводительных аппаратных ускорителей, сфокусированных на решении узкоспециализированных проблем.

В рамках этого блока ERI будут рассматриваться и другие перспективные архитектурные идеи и решения, например реконфигурируемые физические структуры, которые смогут гибко перенастраиваться вслед за регулярным апгрейдом поддерживающего их программного обеспечения.

Вице-президент отдела архитектурных исследований NVIDIA Стивен Кеклер

cs.utexas.edu

К «архитектурному» блоку относятся две подпрограммы DARPA — Software-Defined Hardware (SDH) и Domain-Specific System on a Chip (DDSoC).

SDH как раз и ориентирована на создание реконфигурируемых структур, перенастраиваемых практически в режиме реального времени (предполагаемая задержка в такой перенастройке должна составлять всего порядка нескольких миллисекунд).

Самым перспективным по этой подпрограмме (по критерию размеров полученного от DARPA финансирования) пока считается проект, курируемый Стивеном Кеклером из компании Nvidia. Помимо Nvidia в SDH также участвуют такие киты индустрии, как Intel и Qualcomm, и несколько ведущих исследовательских команд из университетов Стэнфорда, Мичигана, Принстона и штата Вашингтон.

В свою очередь к реализации подпрограммы DSSoC, ориентированной на разработку гибких адаптивных радиосистем, уже привлечены IBM, Национальная лаборатория в Ок-Ридже, Университет штата Аризона и всеядные исследователи из Стэнфорда.

Быстрее и дешевле

Наконец, третье направление «Инициативы по возрождению электроники», нацеленное на поиск инновационных решений в сфере программного и аппаратного дизайна, будет связано с разработкой инструментов для ускоренного проектирования и серийной сборки специализированных микросхем.

В отличие от универсальных схем (схем общего назначения) специализированная микроэлектроника может работать намного быстрее и быть при этом более энергоэффективной.

И на протяжении многих лет DARPA вкладывало значительные средства в поддержку разработки подобных прикладных, или заказных, интегральных схем (ASICs), прежде всего для использования их в военных целях. Однако создание ASICs, как правило, очень дорогостоящий и времязатратный процесс.

Разработка новых инструментов автоматизации процесса сборки микросхем (chipmaking) и нестандартных проектных решений, призванных обеспечить существенную экономию времени и ресурсов при создании новых специализированных ИС, и являются основным фокусом проектов, проходящих по линии двух подпрограмм этого блока: IDEA и POSH.

К разработке новых решений по подпрограммам IDEA и POSH привлечены команды специалистов Университета Калифорнии в Сан-Диего, Northrop Grumman Mission Systems, Национальной лаборатории Sandia, компаний Cadence Design Systems, Xilinx и Synopsys, а также исследовательские коллективы из Университетов Южной Калифорнии и Принстона.

Подпрограмма IDEA ориентирована на разработку полностью автоматизированных генераторов микросхем, базирующихся на использовании при проектировании алгоритмов машинного обучения (в идеале она должна дать возможность разрабатывать физический дизайн электронного оборудования в течение 24 часов), и обеспечить в будущем широкий набор открытых и коммерческих средств для ускоренной автоматизации тестирования этих блоков и интеграции их в состав SoC (однокристальных систем) и печатных плат. Кроме того, она призвана стать дополнением к ранее запущенной программе DARPA — CRAFT (Circuit Realization at Faster Timescales), ориентированной на разработку высокопроизводительных ИС (в рамках программы CRAFT совместно с Калифорнийским университетом в Беркли реализуется масштабный проект создания специализированного проектного решения Chisel).

Наконец, вторая подпрограмма POSH нацелена на создание общедоступной библиотеки физических блоков, базирующейся на применении концепции Open Source (открытых исходных кодов) при проектировании аппаратных компонентов.

Программный менеджер IDEA и POSH Андреас Олофссон

darpa.mil

По словам программного менеджера IDEA и POSH Андреаса Олофссона, «при помощи POSH мы рассчитываем избавиться от необходимости каждый раз начинать с нуля, запуская очередной проект разработки специализированных чипов». И, опять-таки в идеале, возможный прогресс по этим двум подпрограммам должен обеспечить в скором будущем эффективное проектирование ИС для «селективного» (мелкосерийного) производства. Причем, по расчетам идеологов этих подпроектов, реальные коммерческие результаты могут быть достигнуты уже к 2022 году.

И, что показательно, пресловутый магический эффект, на протяжении нескольких десятилетий сопутствовавший множеству смелых инвестиционных начинаний DAPRA, продолжает и сегодня оказывать заметное влияние на долгосрочные прогнозы маститых аналитиков.

По крайней мере, авторы большинства публикаций в ведущих американских СМИ, посвященных инициативе ERI, светятся каким-то детским оптимизмом по части дальнейших перспектив национальной электронной индустрии. Так, в редакционной статье авторитетного журнала Science приводится весьма показательное мнение одного из ведущих инженеров Стэнфордского университета Субхасиша Митры, который бодро предположил: «Даже если лишь очень небольшая часть перспективных проектов, финансируемых DAPRA, окажется результативной, эта программа приведет к революционным изменениям в сфере проектирования и разработки новых электронных устройств и материалов».