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诺伊曼架构计算机的速度飞快提升,DARPA引入了电

2019-10-12 00:59

电工电气网】讯

[据DARPA官网9月13日综合报道]9月13日,DARPA官方公布了电子产业复兴计划的最新投资。DARPA希望开辟新的创新途径,以应对迫在眉睫的工程和经济挑战。电子产业复兴计划将在未来四年中投资数亿美元,鼓励先进新型材料、电路设计工具和系统架构的研发。除DARPA现有的约六个项目以及资助美国大学基础电子学研究的大型项目以外,DARPA还在跨部门公告中宣布将增加6个新的产业促进项目。DARPA微系统技术办公室主管Bill Chappell认为,摩尔定律(集成电路的晶体管数量每18-24个月会翻一番,而每个晶体管的成本将会下降)指导电子行业已有50余年。这条定律使科技界不断追求规模的扩张,而掌握技术者业已获得了最大的商业利益和防御能力带来的最大收益。虽然摩尔定律仍然适用,但若要赶上定律的预期,设计和生产将变得愈加困难和昂贵。当前,电子产业当前的发展轨迹正在给商业和国防发展增加负担。

自从特朗普把“美国优先”树立为美国政府制定政策的标准以来,美国的各个产业部门都应景地涌现出“使美国再次伟大”的方案和计划来,其中自然少不了电子行业。美国国防高级研究计划局作为美国军用技术研究主要管理部门适时地启动了电子复兴计划。

世界首个非冯·诺依曼处理器获DARPA资助 性能大幅提升 能耗显著减少

最可怕的是比强的人都比你努力,美国芯片行业绝对是世界第一,但美国并没有沉溺在优越之中,美国DARPA竟要投资15亿美元,要重塑芯片行业,中国芯片产业与美国本就有很大的差距,努力程度上我们还要再加把劲。

为此,DARPA引入了电子产业复兴计划。电子产业复兴计划的三大支柱研究方向为:材料和集成、电路设计与系统架构。DARPA新公布的6个项目分属三大支柱研究方向之下,每年将吸引7500万美元的投资。最终,在电路的缩放规模无法降低成本时,ERI将成为技术进步的必要基础。

该计划旨在团结美国的产业界和学术界,以重振美国略显颓势的芯片产业。因其宣称将改变微电子行业的生产方式,所以有的媒体也鼓吹美国的电子复兴计划将引发第二次电子革命。

科技日报北京6月11日电 据业界处于先导地位的《电子工程专辑》网站10日消息称,名为HIVE的非冯:诺依曼处理器,得到了美国国防部高级研究计划局的资助。这是世界首个非冯:诺依曼结构,包括“芯片巨人”英特尔、高通、美国国防承包商诺斯格鲁曼、西北太平洋国家实验室和乔治亚理工大学在内的机构共同参与了该项目。

据TechCrunch报道,美国国防部下属研究机构——美国国防高级研究计划局正在举办“电子产业复兴计划”(Electronics Resurgence Initiative),旨在通过资助业内潜力巨大但未经证实的新想法,帮助重塑芯片技术行业。

以下是6个项目的分类简介:

美国的这一计划分为三个部分:

DARPA的微系统技术办公室项目经理表示,今天人们所看到的现代计算机,其所遵循的基本结构形式,始终是20世纪40年代发明的冯:诺依曼机结构。中央处理器和图形处理器已经走向了平行,但其核心仍然是冯:诺依曼处理器。

DARPA计划在未来几年中在这方面花费高达15亿美元,其中大约7500万美元今天被指定给几个新的合作伙伴。“电子产业复兴计划”是DARPA于去年推出的,自从那时起,它已经向全美大学和研究实验室中征求了建议,并最终确定了选择资助的几个对象。

一、系统架构

一类关乎设计,包括:电子智能资源和先进开源硬件,主要涉及到降低设计成本的问题。

冯:诺依曼处理器的基本结构特征是“共享数据和串行执行”的计算机模型。按照这种结构,程序和数据放在共享存储器内,CPU取出指令和数据进行相应的计算。也就是说,存储器和处理器相互分离,通过总线相连。在过去几年中,通过以更高的速度在总线上传输越来越多数据,冯:诺伊曼架构计算机的速度飞快提升。

DARPA“电子复兴计划”的合作伙伴和参与者很多,包括麻省理工学院、斯坦福大学、普林斯顿大学(Princeton)、耶鲁大学、加州大学、IBM、英特尔、高通以及多个国家实验室(National Labs)等等。每个机构通常参与六个子程序之一,而每个子程序都有自己的首字母缩略词:

系统架构方向包括独立运作的两个主要项目:

一类关乎计算机体系结构,包括:软件定义硬件和区域片上系统,主要关注硬件与软件之间独立性和兼容性的问题。

但是,CPU与共享存储器间的信息通路——总线数据的吞吐量制约了计算机速度,造成了所谓的“冯:诺伊曼瓶颈”。此前在并行计算机结构及处理方面的研究已使计算速度有了很大提高,但就本质而言,还无法克服冯:诺依曼机结构上的缺陷。

1)软件定义硬件——计算通常在通用处理器上完成,但是特殊的处理器可以更快地完成任务。问题是,这些“应用专用集成电路”的创建既昂贵又耗时,而SDH是“基于正在处理的数据可以实时重新配置的硬件和软件”;

1. 软件定义硬件:SDH将构建可重配置的硬件和软件,其性能接近特定用途集成电路,并可以运行数据密集型算法(该算法可能是未来机器学习和自主系统的基础)。在现代战争中,传感器提供的成千上万条ISR数据、物流/供应数据与人员效能测定数据是决策的基础。这些数据的利用依赖于大规模运行的算法。

最后一类关注整合材料的问题,即制造芯片材料的整合问题,包括3D片上系统和新计算基础需求分析。

而HIVE是全球首个图解分析处理器,其采用了非冯:诺依曼机结构,能在记忆体的不同区域同时执行不同操作。这种非冯:诺依曼方法允许一张大的地图能被许多个处理器同时访问,每个处理器使用自己的本地高速缓存在全局记忆体上同时执行分散汇集操作。

2)特定领域的芯片系统——这与SDH有关,但它主要是在自定义芯片(例如,图像识别或消息解密)和通用芯片之间找到正确的平衡。DSSoC旨在创建“单一可编程框架”,让开发人员可以轻松地混合和匹配ASIC、CPU以及GPU等部件;

2. 特定域片上系统:驱动该项目的需求为:通过单个可编程框架快速开发多应用系统。可编程框架允许片上系统设计人员将通用/特殊目的电路(例如特定用途集成电路)、硬件加速器协同处理器、存储器和输入/输出元素混合并匹配植入片上系统,用于开发特定技术领域内的应用程序。软件定义无线电(software-defined radio)是特定技术领域之一,其包括移动通信、卫星通信、个人局域网、所有类型的雷达以及电子战空间中的应用。

第一批入围该项目资助的有来自于全美国的43个团队,其中来自麻省理工学院Max Shulaker团队独得6100万美元位列第一,而这一数字也远高于同为研究3DSoC的佐治亚理工学院团队的310万美元。目前该团队主要的研究内容是将石墨烯材料用于制作碳纳米晶体管,并构造出3D芯片来。据称该团队的研究内容将有望以更低的成本实现50倍计算性能的提升。

新的处理器除了可以让图分析技术性能以惊人的倍数提升,还可以大幅减少能耗。DARPA计划在四年半时间里对这一项目投资8000万美元。

3)电子硬件智能设计——在相关的说明上,创建这种芯片的实际物理布线布局是个非常复杂和专业的过程。IDEA希望将设计芯片的时间从一年缩短到一天,“以开创国防部硬件系统24小时设计周期的时代。”在理想情况下,这个过程甚至不需要人类参与。但毫无疑问,专家们会审查最终的设计;4)Posh开源硬件——POSH计划创建开源的片上系统设计和验证生态系统(包括技术、方法和标准),以使超复杂的SoC设计更具成本效益。使复杂SoC设计门槛降低的新工具将为特定用途的设计开辟创新领域新纪元,主要体现为开源软件在应用层面的创新;

二、电路设计

大投资、新材料加上号称数量级的性能提升为这支石墨烯3D芯片团队赚足了眼球。国内也有不少公众号转发了这一消息,有的更将其称之为“美国电子复兴计划中的绝对核心”,并称该类芯片将在人工智能领域大显身手。那么我们不禁要问,石墨烯3D芯片是什么?真的有这样的威力吗?

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5)三维单片片上系统——将处理器和芯片连接到中央存储器和执行系统的标准模型会导致严重的瓶颈,所以3DSoC的目标是将所有东西合并成一个栈,并“集成逻辑、内存和输入输出元素,以大大缩短计算时间,同时使用更少的功率。”

电路设计方向主攻降低设计所需的时间和复杂度,包括两个主要项目:

澳门新濠新天地3559,此次的石墨烯3D芯片并非完全由石墨烯构成

6)新型计算需求基础——处理器的“标准模型”加上短期和长期记忆被称为冯·诺依曼架构(Von Neumann architecture),它是以该计算技术和理论的创始人名字命名的,几乎所有的计算都是这样完成的。但DARPA认为,现在是时候超越这一点了,用“新的材料和集成方案”创建“新颖的计算拓扑”,以消除或减少数据移动的方式处理数据。正如你所能看到的,这是一部科幻小说,但如果我们不试图逃离冯·诺依曼的束缚,他将永远主宰我们。

1. 电子硬件智能设计:IDEA计划设计一个“无人参与闭环”布局生成器,可使用户在24小时内完成电子硬件的物理设计,无需电子设计专长。IDEA将开发算法和软件,用于创建自动化统一布局生成器,为混合信号集成电路、系统级封装和印制电路板的设计提供便利。

负责此次3D芯片项目的是麻省理工学院的明星教授Max Shulaker,Max教授早在斯坦福大学就读博士时就有惊人的理论成果。他所在的团队开发出了世界上第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机,并将成果公布在著名的《自然》杂志上。

正如你所看到的,这些都是极具雄心的想法,但不要奢望DARPA将这些研究人员联合起来,立即就能创造出有用的东西。国防部是基础科学的坚定支持者,无数基础研究都是由空军、DARPA或其他准军事机构资助的。因此,可以把这个项目看作是美国试图在某些重要领域刺激创新的举动,而这些领域也恰好具有军事意义。

2. 高级开源硬件:POSH计划创建一个开源的片上系统设计和验证生态系统(包括技术、方法和标准),以使超复杂SoC的设计具有成本效益。DARPA的ERI团队希望,使复杂SoC设计门槛降低的新工具将为特定用途的设计开辟创新领域新纪元,主要体现为开源软件在应用层面的创新。

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DARPA的一位代表解释说,在这些项目下,有7500万美元用于资助各种项目,不过具体情况直到最后才会确认。这是2018财年的资助金额,根据不同项目的优点和要求,可能会增加更多款项。这一切都来自于对整个ERI的15亿美元预算。ERI峰会正在进行中,参与者和DARPA代表分享信息,交换意见和设定期望。毫无疑问,明年峰会将再次召开,届时将有更多项目入选。

三、材料和集成DARPA希望利用非常规电子材料的集成增强常规硅基电路的性能,并继续在传统上与电路缩放相关的性能方面取得进展。

DAPRA所投资的重点项目,是一些创意但又有发展潜质的项目,而并不是为了立即在商业上赚钱,对基础研究非常重视,有些伟大的创新可是从最基本的理论中走出来的,这一点对我们也是还是很有意义的。

1. 三维单片片上系统项目主要开发材料、设计工具和制造技术。该项目将在单个衬底上构建三维微系统,不同于通常的平面二维微电子芯片。三维系统将使逻辑、存储和I/O元件的封装更有效率,能够大幅减少计算时间(只有原来的1/50),功耗也较少。

2. 新型计算需求基础项目:其目标是跨越传统逻辑与存储功能的鸿沟。在存储器和处理器之间移动数据所造成的时间延迟和能量损耗是当今计算机性能的主要限制。研究人员将通过开发新的材料、组建和算法来克服“内存瓶颈”,加速数据在内存和逻辑电路之间的移动;或设计完全新颖的结构,使逻辑和存储电路形成更复杂的网格结构。

上述6个项目与DARPA现有的电子产业项目一起,为电子产业的创新和发展构建了持久的基础,并将在2025-2030年间,对美国国家安全产生重要影响。(中国航天系统科学与工程研究院 李薇濛 孔紫琴)

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