[原创] 美国芯片行业的“贵人”
2020-06-04
14:00:06
来源: 半导体行业观察
据外媒报道显示，美国军方正在尝试通过在芯片设计阶段嵌入防御措施，以确保半导体及其电子供应链的安全。他们所专注的自动化工作解决了硬件开发安全模块的高成本、复杂性，以及当前缺乏面向安全的芯片设计工具的问题。其中，项目相关协调方是美国国防高级研究计划局（DARPA）。
熟悉美国电子产业的读者理应知道，作为一个重要的组织，DARPA在美国半导体的发展中扮演了非常重要的角色，甚至称得上是美国芯片产业的“贵人”。让我们来回顾一下。
需要说明一下，因为DARPA参与的项目非常多，本文只是摘选了一些笔者认为值得一写的项目，如果有其他重要的项目遗漏，欢迎指正。
DARPA最初称为高级研究计划局（ARPA），该机构是由艾森豪威尔总统（Dwight D. Eisenhower）于1958年成立，以响应1957年苏联发射人造卫星的要求。从1958年到1965年，ARPA的重点集中在重大的国家问题上，包括太空，弹道导弹防御和核试验检测。1960年代后期，随着这些成熟计划的转移，ARPA重新定义了其角色，并专注于各种相对较小的，基本上是探索性的研究计划。该机构于1972年更名为国防高级研究计划局（DARPA），并在1970年代初强调了直接能源计划，信息处理和战术技术。
几十年来，DARPA一直坚持一个单一而持久的使命：对国家安全突破性技术进行关键性投资。
根据DARPA官方网站显示，DARPA由六个技术办公室的约220名政府雇员组成，其中包括近100个项目经理，他们共同监督约250个研发项目。其中，DARPA所设的微系统技术办公室（MTO）的任务集中在电子，光电子和微电子机械系统（MEMS）的异构芯片级集成。近年来，这个办公室一直推动着半导体材料、高性能集成电路、相控阵雷达、高能激光器、红外成像等领域的创新，帮助美国建立和保持巨大的技术优势。
DARPA作为美国国防部的高科技分支机构，是怎样影响半导体的发展的。
从1970年代开始，随着复杂的半导体以及通信技术的发展，集成电路的研究、发展也逐步展开。当时，美国作为集成电路的开创者，孕育了很多与之相关的企业。而为了实现国防安DARPA也开始对半导体行业提供了大量的支持，随着时间的推移，这些技术逐渐走向了民用，间接推动了美国乃至全球整个半导体产业的发展，现在市场上所使用的主流技术还有不DARPA的影子。
资料显示，从1970年代中期开始，DARPA精心组织了对半导体材料砷化镓的广泛研究，砷化镓可以承载比硅更快的晶体管，并且可以以更高的功率工作。到了20世纪80年代，随着砷化镓化合物用作半导体材料的优异性能不断被发现，砷化镓也被广泛应用到微波器件、激光器和发光二极管等产品中。即便是到了今天，砷化镓这种材料仍然活跃在半导体行业中。
20世纪70年代后期，超大规模集成电路的出现推动了半导体行业的发展。在此期间，DARPA启动了VLSI计划，该项目为众多基于大学的团队提供了研究经费，以改善当时微处理器设计的性能。在该项目的推动下，半导体产业发生了很多深刻的变化。
VLSI的主要工作之一是创建使设计过程自动化所需的硬件和软件，这在当时仍然很大程度上是手动的。为此，VLSI分别资助了斯坦福大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的Geometry Engine和Pixel-Planes项目，以在台式机级别创建合适的图形硬件。为了提供运行这些新工具的通用软件平台，VLSI还资助了Berkeley项目，以提供标准化的Unix实现，今天称为Berkeley Software Distribution（BSD）。
CAD软件也是VLSI工作的重要组成部分。这导致了CAD技术在布局，设计规则检查和仿真方面的重大改进。后来这些想法是由VLSI Technology，Cadnetix和Synopsis 等公司在商业实现的。
有了这些工具，其他由VLSI资助的项目就可以在设计复杂性方面取得长足的进步，从而引发了RISC革命。与VLSI相关的两个主要项目是Berkeley RISC和Stanford MIPS，这两个项目都严重依赖先前VLSI项目中开发的工具。为了使设计团队能够生成测试示例，DARPA还于1981年资助了金属氧化物硅实施服务（MOSIS）。MOSIS的一个关键方面是将多个芯片设计集中到一个半导体晶片上。从1981年以后的40年中，DARPA仍在提供MOSIS服务。
1987年，DARPA还进行了微波和毫米波集成电路（MIMIC）计划，DARPA的MIMIC技术，特别是由它产生的集成技术，使国防部能够制造出无线电和雷达系统，以比先前任何时候都更高的频率和带宽使用频谱。相控阵雷达系统是该技术最早用于国防的技术之一，但是随着技术朝着提高产量和降低成本的方向发展，手机设计人员转向了基于MIMIC的功率放大器，这种功率放大器以较小的封装提供了更多的通信范围。该程序为后续技术开发提供了基础，并已成为后续程序的模型，推动了微波，毫米波，亚毫米波和太赫兹频率固态电子学的发展。站在如今的市场上来看，毫米波雷达的发展受到了很多新兴领域的青睐。
在20世纪90年代早期对新材料和集成方案的探索的基础上，DARPA联合学术和商业伙伴通过推动新型透镜材料和光刻胶的开发，共同开创了193nm光刻技术，该技术在过去的二十年中已成为行业关键的制造工艺，这些微型化和电路密度方面的进展对半导体工业产生了巨大的影响。同时，随着Dennard缩放在2000年代结束，半导体行业采用了Fin Field Effect Transistors（FinFET），这也是由DARPA资助的又一项创新。如今，芯片制造商还在使用FinFET技术将晶体管缩小到了7nm，甚至5nm工艺制程上，仍还保留着FinFET的影子。
从1987年开始，SEMATECH财团（SEMATECH由美国国防部通过国防高级研究计划局（DARPA）提供的公共资助，历时五年，总计5亿美元。）从联邦政府获得资金，以帮助振兴美国芯片制造业。此后，它催生了其他组织，例如国际半导体制造计划，其重点是制造设备和运营。同时，该财团还促进了制造商和供应商之间的社区参与，在这种推动下，到1992年，美国占全球半导体产量的82%。
到了二十世纪九十年代，DAPRA项目经理Stuart Wolf发起了一系列持续的计划，这些计划有助于发展基于磁性和量子微电子学的基础。第一个程序是Spintronics，它促进了非易失性磁存储器（MRAM）器件的发展，并催生了SPiNS，该程序旨在开发基于自旋的集成电路（IC）。在此期间，DARPA在微电子学的磁性和电子自旋领域启动了十二个相关程序，共同帮助启动了日益多样化和复杂的技术，其中包括导致惊人的密集数据存储的技术。时至今日，MRAM仍是被业界所关注的一个领域。
而后，从1994年开始的许多年里，DARPA还在当时新兴的微机电系统（MEMS）领域提供了大量资金。微机电系统（MEMS）也是DAPRA MTO部门的三项核心技术之一。凭借微电子技术的血统，MEMS研究人员巧妙地采用了标准的半导体制造方法，以制造微型机械结构。二十多年后，在2019年7月，MTO办公室MEMS计划又有了新的动作，据介绍，微系统探索计划将构成一系列短期投资，重点放在与MTO相关的技术领域的高风险，高回报的研究上。其主要关注领域包括：嵌入式微系统智能与本地化处理、下一代电磁元件与技术、实现功能密度和安全的微系统集成、微系统在C4ISR等领域的颠覆性应用。其中，前三个主题都集中在了异构系统的硬件安全性，新型的材料和新计算体系结构上。这也是当今半导体领域中所关注的重点领域。
最后，还需要提一句，现在火爆全球的RISC-V，在其早期发展过程中，DARPA也有过贡献。
美国凭借DAPRA所扶持的项目，在过去的半导体产业当中占据了巨大的优势，并一直持续至今。但是伴随着近些年来其他国家和地区半导体的发展和技术的限制，美国为了巩固其在该产业中的地位，DARPA宣布了一项新计划。
2017年6月，DARPA宣布了电子复兴计划（ERI），该计划旨在振兴未来美国本土电子产业。一个月后，在DARPA在加利福尼亚州旧金山举办的首届年度“电子复兴计划”（ERI）峰会开幕式上，DARPA宣布了ERI六大项目合作研究团队，旨在扶持和培养在材料与集成、电路设计和系统架构三方面的创新性研究。这六个项目旨在补充传统晶体管尺寸的不断缩小并确保持续改进电子性能，包括“三维单芯片系统”（3DSoC）、“新式计算基础需求”（FRANC）、“特定领域片上系统”（DSSoC）、“软件定义硬件”（SDH）、“高端开源硬件”（POSH）、“电子设备智能设计”（IDEA）。
2018年11月，美国国防高级研究计划局宣布电子复兴计划（ERI）已进入第二阶段。目前该计划主要通过包括最近新启动的6个ERI项目，解决摩尔定律的困境和阻碍未来50年电子产业持续快速发展的挑战。ERI第二阶段将探索在传统的CMOS缩放中添加互补和替代向量的方法。ERI第二阶段的潜在勘探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。这些工作将以ERI材料与集成研究方向的现有工作为基础，对FRANC，3DSoC和CHIPS等当前ERI计划进行补充。
电子复兴计划第二阶段的主要目标是解决2018年7月份在旧金山举办的电子复兴计划首届年度峰会上所提出的3个关键问题，即（1）支持美国本土电子制造业发展并使其具备针对不同需求的差异化发展能力；（2）解决芯片安全问题；（3）实现电子复兴计划技术研发与国防实际应用的紧密对接。
2019年3月，特朗普政府公布了2020财年预算申请，这其中也涉及到了DARPA的预算。根据相关消息显示，DARPA在2020财年的研发经费也同步稳步增长，总计35.56亿美元的经费比2019财年增长3.77%，比2018财年增长了15%。在这35.56亿美元当中，其中有13%的预算涉及到了电子元件技术领域。
在ERI总体计划的推动下，在这三年当中，DARPA也参与不少与半导体相关的项目。鉴于该机构在半导体产业中影响力，他们所关注的领域或许能够代表未来半导体产业发展的动向。由于ERI正处于第二阶段当中，在上文中，我们曾提到，在该阶段中微机电系统（MEMS）和射频（RF）方面的发展，会对其对FRANC，3DSoC和CHIPS等项目作出补充。因此，我们比较关注DAPRA在这几个领域中的近期发展。
Chiplet是最近半导体产业所关注的方向之一，很多机构和企业都把chiplet看成是未来芯片的重要基础技术。DARPA也是其中之一。为此，DARPA开展了名为CHIPS 项目。据wikichip的报道显示，CHIPS的愿景非常不同寻常，该项目旨在创建由独立模块化的、可重用的IP块组成的全行业生态系统，可以使用现有的和新兴的集成技术将这些IP块组装到系统中。换言之，这是一个行业驱动的、兼容的chiplet生态系统，设计师可以根据许多不同供应商的特定需求混合和匹配所需的chiplet，从而形成更多的定制解决方案，同时减少工程资源并加快产品上市时间。为更全面地开展 CHIPS 计划，DARPA 选择了英特尔、铿腾电子、新思科技等企业以及密歇根大学，佐治亚理工学院，北卡罗莱纳州立大学等高校作为项目的主承包方。
DARPA也在3DSoC领域上进行了布局，该计划旨在开发材料，设计工具和制造技术，以在具有三维尺寸的单个基板上构建微系统。麻省理工学院的项目得到了DAPRA的资金支持，2019年7月，麻省理工学院助理教授Max Shulaker在DARPA ERI峰会上展示了一块碳纳米管+RRAM通过ILV技术堆叠的3DIC晶圆。相关报道称，这块晶圆的特殊意义在于，它是碳纳米管+RRAM +ILV 3DIC技术第一次正式经由第三方foundry（SkyWater Technology Foundry）加工而成，代表着碳纳米管+RRAM +ILV 3DIC正式走出学校实验室走向商业化和大规模应用。
在RF领域中，为了使RF混合模式接口超出当前的限制，DARPA建立了混合模式超大规模集成电路技术（T-MUSIC）计划。该计划于2019年1月首次宣布，这也是DARPA 电子复兴计划（ERI）第二阶段的一部分。T-MUSIC项目将探索将混合模式电子产品集成到当前先进的半导体制造工艺中。据DARPA官网消息显示，T-MUSIC计划从学术机构以及商业公司中选出了9个研究小组来承担该计划的研究目标。具体来看，T-MUSIC项目的两个制造合作伙伴是美国的格芯和以色列的高塔半导体有限公司。此外，来自加利福尼亚大学洛杉矶分校和加利福尼亚大学伯克利分校的研究团队将开展新型射频混合模式晶体管的探索研究，这些晶体管能够对可扩展CMOS平台中高达1THz的晶体管开关速度进行验证。
在机器学习方面，RTML计划是DARPA电子复兴计划（ERI）第二阶段的另一部分。DARPA的实时机器学习（RTML）计划旨在通过开发一种基于ML（机器学习）框架自动生成新颖芯片设计的方法，来降低与开发针对新兴ML应用量身定制的ASIC相关的设计成本。RTML程序的目标是创建一个编译器或软件平台，该编译器或软件平台可以摄取TensorFlow和Pytorch之类的ML框架，并根据特定ML算法或系统的目标，生成针对该ML优化的硬件设计配置和标准Verilog代码。
同时，伴随着物联网的兴起，保障信息安全成为了发展物联网的重要因素。在这当中，芯片安全也起到了至关重要的作用。为此，DARPA参与了“自动实施安全硅（AISS）”计划。据DARPA官网消息显示，参与AISS项目的研究团队包括：Synopsys，Arm，UltraSoC、IBM以及一些美国高校。
据悉，AISS项目涉及了两个领域，第一个研究领域涉及“安全引擎”的开发，该引擎将最新的学术研究和商业技术结合到一个可升级的平台中，该平台可用于防御芯片遭受攻击并提供基础结构来管理这些硬化芯片在其整个生命周期中的发展。第二个领域则是在Synopsys的领导下，以高度自动化的方式将第一个研究领域中开发的安全引擎技术集成到片上系统（SOC）平台中。据相关报道显示，第二个研究领域专注于执行“系统综合”或将在AISS下开发的新的具有安全功能的电子设计自动化（EDA）工具与来自Synopsys、Arm和芯片仪器专家UltraSoc的商用IP相结合。该功能允许芯片设计者在这些AISS工具上指定功率、面积、速度和安全性(PASS)约束，然后根据应用程序目标自动生成最佳的方案。
此外，光子芯片也是DAPRA所关注的另一个领域。2019年11月，美国防高级研究计划局（DARPA）启动通用微型光学系统激光器（LUMOS）项目，寻求开发单芯片光子集成能力。据其官网介绍，在该项目中，研究人员的任务是创建跨复杂度、动力和频谱的优化平台支持相关研究，探索适合具体应用需求的芯片增益集成战略和光子集成电路平台。第一个研究领域是，在单个芯片上集成数以千计的光学元件。第二个研究领域是，对国防应用的高功率、高速光子平台的开发。第三个领域是寻求开发可见光和近红外光子学平台，以支持新的应用类别。
美国作为当今半导体领域当中的强国，他的发展规划受到了市场的关注。在这其中，DARPA起到了一定的导向作用，根据这个机构的规划，或许能够让业界把握未来半导体行业的发展趋势。同时，根据DARPA的使命来看（对国家安全突破性技术进行关键性投资），尤其是在当下的贸易局势下，通过了解DARPA的布局规划，或许能够有利于其他国家和地区半导体行业的发展。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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