美国发布《半导体十年计划》临时报告-电子发烧友网

2020年10月15日，美国半导体行业协会（SIA）和半导体研究公司（SRC）联合发布《半导体十年计划》临时报告，概述了未来十年内芯片研究和资助的优先事项，确定了影响未来芯片技术发展的五个重大变化（seismic shifts）领域。报告在制定过程中吸纳了学术界、政府和工业界等各界领导者的意见和建议，呼吁美国政府在未来十年内增加两倍的联邦拨款（即每年增加34亿美元）用于半导体研究，建立新的公私合作伙伴关系以覆盖广泛的相互依存的技术领域和多学科团队，以市场为导向组织和协调投资来支持关键技术研发。正式报告将于2020年12月发布。

一、《半导体十年计划》的主要目标

《半导体十年计划》概述了未来信息通信技术（ICT）产业的全球驱动和制约因素，聚焦创新解决方案并衡量相关影响，提出了三个关键目标：（1）识别驱动ICT发展的半导体技术的重要发展趋势、应用和挑战；（2）定量评估五个重大变化领域对ICT发展的潜在影响；（3）确定改变半导体技术现有发展轨迹的基本目标，以更好地应对未来挑战。

二、五个重大变化领域

1. 智能感知智能接口连接真实物理世界和虚拟机器世界，具有感知、洞察和推理能力的智能接口需要模拟硬件技术的根本性突破。“十年计划”每年投资6亿美元用于模拟-信息压缩/规约，达到105:1压缩/规约比，为实现类脑方式的信息使用奠定基础。图1描述了“智能感知”领域的优先研究事项，具体为：（1）“模拟-数字”转换后进而实现“模拟-信息”转换和“感知-行动”转换；（2）可训练的神经形态信号转换器；（3）模拟仿生机器学习；（4）THz波段模拟；（5）模拟开发方法。

图1 “智能感知”领域的优先研究事项

2. 存储器存储器需求增长将超过全球硅供应，这为全新的存储器和存储解决方案带来机遇。“十年计划”每年投资7.5亿美元用于开发密度>10-100倍的新存储器结构，且实现存储层次的每层能效优化；探索新的存储技术，实现存储密度提升>100倍且新的存储系统能够利用这些技术。图2描述了“存储器”领域的优先研究事项，具体为：（1）快速、高密度、高能效、低成本、嵌入式非易失性存储器；（2）新信息表示范式的储存器和存储技术；（3）量子处理器的存储器；（4）根本性新型存储技术，例如DNA存储。

图2 “存储器”领域的优先研究事项

3. 通信通畅的通信需要解决通信能力与数据生成率之间的不平衡。“十年计划”每年投资7亿美元用于开发先进的通信技术，实现以1Tbps@<0.1nJ/bit的峰值速率运行100-1000 zettabyte的年度数据；开发智能和敏捷型网络，以有效利用带宽来最大化网络容量。图3描述了“通信”领域的优先研究事项，具体为：（1）通信新物理学；（2）毫米波CMOS芯片；（3）具有1000根天线的多输入多输出（MIMO）系统；（4）毫米波滤波器和隔离器；（5）铜缆和光缆的密度和效率。

图3 “通信”领域的优先研究事项

4. 安全高度互联系统和人工智能带来的新兴安全挑战需要在硬件研究方面取得突破。“十年计划”每年投资6亿美元用于安全和隐私硬件的发展，以应对新技术威胁和应用（如可信赖人工智能系统、安全硬件平台以及后量子和分布式密码算法）。图4描述了“安全”领域的优先研究事项，具体为：（1）可信赖人工智能系统；（2）未来硬件平台的安全性和隐私性，这些硬件平台由异构和专用组件构成，并涉及诸如量子和神经形态等新计算范式；（3）新兴密码学，例如支持新应用的同态加密和阻止新型攻击的后量子算法；（4）新系统架构的安全性，包括从物联网到边缘再到云的各种架构；以及大规模分布式处理的安全性，如区块链方面。

图4 “安全”领域的优先研究事项

5. 能源效率日益增长的计算能源需求正在增加新的风险，而新的计算范式为显著提升能效提供了机会。“十年计划”每年投资7.5亿美元用于探索新的计算范式和架构，拥有全新的计算轨迹，可证明能达到的能效提升100万倍。图5描述了“能源效率”领域的优先研究事项，具体为：（1）香农计算框架：从图灵到香农再到近似计算；（2）高维表示；（3）人工智能处理器，需要“寒武纪爆发”式的变化；（4）量子计算机中算力和能耗的分离。