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DARPA最前沿:嵌入式计算、光纤激光二极管、芯片级激光雷达

2017-01-29 战略前沿技术



DARPA授予美国诺格公司“嵌入式计算技术的能效革命”项目合同,推进嵌入式计算75GFLOPS/W目标的实现


美国国防先期研究计划局(DARPA)近日宣布授予美国诺格航空系统分部900万美元的合同,是“嵌入式计算技术的能效革命”(PERFECT)项目的第三也是最后一阶段合同。诺格公司因此获得的PERFECT项目总金额达到3150万美元。


背景


在过去的很长一段时间内,嵌入式计算性能的提升依赖于一代处理器根据摩尔定律发展而增加的计算性能。依据摩尔定律,每一代处理器上的晶体管数量翻倍,在不增加能耗的情况下时钟速率增加40%,因此无需增加功耗就可以增加性能。但是这种处理性能上“搭便车”式的增加结束了,因为时钟频率的增加带来不可接受的功耗增加。



项目历程


DARPA于2012年启动PERFECT项目,其他参研方包括哥伦比亚大学、IBM的沃森研究中心、BAE系统公司和Reservoir实验室。PERFECT项目将重点解决先进军用嵌入式计算发展面临的主要限制,包括功耗、热管理、尺寸和重量,采用近阈值电压工作和大规模异构并发处理等革命性方法来提高功率效率,并利用产业界预期达到的7纳米先进工艺,使嵌入式计算能效从现在的1 GFLOPS/W很快达到75 GFLOPS/W。项目还将提供仿真PERFECT项目所研发技术的仿真环境来支持系统设计。


诺格的已有成果和下一步计划


在PERFECT项目的第一阶段,诺格研发的概念显示出具备足够前景来开展更多的研究。在第二阶段,诺格研制出技术能将整体处理能效提升75倍。现在诺格进入第三阶段,将使整个系统的设计能够获得75GFLOPS/W的计算能效。DARPA官员表示,待2018年1月该项目结束时,DARPA将提供给国防部一套完整成熟的技术,或通过产品或通过开放源来实施75GFLOPS/W。


附:PERFECT官方说明


计算能力对几乎每种军事系统而言都是使能器,但计算能力的提高受到系统可供电量和散热能力的限制。这对单兵便携式应用、无人装备和潜艇上的指挥控制系统等嵌入式应用提出挑战。目前的情报、监视和侦察(ISR)系统所用传感器采集到的信息量已远远超过其实时处理能力,导致士兵所采集到的宝贵实时情报数据被轻易丢弃,或者在被采集后的数小时甚至数天里才被记录和处理。


如能够增加每瓦功率所能执行的计算量,计算能力就能提高。目前,在系统级别上观察到的处理能效大约是每瓦每秒10亿条浮点操作(1 GFLOPS/W)。然而,应用表明至少需要50 GFLOPS/W的能效,以及极有可能进一步提出的75 GFLOPS/W。即使将现有处理能力外推,依然将无法满足需求。


PERFECT项目目标是寻求颠覆性的方法,研发能够支持高能效嵌入式计算系统所需的技术。PERFECT项目研究对象包括7个,架构、并行性、可恢复性、局部性和算法是主要研究内容,其余2个是仿真测试与验证,是对项目的必要支持。这些技术,以及制造工艺节点预期发展到的7nm,将达成PERFECT项目的目标,实现75 GFLOPS/W的能效。


PERFECT项目将分为三个阶段。第一阶段(现已结束),研发概念,并提供影响处理能效的初步证据。第二阶段是开发相关技术,使整个处理系统的能效比今天最先进技术提升75倍。PERFECT项目并不是构建实际的处理硬件,而是通过仿真和部分支持性测试设备,对进展进行测量和验证。第三阶段将进一步开发最具前景的技术,并提供实现途径。PERFECT项目将在满足能效约束下使嵌入式计算系统具备更强计算能力,将极大程度增加已部署嵌入式系统的能效,带来更大的作战效能。


项目时间安排:

来源:大国重器(ID:ElectronicComponent),作者:长青



DARPA研发光纤激光二极管模块

美国防高级研究计划局(DARPA)的微系统技术办公室近日发布项目通告,向工业界征集创新性研究方案,用于发展光纤激光二极管模块。项目名称为“高效超紧凑型激光集成设备”(EUCLID),要求研发可泵浦高能光纤激光的高效能超紧凑型光纤耦合二极管模块,使高能激光武器广泛部署在战斗机、无人机、战术车辆等作战平台上。

立项背景

高能激光武器技术一直受到军方的关注,但由于系统的体积和重量过大,无法广泛部署在作战平台上。光纤激光阵列的电光效率大于35%,光束质量高,并可根据作战任务灵活调整输出功率,目前是将激光技术与作战平台结合的主要选择,已成功应用于美空军的AC-130攻击机和陆军的重型增程机动战术卡车。DARPA进一步寻求在战斗机、无人机、战术车辆等作战平台上部署尺寸更小、重量更轻、功率更高的激光武器。激光二极管泵浦模块(DPM)可满足“尺寸、重量和功率需求”(SWaP),使激光武器得到更广泛的部署的同时将大大提高现有激光武器的性能。

项目要求

EUCLID的项目目标是缩小二极管泵浦模块的尺寸、减少重量、提高光电转化效率、优化紧密组装。EUCLID项目完成后达到的系统性能目标包括:二极管泵浦模块的功率至少为650瓦,泵浦耦合的功率至少为3900瓦;

光电效率:二极管泵浦模块的电光效率应大于60%,泵浦耦合的电光效率应大于58%;

体积:每瓦特二极管泵浦模块的体积不能超过0.31立方厘米,每瓦特泵浦耦合的体积不能超过0.5立方厘米;

重量:每瓦特二极管泵浦模块的重量不能大于0.31克,每瓦特泵浦耦合的重量不能大于0.43克;

冷却系统:适用于战斗机(如F-15、F-16),冷却剂在零下30摄氏度时仍需保持液态;

使用期限:能量充满时至少运行100小时,能量衰减不超过5%。

按照计划,EUCLID项目合同金额为600万美元,预计2017年 7月开始。项目将分两个阶段,每个阶段持续一年。第一阶段将进行系统技术设计和验证,达到项目系统性能目标,完成初级设计评审和关键技术评审。第二阶段生产测试二极管模块,6个二极管模块组装的泵浦耦合可同时泵浦2个光纤放大器,每个光纤放大器功率为1600瓦,光对光转化效率为85%;或泵浦1个光纤放大器,功率为3200瓦,转化效率为85%。

来源:国防科技要闻(ID:CDSTIC),作者:韩笑 中国国防科技信息中心


MIT和DARPA联手研发出

比硬币还小的芯片级激光雷达

激光探测与测距或激光雷达(Lidar)是一种基于激光的感知技术。Lidar系统测量3D空间中每个像素到发射器间的距离和方向,从而得到目标的三维图像。大多数Lidar系统使用离散的自由空间光学组件,比如激光器,透镜和外部服务器。对目标成像时,Lidar系统进行扫描,则扫描机构限制了Lidar系统的扫描率,同时增加了系统的复杂性,导致可靠性降低。

MIT的光子微系统组尝试将这些大型的、昂贵的、机械的Lidar系统融合在一个微芯片上,实现在商业化CMOS生产车间里的大规模生产。他们在300mm的晶片上生产Lidar芯片,芯片上设备用非机械化的光束进行操控,图像扫描速率更快,比当前机械的Lidar系统所能达到的速度快一千倍,从而可以精确追踪微小的高速运动的物体,对于高速前行的无人机避开障碍物而言至关重要。

美国国防高级研究计划局(DARPA)在2011年启动光电多相集成(E-PHI)项目。该项目的两个重要成果是实现第一个大规模光学相控阵和第一个广角可操纵光束阵。光学相控阵是小型、低成本的固态Lidar的极佳解决方案。

MIT和DARPA联合研发的Lidar系统是一块带有可控传输与接收相控阵,及片上锗光电探测器的0.5mmx6mm硅光子集成电路板。激光源没有集成在电路板上,但MIT及其他团队已经证明了片上激光器实现并非难事。为实现成像,发射/接收天线相位可控,并且具有一定的发射图样,发射图样相长干涉处,产生聚焦光束。受天线之间间隔的限制,现在光束的操控范围约为51°,但可以通过放置多个Lidar感应器获得360°的图像。

光学显微图象下的MIT固态Lidar

        该Lidar的探测方法基于相干法,只响应由设备发出的光束,从而减小了太阳光的影响,大大减小了Lidar系统中的噪声系数。目前,该Lidar系统最小探测距离约5cm,可以探测到长达2m内的物体,具有厘米级的纵向分辨率,在2m处有3cm的横向分辨率。研究团队希望在一年内能将范围扩大到10m,今后将能达到100m的范围,并有可能更远。

来源:光学遥感(ID:Opticalsensing)

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前沿人物:钱学森 | 马斯克 | 凯文凯利 | 任正非 | 马云

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