【Further Moore】进一步的摩尔：DARPA与摩尔定律相互交织的历史
(在DARPA成立60周年举办的D60研讨会上，共安排了六场全体大会，分别由DARPA六大技术办公室主任做主题演讲，在其中一场名为“电子复兴”的演讲中，DARPA微系统技术办公室（MTO）主任Bill Chappell博士介绍了电子复兴计划（Electronics Resurgence Initiative，ERI）。这是DARPA牵头的全美国微电子联盟计划，旨在通过摆脱芯片泛化和抽象化来推动技术进步，聚焦摩尔定律的核心原则，构建基于芯片专业化和独特性的大胆创新时代。
在随后的讨论上，Lynn Conway、Robert Kahn和Mark Papermaster描述了他们为进一步从摩尔定律中受益的努力，包括DARPA对新电路设计和制造方法的投资、互联网乃至iPad。 MTO项目经理Andreas Olofsson讨论了ERI的设计主旨是如何通过两个新的电子设计自动化研究项目大幅降低现代片上系统设计的障碍。防务菌将这一个多小时的内容倒腾了出来，供有兴趣的同仁参阅（注：因为时长达到1个多小时，个人难以将之全部翻译，故采用AI翻译，虽不影响观瞻，请看官恕罪则个）。
主持人和主题演讲
Bill Chappell博士 - DARPA微系统技术办公室（MTO）主任
讨论小组成员
Lynn Conway女士 - 密歇根大学安娜堡分校
Robert Kahn博士 - 国家研究计划公司
Andreas Olofsson - DARPA，MTO
Mark Papermaster - Advanced Micro Devices
而在今年8月23-25日举办2018年ERI峰会上，William Chappell博士则概述了DARPA的电子复兴计划，包括对先前项目及新项目的讨论，以及戈登·摩尔（Gordon Moore） 1965年开创性论文的重要性。
William Chappell博士更为DARPA成立60周年撰写了《进一步的摩尔：DARPA与摩尔定律相互交织的历史》一文，翻出来供大家参阅。
《进一步的摩尔：DARPA与摩尔定律相互交织的历史》
在1965，传奇技术先驱戈登·摩尔给我们设定了一个50年的“奥德赛”（意指漫长而充满风险的历程），因此将我们的时代视为“微电子时代”是可靠的。在当年电子杂志上发表的一篇名为“在集成电路上填充更多组件”的简短论文里，摩尔预测了一个演进的轨迹——“集成电路的晶体管数量每两年大约翻一番，而每个晶体管的成本会降低”。当这篇三页的论文首次发表在这个商业贸易杂志上时，早期的读者可能无法想象它对电子行业的影响。然而，从这些不起眼的开端出现了我们今天所知道的摩尔定律的演进路线。
摩尔不太可能预测他会为数亿美元联邦研究资金的投资设定一条路线，甚至更多来自工业界。他与政府和行业领域的许多领导人一起预测这一进展将会“消亡”。然而，通过独创性、资金和伙伴关系，这一预言继续得到实现。
与许多其他研究机构一样，DARPA已将“摩尔定律”作为制定电子创新持续发展道路的一种手段。几十年来，该机构在电子技术的进步上投入了大量资金，产生了许多改变行业的技术，同时满足了摩尔的预言。
自成立以来，DARPA通常依赖于一种开放的研究模式，该模式涉及与非国防合作伙伴的配对。由于这种包容性和协作性的模式，该机构在半导体基础上所做的投资不是依赖于军事研究中经常需要的保密，而是让美国率先开创了这项技术。DARPA帮助建立了一些社区，这些社区可以让思想得到严谨的发展，然后由行业完善和制造，从而产生经济和国防收益的进步。正确导航摩尔定律一直是确保美国全球领导地位的决定性因素。
DARPA最早投资于集成电路技术的进步是一项雄心勃勃的工作，称为超大规模集成电路（VLSI）计划。在20世纪70年代和80年代，VLSI汇集了整个研究团体，在计算机体系结构和系统设计、微电子制造以及设计制造、测试和评估的整个周期方面取得了重大进展。这些研发承诺帮助克服了摩尔所阐述的晶体管扩展趋势的早期障碍。 VLSI取得的进展有助于推动计算领域，进一步提升美国的军事能力和加强国家安全，同时帮助开创商业应用的新时代（参见文末注释1）。
VLSI计划产生的技术包括精简指令集计算（RISC）处理器，它提供了从超级计算机和NASA火星探测器到今天的手机和移动设备的各种计算能力（参见文末注释2）。由于RISC处理器的发展，性能图形硬件每年增长55％，基本上每18个月实现一次性能翻倍（参见文末注释3）。尽管摩尔的观察仅仅描述了越来越多的晶体管与成本之间的反比关系，但性能的提升很快成为晶体管微缩的代名词，也是继续扩展的主要动力。
VLSI计划强调了美国电子界持续合作的必要性以及DARPA在为进一步创新打开大门方面可以发挥的作用。为了促进对新芯片设计的追求，DARPA于1981年1月创建了金属氧化物硅实施服务（MOSIS）项目。MOSIS提供了快速周转、低成本的能力来制造有限批量的定制和半定制微电子器件。该服务为研究人员提供了机会，否则他们将无法直接进入微电子制造设施。在其超过35年的运行过程中，MOSIS促进了微电子设计和制造领域的稳步创新。
虽然美国在20世纪70年代和80年代初期加快了微电子创新的步伐，但日本在20世纪80年代末率先进行了先进的半导体生产和制造。为了重新获得支配地位，在DARPA和美国半导体行业的支持和资助下，半导体制造技术（SEMATECH）联盟成立了。在随后的几十年中，该联盟促进了制造商和供应商之间更强大的社区参与，并显著增强了下一代生产工具和设备的研发。到1992年，美国负责82％的半导体产量，这在一定程度上归功于这种跨社群的努力（参见文末注释4）。
从1965年的贸易杂志开始，很少有人会想到戈登摩尔的预测——集成电路的晶体管数量每两年大约翻一番，而每个晶体管的成本会降低。这确实塑造了50年微电子学的发展历史。
在20世纪80年代末和90年代初期，新兴、不断发展的军事和商业应用，包括先进的武器系统、网络和全球定位系统（GPS），继续推动对强大、低成本微电子的需求。当然，实现这一目标所需的持续晶体管扩展要求半导体材料、器件集成方案和其他技术领域的创新继续有增无减。
在此期间，DARPA资助了一项引领半导体光刻技术发展的项目。该项目与学术界和工业界合作，推动了新型镜片材料和光致抗蚀剂的开发，这些镜片材料和光致抗蚀剂能够超越以前将技术局限于248纳米（nm）光刻的技术障碍，并支持采用193纳米光刻技术生产的新一代技术。这些小型化和电路密度的进步对半导体工业产生了巨大的影响。新的光刻技术迅速成为主流，业界人士将其应用于先进的商用和军用微电子。
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于1995年启动了一项开发超过25纳米阈值晶体管的项目（指的是“先进微电子”-Advanced Microelectronics ，AME项目）。在该项目下完成的研究工作引领了基于FinFET（鳍式场效应晶体管）的工作。采用新型3D晶体管设计，利用突出的鳍状硅结构，允许多个栅极在单个晶体管上工作。当前，领先的芯片制造商继续使用FinFET技术将晶体管缩小到7纳米。
虽然摩尔的预测帮助规划了过去50年来晶体管扩展的过程，但是工业、学术界和政府组织（如DARPA）的独创性和奉献精神将摩尔定律变为现实。
DARPA的投资帮助工业界和国防部（DOD）通过发现超出当前限制的新材料克服了传统晶体管扩展的障碍，并可以满足未来的性能和效率要求。这只有通过围绕新颖的设计方案和架构促进合作和创新的环境，以及通过在微电子的制造和生产中开辟实验途径来实现。
正是由于VLSI、MOSIS和SEMATECH等项目对半导体行业的商业和国防支持的交织历史，美国在微电子创新方面享有全球领导地位的独特优势。这导致消费电子产品受益于国防部的传统组件，如GPS，以及利用先进商用处理器的处理能力和专用集成电路的军事系统。
回首展望：摩尔的拐点
美国半导体产业在美国经济中发挥着独特的巨大作用，对经济的贡献大大超过国内其他主要制造业（参见文末注释5）。在过去的30年里，半导体行业的增长迅速，超过美国6个点GDP增长率（参见文末注释6）。
然而，并非所有美好事物都能永远存在下去。现在，根据摩尔定律，半导体技术继续发展，但前进的迹象显示出放缓的迹象。除了随着设备尺寸不断缩小而应用的基本技术限制之外，与继续沿着这条道路前进的经济性相关的不可想象后果正在浮出水面。不断增加的电路复杂性和相关的开发成本使许多商业和政府组织无法参与电子研发的前沿。
当前，美国电子产品开发和制造面临三大挑战，威胁到行业的未来健康以及美国的军事能力：
1.集成电路设计的成本飙升，这限制了创新。
只有拥有大量商业需求的大型全球跨国公司才能在当今的电子领域进行创新和竞争。这严重限制了资金短缺的初创公司和国防部设计人员可以生产的电路的复杂性。
2.外国投资扭曲了市场，推动了美国以外的转移。
中国投资1500亿美元用于发展其制造能力的计划吸引了外国的兴趣。即使到2015年，中国也已经开始建造26个新的300毫米半导体代工厂（参见文末注释7）并且已经推出了1300家无晶圆厂初创企业（参见文末注释8）。这些全球性的经济力量正在重视变革性半导体发明以保持领先地位。
3.继续走向泛化和抽象化正在扼杀硬件的潜在收益。
管理现代电子系统复杂性的成本上升——从制造和设计电路到编程，导致了抽象层次的增加。在堆栈底部（例如在新材料中）到计算堆栈上方的获利部分的众多步骤使得参与者不愿意进行大量投资。再加上持续晶体管扩展的可预测的好处，这创造了一个生态系统，只有通用的电子硬件才能在经济上取得成功，并且大部分价值已经越来越接近软件堆栈中的应用程序。结果，硬件变得更接近商品，仅在特定情况下保留了专用硬件的大部分性能提升。
在这样的时代，重新回到行业的起源并向该领域的领导者寻求如何向前发展的线索是有益的。即使在1965年设定路线时，摩尔自己也预见到了微缩的结束。在他的开创性论文中，他传达了我们所知道的摩尔定律、摩尔预测，除了技术和工程方面的挑战之外，经济局限性最终可能成为扩大规模的障碍。同样重要的是，在他的文章的第三页，他预测今天我们所知道的设计自动化、材料科学、封装和架构专业化领域的进展可以为越来越有能力的电子产品保持开放的道路。
“摩尔拐点” ：图中箭头所示的一个点，当前确定的优先事项将决定电子产品的进步是否会开始放缓和停滞，或者新的创新将催生另一个长期的动态和灵活的技术进步。
据他50年前的观察，摩尔准确预测了我们当前要达到的目标。为了纪念摩尔在电子领域的持续存在，我们在DARPA将这一点称为“摩尔拐点” ——我们当前确定的优先事项将决定电子生态系统的状态是否变得停滞、僵化、传统或成长为充满活力、灵活和创新。
电子复兴计划：对摩尔拐点的回应
随着摩尔拐点的临近，美国政府决定采取大规模行动，在未来五年内投资约15亿美元用于DARPA牵头的电子复兴计划（ERI）。 ERI寻求建立一个专业、安全、高度自动化的创新周期，使美国电子界能够从一般的硬件时代转向专业系统。
基于DARPA的电子发明传统，ERI旨在促进前瞻性的合作和新方法，以迎来电路专业化的新时代。这项大规模的计划将DARPA的开放式研究模型应用于微电子的未来，并将政府、学术界、工业界、国防工业基地和国防部汇集在一起，创造持续和戏剧性进步所需的环境。
根据摩尔1965年论文第3页提供的指导，ERI寻求创建一个生态系统，智能设计自动化工具将能够直接获取逻辑图并将其转换为物理芯片，而无需在其间进行任何特殊的工程干预。这将使经济上可行的是生产小批量的定制电路，或加速器芯，为特定功能而设计，而不是仅生产大量的通用电路。构建和互连定制电路阵列以形成更大系统的能力将使得能够快速且高效地创建各种各样的独特电子产品。
ERI由几个DARPA项目组成 - 其中许多项目在2017年6月正式宣布该项目后启动 ——重点关注三个主要研究重点：架构、材料和集成以及设计。
设计方面的团队寻求开发一个开放式框架，使研究人员和设计团队能够应用机器学习算法，可以快速自动地将高级功能和要求转换为定制电路的实际布局。为了确保各种定制电路，材料和器件技术可以一起用于构建更大的系统，材料和集成推力将研究新的互连标准以及新型存储器和逻辑电路的集成。最后，该架构将探索电路级协调和硬件/软件协同设计方法，以帮助创建模块化和灵活的系统，能够适应和优化新设备和加速器内核的组合，以适应任何应用。
设 计
“也许新设计的设计自动化程序可以从逻辑图转换为技术实现而无需任何特殊工程。”
——戈登·摩尔，1965
虽然摩尔无法预测他对晶体管微缩的观察程度会有多大影响，但他确实理解晶体管数量的增加最终会如何创建太复杂的电路，以至于设计师无需手动布局，自动化工具需要开发。在摩尔发表他的观察时，集成电路有大约50个晶体管；当前，这个数字约为210亿（参见文末注释9）。随着晶体管数量的不断增加，电子业界开始开发电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）工具，以帮助实现流程自动化。尽管这些工具能够帮助设计人员管理数十亿个晶体管的复杂性，但它们还没有跟上实际制造能力和模拟电路的发展，这些电路仍然是人工设计的。结果，设计团队的规模爆炸式增长，对专业技术专业知识的需求从未如此强烈。
模块化设计方法的发展有助于减轻EDA的一些局限性。设计人员采用的一种技术是将常用的电路功能捕获到离散的模块化块中，称为知识产权（Intellectual Property ，IP）区块，可以使用和重用这些区块来创建更大、更复杂的系统。相比之下，在2000年，超过90％的芯片必须经过特殊设计。如今，这个数字已经逆转，在超过90％的芯片上，设计师重新使用已经设计的IP区块（参见文末注释10）。
然而，即使越来越多地使用IP区块，设计和验证新硬件的成本的快速上升使得除了最大公司之外的所有公司都在获得前沿电子产品上的成本过高。“更快速实现电路设计”（CRAFT）项目旨在通过使用自动生成器快速创建新电路并加速设计周期来探索此问题的解决方案。最近，CRAFT项目的研究人员展示了一种利用自动生成器生产数字电路的设计流程，比传统方法快7倍。换句话说，这些工具使小型设计团队的工作效率与七倍规模的团队相当。
在即将到来的摩尔拐点之外保持持续的前进势头将需要推动机器学习的极限，将自动化扩展到电路设计的各个方面。 ERI设计的两个新项目（指的是“电子设备智能设计”-Intelligent Design of Electronic Assets，IDEA项目和“高端开源硬件”- Posh Open Source Hardware，POSH项目）受到摩尔的启发，旨在探索以机器为中心的硬件设计流程，这些流程可以在不到24小时内“无需人工”支持，便可形成复杂电子电路的物理布局生成。为了促进电路模块的可靠重用并吸引开源设计社区的集体智慧，这些努力将寻求利用新的模拟技术和应用机器学习来验证和模拟电路模块。通过这些增强的设计自动化工具，越来越多的创新者进入的门槛将放低，从而释放出电子技术前所未有的专业化和能力的时代。
材料与集成
“......用较小的功能构建大型系统，这些系统是分开封装和互连的。”
——戈登·摩尔，1965年
管理模块化的一个主要挑战是如何在不影响性能的情况下正确地互连越来越多的功能块。自2000年以来，不仅每个芯片的晶体管数量从4200万增加到210亿（参见文末注释11），而且同一芯片上的IP区块数量也增加了10倍以上（参见文末注释12）。此外，这些功能块越来越多地成为数字和模拟电路的混合物，并且通常由差异性很大的材料制成，这进一步使集成的挑战复杂化。
为了实现摩尔用更小的功能块构建更大系统的愿景，我们需要找到各种不同模块的新方法来相互连接和通信。
摩尔对材料和集成的预测已经在DARPA的“通用异构集成及知识产权复用策略”（Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies，CHIPS）项目中实现。该研究工作旨在开发模块化芯片设计，通过以预制芯片的形式集成各种IP区块，可以快速组装和重新配置。这些小芯片将利用标准布局和接口轻松链接在一起。该项目最近宣布，英特尔将向CHIPS项目提供其专有接口及其相关的IP，以用作该项目的标准接口。英特尔的直接参与将有助于确保项目中的所有各种IP区块可以无缝连接在一起。这是朝着建立国家互连标准迈出的一大步，该标准将实现大型模块化系统的快速组装。
CHIPS项目正在推动一种新的微系统架构，该架构基于将小型单功能芯片混合和匹配到芯片尺寸系统中，就像整个印刷电路板的芯片和元件一样。
在越来越多的晶体管背后的故事中经常遗漏的是在芯片上来回穿梭数据所需的互连数量的并行增加。电路爆炸性的增长不仅使设计过程变得复杂，而且还为数据传输创建了更长、更复杂的路径。为了获得规模感，如果现代芯片中的所有电线都是端对端布置的，那么它们将跨越超过21英里。对于将中央处理器（CPU）和存储器分开的大多数计算体系结构，在这种不断增长的线路中移动数据严重限制了计算性能。这个难题甚至有自己的名字，即“内存瓶颈”。例如，要在前沿芯片上执行机器学习算法，超过92％的执行时间花在等待访问内存上。
由于新标准接口和当前互连的性能限制使得大量电路组合成为可能，我们必须提出一个问题：新材料和全新架构在应对这些挑战方面可以发挥什么作用？针对这个问题，ERI材料与集成项目下的一个新项目将探索使用微系统组件的垂直而非平面集成。通过利用第三个维度，设计人员可以显著减少基本组件（如CPU和内存）之间的线缆长度。仿真结果表明，使用较旧的90nm节点制造的3D芯片可以比使用平面集成在7nm节点上制作的电路性能好50倍。此外，另一项目将研究新材料与重新考虑处理器和内存之间的数据流的架构，以提供处理不断增长的科学、传感器、社交、环境和许多其他类型数据的新解决方案。
架 构
“广泛功能的可用性，结合功能设计和结构，应该允许大型系统的制造商快速和经济地设计和构建各种各样的设备。”
——戈登·摩尔，1965
摩尔定律的不懈步伐确保了通用计算机将成为过去50年来的主导架构。与摩尔定律所取得的性能提升相比，探索新的计算机架构并承诺多年的开发以及所需的数亿美元只是没有经济意义。然而，随着这种趋势开始放缓，从通用硬件中挤出性能变得越来越困难，为专业架构的复兴奠定了基础。
想象未来会是什么样子，摩尔提出了一个框架，通过专注于“功能设计和构造”来提供专业架构，这将导致可制造的系统也具有经济意义。换句话说，他正在设想灵活的架构，可以利用专用硬件更快、更有效地解决特定的计算问题。
去年，DARPA启动了“层次识别验证开发”（Hierarchical Identify Verify Exploit，HIVE）项目，以探索专用集成电路的优化，该集成电路可以分析大规模数据集中数据点之间的各种关系，例如社交媒体、传感器馈送和科学研究。通过与高通、英特尔等行业合作伙伴合作，HIVE项目旨在开发一种能够处理大规模数据分析的专用集成电路，比现有处理技术快1000倍。这种先进的硬件可以分析将由物联网、不断扩展的社交网络和未来传感器系统生成的数十亿和万亿边缘数据集。
虽然HIVE项目是当前进步的一个例子，但要将摩尔的专业硬件愿景付诸实践需要更多的创新。采用更多专业化的关键挑战之一是通用处理器的灵活性与专用处理器的效率之间的紧张关系。如果设计人员发现专用硬件太难使用或编程，他们可能会放弃硬件可以提供的效率。
两个新的ERI架构项目（译者注：指的是“软件定义硬件-Software Defined Hardware，SDH”项目和“特定领域片上系统-Domain-specific System on Chip，DSSoC”项目）试图证明灵活性和效率之间的权衡不必是二元的。这些项目旨在开发确定合适数量和专业类型的方法，同时使系统尽可能具有可编程性和灵活性。
其中一个项目——SDH项目将研究可重新配置的计算架构和软件环境，这些架构和软件环境一起使数据密集型应用程序性能接近单个应用程序专用处理实现的性能，而不会牺牲多功能性或可编程性。由此产生的功能将实现基于输入数据的实时内省的计算资源的实时优化。该项目将实现比最先进的通用处理更好的处理性能500-1,000倍，并提供应用程序专用处理性能，同时保持灵活性和可编程性。
ERI架构支柱下的第二个项目——DSSoC项目将探索组合大量加速器核心的方法。虽然加速器内核可以比在通用处理器上运行的软件更快、更高效地执行特定功能，但是在许多异构内核上编程和协调应用程序一直是一个巨大的挑战。一种解决方案是采用计算堆栈的垂直视图，该应用程序从应用程序软件到操作系统，一直到底层硬件。通过探索域驱动方法的概念来识别适当的加速器；致力于更好的语言和编译器，以优化这些加速器的代码；为了在这样一个复杂的处理器上运行的应用程序实现智能调度，该项目正在研究定制芯片的新概念，可以快速利用无数的加速器来解决多种应用。
迈向更具创新性的未来
摩尔定律带来的收益并未得到保证，但可通过商业界、学术界和政府之间的独创性和密切合作得以实现。如今，设计集成电路，外国投资的增加和硬件商品化的成本上升威胁着创新和充满活力的国内微电子业界的未来健康。面对这些挑战，电子复兴计划将建立在成功的政府-行业合作伙伴关系的悠久传统基础上，以营造下一波美国半导体创新所需的环境。
参考资料：
1.美国国家科学研究委员会。投资变革：政府支持计算研究。华盛顿特区：国家科学院出版社。https://doi.org/10.17226/6323。
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3. IBM。 RISC架构。 http://www-03.ibm.com/ibm/history/ibm100/us/en/icons/risc/
4.美国国家科学研究委员会。投资变革：政府支持计算研究。华盛顿特区：国家科学院出版社。https://doi.org/10.17226/6323。
5.美国半导体协会，“美国半导体产业：美国经济增长的主要贡献者”，2014年。
6.麦肯锡行业分析
7. EE Times，“中国工厂繁荣燃料设备消费复兴”，2017年3月https：//www.eetimes.com/document.asp？doc_id = 1331492
8. EE Times，“关于中国大IC浪潮的大论”，2017年6月https：//www.eetimes.com/document.asp？doc_id = 1331928
9. PC World，“Nvidia庞大的Volta GPU现身，拥有210亿个晶体管和5,120个内核，”2017年5月，https://www.pcworld.com/article/3196026/components-graphics/nvidias-monstrous-volta-gpu-appears-packed-with-21-billion-transistors-and-5120-cores. html
10. SEMICO Research Corporation，2014
11.经济学家，“技术季刊：遵循摩尔定律”，https：//www.economist.com/technology-quarterly/2016-03-12/after-moores-law
12. SEMICO Research Corporation，2014
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