【PIPES】DARPA选定探索PIPES项目组件技术和先进链路概念的研究团队

数字微电子技术的发展使国防部在信息处理、传感器和通信领域具备了不可或缺的能力。这些领域的系统性能越来越不受单个芯片的计算限制，而是受到它们之间电气数据迁移的限制。集成电路（ICs）之间电互连的能量效率和数据带宽未能跟上晶体管技术的进步。为了应对这一挑战，DARPA开发了“极端可微缩性封装中的光子学”（Photonics in the Package for Extreme Scalability，PIPES）项目，该项目旨在扩展光信号在数据传输中的应用，并将高带宽光子学放在专用集成电路（ASIC）和现场可编程门阵列（FPGA）的程序包中。通过瞄准信令效率和带宽密度这一具有挑战性的目标，PIPES项目力求实现具有颠覆性的系统可扩展性和能够支持商业和国防行业新兴数据密集型应用的新系统架构。

最近，美国国防部高级研究计划局（DARPA）挑选了三个小组，在PIPES项目下承担三个研究领域的工作。这些工作包括为下一代数字微电子技术开发和集成光信号技术，特别是针对国防相关应用；创造组件技术和先进的链路概念，以实现更高的技术性能；探索新的PIPES项目技术解决方法以给系统架构师带来的挑战和机遇。除了开发新技术外，PIPES项目还与微电子行业的领先组织合作，在美国国内建立一个生态系统，确保国防和商业用途的数字微电子能长期获得先进的光电子技术。

PIPES项目的第一个研究领域是开发高性能的光输入/输出（I/O）技术，该技术与先进的集成电路（包括FPGAs和ASIC）封装在一起。由赛灵思（Xilinx）公司和英特尔（Intel）公司领导的两个研究小组将承担这一研究领域的工作。由此产生的技术将使集成电路具有前所未有的带宽密度、能效和覆盖范围。此外，洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁曼公司、雷声公司和BAE系统公司的研究人员将帮助了解这些光学I/O技术的发展情况，以确保它们满足当前和未来国防需求。研究人员还将调查哪些国防应用可以从这项技术中获益最多。

据DARPA微系统技术办公室（MTO）负责PIPES项目的项目经理戈登·基勒（Gordon Keeler）博士介绍说：“光信号在数字系统中的优势已经被认识很久了。将光子集成到软件包中将为商业和国防应用带来巨大的好处，但同时也带来了相当大的挑战。PIPES项目研究人员正致力于解决实际的技术问题，以实现该项目的伟大目标，其中包括在信号能量低于1微微焦耳/比特(pJ/bit)时，使I/O数据速率达到每秒100T（Tbps）。同时，这些小组正在研究如何调整其技术，以解决运行条件可能非常苛刻的国家安全应用。”

随着芯片技术和计算能力不断向摩尔定律的方向发展，数字互连也需要随之发展。需要在信令效率、带宽密度和集成复杂度方面进行重大改进，以适应未来的I/O需求。因此，PIPES项目的第二个研究领域旨在将光学I/O技术推向一个数量级，甚至超过Xilinx公司和Intel Federal所追求的目标。

戈登·基勒表示：“为了帮助在这一研究领域建立适当的基准，我们首先预测了2028年需要从前沿集成电路传输多少数据。与当前现代芯片的数据容量相比，我们可能需要高达100倍的片外I/O。只是单个芯片就可以达到每秒1Pb（约相当于当前全球互联网流量）。这是一个积极的基准，我们预计在该项目结束时，在这一研究领域开发的技术还不太成熟，但如果成功，我们将定位光子学，以便在未来的微电子系统中实现颠覆性的变化。”

被选中探索组件技术和先进链路概念的研究团队包括：

• 桑迪亚国家实验室

• 加州大学圣地亚哥分校

• 加州大学圣巴巴拉分校

• 哥伦比亚大学

• 宾夕法尼亚大学

PIPES项目的最后一个研究领域是为系统架构师探索高性能光学I/O技术所带来的系统级问题与机遇。加州大学伯克利分校正在进行这项研究。

对此，戈登·基勒表示：“如果我们能够将光学I/O与先进的集成电路无缝集成，并充分减少数据迁移的能量和延迟，我们就不需要将数据保持在本地。这是一个重大的范式转变，是采用完全不同的系统架构的机会。以光交换为例。随着数据越来越多地在光纤上移动，并且可以长距离路由，我们应该如何使用分布式、分类和灵活的系统概念？这一研究领域将专注于创造新的光封装方法和光交换技术，以支持通过PIPES项目出现的潜在机会。”

PIPES项目是DARPA电子复兴计划（ERI）第二阶段的一部分，该计划为期五年，对美国国内、政府和国防电子系统的未来投资超过15亿美元。在ERI第二阶段中，DARPA正致力于确保新制造能力的发展，并支持国防部及其商业合作伙伴长期获得差异化、高性能电子产品的战略。

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