【Low Temperature Logic Technology】DARPA利用低温集成电路加热高性能计算

当前，不论是从处理战术边缘的数据还是到为天气预报系统提供动力，高性能计算(HPC)是国防和商业应用的重要推动力。从历史上看，高性能计算的发展是由新一代集成电路(IC)技术和晶体管密度、性能和能源效率的不断提高所推动的。然而，限于摩尔定律这一传统晶体管缩放背后的指导原则，由于工作电压降低等一系列技术挑战而放缓，使得这种模式难以继续。传统计算技术的局限性使其超乎寻常地难以以节能的方式跟上对更快、更密集的计算能力的需求。

据美国国防高级研究计划局（DARPA）微系统技术办公室（MTO）的项目经理杰森·吴（Jason Woo）介绍：“当前，我们正积极地到达摩尔定律扩展的极限，并面临着无法进一步扩展功率密度以提高计算性能的问题。一个可行的解决方案是冷计算。虽然微电子学通常被设计为在室温下工作，但我们知道，在降低温度下，器件特性会显著改善。极低温器件——工作在77K（开尔文，Kelvins，为热力学温标或称绝对温标，是国际单位制中的温度单位。开尔文温度常用符号K表示，其单位为开。每变化1K相当于变化1℃，计算起点不同。摄氏度以冰水混合物的温度为起点，而开尔文是以绝对零度作为计算起点，即-273.15℃=0K。）或以下温度的器件，有可能克服功率扩展限制，但当你将其应用于非常大规模的集成时，就存在挑战。”

为了克服高性能计算系统中热和功率密度缩放的障碍，DARPA开发了“低温逻辑技术”(LTLT)项目，旨在使电子器件在接近液氮的温度(约77K或-321华氏度)下运行时，其功率上的性能有大幅提高。“低温逻辑技术”项目的目标是通过对先进的超大规模集成(VLSI)工艺进行修改，开发高性能、低温的14nm节点或以下互补金属氧化物半导体(CMOS)鳍式场效应晶体管（FinFET）。由此产生的器件/电路技术应该能够实现与在室温下工作的前沿(SOA)中央处理单元(CPU)相比，性能/功率提高25倍。“低温逻辑技术”项目还寻求开发和演示验证一种紧凑的静态随机存取存储器(SRAM)单元，该单元可在77K下工作，以完成高性能计算引擎所需的基本电路元件。

为了实现目标，“低温逻辑技术”项目旨在利用当今先进节点FinFET在极低温度下工作的独特器件/材料特性和性能，开发出性能/功率优于单纯冷却当前前沿VLSI技术所能实现的晶体管和存储器单元。

“低温逻辑技术”项目分为两个独立的研究领域：

第一个领域将专注于研究、开发和提供一种在77K温度下工作、低电源电压和高性能的高度集成的先进节点CMOS的制造技术。该目标技术将能够集成低温晶体管、在77K下开关能量降低25倍的SRAM单元，以及配套的电路/系统设计。

第二个领域将探索先进的研究概念，专注于高风险/高回报的FinFET VLSI兼容解决方案，以应对77K的个别技术挑战。研究团队将探索三个具体的挑战，其中包括具有新型开关或传输机制的超低功耗、高速缩放晶体管；紧凑、高速、低能耗的SRAM单元；利用新型“低温逻辑技术”晶体管和存储器单元实现45倍性能/功率提升的新电路技术。

“低温逻辑技术”项目还将利用DARPA最近推出的“工具箱”项目（DARPA“工具箱”项目为该局项目背后的研究人员提供了与商业技术供应商合作的开放许可机会，详情可参见防务菌之前推送：【DARPA Toolbox】DARPA通过增加对关键工具和知识产权的使用，以加快创新步伐）的有益经验。通过“工具箱”项目，DARPA的研究人员（或执行人员）可以根据可预测的法律条款和简化的采办程序，轻松、低成本、可扩展地获得最先进的工具和知识产权（IP）。

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