DARPA是美國(guó)最尖端的政府研究機(jī)構(gòu)，每年都會(huì)資助一批其認(rèn)為會(huì)對(duì)未來社會(huì)和科技發(fā)展起到重要影響的項(xiàng)目，因此它的資助方向可以看作業(yè)界新潮流的風(fēng)向標(biāo)。最近，DARPA召開了電子復(fù)興計(jì)劃峰會(huì)（ERI Summit），并在峰會(huì)上公布了其最新資助的一批項(xiàng)目。這些項(xiàng)目主要在敏捷設(shè)計(jì)和超高效計(jì)算領(lǐng)域，DARPA對(duì)這些項(xiàng)目的資助可謂一擲千金，一個(gè)團(tuán)隊(duì)往往可以獲得五百到數(shù)千萬美元的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)（在美國(guó)電子類項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)都不好拿，往往拿了五十萬的經(jīng)費(fèi)都已經(jīng)足夠一個(gè)IEEE Fellow級(jí)別的教授舉杯慶祝了）。接下來讓我們來看看這些項(xiàng)目的具體情況。本文中的資助信息來自于IEEE Spectrum的公開報(bào)道。
敏捷設(shè)計(jì)
如我們?cè)谥拔恼轮刑岬降?，DARPA在半導(dǎo)體敏捷設(shè)計(jì)領(lǐng)域一直在積極布局。美國(guó)的科技中心即位于北加州灣區(qū)的“硅谷”，可是現(xiàn)在“硅谷”中最活躍的早已不是那些靠“硅”（芯片）吃飯的公司，而是軟件／互聯(lián)網(wǎng)公司。究其原因，一個(gè)很重要的方面是芯片公司資產(chǎn)太“重”，需要大量的投資才能開始運(yùn)營(yíng)。在軟件／互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，往往幾個(gè)主創(chuàng)人員有了新的創(chuàng)意后搬幾臺(tái)電腦在車庫(kù)里一兩個(gè)月就能把產(chǎn)品雛形做出來，然后就可以快速融資并走上正軌。相反，在芯片領(lǐng)域，主創(chuàng)人員從腦子里構(gòu)思一個(gè)新的idea到做出成品的道路太漫長(zhǎng)而且需要大量資本投入，這就大大降低了產(chǎn)業(yè)和創(chuàng)業(yè)公司的活躍度。許多人所鄙視的“ppt造芯”，其實(shí)恰恰折射出了芯片領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)人員的無奈：正是因?yàn)樾枰罅肯绕谫Y本做出樣品才不得不先拿個(gè)幻燈片去以較低估值融資，如果幾個(gè)人不需要資本就能先把芯片樣品做出來想必就可以直接靠樣品芯片而非ppt去說事了。
為什么芯片設(shè)計(jì)又貴又慢？相比軟件行業(yè)，芯片行業(yè)除了需要流片之外，還有兩點(diǎn)問題給芯片公司的效率加上了瓶頸。首先是版圖設(shè)計(jì)，尤其是模擬／混合信號(hào)版圖設(shè)計(jì)。這一點(diǎn)可以類比軟件領(lǐng)域的編譯器，如果你做軟件的話把代碼寫完只要按一下“編譯”就能把最終可執(zhí)行文件生成出來；但是在芯片領(lǐng)域可就沒那么簡(jiǎn)單了，你在電路設(shè)計(jì)完成之后不存在點(diǎn)個(gè)按鈕就能出成品芯片的事情，而必須要花很多時(shí)間去做版圖設(shè)計(jì)生成GDS，相當(dāng)于在軟件行業(yè)你還要親自把你的代碼翻譯成機(jī)器碼。第二個(gè)問題就是設(shè)計(jì)復(fù)用問題。軟件行業(yè)的開發(fā)可以站在巨人肩膀上，很多函數(shù)都有現(xiàn)成的函數(shù)庫(kù)，調(diào)用一下就行不用重復(fù)造輪子，相反在芯片領(lǐng)域目前絕大多數(shù)模塊都必須從頭開始設(shè)計(jì)，很難實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)復(fù)用。如果這兩個(gè)問題能得到解決，那么芯片行業(yè)的資產(chǎn)過“重”問題就能得到有效改善，從而會(huì)有大量新興公司冒出來，對(duì)整個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新和自我迭代效率都能帶來深遠(yuǎn)影響。
DARPA今年在ERI峰會(huì)上提出的兩個(gè)項(xiàng)目IDEA和POSH就是針對(duì)這兩點(diǎn)，其終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在24小時(shí)內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)設(shè)計(jì)迭代。
IDEA針對(duì)的是全自動(dòng)芯片版圖生成器。眾所周知，數(shù)字電路的版圖生成自動(dòng)化程度已經(jīng)相當(dāng)高，但是模擬和混合信號(hào)電路仍然非常依賴手工去做版圖。所以DARPA希望能在這個(gè)領(lǐng)域有所突破。這次資助的最大贏家是來自Cadence的David White組，豪取兩千四百萬美元的資助。
Cadence在相關(guān)聲明中表示，將繼續(xù)在Virtuoso工具中加入更多機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能來幫助版圖生成自動(dòng)化。除此之外，來自UCSD的Andrew Kahng也拿到了一千一百萬美元，UT Austin的華人教授Nan Sun也獲得了一百七十萬美元的資助。
POSH針對(duì)的則是開源硬件項(xiàng)目。POSH項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Andreas Olofsson表示，“POSH的終極目標(biāo)是讓高性能SoC設(shè)計(jì)民主化。POSH希望能發(fā)展出可持續(xù)的開源硬件生態(tài)以及相應(yīng)的驗(yàn)證工具。POSH同時(shí)希望能提供一個(gè)經(jīng)過廣泛認(rèn)證的開源硬件基礎(chǔ)模組庫(kù)，大家都可以自由調(diào)用這些庫(kù)里的模塊，從而避免在硬件領(lǐng)域重復(fù)造輪子的問題。”在POSH項(xiàng)目中，我們可以看到來自Princeton的Eric Keiter獲得了六百九十萬美元的資助，而University of Washington的Richard Shi教授也獲得了二百五十萬美元的資助。
超高效計(jì)算
除了敏捷設(shè)計(jì)之外，超高效計(jì)算芯片也是DARPA這次重點(diǎn)支持的另一個(gè)方向。超高效計(jì)算可以分為兩個(gè)領(lǐng)域：芯片架構(gòu)創(chuàng)新和芯片工藝創(chuàng)新。當(dāng)然，如下面我們會(huì)看到的，這兩個(gè)領(lǐng)域并非完全割裂，芯片工藝的創(chuàng)新也會(huì)影響芯片架構(gòu)的創(chuàng)新。
在芯片架構(gòu)創(chuàng)新領(lǐng)域，DARPA關(guān)注的重點(diǎn)是軟件定義架構(gòu)（softwaredefined hardware項(xiàng)目，SDH）和domain-specific片上系統(tǒng)（domain-specific SoC項(xiàng)目，DSSoC）。軟件定義架構(gòu)和domain-specific可謂是“陰”與“陽(yáng)”，陰陽(yáng)互生，在矛盾中發(fā)展。在架構(gòu)發(fā)展歷史上，我們總是看到軟件定義可配置的通用架構(gòu)發(fā)展到一定階段遇到瓶頸后，domain-specific以其高效率得到更多應(yīng)用，然而domain-specific又會(huì)遇到利用率低的問題，于是新的軟件可配置架構(gòu)在吸取之前domain-specific設(shè)計(jì)精華的基礎(chǔ)上，又誕生了效率更高的可配置架構(gòu)成為主流，直到再次遇到新的問題domain-specific再次出場(chǎng)。這次DARPA對(duì)于SDH和DSSoC的投資，可謂是看透了其中的道理，內(nèi)外兼修，不錯(cuò)過硬幣的任何一面。
在SDH項(xiàng)目，Nvidia的Stephen Keckler獲得了接近兩千三百萬美元的項(xiàng)目資金，此外華盛頓大學(xué)的Michael Taylor（以解決Dark Silicon問題為己任，提出了511核的RISC-V處理器Celerity，并且是礦機(jī)芯片領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究先驅(qū)）和斯坦福大學(xué)的Kunle Olukotun（多核處理器的先驅(qū)，SUN Ultra SPARCT1 “Niagara”的架構(gòu)師，同時(shí)也是初創(chuàng)公司SambaNova的創(chuàng)始人前一陣剛拿了Google Ventures領(lǐng)投的四千多萬美元）也獲得了一千萬美元左右的資助。從這些研究組的研究方向來看，DARPA的SDH主要資助的是下一代多核處理器芯片系統(tǒng)的研究。
在DSSoC領(lǐng)域，DARPA資助了一些和通信芯片有關(guān)的研究，可見類似software-defined radio和cognitive radio之類的研究還得繼續(xù)。DSSoC的項(xiàng)目主管Tom ondeau表示，靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的無線電系統(tǒng)在面對(duì)復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境時(shí)仍然是至關(guān)重要，而這些DSSoC系統(tǒng)必須可以像傳統(tǒng)處理器一樣編程，同時(shí)在處理信號(hào)處理算法時(shí)又能以低功耗完成大量運(yùn)算。DSSoC資助的項(xiàng)目組雖然數(shù)量較少，但是資助的金額卻是不小。
在芯片工藝創(chuàng)新領(lǐng)域，DARPA又分為兩個(gè)計(jì)劃，即致力于三維集成的3D-SoC計(jì)劃和新型計(jì)算基礎(chǔ)技術(shù)（Foundations Required for Novel Compute，F(xiàn)RANC）。3D-SoC顧名思義是為了資助能使用高級(jí)封裝集成技術(shù)把各種芯片以三維方式集成到一起。MIT的Max Shulakar研究組拿到了六千萬美元的巨額資助，其研究方向就是把多塊使用成熟的CMOS工藝芯片（如90nm工藝）用3D方式集成到一起從而讓整體模組達(dá)到7nm芯片的性能。
最后，F(xiàn)RANC項(xiàng)目這次的資助目標(biāo)是新一代存儲(chǔ)器架構(gòu)，包括內(nèi)存內(nèi)計(jì)算。FRANC的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人陳陽(yáng)闿博士在訪談中表示，F(xiàn)RANC希望能資助利用新材料和器件把嵌入式非易失性存儲(chǔ)器的性能提升十倍，而這樣的提升能支持新興的以內(nèi)存為中心的心計(jì)算機(jī)架構(gòu)從而克服傳統(tǒng)馮諾伊曼架構(gòu)的內(nèi)存墻問題。
結(jié)語
DARPA的資助代表了電子行業(yè)發(fā)展的新方向。這次的關(guān)鍵詞有：敏捷設(shè)計(jì)：包括下一代EDA以及開源硬件，超高效計(jì)算：軟件定義可配置架構(gòu)——主要指下一代眾核處理器系統(tǒng)；domain-specific SoC——目前主要集中在通信信號(hào)處理領(lǐng)域；下一代3D集成技術(shù)——超越摩爾；下一代內(nèi)存技術(shù)——包括內(nèi)存內(nèi)計(jì)算，突破馮諾伊曼架構(gòu)的瓶頸。