2020年10月15日，美國半導體行業(yè)協會（SIA）和半導體研究公司（SRC）聯合發(fā)布《半導體十年計劃》臨時報告，概述了未來十年內芯片研究和資助的優(yōu)先事項，確定了影響未來芯片技術發(fā)展的五個重大變化（seismic shifts）領域。報告在制定過程中吸納了學術界、政府和工業(yè)界等各界領導者的意見和建議，呼吁美國政府在未來十年內增加兩倍的聯邦撥款（即每年增加34億美元）用于半導體研究，建立新的公私合作伙伴關系以覆蓋廣泛的相互依存的技術領域和多學科團隊，以市場為導向組織和協調投資來支持關鍵技術研發(fā)。正式報告將于2020年12月發(fā)布。

一、《半導體十年計劃》的主要目標

《半導體十年計劃》概述了未來信息通信技術（ICT）產業(yè)的全球驅動和制約因素，聚焦創(chuàng)新解決方案并衡量相關影響，提出了三個關鍵目標：（1）識別驅動ICT發(fā)展的半導體技術的重要發(fā)展趨勢、應用和挑戰(zhàn)；（2）定量評估五個重大變化領域對ICT發(fā)展的潛在影響；（3）確定改變半導體技術現有發(fā)展軌跡的基本目標，以更好地應對未來挑戰(zhàn)。

二、五個重大變化領域

1. 智能感知智能接口連接真實物理世界和虛擬機器世界，具有感知、洞察和推理能力的智能接口需要模擬硬件技術的根本性突破。“十年計劃”每年投資6億美元用于模擬-信息壓縮/規(guī)約，達到105:1壓縮/規(guī)約比，為實現類腦方式的信息使用奠定基礎。圖1描述了“智能感知”領域的優(yōu)先研究事項，具體為：（1）“模擬-數字”轉換后進而實現“模擬-信息”轉換和“感知-行動”轉換；（2）可訓練的神經形態(tài)信號轉換器；（3）模擬仿生機器學習；（4）THz波段模擬；（5）模擬開發(fā)方法。

圖1 “智能感知”領域的優(yōu)先研究事項

2. 存儲器存儲器需求增長將超過全球硅供應，這為全新的存儲器和存儲解決方案帶來機遇。“十年計劃”每年投資7.5億美元用于開發(fā)密度>10-100倍的新存儲器結構，且實現存儲層次的每層能效優(yōu)化；探索新的存儲技術，實現存儲密度提升>100倍且新的存儲系統能夠利用這些技術。圖2描述了“存儲器”領域的優(yōu)先研究事項，具體為：（1）快速、高密度、高能效、低成本、嵌入式非易失性存儲器；（2）新信息表示范式的儲存器和存儲技術；（3）量子處理器的存儲器；（4）根本性新型存儲技術，例如DNA存儲。

圖2 “存儲器”領域的優(yōu)先研究事項

3. 通信通暢的通信需要解決通信能力與數據生成率之間的不平衡。“十年計劃”每年投資7億美元用于開發(fā)先進的通信技術，實現以1Tbps@<0.1nJ/bit的峰值速率運行100-1000 zettabyte的年度數據；開發(fā)智能和敏捷型網絡，以有效利用帶寬來最大化網絡容量。圖3描述了“通信”領域的優(yōu)先研究事項，具體為：（1）通信新物理學；（2）毫米波CMOS芯片；（3）具有1000根天線的多輸入多輸出（MIMO）系統；（4）毫米波濾波器和隔離器；（5）銅纜和光纜的密度和效率。

圖3 “通信”領域的優(yōu)先研究事項

4. 安全高度互聯系統和人工智能帶來的新興安全挑戰(zhàn)需要在硬件研究方面取得突破。“十年計劃”每年投資6億美元用于安全和隱私硬件的發(fā)展，以應對新技術威脅和應用（如可信賴人工智能系統、安全硬件平臺以及后量子和分布式密碼算法）。圖4描述了“安全”領域的優(yōu)先研究事項，具體為：（1）可信賴人工智能系統；（2）未來硬件平臺的安全性和隱私性，這些硬件平臺由異構和專用組件構成，并涉及諸如量子和神經形態(tài)等新計算范式；（3）新興密碼學，例如支持新應用的同態(tài)加密和阻止新型攻擊的后量子算法；（4）新系統架構的安全性，包括從物聯網到邊緣再到云的各種架構；以及大規(guī)模分布式處理的安全性，如區(qū)塊鏈方面。

圖4 “安全”領域的優(yōu)先研究事項

5. 能源效率日益增長的計算能源需求正在增加新的風險，而新的計算范式為顯著提升能效提供了機會。“十年計劃”每年投資7.5億美元用于探索新的計算范式和架構，擁有全新的計算軌跡，可證明能達到的能效提升100萬倍。圖5描述了“能源效率”領域的優(yōu)先研究事項，具體為：（1）香農計算框架：從圖靈到香農再到近似計算；（2）高維表示；（3）人工智能處理器，需要“寒武紀爆發(fā)”式的變化；（4）量子計算機中算力和能耗的分離。

圖5 “能源效率”領域的優(yōu)先研究事項

原文標題：【政策規(guī)劃?微】美國SIA和SRC聯合發(fā)布《半導體十年計劃》臨時報告

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