編者按：日前，美國SIA和SRC聯(lián)合發(fā)表了一份題為“半導(dǎo)體十年計(jì)劃”的報(bào)告中，根據(jù)他們的說法，這個(gè)計(jì)劃是由學(xué)術(shù)界，政府和工業(yè)界各界領(lǐng)導(dǎo)者共同制定的，它確定了五個(gè)方向，認(rèn)為它們將塑造芯片技術(shù)的未來。報(bào)告呼吁美國政府在未來十年內(nèi)每年進(jìn)行34億美元的聯(lián)邦投資，以資助這五個(gè)領(lǐng)域的半導(dǎo)體研發(fā)。

以下為文章正文：

美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在創(chuàng)新層面領(lǐng)先全球，這主要得益于在研發(fā)支出上的積極的投入。統(tǒng)計(jì)顯示，他們當(dāng)中大部分企業(yè)每年會(huì)拿出近20%的收入用于研發(fā)，這個(gè)投入是僅次于制藥業(yè)。此外，聯(lián)邦政府對(duì)半導(dǎo)體研發(fā)的資助也成為私人研發(fā)支出的催化劑。私營企業(yè)和聯(lián)邦政府的半導(dǎo)體研發(fā)投資共同維持了美國的創(chuàng)新步伐，使其成為半導(dǎo)體行業(yè)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。這些研發(fā)投資助推了創(chuàng)新和可商業(yè)化產(chǎn)品的發(fā)展，直接為美國經(jīng)濟(jì)和就業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。

當(dāng)前信息和通信技術(shù)(ICT)中的硬件-軟件(HW-SW)范式已經(jīng)無處不在，這也得益于軟件和算法、系統(tǒng)架構(gòu)、電路、設(shè)備、材料和半導(dǎo)體工藝技術(shù)等方面的持續(xù)創(chuàng)新。然而，ICT要想在未來十年保持其增長率水平，正面臨著前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要來自于半導(dǎo)體技術(shù)的各種基礎(chǔ)限制，這些限制降低了信息處理、通信、存儲(chǔ)、感知和驅(qū)動(dòng)的能源效率的世代改進(jìn)。

長期可持續(xù)的ICT增長將依賴于半導(dǎo)體技術(shù)能力的突破，從而使解決信息處理效率問題的整體解決方案成為可能。在軟件、系統(tǒng)、架構(gòu)、電路、器件結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的過程和材料等領(lǐng)域需要突破性的創(chuàng)新，這需要及時(shí)和良好協(xié)調(diào)的多學(xué)科研究努力。

為了維持美國半導(dǎo)體的地位，SRC和SIA共同推出這個(gè)半導(dǎo)體十年計(jì)劃中，囊括了信息處理、傳感、通信、存儲(chǔ)和安全方面的研究重點(diǎn)，以確保半導(dǎo)體和ICT產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)增長: 目前，信息和通信技術(shù)正面臨著五大重大變革，本報(bào)告也將從幾大世界基礎(chǔ)技術(shù)的巨變開始探索，挖掘產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)。

以下為五大重大變革：

巨變1：需要在模擬硬件方面取得根本性的突破，才能產(chǎn)生能夠感知、傳感和推理的用于全球智能機(jī)器的接口;

巨變2：內(nèi)存需求的增長將超過全球硅供應(yīng)，為全新的內(nèi)存和存儲(chǔ)解決方案提供了機(jī)會(huì);

巨變3：持續(xù)可用的通信需要新的研究方向，解決通信容量與數(shù)據(jù)生成率之間的不平衡;

巨變4：硬件研究需要突破，以應(yīng)對(duì)在高度互聯(lián)的系統(tǒng)和人工智能中出現(xiàn)的安全挑戰(zhàn);

巨變5：不斷增長的能源需求的計(jì)算與全球能源生產(chǎn)正在創(chuàng)造新的風(fēng)險(xiǎn)共存，新的計(jì)算模式提供了極大提高能源效率的機(jī)會(huì);

根據(jù)SIA之前的報(bào)道，在半導(dǎo)體新時(shí)代，要維持和加強(qiáng)美國在ICT領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，需要在未來十年中每年持續(xù)增加34億美元的聯(lián)邦投資(即將聯(lián)邦對(duì)半導(dǎo)體研究的資金增加兩倍)，以進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)半導(dǎo)體研究。(十年計(jì)劃執(zhí)行委員會(huì)就在“十年計(jì)劃”中確定的5個(gè)重大轉(zhuǎn)變，對(duì)每年追加的34億美元投資的分配提出建議。

分配的基礎(chǔ)是市場(chǎng)份額趨勢(shì)和我們對(duì)不同半導(dǎo)體和ICT技術(shù)的研發(fā)需求的分析)。 而這個(gè)十年計(jì)劃的主要目標(biāo)包括：1、認(rèn)清推動(dòng)信息和通信技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)和應(yīng)用，以及相關(guān)的障礙和挑戰(zhàn);2、定量評(píng)估將影響未來信通技術(shù)的五大巨變的潛力和狀況;3、確定改變半導(dǎo)體技術(shù)當(dāng)前發(fā)展軌跡的基本目標(biāo)和指標(biāo)。

巨變一：模擬硬件方面需根本性突破

根據(jù)我們的預(yù)測(cè)，在未來，我們需要在模擬硬件方面取得根本性的突破，這樣才能產(chǎn)生能夠感知、傳感和推理的用于全球智能機(jī)器的接口。 模擬電子處理現(xiàn)實(shí)世界中連續(xù)可變的多種形狀的信號(hào)(與數(shù)字電子相比，數(shù)字電子通常是標(biāo)準(zhǔn)形狀，只需要兩個(gè)電平，1或0)。模擬電子學(xué)領(lǐng)域包含多個(gè)維度，如圖1所示。此外，所有人類可以感知的輸入都是模擬的，這就需要基于超壓縮感知能力和低操作功率的世界機(jī)器接口的仿生解決方案(圖2)。

圖1，模擬電子學(xué)的維度(左)

圖2，大腦的感知和推理能力是基于超壓縮的感知能力，能夠減少10萬個(gè)數(shù)據(jù)，并且運(yùn)算在很低的能耗上。

物理世界本質(zhì)上是模擬的，而“數(shù)字社會(huì)”對(duì)先進(jìn)模擬電子設(shè)備的需求日益增加，以使物理世界和計(jì)算機(jī)世界之間的交互成為可能。“感知我們周圍的環(huán)境是下一代人工智能的基礎(chǔ)，下一代人工智能設(shè)備將具備感知和推理能力。全球機(jī)器界面是當(dāng)前以信息為中心的經(jīng)濟(jì)的核心。例如，下一波先進(jìn)制造革命預(yù)計(jì)將來自下一代模擬驅(qū)動(dòng)的工業(yè)電子，包括傳感、機(jī)器人、工業(yè)、汽車、醫(yī)療等。對(duì)于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，電子元件的可靠性是優(yōu)先考慮的問題。例如，如今模擬芯片占汽車電子產(chǎn)品故障的80%，比數(shù)字芯片的故障嚴(yán)重十倍。

從物理世界產(chǎn)生的估計(jì)總模擬信息相當(dāng)于~1034位/秒。作為參考，人類總感覺吞吐量在~1017位/秒(圖3)。因此，我們感知物理世界的能力明顯受到限制。未來的模擬電子技術(shù)有巨大的機(jī)會(huì)來增強(qiáng)人類的感知系統(tǒng)，這將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。比如，針對(duì)人類感知和認(rèn)知系統(tǒng)打造的多媒體，囊括神經(jīng)系統(tǒng)接口和通信技術(shù)。

這將產(chǎn)生以人為中心的新技術(shù)，如基于多感覺的醫(yī)療診斷和治療，帶有虛擬香氣合成器的完全虛擬現(xiàn)實(shí)，或基于室內(nèi)空氣質(zhì)量的主動(dòng)氣味消除。這可以導(dǎo)致新的以人為中心的技術(shù)，如多傳感為基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)診斷和治療，完全虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬香氣合成器，或基于室內(nèi)空氣質(zhì)量的主動(dòng)氣味消除。

圖3：世界已安裝傳感能力的發(fā)展趨勢(shì)

今天，生成模擬數(shù)據(jù)的能力比我們智能使用數(shù)據(jù)的能力增長得更快。在不久的將來，這種情況將變得更加嚴(yán)重，來自我們生活和物聯(lián)網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)可能會(huì)產(chǎn)生模擬數(shù)據(jù)洪流，在我們最需要的時(shí)候掩蓋有價(jià)值的信息。傳感器技術(shù)正經(jīng)歷著指數(shù)級(jí)增長，預(yù)計(jì)到2032年將有45萬億傳感器，每年將產(chǎn)生100萬zettabytes(1027字節(jié))的數(shù)據(jù)。這相當(dāng)于~1020 bit/秒，從而超過了人類感知的總體吞吐量。

因此，從預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)洪流中提取關(guān)鍵信息并以適當(dāng)?shù)姆绞郊右詰?yīng)用是駕馭數(shù)據(jù)革命的關(guān)鍵。所以，模擬的宏偉目標(biāo)是通過革命性的技術(shù)以更少的能耗和數(shù)據(jù)位來增加有用的/可操作的信息，例如以105:1的實(shí)際壓縮/減少比來減少感知-模擬-信息。

對(duì)于許多實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，感知數(shù)據(jù)的價(jià)值是短暫的，有時(shí)只有幾毫秒。數(shù)據(jù)必須在該時(shí)間范圍內(nèi)使用，在許多情況下，出于延遲和安全考慮，必須在本地使用。因此，追求信息處理技術(shù)的突破性進(jìn)展，如開發(fā)分層感知算法，使從原始傳感器數(shù)據(jù)理解環(huán)境是一項(xiàng)基本要求。新的計(jì)算模型，如模擬“近似計(jì)算”是必需的。這與本文后面概述的發(fā)現(xiàn)一個(gè)全新的“計(jì)算軌跡”的宏偉目標(biāo)#5是一致的。

新的模擬技術(shù)也可以為通信技術(shù)提供巨大的進(jìn)步。即使在計(jì)算機(jī)對(duì)計(jì)算機(jī)通信中，在長距離時(shí)也需要模擬接口。在輸入/輸出(I/O)邊界收集、處理和通信模擬數(shù)據(jù)的能力對(duì)未來的物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)至關(guān)重要。模擬技術(shù)在太赫茲領(lǐng)域的發(fā)展將需要未來的傳感和通信需求。 行動(dòng)呼吁 模擬接口連接物理世界和數(shù)字世界。我們通過模擬信號(hào)獲取物理世界信息的集體能力比可用信息低10000億倍，很快就需要在模擬電子學(xué)方面取得突破性進(jìn)展。新的方法來感知，如感知行動(dòng)，模擬“人工智能”(AI)平臺(tái)，大腦啟發(fā)/神經(jīng)形態(tài)和分層計(jì)算，或其他解決方案將是必要的。

信息處理技術(shù)的突破性進(jìn)展，如開發(fā)感知算法，使人們能夠從原始傳感器數(shù)據(jù)中了解環(huán)境是一項(xiàng)基本要求。新的計(jì)算模式，如模擬“近似計(jì)算”， 可以交換能量和計(jì)算時(shí)間與輸出的準(zhǔn)確性(大概大腦是這樣做的)是必需的。新的模擬技術(shù)將給通信技術(shù)帶來巨大的進(jìn)步。在輸入/輸出邊界收集、處理和通信模擬數(shù)據(jù)的能力對(duì)未來的物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)世界至關(guān)重要。

此外，模擬開發(fā)方法需要在生產(chǎn)力上有一個(gè)步驟的提高(10倍或更大)，以及時(shí)解決應(yīng)用程序爆炸問題?？傊献餮芯拷⒏锩缘哪Ｊ?，為未來節(jié)能模擬集成電路的廣泛的未來數(shù)據(jù)類型，工作量和應(yīng)用是必要的。 在這十年里，每年向模擬電子產(chǎn)品的新發(fā)展軌跡投資6億美元。選定的優(yōu)先研究主題概述如下：

宏偉目標(biāo)1： 模擬到信息的壓縮/減少，實(shí)際壓縮/減少比為105:1，以一種更類似于人類大腦的方式驅(qū)動(dòng)對(duì)信息和“數(shù)據(jù)”的實(shí)際使用。

巨變二：全新的內(nèi)存和存儲(chǔ)解決方案

我們認(rèn)為，在未來，內(nèi)存需求的增長將超過全球硅的供應(yīng)，這為全新的內(nèi)存和存儲(chǔ)解決方案提供了機(jī)會(huì)。 隨著設(shè)備、電路和架構(gòu)方面的重大創(chuàng)新，未來ICT需要有在內(nèi)存和存儲(chǔ)技術(shù)方面的全新解決方案。到這個(gè)十年結(jié)束時(shí)，ICT能耗和性能的持續(xù)改進(jìn)將變得停滯不前，因?yàn)樽鳛榈讓哟鎯?chǔ)器，存儲(chǔ)技術(shù)將面臨規(guī)模限制。

與此同時(shí)，用于人工智能應(yīng)用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)正在爆炸式增長，而且沒有任何限制。越來越清楚的是，在未來的信息處理應(yīng)用中，從材料和設(shè)備到電路和系統(tǒng)級(jí)功能的協(xié)同創(chuàng)新，很可能使用尚未探索的物理原理，將是實(shí)現(xiàn)比特密度、能源效率和性能新水平的關(guān)鍵。

全球?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求呈指數(shù)級(jí)增長，這就需要過多的物質(zhì)資源來支持正在發(fā)生的數(shù)據(jù)爆炸，今天的存儲(chǔ)技術(shù)在不久的將來將無法持續(xù)。因此，數(shù)據(jù)/信息存儲(chǔ)技術(shù)和方法需要新的根本解決方案。圖4顯示了全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的預(yù)測(cè)—包括保守估計(jì)和上限。如圖4所示，未來的信息和通信技術(shù)將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過今天的數(shù)據(jù)流。

目前，信息的生產(chǎn)和使用呈指數(shù)級(jí)增長，到2040年，全球存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量估計(jì)在1024(10的24次方)到1028(10的28次方)bit之間。值得注意的是，雖然在最終擴(kuò)展的NAND閃存中單個(gè)比特的重量為1皮克(10-12克)，但存儲(chǔ)1026(10的26次方)位的硅晶圓的總質(zhì)量約為1010(10的10次方)千克，這將超過世界上總的可用硅供應(yīng)量(圖5)。

圖4：全球?qū)?nèi)存和存儲(chǔ)的需求，預(yù)計(jì)將超過全球可轉(zhuǎn)換成硅晶圓的硅量。

全球?qū)鹘y(tǒng)硅基存儲(chǔ)器的需求呈指數(shù)級(jí)增長(圖4)，而硅的產(chǎn)量僅呈線性增長(圖5)。這種差異讓基于硅的內(nèi)存在20年內(nèi)對(duì)于Zetta規(guī)模的“大數(shù)據(jù)”部署來說將變得非常昂貴。

宏偉目標(biāo)# 2: 開發(fā)>10-100X密度的新興存儲(chǔ)和存儲(chǔ)載體，并對(duì)每個(gè)層次的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)提高能效。 宏偉目標(biāo)# 2 b: 宏偉目標(biāo)#3b:發(fā)現(xiàn)具有>100x存儲(chǔ)密度能力的存儲(chǔ)技術(shù)，以及能夠利用這些新技術(shù)的新存儲(chǔ)系統(tǒng)。

圖5：全球硅晶圓供應(yīng)：1990-2020年數(shù)據(jù)變化及未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)

此外，內(nèi)存如DRAM，是一個(gè)重要的組成部分。如果不“重塑”計(jì)算內(nèi)存系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展是不可能的，這里的“重塑”包括設(shè)備的物理層面，內(nèi)存架構(gòu)和物理層的實(shí)現(xiàn)。例如，傳統(tǒng)的嵌入式非易失性存儲(chǔ)器不能被擴(kuò)展到28納米以下，因此需要替代品。

最后，新的內(nèi)存解決方案必須能夠支持多種新興應(yīng)用，例如人工智能、大規(guī)模異構(gòu)高性能和數(shù)據(jù)中心計(jì)算，以及滿足汽車市場(chǎng)惡劣環(huán)境要求的各種移動(dòng)應(yīng)用等。

行動(dòng)呼吁 在存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面的根本性底層的突破很快就會(huì)被要求。產(chǎn)業(yè)鏈需“從材料到設(shè)備，到電路，再到架構(gòu)，處理和解決方案”進(jìn)行合作研究，為未來的廣泛應(yīng)用提供高容量節(jié)能存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)/信息存儲(chǔ)解決方案是必要的。

在這十年里，每年在存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)的新發(fā)展軌道上投資7.5億美元。選定的優(yōu)先研究主題概述如下：

巨變?nèi)和ㄐ判枰碌难芯糠较?/p>

根據(jù)我們的觀點(diǎn)，持續(xù)可用的通信需要新的研究方向，解決通信容量與數(shù)據(jù)生成率之間的不平衡，是我們必須關(guān)注的又一個(gè)重點(diǎn)。 發(fā)達(dá)國家的現(xiàn)狀是以隨時(shí)可用的通訊和連接為特征的，這對(duì)生活的各個(gè)方面都產(chǎn)生了巨大的影響。云存儲(chǔ)和計(jì)算就是這方面的一個(gè)表現(xiàn)。從任何地方獲取數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到任何地方的能力已經(jīng)改變了我們商業(yè)方式以及個(gè)人習(xí)慣和生活方式。社交網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)例子。

然而，云的主要概念是基于持續(xù)連接的假設(shè)。此外，隨著我們之間的聯(lián)系越來越緊密，對(duì)交流的需求也越來越普遍。如圖6所示，世界技術(shù)信息存儲(chǔ)需要與通信能力之間的差距日益擴(kuò)大，這是一個(gè)令人擔(dān)憂的趨勢(shì)。例如，雖然目前傳輸全世界存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在不到一年的時(shí)間內(nèi)是可能的，但預(yù)計(jì)到2040年傳輸至少需要20年。

全球存儲(chǔ)和通信的交叉預(yù)計(jì)將在2022年左右發(fā)生，這可能對(duì)ICT產(chǎn)生巨大影響。盡管人工智能系統(tǒng)的邊緣計(jì)算日益增長，以滿足隱私和更快的響應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)生和存儲(chǔ)的信息爆炸將需要云存儲(chǔ)和通信基礎(chǔ)設(shè)施的巨大增長。

圖6：交叉點(diǎn)表示產(chǎn)生的數(shù)據(jù)超過了世界技術(shù)信息存儲(chǔ)和通信能力，造成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗啤?/p>

宏偉目標(biāo)# 3a： 先進(jìn)的通信技術(shù)，以1Tbps@<0.1nJ/bit的峰值速率，使所有存儲(chǔ)的100-1000 zettabyte/年的數(shù)據(jù)能夠移動(dòng)。

宏偉目標(biāo)# 3 b： 開發(fā)智能和敏捷的網(wǎng)絡(luò)，有效地利用帶寬來最大化網(wǎng)絡(luò)容量。

行動(dòng)呼吁 為了滿足日益增長的需求，通信需要徹底的進(jìn)步。例如，云技術(shù)可能會(huì)發(fā)生重大變化，重點(diǎn)將轉(zhuǎn)向邊緣計(jì)算和本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)。

寬帶通信將從智能手機(jī)擴(kuò)展到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬會(huì)議和智能辦公室設(shè)置。新功能將通過新的用例和新的垂直市場(chǎng)豐富用戶體驗(yàn)。這需要跨越廣泛議程的合作研究，旨在建立革命性范式，以支持未來大容量、節(jié)能通信的廣泛應(yīng)用。

美國能源部科學(xué)辦公室在2020年3月發(fā)表了一份報(bào)告，以確定先進(jìn)無線技術(shù)的潛在機(jī)遇和探索科學(xué)挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)將包括無線通信技術(shù)擴(kuò)展到THz區(qū)域，無線和有線技術(shù)的相互作用，網(wǎng)絡(luò)加密的新方法，越來越重要的安全，毫米波的新架構(gòu)，設(shè)備技術(shù)，以維持帶寬和功率要求，封裝和熱控制。 在這十年里，每年投資7億美元在新的通訊技術(shù)。選定的優(yōu)先研究主題概述如下：

巨變四：硬件研究需要突破

根據(jù)我們的觀察，在未來，硬件研究需要突破，以應(yīng)對(duì)在高度互聯(lián)的系統(tǒng)和人工智能中出現(xiàn)的安全挑戰(zhàn)。 當(dāng)今高度相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)和應(yīng)用程序需要安全和隱私(圖7)。公司網(wǎng)絡(luò),社交網(wǎng)絡(luò)和自治系統(tǒng)都是建立在可靠和安全通信的假設(shè), 但也面臨各種威脅和攻擊，從敏感數(shù)據(jù)的泄露到拒絕服務(wù)。隨著新用例、新威脅和新平臺(tái)的出現(xiàn)，安全和隱私領(lǐng)域正在經(jīng)歷快速的變化。例如，量子計(jì)算的出現(xiàn)將帶來新的威脅向量，這將給現(xiàn)有的加密方法帶來漏洞。

因此，必須開發(fā)新的抗量子攻擊的加密標(biāo)準(zhǔn)，并考慮到這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。此外，隱私已經(jīng)成為一個(gè)主要的政策問題，越來越受到全球消費(fèi)者和政策制定者的關(guān)注。提高隱私的技術(shù)方法包括在收集或發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)混淆或加密數(shù)據(jù)。

在另一個(gè)方向，設(shè)備已經(jīng)滲透到物理世界方方面面，因此對(duì)這些設(shè)備的信任就變成了安全問題。而且，安全從未如此重要。系統(tǒng)的安全性和可靠性除了傳統(tǒng)的隨機(jī)故障和物理世界系統(tǒng)的退化問題外，還需要考慮惡意攻擊。網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的安全需要考慮如何即使在攻擊后仍能正常運(yùn)行或失敗。我們需要智能算法，通過篩選上下文數(shù)據(jù)，以評(píng)估信任，做安全的傳感器融合隨著時(shí)間的推移。

這是一個(gè)困難的問題，因?yàn)樯舷挛臄?shù)據(jù)具有巨大的多樣性和數(shù)量——未來的系統(tǒng)實(shí)際上是具有無限通信和信令可能性的系統(tǒng)。例如，汽車可以相互通信，也可以與路邊的基礎(chǔ)設(shè)施。像人類一樣，我們需要增強(qiáng)系統(tǒng)的智能來信任或不信任他們所感知到的一切。

圖7：安全的系統(tǒng)視圖 我們的硬件也在變化。

復(fù)雜性是安全的大敵，由于性能和能效的驅(qū)動(dòng)因素，如今的硬件平臺(tái)極其復(fù)雜。現(xiàn)代片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了一系列特殊用途加速器和IP模塊。這些系統(tǒng)的安全架構(gòu)是復(fù)雜的，因?yàn)檫@些系統(tǒng)現(xiàn)在是微小的分布式系統(tǒng)，我們必須建立分布式安全模型與不同的信任假設(shè)為每個(gè)組件。此外，這些組件通常來自第三方，這意味著硬件供應(yīng)鏈需要信任。

對(duì)性能的追求也導(dǎo)致了微架構(gòu)中的一些微妙問題。例如，許多現(xiàn)有的硬件平臺(tái)很容易受到投機(jī)性執(zhí)行側(cè)信道問題的影響，這一點(diǎn)在Spectre(幽靈)和Meltdown(熔斷)中得到了曝光。在這些問題和其他問題的驅(qū)動(dòng)下，未來需要全新的硬件設(shè)計(jì)。

今天的主要工作是人工智能。許多安全系統(tǒng)，例如，使用異常檢測(cè)來識(shí)別攻擊或使用功能分析的上下文認(rèn)證。AI的能力在不斷增強(qiáng)，這些可信系統(tǒng)的應(yīng)用也在不斷增長。然而，人工智能對(duì)這些系統(tǒng)的可信度尚不清楚。這不僅是安全系統(tǒng)的問題，而且即使是具有隱含信任假設(shè)的一般系統(tǒng)，例如，在自動(dòng)車輛中的視覺對(duì)象檢測(cè)，也是一個(gè)問題。研究人員已經(jīng)表明，對(duì)圖像的小的擾動(dòng)可以使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)論。

一個(gè)放置在停車標(biāo)志上的小貼紙可以使一個(gè)模型歸類為限速45標(biāo)志。其他深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)的應(yīng)用也有類似的信任問題：語音識(shí)別的輸出可能會(huì)被潛移默化的音頻變化所操縱，或者惡意軟件可能會(huì)因?yàn)槎M(jìn)制文件的微小變化而無法被發(fā)現(xiàn)。深度學(xué)習(xí)模型的脆弱性與其不可預(yù)測(cè)性有關(guān)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是沒有解釋其決策的黑匣子。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的其他重要問題是算法偏差和公平性。我們需要一些方法來讓深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)更加可信、可解釋和公平。 最后，在過去的十年里，我們必須保護(hù)的系統(tǒng)變得無比復(fù)雜。云已經(jīng)成為外包計(jì)算和存儲(chǔ)，同時(shí)保持控制的標(biāo)準(zhǔn)。我們?nèi)栽谂?yīng)對(duì)云計(jì)算帶來的安全挑戰(zhàn)——多租戶、供應(yīng)商保證和隱私——同時(shí)云計(jì)算產(chǎn)品的復(fù)雜性繼續(xù)增加。云現(xiàn)在提供了可信的執(zhí)行環(huán)境以及專門的、共享的硬件和軟件。

與此同時(shí)，人們對(duì)邊緣計(jì)算越來越感興趣，因?yàn)槲覀円庾R(shí)到云缺乏附近計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的性能和隱私保障。邊緣的異構(gòu)本質(zhì)意味著對(duì)邊緣計(jì)算服務(wù)提供商的信任是一個(gè)主要問題，當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性多年來一直困擾著我們。

必須讓資源有限、成本低廉的設(shè)備更容易實(shí)現(xiàn)安全發(fā)展。即使在安全設(shè)計(jì)上小心謹(jǐn)慎，極端環(huán)境也會(huì)造成困難。使問題復(fù)雜化的是，各個(gè)級(jí)別的系統(tǒng)都變得更加復(fù)雜——現(xiàn)代芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了一系列特殊用途的加速器和IP塊，基本上是小型分布式系統(tǒng)，我們必須為每個(gè)組件建立分布式安全模型，并對(duì)其進(jìn)行不同的信任假設(shè)。

行動(dòng)呼吁 今天的系統(tǒng)在智能化和普遍性方面的增長速度是驚人的。與此同時(shí)，這些系統(tǒng)不斷增加的規(guī)模和復(fù)雜性迫使硬件專門化和優(yōu)化以應(yīng)對(duì)性能挑戰(zhàn)。所有這些性能上的進(jìn)步必須與安全和隱私方面的進(jìn)步齊頭并進(jìn)。例如，保護(hù)機(jī)器學(xué)習(xí)或傳統(tǒng)密碼學(xué)中的弱點(diǎn)，保護(hù)個(gè)人數(shù)據(jù)的隱私，以及解決供應(yīng)鏈或硬件中的弱點(diǎn)。

宏偉目標(biāo)4： 開發(fā)與技術(shù)同步的安全和隱私進(jìn)步，新的威脅和新的用例，例如可信和安全的自主和智能系統(tǒng)，安全的未來硬件平臺(tái)，以及新興的量子后和分布式密碼算法。

在這十年里，每年投資6億美元用于信息通信技術(shù)安全的新發(fā)展。選定的優(yōu)先研究主題概述如下：

巨變五：新的計(jì)算模式

在我們看來，不斷增長的能源需求的計(jì)算與全球能源生產(chǎn)正在創(chuàng)造新的風(fēng)險(xiǎn)共存，新的計(jì)算模式提供了極大提高能源效率的機(jī)會(huì)。 計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展為幾乎每一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的每一代產(chǎn)品提供了更強(qiáng)的功能，包括服務(wù)器、PC、通信、移動(dòng)、汽車和娛樂等。這些進(jìn)步是由私營企業(yè)和政府?dāng)?shù)十年的研發(fā)投資帶來的，在計(jì)算速度、能源效率、電路密度和成本效益生產(chǎn)能力方面呈指數(shù)級(jí)增長。在軟件和算法、系統(tǒng)架構(gòu)、電路、設(shè)備、材料和半導(dǎo)體工藝技術(shù)方面的持續(xù)創(chuàng)新，已經(jīng)成為這一增長速度的基礎(chǔ)。

雖然這一趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了幾十年，成功地克服了許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，但現(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)計(jì)算在能源效率方面已經(jīng)接近基本極限，因此產(chǎn)生了更難克服的挑戰(zhàn)。因此，在信息表達(dá)、信息處理、通信和信息存儲(chǔ)方面的爆炸式創(chuàng)新對(duì)于可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長和美國的技術(shù)領(lǐng)先地位都是迫切和關(guān)鍵的。

隨著每年計(jì)算量的增加，用于支持這些計(jì)算的bit數(shù)也會(huì)增加。預(yù)計(jì)到2050年，我們將處理近1044bit。如圖8a所示，通用計(jì)算的總能耗繼續(xù)呈指數(shù)增長，大約每三年增長一倍，而世界能源產(chǎn)量僅呈線性增長，每年增長約2%。

不斷增長的全球計(jì)算能量是由不斷增長的計(jì)算需求驅(qū)動(dòng)的(圖8b)，盡管如此，計(jì)算處理器單元(例如CPU、GPU、FPGA)中每一位轉(zhuǎn)換的芯片級(jí)能量在過去40年中一直在減少(如摩爾定律所示)，當(dāng)前處理器中為10 aJ或10-17 J。 然而，對(duì)計(jì)算增長的需求正在超過摩爾定律的發(fā)展。摩爾定律目前正在放緩，因?yàn)槠骷?guī)模正在接近基本物理極限。如果計(jì)算能量的指數(shù)增長不受限制，市場(chǎng)動(dòng)態(tài)將限制計(jì)算能力的增長，這將導(dǎo)致能源曲線變平(圖8a中的“市場(chǎng)動(dòng)態(tài)限制”場(chǎng)景)。因此，需要在計(jì)算的能源效率的根本改進(jìn)，以避免“限制”的情況。 基本的難題是計(jì)算中的比特利用率，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算指令所需的單位比特轉(zhuǎn)換數(shù)。

當(dāng)前的CPU計(jì)算軌跡是由一個(gè)功率公式(如圖9所示)描述的，其指數(shù)由p~2?3限定。觀測(cè)軌跡和指數(shù)值的理論基礎(chǔ)沒有被清楚地理解，因此計(jì)算的理論基礎(chǔ)需要進(jìn)一步發(fā)展。可以發(fā)現(xiàn)，如果可以將公式中的指數(shù)增加~30%，計(jì)算效率和能源消耗將有一個(gè)100萬倍的改善。如圖9所示，圖中“新軌跡”說明這一點(diǎn)。

圖8a：計(jì)算的總能量：實(shí)黃線表示在提高設(shè)備能量性能的同時(shí)，繼續(xù)當(dāng)前計(jì)算軌跡。虛線表示“市場(chǎng)動(dòng)態(tài)限制”的場(chǎng)景阻止了世界計(jì)算能力的進(jìn)一步增加，導(dǎo)致能源曲線趨平。藍(lán)色的方框表示一個(gè)全新的計(jì)算軌跡被發(fā)現(xiàn)的場(chǎng)景。

圖8 (b): 2010-2050年世界計(jì)算信息的技術(shù)裝機(jī)容量(簡寫為zip)。純黃色的線表示當(dāng)前的趨勢(shì)(根據(jù)Hilbert和Lopez4的研究)。黃色虛線表示一種“市場(chǎng)動(dòng)態(tài)有限”的情況，這種情況下，由于能源容量有限，世界計(jì)算能力將停止進(jìn)一步增長。藍(lán)框表示一個(gè)全新的計(jì)算軌跡被發(fā)現(xiàn)的場(chǎng)景。

圖9：當(dāng)前的CPU計(jì)算軌跡 行動(dòng)呼吁 人們很快就會(huì)要求計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)生革命性的變化。計(jì)算負(fù)荷繼續(xù)呈指數(shù)級(jí)增長，“人工智能”應(yīng)用和訓(xùn)練需求的增長就是證明。

新的計(jì)算方法，如存內(nèi)計(jì)算，特殊用途的計(jì)算引擎，不同的人工智能平臺(tái)，大腦啟發(fā)/神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算，量子計(jì)算，或其他解決方案將是必要的，并將需要以異構(gòu)的方式組合。潛在的異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)描述的范圍在最近的國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)(NSTC)報(bào)告中，聲稱將需要一個(gè)跨學(xué)科，跨職能的方法來實(shí)現(xiàn)商業(yè)上可行的和可制造的解決方案和長期存在的可能(至少十年)，以取代主流的數(shù)字方法。

本文件旨在激發(fā)合作研究“從材料到架構(gòu)和算法”，以建立革命性的范式，支持未來節(jié)能計(jì)算的廣泛的未來數(shù)據(jù)類型，工作量和應(yīng)用。有關(guān)其他背景，見美國能源部科學(xué)辦公室，微電子基礎(chǔ)研究需求研討會(huì)報(bào)告。 在這十年里，每年投資7.5億美元來改變計(jì)算方式發(fā)展軌跡。選定的優(yōu)先研究主題概述如下

總裁兼首席執(zhí)行官John Neuffer表示：“聯(lián)邦政府和私營部門對(duì)半導(dǎo)體研發(fā)的投資推動(dòng)了美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新步伐，推動(dòng)了整個(gè)美國和全球經(jīng)濟(jì)的飛速增長?！?/p>

“然而，隨著我們進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代，有必要重新關(guān)注公私研究伙伴關(guān)系，以應(yīng)對(duì)芯片技術(shù)面臨的巨大變化。聯(lián)邦政府必須在半導(dǎo)體研究上進(jìn)行雄心勃勃的投資，以使美國在半導(dǎo)體及其帶來的改變游戲規(guī)則的未來技術(shù)方面保持領(lǐng)先地位?！盝ohn Neuffe說。

SRC總裁兼首席執(zhí)行官Todd Younkin博士說：“未來將為半導(dǎo)體技術(shù)帶來無限的潛力，人工智能，量子計(jì)算和先進(jìn)的無線技術(shù)等新興應(yīng)用有望帶來不可估量的社會(huì)效益。” “十年計(jì)劃為我們?nèi)绾螌⑦@種潛力轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)提供了一個(gè)藍(lán)圖。通過共同努力，我們可以促進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使其保持強(qiáng)大的競爭力，并處于創(chuàng)新浪潮的頂端?！?/p>