【Microsystems Exploration】DARPAZ在2019ERI峰会上推出“微电子探索”项目

在过去的几十年里，美国国防高级研究计划局（DARPA）微系统技术办公室（MTO）在电子材料、设备和系统方面取得了革命性的进步，为美国提供了独特的国防与经济优势。为了延续其成功的电子创新之路，MTO主任Mark Rosker在2019年度“电子复兴计划”（ERI）峰会上宣布了一项名为“微系统探索”（Microsystems Exploration）的新项目。

该项目将设立一系列短期投资，用于高风险、高回报的研究，重点关注与MTO相关的技术领域。利用简化的合同签订流程和快速的融资方法，每个探索领域（μE主题）的合同签订将在公告后90天内完成。每个μE主题将运行长达18个月，在此期间，研究人员将努力确定新概念或技术的可行性。

“这种做出较小的，有针对性的研究投资的策略将使我们能够迅速利用新的机会和创新的研究概念，”Mark Rosker介绍说，“微系统探索项目提供了一种评估概念是否可以演变为完整项目而无需使用更多重要资源的方法。”

微系统探索项目将采用DARPA其他快速通道征集项目的最佳实践，例如机构范围内人工智能（AI）探索项目和国防科学办公室的“颠覆性工程”项目。这些项目的重点是分别促进AI和基础科学的快速发展，并展示这些方法的好处。与这些工作类似，每个μE主题采用的简化提案、合同签订和投资流程将使个人和组织更容易为DARPA的使命做出贡献。该类项目的每个合同可能价值高达100万美元，如各个μE主题征集中所述。

为了帮助推进MTO的战略需求，微系统探索项目将追求创新的研究概念，探索以下领域的前沿：

•嵌入式微系统智能和本地化处理；

•新一代电磁元件和技术；

•针对功能密度和安全性的微系统集成；

•在指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察（C4ISR）、电子战和定向能方面的颠覆性微系统应用。

与这些技术领域保持一致，DARPA预计将于2019年7月至2019年10月发布的最初的三个主题，侧重于硬件安全性、新材料和异构系统的新计算体系结构。

第一个潜在的主题是“板级硬件安全”，旨在解决硬件供应链中的安全问题。

最近有报道称，信息技术（IT）系统制造的外包对将供应链植入商用现货（COTS）硬件（如互联网路由器和计算机服务器）构成了威胁。这种供应链很复杂，单个组件会多次换手，为恶意行为者提供了许多机会将新组件引入印刷电路板（PCB）。此恶意电路（或硬件特洛伊木马程序）会保持隐藏状态，避免在触发功能之前进行生产后测试中暴露。检测植入的硬件特洛伊木马的难度更大，因为无法为每种可行的特洛伊木马编译测试模式。当前针对这些隐藏硬件特洛伊木马的保护依赖于针对已知良好（“极好的”）样本监控行为变化的个别方法，并且这些方法仅限于单线程环境，可能无法充分扩展到复杂的COTS系统。这一领域未来的一个主题的目标将是识别并验证针对安装在复杂COTS电路板中的硬件特洛伊木马进行实时检测的技术可行性。感兴趣的技术可能涉及以下任何一种：单流或多模传感、侧通道提取、通过主动刺激的触发发现或基于性能的机器学习体系结构。

第二个潜在的主题是“铁电氮化物材料和非易失性存储器”，涉及到钪（Sc）掺杂氮化铝（AIN）的新用途。

钪掺杂氮化铝是许多器件的常用材料，如射频滤波器、压电执行器、超声波传感器、麦克风、振荡器等。与其他压电材料（尤其是钙钛矿氧化物）相比，AlN基系统的压电和材料特性也很有价值，相对较低的合成温度使得这种材料非常有吸引力与电子平台集成。近年来的研究表明，当SC含量超过30%时，高钪掺杂氮化铝薄膜中出现了铁电开关行为。最近发现的一种铁电氮化物在各种设备中有着巨大的潜在应用，包括在CMOS上铁电非易失性存储器的单片集成；铁电阻性存储器；滤波器（例如体声波和表面声波）；可调谐射频元件；可切换光电元件；非易失性逻辑；神经形态记忆；可调谐二维电子气体（2-deg）异质结构等等。这一领域未来的一个主题的目标可能是确定显示铁电行为的厚度和掺杂范围、铁电响应的稳健性和再现性，并进一步证明铁电氮化物是一种技术上有用的材料。

第三个潜在的主题是“大规模并行异构计算”，旨在寻求解决程序设计器生产力和性能之间的权衡。

过去的50年中，计算性能、成本和普遍性的进步主要取决于两个关键技术趋势：设备小型化（“又称摩尔定律”）和编程方法与工具的进步，让我们利用指数硬件改进同时管理生产力和复杂性。在硬件级别，设备速度、指令级并行性和微体系结构创新方面的正交改进导致了超过百万倍的总体性能改进。在软件级别，编译器、软件库、抽取和协作方面的改进导致了同样令人印象深刻的生产力提高。不幸的是，随着每个处理器频率扩展和单线程性能的饱和，这些进步在2005年左右遇到了瓶颈。随后的性能提升来自硬件并行性，而牺牲了程序设计器的生产力。随着晶体管密度和性能扩展预计将继续逐渐减小，预计并行性、专业化和系统异构性的水平将进一步加速，使程序设计器的工作效率成为一个更大的挑战。展望未来，在极端异构系统中同时实现近峰值性能和编程效率将是在国防部交换受限的战术边缘内实现未来硬件快速开发和部署的关键挑战。这一领域未来主题的目标可能是探索编译器技术的创建，以提高大规模并行和异构处理系统的编程效率。