【防务资讯】“DARPA2016年展示日”10大前沿主题——微系统篇

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作者：长青

DARPA2016年度展示日：'致力于加快改变游戏规则的技术转型'

2016年5月11日，DARPA在五角大楼举办了“DARPA展示日”（Demo Day）向美国国防团体近距离展示DARPA的多项创新技术和处于研发/多种技术成熟度的军事系统，遍布从水下到宇宙的各个作战域，覆盖DARPA的所有战略关注领域，包括从传感器和微系统到网络空间和电磁频谱，再到生物技术和反恐的各种武器装备。

“DARPA展示日”分为10个主题，包括航空、网络空间、海洋、航天、地面战、生物、微系统、预研、反恐、频谱。其中，微系统和频谱主题所展示的项目均来自DARPA微系统技术办公室（MTO），隶属电子元器件范畴，今、明两天将分别给用于全文公布。

微系统涉及领域：先进通信、成像、信息处理、颠覆性微电子技术的物理安全、微机电、光电器件。

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  国防电子供应链硬件完整性（SHIELD）项目

国防部电子系统的安全和完整性正在受到供应链中伪冒集成电路（IC）的挑战。造假者使用各种简单、廉价的技术对废旧IC进行改头换面，通过再次出售获取利润。这些器件的可靠性和本应具有的功能都无法得到保证。如果武器装备中使用了伪冒IC，极有可能因此导致作战失误，进而影响作战任务的完成，以及危害士兵的生命。

SHIELD项目的目标是减少伪冒IC入侵国防电子供应链，通过使造假行为变得复杂和耗时以增加造假成本。该项目将研发包含国家安全局（NSA）级的加密能力、传感、进场供电和通信功能，可嵌入至集成电路封装中的“小芯片”。该100微米×100微米“小芯片”将作为硬件的“可信”认证源，可探测到任何试图访问和进行逆向工程的行为。在用外部探测设备对IC进行防伪检测时，为该“小芯片”供能，以及在小芯片和服务器之间建立安全连接和验证IC的来源。

SHIELD项目开发“小芯片”包括能捕捉试图对芯片进行成像、去胶、去帽等行为的无源传感器、阻止“小芯片”被整体移除的对“小芯片”进行损坏的机械装置、完整的加密殷勤、先进的进场供能和通信技术。SHIELD项目包括三个阶段：（1）研发实现“小芯片”所需的技术；（2）设计和制造“小芯片”；（3）在一个电子供应链的环境中进行演示。

2

  更快速度实现电路（CRAFT）项目

在针对特定任务设计一个定制集成电路时，大的工程团队也往往需要耗费高达1亿美元的资金投入和2年多时间，如同步无人机的活动，或将原始雷达数据实时转换为具有战略意义的三维图像。这就是为什么国防部的工程师通常寻求使用廉价、易获取的通用型集成电路的原因，然后通过软件使这些电路实现所需的特定功能。这样做可以加快设计和应用，但也带来了电路冗余和不必要的能耗，甚至导致所需电量有可能已超过小型飞行平台或单兵的实际供应能力，而士兵身上已经背负了太多电池。

CRAFT项目目标是将定制集成电路的设计周期从数年缩短为数月；当下一代制造工艺投入使用时，器件设计架构容易实现复用；能够产生一个创新库，其中的方法、文档和知识产权都可用于新的设计和制造中，而无需从头来过。该创新、低成本设计范式还有助于促进创新生态系统的多样化，因为小型设计团队也能够参与到超过其现有能力的复杂定制电路研发中。

减少定制、高效集成电路的研制时间和成本，将促进国防部中的技术团体更多使用最先进的商业设计和制造能力。该项目的一个重要回报是带来多样的研发环境，工程师和设计人员可为其研制的系统选择最优技术解决方案，而不用担心电路设计延迟和成本问题。

3

  可设置消失资源（VAPR）项目

投入战场的复杂电子设备大量增加，覆盖从远程传导到通信在内的多种应用。但是，由于几乎无法跟踪和回收每一个电子系统，带来破坏环境，有可能被非授权个人回收和使用、损害先进技术和知识产权等隐患。

VAPR项目目标是研发出一种能够以受控、可触发方式可进行物理消失的电子系统。这些瞬态电子的性能可与商用现货相比，但寿命有限，且其寿命长短可被预先设定、实时调整、触发、并/或对所部署的环境敏感。VAPR项目将使瞬变电子成为一种可部署的技术。为实现这一目标，研究人员正在探索材料、元器件、集成和制造等方面的新概念和新能力。

瞬变电子技术有望带来多种颠覆性军事能力，包括用于战场诊断、治疗和健康监测的可降解传感器或医疗器件。大范围分布式传感器网络在可设定时期内提供关键数据，然后在自然环境下分解（被环境吸收）。能被身体吸收的电子元器件将有助于在战场上继续进行持续健康监控和治疗。

4

  情报数据分析用非常规信号处理（UPSIDE）项目

    国防部变得日益依赖于情报、监视和侦察（ISR）应用。随着ISR能力的不断发展，特别是对大量目标的识别和跟踪，迫切需要对广域高分辨视频图像进行实时处理。这不仅导致传感器数据量呈现指数式增加，分析的复杂程度也显著增大，已体现在每秒每像素的操作次数上。这些ISR任务所需的更强处理能力，以及国防部的其他传感器应用，正在迅速超越现有和计划中的计算平台所具备的信息处理能力。

    UPSIDE项目目标是通过纳米级器件的物理属性实现新的视频和图像分析方法，突破数字化处理的现状。UPSIDE处理过程将是非数字化，并从本质上不同于目前的数字处理器，因此也将不受现有功耗与速度限制。不同于传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）电子器件，UPSIDE设想了基于物理特性的信号处理器件阵列（如纳米振荡器）。这些阵列能够自组织，并能够根据输入数据进行自适应，表明它们不需要采用和数字处理器相同的方式进行预先设置，不像传统的数字处理器通过执行特定指令来计算。UPSIDE阵列将依靠更高级别、基于内嵌在数字系统中采用概率推理的计算方式。UPSIDE图像处理应用包括目标检测与视频跟踪、广域成像（WAMI）和机器人。忆阻器和自旋扭矩振荡器等新兴器件将被集成到这些系统的处理链路中，执行包括特征提取在内的多种功能。

    UPSIDE项目将跨越多个学科，分成2个阶段和3个必选任务。任务1为项目构建基础，并研发用于演示和作为基准的计算模型和图像处理方法。任务2和3建立在任务1研究成果的基础上，任务2研制混合信号CMOS器件，任务3研制非CMOS新兴纳米器件，并共同研制包含这两种器件、具备推理功能的模块。

5

  嵌入式计算技术的能效革命（PERFECT）项目

计算能力对几乎每种军事系统而言都是使能器，但计算能力的提高受到系统可供电量和散热能力的限制。这对单兵便携式应用、无人装备和潜艇上的指挥控制系统等嵌入式应用提出挑战。目前的情报、监视和侦察（ISR）系统所用传感器采集到的信息量已远远超过其实时处理能力，导致士兵所采集到的宝贵实时情报数据被轻易丢弃，或者在被采集后的数小时甚至数天里才被记录和处理。

如能够增加每瓦功率所能执行的计算量，计算能力就能提高。目前，在系统级别上观察到的处理能效大约是每瓦每秒10亿条浮点操作（1 GFLOPS/W）。然而，应用表明至少需要50 GFLOPS/W的能效，以及极有可能进一步提出的75 GFLOPS/W。即使将现有处理能力外推，依然将无法满足需求。

PERFECT项目目标是寻求颠覆性的方法，研发能够支持高能效嵌入式计算系统所需的技术。PERFECT项目研究对象包括7个，架构、并行性、可恢复性、局部性和算法是主要研究内容，其余2个是仿真测试与验证，是对项目的必要支持。这些技术，以及制造工艺节点预期发展到的7nm，将达成PERFECT项目的目标，实现75 GFLOPS/W的能效。

PERFECT项目将分为三个阶段。第一阶段（现已结束），研发概念，并提供影响处理能效的初步证据。第二阶段是开发相关技术，使整个处理系统的能效比今天最先进技术提升75倍。PERFECT项目并不是构建实际的处理硬件，而是通过仿真和部分支持性测试设备，对进展进行测量和验证。第三阶段将进一步开发最具前景的技术，并提供实现途径。PERFECT项目将在满足能效约束下使嵌入式计算系统具备更强计算能力，将极大程度增加已部署嵌入式系统的能效，带来更大的作战效能。

6

  动态可视化像素网络（PIXNET）项目

士兵用模拟夜视镜（NVG）辨认敌人时受到光束频带限制。而且，随着NVG作为商用现货产品同样也会被敌人所利用，因此NVG所具有的可在低照度和无光条件下工作的优势正在丧失。当前多波段摄像机可以在各种环境条件下使用，但存在体积过大、价格昂贵、单兵不便携等缺点。

PIXNET项目目标是研发一种小尺寸、轻重量和低功耗（SWaP）、低价格、士兵可携带的数字红外摄像机，可在热和反射频带进行单频段和多频段实时成像。研究成果可按需提供单和多频段兼容图像，提升士兵的态势感知能力，消除目前摄像机在微光、无光、杂乱环境等多种条件下无法进行有效目标识别的缺陷。

使用不同红外波长进行成像，可减少数据量，提高显示度。PIXNET将利用现代智能手机相当强大的计算能力来处理和融合彩色图像。智能手机和PIXNET摄影机的一体化提供了产生低成本成像系统的发展思路。静止图像或视频可以无线或有线方式发送到战士的头盔显示器中。

PIXNET项目将显著减少SWaP，以及降低红外传感器和冷却器的制造成本，具备面向所有士兵的便携性和广泛部署能力。体积的缩小毕竟带来新的应用，如基于小型无人机的监视、多频段步枪瞄准器和手持监控系统。

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  低成本热成像仪的制造（LCTI—M）项目

目前军事冲突对作战部队提出了严格要求，尤其是陆军步兵和个体情报人员的能力，其中所必需的是态势感知和信息的即时分享。LCTI-M项目目标是使红外成像技术在单兵装备和小型系统中得到广泛应用。在单兵级别广泛使用红外技术非常重要，有可能带来新作战方式，而这对取得战场胜利至关重要。红外成像能够透过遮蔽物成像，即使在环境可视性遭到严重破坏情况下仍可提供有价值的信息。低成本红外摄像机将使士兵具备这种重要能力，还可采集和传输电子图像，用于情报分析和其它关键情况。

热成像仪在国防和国家安全都有大量应用。它们可被嵌入到手持装置、改进的手机产品、步枪瞄准器、头盔、眼镜、微型无人机和其它小型设备中，用于实时目标识别、数据采集和共享。由于其体积小、功耗低，这种热像仪可支持多种小型便携式系统完成扩展性任务。如果能够提供低成本、高性能热像仪，每部车辆、监控设备，以及陆军步兵将将具有态势感知能力，并能够在各种照明、恶劣天气和战场蒙蔽的条件下执行作战任务。LCTI-M项目正在国土安全和商业应用中寻求新的机遇。

LCTI-M项目将开发一种晶圆级制造工艺，将在芯片上实现相机功能，将热成像仪的价格，并提高便携性，可进行单兵配备。具体指标包括：1）演示良品率大于80％的晶圆级成像模块；2）将成本降低10倍以上；3）减小体积，使其适用于手持式平台上；4）证实像素可拓展至12微米，并保持其先进的性能。该技术可为提升单兵系统带来显著机遇，如头盔式红外成像、利用手持设备的互联实现战场协调与情报分析、目标特征识别、敌我识别，所有的这些将带来战术情报、监视和侦察的新范式。此外，低成本红外成像还将广泛用于持续性监视平台。

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  优化的光电嵌入式微处理器（POEM）项目

POEM项目目标是开发芯片级、集成光电技术，实现片内和片外无缝光电通信，并能以低功耗/位的能效提供所需宽带，解决电子通信链路的局限性。POEM项目将利用波分复用（WDM）技术，使每个链路具有更高大的带宽容量，并进一步满足未来微处理器的通信需求。这种能力将推动微处理器性能进入新的阶段，提升国防部大耗电量的嵌入式应用和超级计算任务的实际运行性能。

POEM项目的技术挑战是开发与互补金属氧化物半导体（CMOS）和动态随机存储器（DRAM）相兼容的宽光谱、高比特率、超低功耗、并可与电子驱动器件紧密集成的光电链路。POEM的最终目的是证实光电技术可集成至嵌入式微处理器，实现微处理器和DRAM内部和之间的无缝、高效能、大容量通信。POEM技术将在小尺寸、轻质、低功耗、高性能军事平台上得到广泛应用，如无人机和卫星等。