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数字集成电路的发展为国防部（DoD）在信息处理、传感器和通信领域必须具备的能力提供了重要支持。上述领域所用系统的性能不仅受单个芯片的计算限制，正越来越多地受限于芯片间的数据传输。集成电路（IC）之间的电互连的能效和数据带宽未能跟上晶体管技术的进步。 为了应对这一挑战，DARPA于2018年11月启动了“极端可扩展性封装中的光子”（PIPES）项目，旨在数据传输中扩大光的使用，并将高带宽光接口放入专用集成电路（ASIC）和现场可编程门阵列（FPGA）的封装中。通过针对信号效率和带宽密度提出具有挑战性的目标，PIPES寻求实现颠覆性的系统可扩展性和能够支持商业和国防工业新兴数据密集型应用的新系统架构。 三个研究领域 近期，DARPA为PIPES项目下开展的三个研究领域选定了团队。第一个研究领域是用于下一代数字集成电路的光信号技术的开发和集成，特别是针对与国防相关的应用。第二个研究领域是器件技术的研发和高级链路，以实现更高的技术性能；第三个研究领域是探索新方法来解决PIPES技术给系统架构带来的挑战和机遇。除了开发新技术外，PIPES还将与微电子行业的先进组织合作，建立美国国内的生态系统，以确保能持久地获得先进光电技术，满足国防和商业领域用数字集成电路使用需求。 第一个研究领域和入选团队 PIPES的第一个研究领域专注于开发可与先进集成电路一起封装的高性能光学输入/输出技术，先进集成电路包括FPGA和ASIC。研究成果将使集成电路具备前所未有的带宽密度、能效。 研究团队。赛灵思公司和英特尔公司牵头的两个团队负责研究，洛马、诺格、雷神和BAE系统公司将为光学输入/输出技术的开发提供信息，以确保可满足当前和未来国防需求，以及研究出从该项技术成果中获益最多的国防应用。 项目预期。PIPES的项目经理Gordon Keeler博士说，“数字系统中光信号传输的好处已得到广泛的认可，在封装中集成光信号传输将为商业和国防应用带来巨大的好处，但也带来了巨大的挑战。PIPES项目的研究人员正努力解决实际技术问题，以实现该计划的宏伟目标，其中包括在信号能量低于1pJ/bit的情况下，使输入/输出数据速率达到100 Tbps。同时，这些团队正在研究如何实现该技术的定制化，以更好解决工作条件要求苛刻的国家安全应用。” 第二个研究领域和入选团队 研究内容。随着芯片技术和计算能力继续朝着摩尔定律指明的道路发展，数字互连需要随之发展。为了适应未来的输入/输出需求，需要在信号效率、带宽密度和集成复杂度方面进行重大改进。因此，PIPES项目的第二个研究领域旨在探索器件技术和先进链路来实现封装内光学输入/输出新方法，将光学输入/输出技术推高一个数量级，甚至超出第一研究领域中赛灵思公司和英特尔公司计划达到的目标。 研究团队。桑迪亚国家实验室、加州大学圣地亚哥分校、加州大学圣塔芭芭拉分校、哥伦比亚大学、宾夕法尼亚大学。 研究预期。Keeler博士说“为帮助该研究领域建立适合的基准，我们首先预测了在2028年时需要从先进集成电路上传输多少数据。与当前芯片的数据容量相比，我们可能需要多达100倍的片外I/O，就是每秒1Pb的比特，大约相当于当今全球的互联网流量，但这只是一个芯片的传输量。这是一个极具挑战性的基准，我们预计该项目结束时在该研究领域开发的技术仍不够成熟，但如果成功的话，我们将通过定位光学以实现未来微电子系统的颠覆性变革。” 第三个研究领域和入选团队 研究内容。该项目的第三个研究领域是探索由高性能光学输入/输出技术系统架构所带来的系统级问题和机遇。 研究团队。加州大学伯克利分校 研究预期。Keeler博士说：“如果我们可将光学输入/输出与先进集成电路无缝集成，并能充分减少数据移动的能量和延迟，那么我们就无需将数据保持在本地。这将是一次重大的范式转变，是采用完全不同系统架构的机会。以光开关为例。随着数据越来越多地在光纤上移动并可以远距离传输，我们应如何使用分布式、分解和灵活的系统概念？该研究领域将专注于创建新颖的光学封装方法和光学交换技术，以支持通过PIPES项目出现的潜在机会。” “电子复兴”计划 PIPES项目是DARPA“电子复兴”计划（ERI）第二阶段的一部分，ERI计划为期五年，投资超过15亿美元。在ERI第二阶段中，DARPA致力于确保新型制造能力的发展，来支持为国防部及其商业合作伙伴持久提供差异化、高性能电子产品的发展战略。 信息来源 https://www./news-events/2020-03-16
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