DARPA最前沿革命性计算机芯片加速

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新型芯片

DARPA资助美国威斯康星大学

研制出革命性计算机芯片

弥补计算和存储之间的鸿沟

美国威斯康星大学麦迪逊分校的助理教授JingLi在国防先期研究计划局（DARPA）青年教师奖（YFA）项目资助下，设计了一款完全可配置的计算机芯片，可以在同一集成单元中完成复杂计算、存储大量信息的任务，也可以在单元之间进行有效通信。

该计算机芯片起名为“液硅”。液：代表软件，硅：代表硬件。“液硅”结合了软硬件技术。

当前计算机状态

芯片具有强大的计算能力，同时也能够存储海量数据。在目前的计算机系统中，计算和存储之间存在巨大鸿沟，使得即便很简单的操作例如搜索，也需要多个步骤才能完成：首先从内存中获取数据，然后将数据从深层的存储器体系发送至处理器内核。正是这种分隔让机器变得效率低下。Li表示，“经典计算机在内存和处理器之间传输数据时，具有巨大的瓶颈。我们正在构建统一的硬件，以弥补计算和存储之间的鸿沟。”

“液硅”如何弥补计算和存储之间的鸿沟

“液硅”将存储、计算、通信的功能集中到一个器件上，使用了单片集成电路的三维集成技术，即通过致密金属连接位于下方的硅CMOS电路和位于上方的固态存储器阵列。终端用户能够根据系统实际应用需求配置芯片器件，为存储和计算分配资源。

图研究人员使用顶级探针台和自建的测试平台测试该“液硅”芯片

配套编译软件

为帮助人们进一步利用这款新型芯片的潜能，Li的研究小组也开发了一款软件，将目前市面上主流的编程语言，转化为芯片的机器代码，这种过程称为“编译”，从而加强了芯片硬件和编程应用之间的兼容性。

有了这款编译软件，程序员能够将他们的应用程序直接移植到这种新型硬件上，而无需要改变他们的编程习惯。

配套测试系统

为了评估这种“液硅”性能，研究团队搭建了一个由scratch构建的自动化测试系统，可以测试可靠性问题。可靠性问题是目前最先进的工业测试系统都无法观察到的，所以最近多个公司将芯片发给Li进行评估。

计算机芯片成本半数以上来自测试，所以威斯康星大学麦迪逊分校拥有这样先进的设施不仅帮助了“液硅”计算机芯片的实现，也能够促进了未来研究。

Li表示：“我们可以说我们的平台可以进行所有器件级、电路级和系统级的测试。工业伙伴告诉我们，我们的测试系统可以自动化完成测试工程师所要进行的所有任务。”

“DARPA青年教师奖”项目介绍

DARPA青年教师奖（YFA）主要是资助青年教师在某一领域有所突破，研究主题是DARPA生物技术办公室（BTO）、国防科学办公室（DSO）和微系统技术办公室（MTO）所关心的物理科学、工程、材料、数学、生物、计算、信息学和制造领域，项目通常为期两年或一年，奖金最高为50万美元。

DARPAYFA项目旨在培养和挑选学术界及非盈利研究机构的青年研究人员，以满足DoD和国家安全领域面临的挑战和需求。

年YFA关心的领域

.粘性逻辑。高性能互补金属氧化物（CMOS）技术及一些电路结构常表现出闭锁或保留中间值的特性，即使已经将操作数值传递给下一个逻辑状态。某些情况下，电路有时钟输入，但仍用作源/目标寄存器；还有些情况下，这些电路没有时钟输入，行为类似静态赋值。这些电路包括差分级联电压开关逻辑（DCVSL）、互补传输门逻辑（CPL）和摆幅恢复传输门逻辑（SRPL）等。而更高功率和更多的器件数量阻碍了研究人员获取这些电路保留数据的“粘性”性质。

本次项目征询希望有创新架构能够利用这些器件/电路保留上一状态机数值的特性来降低功率、延时和版图面积；或提高数据处理速率。这些架构需补充或与后CMOS器件技术兼容。

2.微机械系统（MEMS）中的非线性。征询理论、分析和试验技术来提升人们对于MEMS中非线性动力学的基本理解，并开发工具、工艺和架构来演示性能提升的器件。对于谐振器、加速度计和陀螺仪中的非线性动力学应用尤其感兴趣。

3.宽带发射机-天线接口。研究新型发射机—天线接口概念，采用建模和仿真方法进行设计，并进行实验验证。对于DoD通信系统用的战略天线，需显著降低尺寸。

4.3D单片集成电路。利用现有的3D单片集成电路工艺，研究新型3D单片集成电路工艺，利用晶圆平面外的方向，显著提升计算密度和性能。

如3DNAND和3DX-Point就是利用了晶圆平面外的方向显著增加了存储电路密度，而并没有降低2D电路的光刻线条尺寸。本次项目征询与之类似，希望通过晶圆平面外的方向和非常高的布线互连，提高计算密度（逻辑+存储+互连）。

5.机器学习和多体物理。

6.解码人类意图的系统和方法。

7.表征现实世界系统中的突发行为和进化选择的性能包络。

8.超前的活细胞超分辨成像。

9.用于士兵健康的智能纺织品。

0.个性化游戏科学。

.设计中的准确性和不确定性：我们可以做什么？

2.基因治疗技术和工具。

3.传染病动力学的多尺度模型。

4.海洋生物的微生物。

5.非生物界面的纳米流体生物。

来源：大国重器（ID:ElectronicComponent）

DARPA正致力于提升

人脑学习速度的研究工作

DARPA科学家正致力于一项新的研究，通过刺激大脑来帮助其以更快的速度学习。DARPA局长阿尔提·普拉巴卡尔于7日在华盛顿举行的第四届年度国防峰会上表示，加速人类大脑学习是一个非常重要的研究领域，在DARPA的一个新项目中，我们提出能否开发出无创的方法，向人外周神经系统中的迷走神经发送信号，提升大脑在学习时的神经可塑性，在尝试要牢记的时候神经元可以重新排列和设置信息。

这项关于神经技术的新研究领域源自DARPA的“革命性义肢”项目——开发和人手臂高度一致的可自由活动、轻量、集成电子和动力等与一体的假肢。阿尔提·普拉巴卡尔表示，DARPA从这种“近自然”的人工义肢研究中积累了很多，这项研究致力于监测志愿者运动信号和大脑信息传递过程，志愿者会植入一个连接运动皮层和感觉皮层的植入体。这些带有植入体的志愿者可以自然地思考移动他们的手（义肢），并能够通过义肢手上的传感器在大脑中感受到手的触觉。当我们进行功能恢复工作是，我们获取和理解信号的学习过程允许我们想象其他可能的事情，而且我们的想象的可能性是无边际的。

普拉巴卡尔表示，这像是打开了“潘多拉”魔盒，这将是个重要的时刻，停下来想一想接下来可能发生什么，并根据我们想要追求的目的来仔细选择我们的研究方向。加速学习研究将对几乎每个军事活动产生巨大的影响。试想，当需要学习一种新语言的时候，能够使用五岁儿童学习的可塑性来进行学习。目前来看，这近乎于科幻，但目前我们已具备研究能力进行尝试，并可能让其成真，而这正是DARPA研究的宗旨：高风险、高回报。

（中国船舶工业综合技术经济研究院志伟）

回收、清除、修复、升级太空垃圾或成“香饽饽”

　　近60年的太空探索，在地球轨道上留下了很多垃圾，一些碎片甚至像油漆斑点那么小，而另一些则是早就没有了燃料的卫星“尸体”。

　　据美国国家航空航天局(NASA)估计，目前垃圾碎片数量超过了50万个，它们时不时地对国际空间站或卫星造成威胁，以前发生过的碰撞和摩擦，未来也在所难免。

　　太空垃圾或变成“紧俏”物资

　　面对这一众所周知的难题，太空探索领域创业机构美国“飞火太空系统”(FireflySpaceSysterms)瞄准了太空垃圾回收项目，首席执行官汤姆·马库斯科认为，可以回收空间卫星，用其在未来执行火星任务。

　　螺母、螺栓和电子设备是火星殖民地的“紧俏”物资，马库斯科建议可以用太阳能动力的推进拖船航天器将卫星“尸体”拖出地球轨道，这样能极大降低燃料成本。这些拖船能把它们送往火卫一，在那里人们可以拆卸和使用这些“原材料”。

　　据马库斯科估计，目前太空中有几百颗卫星可供使用，“由于这些卫星组件已在太空中，所以省去了从地面发射它们到太空的成本。可以将它们重新组装成去火星执行任务的飞船组件。”

　　清除太空垃圾是地球人的责任

　　许多公司提出要处理太空垃圾，但是由于没有管辖权也没有直接的威胁，始终存在资金来源问题。萨里大学研究员杰森·福绍说：“空间垃圾问题有点像全球变暖，让政府资助相关活动似乎有些困难。”

　　福绍是英国“去除杂物项目”(RemoveDEBRISMission)的成员，他在接受媒体采访的时候透露，明年该项目将从国际空间站发射一些“捕捞”空间碎片的设备进行先期测试。

　　福绍说：“我们一直努力提高人们对太空垃圾的认识，地球轨道空间是地球环境的一部分，清理太空垃圾也是我们的责任。”他认为，现有的很多技术可以帮助清除那里存在的大约吨太空垃圾。

　　美国防部对太空垃圾也感兴趣

　　计划利用这些标准组件的还有一个单位——美国国防部的国防高级研究计划局(DARPA)。

　　DARPA新的地球同步卫星自动服务(RSGS)计划将于年实施。该项目提出了自动服务飞船利用卫星“尸体”的四种方法：一是停靠卫星并对其做仔细检查；二是推动这些卫星到不同的轨道；三是利用其对太阳能电池板等组件进行修理；四是给它们装上新的传感器以焕发其新的活力。

　　DARPA的项目经理高等·罗思乐说，DARPA正在寻求商业伙伴帮它瞄准美国政府曾发射的五六十颗地球同步轨道卫星。一旦RSGS计划推出来，将用六个月到九个月的时间从商业运营商或政府租借卫星，为接下来的异常复杂的操作任务、软件和组件测试任务以及团队操作能力提升任务做好充分的准备。

　　还有哪些方式能对付太空垃圾

　　实际上，对付太空垃圾的想法早就有了。

　　日本航天航空研究开发局年就提出，使用电动系绳的电流来降低空间碎片或卫星的速度，使其在接近地球表面之前在大气层燃烧掉。

　　欧空局也一直在考虑集中捕获机制来拾取空间垃圾，年公开提出的Thee.DeOrbit任务将在距离地球表面公里至公里的高度搜寻卫星碎片，可能会借助到网、鱼叉、机器人手臂或触角等。

　　瑞士预计于年发射的改装型空中客车A喷气式飞机将变成“清除太空”(CleanSpaceOne)项目的技术演示航天器，它将与退役的瑞士“立方体”(Swisscube)纳米卫星会面，并将其移出轨道。

（来源：科技日报，作者：记者房琳琳）

0年不用换电池！美国防部打算用“零功耗”传感器挽救军人生命

在月初刚刚结束的IEEE年度传感器技术大会(IEEESensor)上，美国国防部高等研究计画署(DARPA)向公众展示了他们能够实现待机“零功耗”的最新传感器。

据DARPA的项目经理TroyOlsson介绍，这种“零功耗”传感器待机时并绝对的“零功耗”，而是待机时的能量耗损非常小可以忽略。之所以能做到这一点，是由于该传感器使用了先进的微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）工艺，利用超大规模集成电路的制造技术将微处理器、微传感器、控制处理电路以及供电装置等模组集中制造在一个单片硅基板上，形成了一个小巧、紧凑、超低功耗的整体。

此外，为了减少电能损耗，科学家们还在传感器的供电方式上做了更深度的优化。TroyOlsson称这种“零功耗”传感器能够利用被探测信号本身的能量来为传感器供电，例如电磁波、物理震动、超声波信号等，DARPA可以将这些被测信号的能量转化成自身工作的电能，并通过尽量简单和低功耗的方式将探测结果反馈到接收端。例如当探测到敌方的通讯电磁波时，收发器可能只需要发送一串低功耗的“蜂鸣”信号以示告警，而无需消耗大量电能发送最原始的探测数据。

TroyOlsson介绍，视应用场景而定，“零功耗”传感器也会搭载一定容量的电池。除了作为系统最主要的能量来源之外，这些电池还能存储太阳能板、物理震动能量收集器等装置在传感器待机时收集到的微小能量，为更长久的待机提供支持。

图示为大规模部署的传感器网络，只在发送告警信息时被唤醒

TroyOlsson表示：“我们希望降低传感器的功耗，使之能长期部署于战场而不需更换电池。目前的做法是，在唤醒功耗更大的信号处理器和收发器之前，利用信号本身来驱动系统运行。这一做法目前看来是有效的，经科学家们的测算，凭借这一技术制造的‘零功耗’传感器配合恰当的电池技术，将能够实现在战场连续工作至少0年而不需要更换电池。”

目前有大量美军在战场上丧生，其中一个重要原因就是军方无法依据理想的方式来部署传感器网络。TroyOlsson举例称，在美军参战的海外地区，沿路如果有供电线路，美国国防部就能利用这些供电线路部署庞大的传感器网络，监测是否有恐怖分子挖掘道路安装简易爆炸装置等危险行为。而事实上，大多情况危险的战区都没有稳定可靠的供电线路，因此当前实际部署的几乎所有传感器都要依靠电池供电，而这有可能让更多美军士兵的生命安全受到威胁，因为在需要替换传感器电池时，可能让他们暴露于受伏击的危险之中。TroyOlsson说：“在战斗状态下，我们不能只为了给鸡蛋大小的传感器换一小块电池而让士兵们遭到危险。”

(来源：雷锋网，作者：恒亮)

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