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新型芯片|DARPA資助美國威斯康星大學(xué)

研制出革命性計算機芯片

彌補計算和存儲之間的鴻溝

　　美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的助理教授 Jing Li在國防先期研究計劃局（DARPA）青年教師獎（YFA）項目資助下，設(shè)計差分方法及其思想了一款完全可配置的計算機芯片，可以在同一集成單元中完成復(fù)雜計算、存儲大量信息的任務(wù)，也可以在單元之間進行有效通信。

　　該計算機芯片起名為“液硅”。液：代表軟件，硅：代表硬件?！耙汗琛苯Y(jié)合差分方法及其思想了軟硬件技術(shù)。

　　當(dāng)前計算機狀態(tài)

　　芯片具有強大的計算能力，同時也能夠存儲海量數(shù)據(jù)。在目前的計算機系統(tǒng)中，計算和存儲之間存在巨大鴻溝，使得即便很簡單的操作例如搜索，也需要多個步驟才能完成：首先從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)從深層的存儲器體系發(fā)送至處理器內(nèi)核。正是這種分隔讓機器變得效率低下。Li表示，“經(jīng)典計算機在內(nèi)存和處理器之間傳輸數(shù)據(jù)時，具有巨大的瓶頸。差分方法及其思想我們正在構(gòu)建統(tǒng)一的硬件，以彌補計算和存儲之間的鴻溝?！?/p>

　　“液硅”如何彌補計算和存儲之間的鴻溝

　　“液硅”將存儲、計算、通信的功能集中到一個器件上，使用了單片集成電路的三維集成技術(shù)，即通過致密金屬連接位于下方的硅CMOS電路和位于上方的固態(tài)存儲器陣列。終端用戶能夠根據(jù)系統(tǒng)實際應(yīng)用需求配置芯片器件，為存儲和計算分配資源。

　　圖 研究人員使用頂級探針臺和自建的測試平臺測試該“液硅”芯片

　　配套編譯軟件

　　為幫助人們進一步利用這款新型芯片的潛能，Li 的研究小組也開發(fā)了一款軟件，將目前市面上主流的編程語言，轉(zhuǎn)化為芯片的機器代碼，這種過程稱為“編譯”，從而加強了芯片硬件和編程應(yīng)用之間的兼容性。

　　有了這款編譯軟件，程序員能夠?qū)⑺麄兊膽?yīng)用程序直接移植到這種新型硬件上，而無需要改變他們的編程習(xí)慣。

　　配套測試系統(tǒng)

　　為了評估這種“液硅”性能，研究團隊搭建了一個由scratch構(gòu)建的自動化測試系統(tǒng)，可以測試可靠性問題?？煽啃詥栴}是目前最先進的工業(yè)測試系統(tǒng)都無法觀察到的，所以最近多個公司將芯片發(fā)給 Li 進行評估。

　　計算機芯片成本半數(shù)以上來自測試，所以威斯康星大學(xué)麥迪遜分校擁有這樣先進的設(shè)施不僅幫助了“液硅”計算機芯片的實現(xiàn)，也能夠促進了未來研究。

　　Li 表示：“我們可以說我們的平臺可以進行所有器件級、電路級和系統(tǒng)級的測試。工業(yè)伙伴告訴我們，我們的測試系統(tǒng)可以自動化完成測試工程師所要進行的所有任務(wù)。”

　　“DARPA青年教師獎”項目介紹

　　DARPA青年教師獎（YFA）主要是資助青年教師在某一領(lǐng)域有所突破，研究主題是DARPA生物技術(shù)辦公室（BTO）、國防科學(xué)辦公室（DSO）和微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）所關(guān)心的物理科學(xué)、工程、材料、數(shù)學(xué)、生物、計算、信息學(xué)和制造領(lǐng)域，項目通常為期兩年或一年，獎金最高為50萬美元。

　　DARPA YFA項目旨在培養(yǎng)和挑選學(xué)術(shù)界及非盈利研究機構(gòu)的青年研究人員，以滿足DoD和國家安全領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和需求。

　　2016年YFA關(guān)心的領(lǐng)域

　　1.粘性邏輯。高性能互補金屬氧化物（CMOS）技術(shù)及一些電路結(jié)構(gòu)常表現(xiàn)出閉鎖或保留中間值的特性，即使已經(jīng)將操作數(shù)值傳遞給下一個邏輯狀態(tài)。某些情況下，電路有時鐘輸入，但仍用作源/目標(biāo)寄存器；還有些情況下，這些電路沒有時鐘輸入，行為類似靜態(tài)賦值。這些電路包括差分級聯(lián)電壓開關(guān)邏輯（DCVSL）、互補傳輸門邏輯（CPL）和擺幅恢復(fù)傳輸門邏輯（SRPL）等。而更高功率和更多的器件數(shù)量阻礙了研究人員獲取這些電路保留數(shù)據(jù)的“粘性”性質(zhì)。

　　本次項目征詢希望有創(chuàng)新架構(gòu)能夠利用這些器件/電路保留上一狀態(tài)機數(shù)值的特性來降低功率、延時和版圖面積；或提高數(shù)據(jù)處理速率。這些架構(gòu)需補充或與后CMOS器件技術(shù)兼容。

　　2.微機械系統(tǒng)（MEMS）中的非線性。征詢理論、分析和試驗技術(shù)來提升人們對于MEMS中非線性動力學(xué)的基本理解，并開發(fā)工具、工藝和架構(gòu)來演示性能提升的器件。對于諧振器、加速度計和陀螺儀中的非線性動力學(xué)應(yīng)用尤其感興趣。

　　3.寬帶發(fā)射機-天線接口。研究新型發(fā)射機—天線接口概念，采用建模和仿真方法進行設(shè)計，并進行實驗驗證。對于DoD通信系統(tǒng)用的戰(zhàn)略天線，需顯著降低尺寸。

　　4.3D單片集成電路。利用現(xiàn)有的3D單片集成電路工藝，研究新型3D單片集成電路工藝，利用晶圓平面外的方向，顯著提升計算密度和性能。

　　如3D NAND和3D X-Point就是利用了晶圓平面外的方向顯著增加了存儲電路密度，而并沒有降低2D電路的光刻線條尺寸。本次項目征詢與之類似，希望通過晶圓平面外的方向和非常高的布線互連，提高計算密度（邏輯+存儲+互連）。

　　5.機器學(xué)習(xí)和多體物理。

　　6.解碼人類意圖的系統(tǒng)和方法。

　　7.表征現(xiàn)實世界系統(tǒng)中的突發(fā)行為和進化選擇的性能包絡(luò)。

　　8.超前的活細胞超分辨成像。

　　9.用于士兵健康的智能紡織品。

　　10.個性化游戲科學(xué)。

　　11.設(shè)計中的準(zhǔn)確性和不確定性：我們可以做什么？

　　12.基因治療技術(shù)和工具。

　　13.傳染病動力學(xué)的多尺度模型。

　　14.海洋生物的微生物。

　　15.非生物界面的納米流體生物。

　　來源：大國重器（ID:ElectronicComponent）

DARPA正致力于提升

人腦學(xué)習(xí)速度的研究工作

　　【據(jù)國防技術(shù)網(wǎng)2016年11月17日報道】DARPA科學(xué)家正致力于一項新的研究，通過刺激大腦來幫助其以更快的速度學(xué)習(xí)。DARPA局長阿爾提·普拉巴卡爾于17日在華盛頓舉行的第四屆年度國防峰會上表示，加速人類大腦學(xué)習(xí)是一個非常重要的研究領(lǐng)域，在DARPA的一個新項目中，我們提出能否開發(fā)出無創(chuàng)的方法，向人外周神經(jīng)系統(tǒng)中的迷走神經(jīng)發(fā)送信號，提升大腦在學(xué)習(xí)時的神經(jīng)可塑性，在嘗試要牢記的時候神經(jīng)元可以重新排列和設(shè)置信息。

　　這項關(guān)于神經(jīng)技術(shù)的新研究領(lǐng)域源自DARPA的“革命性義肢”項目——開發(fā)和人手臂高度一致的可自由活動、輕量、集成電子和動力等與一體的假肢。阿爾提·普拉巴卡爾表示，DARPA從這種“近自然”的人工義肢研究中積累了很多，這項研究致力于監(jiān)測志愿者運動信號和大腦信息傳遞過程，志愿者會植入一個連接運動皮層和感覺皮層的植入體。這些帶有植入體的志愿者可以自然地思考移動他們的手（義肢），并能夠通過義肢手上的傳感器在大腦中感受到手的觸覺。當(dāng)我們進行功能恢復(fù)工作是，我們獲取和理解信號的學(xué)習(xí)過程允許我們想象其他可能的事情，而且我們的想象的可能性是無邊際的。

　　普拉巴卡爾表示，這像是打開了“潘多拉”魔盒，這將是個重要的時刻，停下來想一想接下來可能發(fā)生什么，并根據(jù)我們想要追求的目的來仔細選擇我們的研究方向。加速學(xué)習(xí)研究將對幾乎每個軍事活動產(chǎn)生巨大的影響。試想，當(dāng)需要學(xué)習(xí)一種新語言的時候，能夠使用五歲兒童學(xué)習(xí)的可塑性來進行學(xué)習(xí)。目前來看，這近乎于科幻，但目前我們已具備研究能力進行嘗試，并可能讓其成真，而這正是DARPA研究的宗旨：高風(fēng)險、高回報。

　　（中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院 志偉）

　　回收、清除、修復(fù)、升級 太空垃圾或成“香餑餑”

　　近60年的太空探索，在地球軌道上留下了很多垃圾，一些碎片甚至像油漆斑點那么小，而另一些則是早就沒有了燃料的衛(wèi)星“尸體”。

　　據(jù)美國國家航空航天局(NASA)估計，目前垃圾碎片數(shù)量超過了50萬個，它們時不時地對國際空間站或衛(wèi)星造成威脅，以前發(fā)生過的碰撞和摩擦，未來也在所難免。

　　太空垃圾或變成“緊俏”物資

　　面對這一眾所周知的難題，太空探索領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)機構(gòu)美國“飛火太空系統(tǒng)”(Firefly Space Systerms)瞄準(zhǔn)了太空垃圾回收項目，首席執(zhí)行官湯姆·馬庫斯科認為，可以回收空間衛(wèi)星，用其在未來執(zhí)行火星任務(wù)。

　　螺母、螺栓和電子設(shè)備是火星殖民地的“緊俏”物資，馬庫斯科建議可以用太陽能動力的推進拖船航天器將衛(wèi)星“尸體”拖出地球軌道，這樣能極大降低燃料成本。這些拖船能把它們送往火衛(wèi)一，在那里人們可以拆卸和使用這些“原材料”。

　　據(jù)馬庫斯科估計，目前太空中有幾百顆衛(wèi)星可供使用，“由于這些衛(wèi)星組件已在太空中，所以省去了從地面發(fā)射它們到太空的成本。可以將它們重新組裝成去火星執(zhí)行任務(wù)的飛船組件?！?/p>

　　清除太空垃圾是地球人的責(zé)任

　　許多公司提出要處理太空垃圾，但是由于沒有管轄權(quán)也沒有直接的威脅，始終存在資金來源問題。薩里大學(xué)研究員杰森·福紹說：“空間垃圾問題有點像全球變暖，讓政府資助相關(guān)活動似乎有些困難?！?/p>

　　福紹是英國“去除雜物項目”(RemoveDEBRIS Mission)的成員，他在接受媒體采訪的時候透露，明年該項目將從國際空間站發(fā)射一些“捕撈”空間碎片的設(shè)備進行先期測試。

　　福紹說：“我們一直努力提高人們對太空垃圾的認識，地球軌道空間是地球環(huán)境的一部分，清理太空垃圾也是我們的責(zé)任?！彼J為，現(xiàn)有的很多技術(shù)可以幫助清除那里存在的大約7000噸太空垃圾。

　　美國防部對太空垃圾也感興趣

　　計劃利用這些標(biāo)準(zhǔn)組件的還有一個單位——美國國防部的國防高級研究計劃局(DARPA)。

　　DARPA新的地球同步衛(wèi)星自動服務(wù)(RSGS)計劃將于2021年實施。該項目提出了自動服務(wù)飛船利用衛(wèi)星“尸體”的四種方法：一是?？啃l(wèi)星并對其做仔細檢查；二是推動這些衛(wèi)星到不同的軌道；三是利用其對太陽能電池板等組件進行修理；四是給它們裝上新的傳感器以煥發(fā)其新的活力。

　　DARPA的項目經(jīng)理高等·羅思樂說，DARPA正在尋求商業(yè)伙伴幫它瞄準(zhǔn)美國政府曾發(fā)射的五六十顆地球同步軌道衛(wèi)星。一旦RSGS計劃推出來，將用六個月到九個月的時間從商業(yè)運營商或政府租借衛(wèi)星，為接下來的異常復(fù)雜的操作任務(wù)、軟件和組件測試任務(wù)以及團隊操作能力提升任務(wù)做好充分的準(zhǔn)備。

　　還有哪些方式能對付太空垃圾

　　實際上，對付太空垃圾的想法早就有了。

　　日本航天航空研究開發(fā)局2014年就提出，使用電動系繩的電流來降低空間碎片或衛(wèi)星的速度，使其在接近地球表面之前在大氣層燃燒掉。

　　歐空局也一直在考慮集中捕獲機制來拾取空間垃圾，2014年公開提出的The e.DeOrbit任務(wù)將在距離地球表面800公里至1000公里的高度搜尋衛(wèi)星碎片，可能會借助到網(wǎng)、魚叉、機器人手臂或觸角等。

　　瑞士預(yù)計于2018年發(fā)射的改裝型空中客車A300噴氣式飛機將變成“清除太空”(CleanSpace One)項目的技術(shù)演示航天器，它將與退役的瑞士“立方體”(Swisscube)納米衛(wèi)星會面，并將其移出軌道。

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　　10 年不用換電池！美國防部打算用 “零功耗” 傳感器挽救軍人生命

　　在 11 月初剛剛結(jié)束的 IEEE 年度傳感器技術(shù)大會 ( IEEE Sensor 2016 ) 上，美國國防部高等研究計畫署 ( DARPA ) 向公眾展示了他們能夠?qū)崿F(xiàn)待機“零功耗”的最新傳感器。

　　據(jù) DARPA 的項目經(jīng)理 Troy Olsson 介紹，這種“零功耗”傳感器待機時并絕對的“零功耗”，而是待機時的能量耗損非常小可以忽略。之所以能做到這一點，是由于該傳感器使用了先進的微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）工藝，利用超大規(guī)模集成電路的制造技術(shù)將微處理器、微傳感器、控制處理電路以及供電裝置等模組集中制造在一個單片硅基板上，形成了一個小巧、緊湊、超低功耗的整體。

　　此外，為了減少電能損耗，科學(xué)家們還在傳感器的供電方式上做了更深度的優(yōu)化。Troy Olsson 稱這種“零功耗”傳感器能夠利用被探測信號本身的能量來為傳感器供電，例如電磁波、物理震動、超聲波信號等，DARPA 可以將這些被測信號的能量轉(zhuǎn)化成自身工作的電能，并通過盡量簡單和低功耗的方式將探測結(jié)果反饋到接收端。例如當(dāng)探測到敵方的通訊電磁波時，收發(fā)器可能只需要發(fā)送一串低功耗的“蜂鳴”信號以示告警，而無需消耗大量電能發(fā)送最原始的探測數(shù)據(jù)。

　　Troy Olsson 介紹，視應(yīng)用場景而定，“零功耗”傳感器也會搭載一定容量的電池。除了作為系統(tǒng)最主要的能量來源之外，這些電池還能存儲太陽能板、物理震動能量收集器等裝置在傳感器待機時收集到的微小能量，為更長久的待機提供支持。

圖示為大規(guī)模部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)，只在發(fā)送告警信息時被喚醒

　　Troy Olsson 表示：“我們希望降低傳感器的功耗，使之能長期部署于戰(zhàn)場而不需更換電池。目前的做法是，在喚醒功耗更大的信號處理器和收發(fā)器之前，利用信號本身來驅(qū)動系統(tǒng)運行。這一做法目前看來是有效的，經(jīng)科學(xué)家們的測算，憑借這一技術(shù)制造的‘零功耗’傳感器配合恰當(dāng)?shù)碾姵丶夹g(shù)，將能夠?qū)崿F(xiàn)在戰(zhàn)場連續(xù)工作至少 10 年而不需要更換電池?！?/p>

　　目前有大量美軍在戰(zhàn)場上喪生，其中一個重要原因就是軍方無法依據(jù)理想的方式來部署傳感器網(wǎng)絡(luò)。Troy Olsson 舉例稱，在美軍參戰(zhàn)的海外地區(qū)，沿路如果有供電線路，美國國防部就能利用這些供電線路部署龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測是否有恐怖分子挖掘道路安裝簡易爆炸裝置等危險行為。而事實上，大多情況危險的戰(zhàn)區(qū)都沒有穩(wěn)定可靠的供電線路，因此當(dāng)前實際部署的幾乎所有傳感器都要依靠電池供電，而這有可能讓更多美軍士兵的生命安全受到威脅，因為在需要替換傳感器電池時，可能讓他們暴露于受伏擊的危險之中。Troy Olsson 說：“在戰(zhàn)斗狀態(tài)下，我們不能只為了給雞蛋大小的傳感器換一小塊電池而讓士兵們遭到危險。”

　　(來源：雷鋒網(wǎng)，作者：恒亮)

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