眾所周知，半導(dǎo)體技術(shù)是數(shù)字和信息時代的基礎(chǔ)技術(shù)。在半導(dǎo)體行業(yè)，如果想要技術(shù)開展技術(shù)革新，可能的研究方向又有哪些?美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(SIA)日前發(fā)布了一份名為《半導(dǎo)體研究機(jī)會：一份產(chǎn)業(yè)前景和指導(dǎo)》的報(bào)告，對以上問題作出回答。

SIA指出，通過這些研究方向的前瞻將反過來開啟多種應(yīng)用和技術(shù)的大門，從而促進(jìn)和支持眾多經(jīng)濟(jì)部門。在推進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)繼續(xù)升級的同時，對現(xiàn)存技術(shù)以外的一系列領(lǐng)域的開拓和關(guān)鍵性研究也至關(guān)重要。

而在過去幾十年，通過高水平的研究和開發(fā)投入，半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新速度得到了顯著提升。2016年，全球半導(dǎo)體行業(yè)的研發(fā)投入占總收入的15.5%，總計(jì)565億美元，高于世界上任何行業(yè)。制造更快、更好、更廉價(jià)芯片，且要求它們具有較低的計(jì)算功耗和優(yōu)秀的功能，這些需求的一個關(guān)鍵的驅(qū)動力是：IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，這就是已經(jīng)活躍了幾十年的摩爾定律。

但這種傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體技術(shù)正在成熟，以摩爾定律為驅(qū)動的路線圖似乎觸到了天花板，業(yè)界迫切需要一種新的超越硅基的路線圖。馮·諾依曼計(jì)算領(lǐng)域提出了更多性能要求，如低功耗、低電壓、超CMOS邏輯和存儲器件及相關(guān)材料。而在非馮·諾依曼計(jì)算中，新的存儲元件和材料將促進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新。

為了使半導(dǎo)體性能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升，眾多半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)正在研究一種綜合性方法，能夠兼顧半導(dǎo)體技術(shù)的方方面面，包括新材料、新制造技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用。未來，基于半導(dǎo)體的系統(tǒng)——無論是小型傳感器、高性能計(jì)算機(jī)還是其間的系統(tǒng)——都必須最大限度地提高性能，同時最大限度地減少能源使用并保證安全性和可靠性。

本報(bào)告提出了若干半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展愿景，這些研究議程說明，未來半導(dǎo)體技術(shù)將能夠在諸如人工或增強(qiáng)智能(AI)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、高性能計(jì)算(HPC)系統(tǒng)和社會所期待和依賴世界等應(yīng)用和領(lǐng)域中取得突破性進(jìn)展。

要想將新應(yīng)用推向現(xiàn)實(shí)市場，清晰的研究視野是至關(guān)重要的。本報(bào)告的目的就是為了確定，在半導(dǎo)體行業(yè)和價(jià)值鏈中需要優(yōu)先考慮的一系列研究投資。2016年至2017年的九個月內(nèi)，不同的行業(yè)專家團(tuán)隊(duì)和領(lǐng)導(dǎo)人共聚一堂，討論并概述了影響行業(yè)進(jìn)步至關(guān)重要的若干領(lǐng)域，用以指導(dǎo)未來的研究投入。這些領(lǐng)域是：

1.先進(jìn)的設(shè)備、材料和封裝
2.互連技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)
3.智能存儲與內(nèi)存
4.電源管理
5.傳感器和通信系統(tǒng)
6.分布式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)
7.認(rèn)知計(jì)算
8.基于生物學(xué)的計(jì)算和存儲
9.先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)和算法
10.安全和隱私
11.設(shè)計(jì)工具、方法和測試
12.下一代制造模式

想象一下在未來，分布式網(wǎng)絡(luò)傳感器、大數(shù)據(jù)中心和計(jì)算能力相結(jié)合，進(jìn)一步促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新并提高生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)這樣的愿景，需要一個基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)研究的廣泛平臺做支撐。該平臺的指導(dǎo)目標(biāo)是，使計(jì)算模式能夠從根本上提高能源效率、性能和功能，同時確保足夠的安全性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，迫切需要對超越傳統(tǒng)的CMOS器件和電路、馮諾依曼結(jié)構(gòu)以及信息處理方法進(jìn)行研究。另外，還需要研發(fā)新材料和可擴(kuò)展工藝，產(chǎn)生新的制造模式，并將這些新技術(shù)融入到產(chǎn)品制作中。

制定本研究議程的不同專家小組經(jīng)過討論，最終確定了若干待研究領(lǐng)域，它們相互依存，并與技術(shù)“堆?！敝械亩鄠€層次相關(guān)。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的工藝需要跨學(xué)科的方法和在各個層面上工作的科學(xué)家和工程師之間的協(xié)作。


行業(yè)專家團(tuán)隊(duì)確定了以下亟待開拓的14個研究領(lǐng)域，以維持美國在先進(jìn)計(jì)算系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位：

(一)先進(jìn)的設(shè)備、材料和封裝
想要顯著提高新型信息處理系統(tǒng)的能源效率和性能，需要具有獨(dú)特特征設(shè)備，而且很可能是基于非常規(guī)機(jī)制的設(shè)備。除了目前在縮放CMOS和常規(guī)架構(gòu)中的研究需求和挑戰(zhàn)之外，新型器件還要考慮諸如神經(jīng)形態(tài)架構(gòu)等替代架構(gòu)的優(yōu)勢和要求。業(yè)界可以開發(fā)這樣的設(shè)備以進(jìn)一步改進(jìn)馮諾依曼計(jì)算(例如，具有陡峭斜率的低功率設(shè)備)或支持非諾曼·諾依曼計(jì)算的體系。

新興設(shè)備和機(jī)制通常需要不同性能的材料，這要求業(yè)界對替代材料系統(tǒng)和相關(guān)接口性質(zhì)進(jìn)行廣泛研究，例如III-V、SiGe、碳基、低維(2D)、多鐵、鐵電、磁性、相變和金屬絕緣體過渡材料。新材料系統(tǒng)的研發(fā)，需要精確的原子沉積和去除(蝕刻和清潔)方法，以便滿足大面積適用性、低缺陷、緊密幾何結(jié)構(gòu)(亞10 nm)、3D集成，以及高吞吐量等要求。

安全性的實(shí)現(xiàn)主要在諸如，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法、協(xié)議以及具有適合于安全的固有特征的材料和設(shè)備(例如，真實(shí)的隨機(jī)性或不可克隆性)等方面中實(shí)現(xiàn)，但在硬件中，實(shí)現(xiàn)魯棒安全特征的潛力也依然存在。設(shè)備和架構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化對于充分利用設(shè)備特性并提高架構(gòu)性能至關(guān)重要。

先進(jìn)的3D集成和封裝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)垂直擴(kuò)展和功能多樣化，通過異構(gòu)整合可能提升系統(tǒng)性能和功能。 除了工藝創(chuàng)新之外，材料和設(shè)備的進(jìn)步也可能推動封裝技術(shù)的發(fā)展，并拓寬3D集成的應(yīng)用。

從小型嵌入式傳感器到異構(gòu)“片上系統(tǒng)”，產(chǎn)品的多樣性和復(fù)雜性日益增加，對封裝技術(shù)的挑戰(zhàn)也越來越大。現(xiàn)今的異構(gòu)系統(tǒng)集成了以前被降級為板級集成的元件，例如各種無源元件(電容器、電感器等)和有源元件(天線和通信設(shè)備，如濾波器)以及存儲器和邏輯結(jié)構(gòu)。今天的系統(tǒng)級集成允許每單位體積具有更多的功能。然而，它也突出了多種挑戰(zhàn)，比如封裝內(nèi)功率如何更好的傳遞到更多功能塊，熱密度管理和信號完整性維護(hù)等。這種趨勢還將導(dǎo)致裝配復(fù)雜性和成本的增加，以及相關(guān)的可靠性和測試要求。

應(yīng)用領(lǐng)域的快速增長正在對封裝技術(shù)提出具體要求。在高性能計(jì)算中，I / O帶寬密度瓶頸和熱管理限制了整體封裝系統(tǒng)的性能，這個問題重新點(diǎn)燃了業(yè)界對芯片間通信金屬導(dǎo)體替代品的濃厚興趣。先進(jìn)的汽車應(yīng)用正在推動新需求的產(chǎn)生——能夠承受更高熱度和功率密度的新型包裝材料，以及能提高可靠性的更堅(jiān)固的材料界面。移動消費(fèi)應(yīng)用正在加強(qiáng)嚴(yán)格的形式因素限制，這推動了封裝技術(shù)的創(chuàng)新。移動領(lǐng)域最新進(jìn)展包括芯片級封裝、fan-out晶圓級封裝的進(jìn)步、采用3D / 2.5D的集成技術(shù)。IoT產(chǎn)品需要低成本的封裝技術(shù)，同時也需要創(chuàng)新，例如，用于可穿戴設(shè)備和其他新興應(yīng)用的靈活的、可拉伸的電子器件的封裝。

潛在的研究課題
(1)低功耗、低電壓、超CMOS邏輯和存儲設(shè)備以及馮·諾依曼計(jì)算的相關(guān)材料：
(2)高開關(guān)比率的陡坡設(shè)備;
   – 隧道場效應(yīng)晶體管(TFET)等新型隧道晶體管，如共振隧穿晶體管;
   – 具有柵極堆疊增益的晶體管，例如負(fù)電容FET
(3)基于相變、晶格畸變、界面機(jī)制和其他轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的器件：
   – Mott過渡器件、CDW的器件、應(yīng)變器件和壓電晶體管
(4)基于自旋的邏輯和存儲設(shè)備：
   – 低電流密度下具有亞納秒開關(guān)速度
   – 垂直磁各向異性(PMA)結(jié)中隧道磁阻(TMR)的幅度改善量級
   – 通過自旋過濾柵進(jìn)行高自旋極化
   – 電荷-自旋轉(zhuǎn)換效率提高10倍，例如自旋軌道耦合、Rashba界面和拓?fù)浣^緣體材料的研究
   – 磁電和磁致伸縮開關(guān)機(jī)制提高能效的數(shù)量級
   – 利用疇壁運(yùn)動等新穎機(jī)制的自旋裝置
   – 分層和嵌入式應(yīng)用中的磁存儲器，例如通過抗鐵磁性實(shí)現(xiàn)的超快切換，用于新型器件設(shè)計(jì)的巨型旋轉(zhuǎn)霍爾效應(yīng)等。
(5)超CMOS設(shè)備、儲存元件、非馮·諾依曼計(jì)算材料
    用于機(jī)器學(xué)習(xí)的硬件加速的裝置，適用于人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和推斷。例如人造神經(jīng)元和突觸裝置，2-端模擬電阻裝置，憶阻裝置，基于旋轉(zhuǎn)的裝置和用于神經(jīng)形態(tài)和生物啟發(fā)信息處理的裝置，以及相關(guān)材料開發(fā)。
    ? 納米功能設(shè)備，例如保真的本機(jī)乘除和加法。
    ? 用于新型陣列計(jì)算和存儲實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存器元件和2-端選擇器，包括3D的采用。
(6)除電荷和自旋(例如，電化學(xué)、電生物、光子和相位)之外，設(shè)備和材料還利用其他狀態(tài)變量，以滿足著改善的性能、信息密度或能量效率的需求。
(7)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備和材料：
    ? 用于傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中傳感、信息處理、存儲和通信的超低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)。
    ? 用于大面積傳感器計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的柔性或其他非傳統(tǒng)基質(zhì)材料和設(shè)備。
    ? 用于能量產(chǎn)生、清除、存儲和管理的尺寸/重量受限的平臺的材料和設(shè)備。
    ? 超CMOS器件和材料的THz通信和傳感器。
(8)基于安全性的設(shè)備和電路：
    ? 具有獨(dú)特屬性的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)置的安全功能，例如偽裝、邏輯加密等。
    ? 制造具有降低能量和面積開銷的安全原語的設(shè)備，例如物理不可克隆功能(PUF)，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等。
(9)電源管理材料和設(shè)備：
    ? 用于提高功率性能的半導(dǎo)體材料和器件，包括給定擊穿電壓的低導(dǎo)通電阻和最佳切換品質(zhì)因數(shù)。包括用于高電壓，大功率器件的寬帶隙半導(dǎo)體(例如GaN和SiC)以及用于低壓功率轉(zhuǎn)換器的高遷移率半導(dǎo)體(例如GaAs)。
    ? 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的無源元件(電容，電阻和電感)的材料和器件。
    ? 多芯片模塊的材料和封裝技術(shù)。
(10)可實(shí)現(xiàn)高密度，細(xì)粒度、單片3D系統(tǒng)的設(shè)備，用于減少數(shù)據(jù)遷移和通信成本：
    為邏輯結(jié)構(gòu)和存儲器的設(shè)計(jì)的高性能器件，適用于堆棧層集成的低溫處理;所產(chǎn)生的能量延遲產(chǎn)品應(yīng)比現(xiàn)存最有技術(shù)好1000倍。下一代邏輯器件的候選材料包括1D納米管和納米線，以及2D石墨烯，TMD材料。合適的存儲器件是：自旋傳輸扭矩隨機(jī)存取存儲器(STTRAM)，電阻隨機(jī)存取存儲器(RRAM)和鐵電隨機(jī)存取存儲器(FeRAM)或任何能夠承受低熱量并提供高性能的新型器件。
    ?能量收集器，連接裝置和傳感器的集成。
    ?多層堆棧集成電路(IC)的熱管理。
    ?新型封裝，適用于封裝所有面的小尺寸可訪問引腳。
    ?神經(jīng)元裝置與基本CMOS的集成。
    ?生物兼容封裝選項(xiàng)。

(二)互聯(lián)技術(shù)合體系架構(gòu)
互連器件在集成電路內(nèi)部和集成電路之間攜帶信息和功率，在確定半導(dǎo)體產(chǎn)品的功率需求和性能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。片上尺寸縮放、片外帶寬、能量與性能的折衷推動了當(dāng)前互連技術(shù)的發(fā)展。這些參數(shù)定義了路由設(shè)計(jì)的縮放、導(dǎo)體和電介質(zhì)材料以及制造方法的選擇。除了傳統(tǒng)的縮放，新的發(fā)展方向包括新材料開發(fā)，與新興設(shè)備兼容的新型互連架構(gòu)，以及導(dǎo)致交替信號轉(zhuǎn)換和傳播介質(zhì)的交替計(jì)算方法。

電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員試圖將其繼續(xù)縮減到更小的維度并增加功能，這就要求互連具有更低的延遲、更高的功效、更寬的帶寬和更高的可靠性。但是隨著互連變得越來越小，電互連的RC延遲增加，動態(tài)功耗隨著介電空間的減小而增加，信號完整性降低，越來越大的串?dāng)_限制了更寬寬帶鏈路的應(yīng)用，更長的總線將導(dǎo)致更高的故障率和更低的產(chǎn)率。這些趨勢在設(shè)計(jì)邊際、材料屬性要求和穩(wěn)健性，以及工藝集成優(yōu)化等方面構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。

除了嚴(yán)重的可擴(kuò)展性考驗(yàn)之外，互連架構(gòu)必須展望未來，以適應(yīng)新興設(shè)備技術(shù)、新材料、新型計(jì)算模式、新制造方案和應(yīng)用驅(qū)動的需求。

諸如新FET、自旋電子器件和光子器件等新興器件對互連產(chǎn)生了新的限制?；ミB與新設(shè)備的集成需要考慮熱預(yù)算匹配、RC管理以及與新材料的電氣接觸等方面。對于自旋電子學(xué)和光子學(xué)，則需要考慮互連層級中的信號轉(zhuǎn)換和密度?；谧孕膫鞑ズ艽蟪潭壬先Q于松弛長度和時間，這導(dǎo)致信號波動和完整性的限制性規(guī)范。光子器件具有限制密度縮放的截止波長長度。

所有設(shè)備面臨的一個共同的挑戰(zhàn)是可變性。具有期望性能的新技術(shù)必須能夠擴(kuò)展到實(shí)際制造中，同時保持可接受的可變性水平。在尺寸更小的時候，由于隨機(jī)過程的變化?？勺冃猿蔀橐粋€更大的問題，有些新材料，諸如2D材料和2D混合結(jié)構(gòu)，具備許多潛在性能，當(dāng)然也存在影響該材料廣泛使用的諸多挑戰(zhàn)，比如重現(xiàn)大面積沉積的方法、實(shí)現(xiàn)接觸、線電阻對現(xiàn)有材料的競爭力，封裝技術(shù)、載流子密度和流動性之間的內(nèi)在權(quán)衡。

新的計(jì)算模式包括，允許多值邏輯(例如，模擬和量子計(jì)算)和利用信號權(quán)重和收斂性(例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算)的并行計(jì)算。這些新的計(jì)算方法對互連架構(gòu)、互連材料，信令機(jī)制和制造有影響。

集成和封裝的變化可能導(dǎo)致互連技術(shù)的中斷。例如，從2D到3D單片集成電路的過渡需要層疊的晶體管，這將影響互連路由和熱預(yù)算控制。此外，多功能系統(tǒng)的異構(gòu)集成需要互連的協(xié)同設(shè)計(jì)作為有源模塊。在設(shè)備互連接口，fan-in/fan-out兼容性也需要仔細(xì)檢查。 從長遠(yuǎn)來看，“智能互聯(lián)”，如動態(tài)可重構(gòu)的纖維，正處在研究的早期階段。

擴(kuò)展功能和應(yīng)用程序的多樣性，如傳感器、生物醫(yī)學(xué)測量、物聯(lián)網(wǎng)模塊、云服務(wù)器等，催生了互連定制技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。除了不斷發(fā)展的片上需求外，片外互連架構(gòu)也面臨著在板級或云端連接執(zhí)行特定功能模塊的新挑戰(zhàn)。要考慮的互連選項(xiàng)包括有線與無線，電子與非電子以及片上與片外。

有潛力的研究課題
能夠?qū)崿F(xiàn)10納米以下尺寸電子互連的技術(shù)，包括導(dǎo)體、電介質(zhì)及其集成方法。
    ? 新型金屬和復(fù)合材料替代當(dāng)前的金屬(銅)。
    ? 金屬通孔之外的層間新型互連(例如，光學(xué)和等離子體互連)。
    ? 新型自對準(zhǔn)和自組裝技術(shù)以提高集成密度。
    ? 自形成柵和新型二維柵材料。
    ? 光子開關(guān)器件和互連，包括光源、檢測器和調(diào)制器。
    ? 旋轉(zhuǎn)互連，包括用于自旋傳播的新材料。
    ? THz有線和無線互連、視線/非視距(LOS / NLOS)傳輸、光互連、射頻(RF)光子學(xué)、 自由空間、回程傳輸以及零開銷和可擴(kuò)展傳輸?shù)目湛趧?chuàng)新等
    ? 使用替代狀態(tài)變量的新設(shè)備的本地互連。
    ? 可編程，高fan-in/ fan-out互連解決方案。
    ? 超線性、寬帶寬的電氣和光纖鏈路，實(shí)現(xiàn)高調(diào)制格式。
    ? 探索數(shù)據(jù)中心級互連和網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，以顯著提高可擴(kuò)展性，并減少延遲和能耗。
    ? 自優(yōu)化和彈性網(wǎng)絡(luò)、可重構(gòu)互連結(jié)構(gòu)以及高速、安全的數(shù)據(jù)鏈路。
    ? 綜合利用先進(jìn)的內(nèi)存/存儲設(shè)備，并利用非傳統(tǒng)和認(rèn)知計(jì)算所優(yōu)化的互連和封裝技術(shù)，補(bǔ)充CMOS。

(三)智能內(nèi)存和存儲
信息技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)將數(shù)據(jù)生成速度和數(shù)量推到一個新節(jié)點(diǎn)，此時內(nèi)存和存儲成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化的重點(diǎn)。能量傳輸、延遲和帶寬對于這些系統(tǒng)的性能和能效至關(guān)重要。思考并創(chuàng)建能夠回避這些信息節(jié)流的方法和工具，對未來的內(nèi)存和存儲具有廣泛的影響。許多現(xiàn)代計(jì)算問題的解決方案涉及多對多關(guān)系，受益于分布式計(jì)算平臺所固有的高橫截面帶寬。例如，大規(guī)模圖形分析涉及許多臨近關(guān)系的高交叉數(shù)據(jù)集評估，最終需要系統(tǒng)最高可能的橫截面帶寬。

為了在復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行徹底的性能改進(jìn)，需要一個全面的、垂直整合的高性能“智能”存儲系統(tǒng)的方法，能夠整合處理操作系統(tǒng)、編程模型和內(nèi)存管理技術(shù)以及原型系統(tǒng)架構(gòu)。利用分布式計(jì)算元件和加速器在物理/電氣上接近數(shù)據(jù)存儲位置，使得系統(tǒng)新能顯著提升。一個更加優(yōu)化的硬件平臺可能包含大型結(jié)構(gòu)(具有大截面帶寬的互連內(nèi)存設(shè)備和存儲設(shè)備)，集成的邏輯架構(gòu)和與傳統(tǒng)高性能計(jì)算元件島嶼結(jié)合的加速器。該平臺甚至可能包含這樣的子元件：允許計(jì)算元件訪問共享存儲器的全部或部分，并將其作為高速緩存相干存儲器，并且還具有在內(nèi)存中傳送和排序數(shù)據(jù)，以提供多信息豐度數(shù)據(jù)流的特性。在研發(fā)新平臺的過程中，主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)功率、性能和密度(體積和工藝)的數(shù)量級增益。

實(shí)現(xiàn)存儲器被使用和訪問的模式轉(zhuǎn)變的主要研究差距是，建立一個操作系統(tǒng)框架，允許系統(tǒng)在運(yùn)行時基于系統(tǒng)配置偏好，程序員偏好以及系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。在包含近內(nèi)存的馮·諾依曼和非馮·諾依曼元素的異質(zhì)平臺中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行和優(yōu)化的并行，面臨許多挑戰(zhàn)。在這樣的平臺上實(shí)現(xiàn)同樣的目的(例如，緩慢的本地計(jì)算，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和快速計(jì)算，在加速器計(jì)算效率非常高但是大致計(jì)算)本身就有很多手段，而且適宜的優(yōu)化可能因系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)而有所不同。

例如，在簡單的硬件上，通過操作系統(tǒng)和硬件掛鉤，執(zhí)行時間和數(shù)據(jù)移動可以以近乎最佳的方式自動平衡，而不在乎是否有程序員干預(yù);內(nèi)置控件可能允許系統(tǒng)管理員在特定系統(tǒng)安裝的約束條件下，權(quán)衡性能、功效、響應(yīng)等待時間等因素。調(diào)度決策可能涉及適當(dāng)?shù)膸捠褂?、功率、延遲、溫度等的本地和全局度量。

為了建立運(yùn)行同時優(yōu)化地算法，必須確立合適的系統(tǒng)性能指標(biāo)，用于測量信息處理密度，例如每千克硅、cm3或瓦特的決策速率或正確的決策速率。例如，想象一個包含大于 100K內(nèi)存dies的單機(jī)架單元機(jī)箱，dies以高維度結(jié)構(gòu)互連，每個機(jī)架都能夠本地訪問和操作數(shù)據(jù)，每個機(jī)箱消耗高達(dá)1瓦的功率。這樣的系統(tǒng)將需要一種功率節(jié)流算法，同時考慮溫度和功率消耗(可能涉及控制系統(tǒng)的本地或全局方面)。

信息處理密度的系統(tǒng)理論界限需要被確立，以說明潛力最大的研究領(lǐng)域位于何處。為了系統(tǒng)滿足性能和彈性的目標(biāo)，復(fù)制將成為系統(tǒng)的一部分，并將與保留、力量管理和身份驗(yàn)證策略(即哪些用戶可以在哪些數(shù)據(jù)上運(yùn)行哪些程序)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

通過全面、垂直整合的方法，制造工藝將加速發(fā)展，該方法重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)的新興內(nèi)存技術(shù)和它們各自新型系統(tǒng)架構(gòu)和層次(包括子系統(tǒng)和高速緩存)，以及制造它們所需的先進(jìn)材料和工藝。在可能的情況下，后向兼容也是很重要的，以便應(yīng)用遷移到這個新的框架中。

潛在研究課題
(1)計(jì)算內(nèi)存系統(tǒng)：多種形式的內(nèi)存計(jì)算早已得到了證明，諸如，與內(nèi)存芯片緊密耦合或集成，內(nèi)存芯片的通用CPU，使用內(nèi)存陣列的模擬計(jì)算。需要從業(yè)者研究并了解系統(tǒng)動態(tài)平衡熱/功率預(yù)算、帶寬、計(jì)算和內(nèi)存或存儲容量的算法，以最佳地提供感興趣的度量，如運(yùn)營成本，決策延遲和決策帶寬。

這項(xiàng)研究應(yīng)該確定哪些具體指標(biāo)是有意義的，并確定系統(tǒng)參數(shù)如何影響該指標(biāo)。鑒于存儲器間的計(jì)算系統(tǒng)與“計(jì)算+存儲器+傳感器”節(jié)點(diǎn)(簡單、低成本、低能耗)之間存在很大的相似之處(要求該節(jié)點(diǎn)具備向較大系統(tǒng)報(bào)告的基本觀察或決策能力)，可以設(shè)想，可能有令人信服的研究，而且這些研究被認(rèn)為是相同的概念。

(2)系統(tǒng)內(nèi)存和存儲的新架構(gòu)和編程范例：允許適當(dāng)?shù)木幊唐骺刂频淖晕覂?yōu)化(半自治)系統(tǒng)：考慮一個大型多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)的單個設(shè)備包含數(shù)千或數(shù)百萬個內(nèi)存節(jié)點(diǎn)，能夠自主管理電源、熱、帶寬、計(jì)算和存儲約束。為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，需要一種編程范例，允許程序員以這樣的方式表達(dá)算法，即底層系統(tǒng)可以動態(tài)地優(yōu)化這些算法的執(zhí)行。

這種范例的特征可能包括程序員能夠甚至被要求指定關(guān)鍵的代碼路徑和并行化機(jī)會的方法。可以想象的是，將程序移動到數(shù)據(jù)可能比將數(shù)據(jù)移動到程序更為常見。因此，程序和它們所操作的數(shù)據(jù)必須包含在可以模塊化處理的明確定義的容器中。傳感器節(jié)點(diǎn)本身的特征提取在概念上類似于內(nèi)存計(jì)算或數(shù)據(jù)過濾;因此，預(yù)計(jì)這一領(lǐng)域的研究可以大大地惠及大數(shù)據(jù)分析和智能內(nèi)存，而且或多種多種方式影響相同的工作負(fù)載。

(3)認(rèn)證、彈性和一致性：在操作系統(tǒng)中必須存在的是控制，以便只允許“被授權(quán)的”程序運(yùn)行，并且只允許它們運(yùn)行在“被授權(quán)的數(shù)據(jù)上。必須在程序員和管理員同意的情況下確保程序和數(shù)據(jù)的完整性。此外，由于系統(tǒng)的規(guī)模，使用程序復(fù)制來解決復(fù)原力和性能的挑戰(zhàn)被預(yù)計(jì)是有利的。在處理器和加速器緩存的背景下，復(fù)制的附加功能使得復(fù)制副本之間存在一致性問題，這是一個具有挑戰(zhàn)性的研究和創(chuàng)新領(lǐng)域。算法需要被設(shè)計(jì)用以確定何時以及如何產(chǎn)生和收集副本。

(4)IO、網(wǎng)絡(luò)：再次，為了實(shí)現(xiàn)前面所提到的由大型多維網(wǎng)絡(luò)所組成的系統(tǒng)，一個非常高效的全球異步網(wǎng)絡(luò)是必須的，改一部網(wǎng)絡(luò)可以優(yōu)化圍繞固定電路和過度供應(yīng)的帶寬，同時在局部和全局熱量及功率約束下進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。

(5)新技術(shù)、新材料和新工藝：預(yù)計(jì)隨著智能內(nèi)存與存儲現(xiàn)存問題的解決，設(shè)備技術(shù)、材料和工藝將會有新的需求。解決方案可能來自于這些新環(huán)境下變得實(shí)用的現(xiàn)有技術(shù)和新興技術(shù)，而不是其他可能需要新創(chuàng)建的技術(shù)。

未完待續(xù)，在后面我們將會繼續(xù)報(bào)道在電源管理、傳感器和通信系統(tǒng)、分布式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)多方面的半導(dǎo)體機(jī)會和挑戰(zhàn)，敬請期待!（時間：2017-5-17 15:48:00 來源：華強(qiáng)電子網(wǎng)）