重启信息技术革命（三）

重启信息技术革命（三）

编者按

2015年，华盛顿特区举办了一场关于重启信息技术革命的研讨会，对实现信息技术的跨越式发展问题进行了探讨。美国半导体行业协会（SIA）、美国半导体研究公司（SRC）以及他们的成员公司和半导体技术专家共同发布了一份倡议报告——《重启信息技术革命行动倡议》，在之前的文章中主要对技术革命相关发展情况、大数据的基础设施技术、智能基础设施组成要素等内容进行分析，本期将对关键技术研究面临的挑战及如何采取行动进行阐述。

关键技术研究面临的挑战

未来的信息技术和系统正面临重大的现实挑战，若不解决好，可能会限制其增长。

1.高能效传感和计算

提高能源效率是强制性要求，以便充分实现未来的信息技术功能。如果没有进步，那么在晶体管、芯片和系统层面的电力需求其成本将变得过高。在所有层面，能源效率都是至关重要的，从最小的传感器，到超高性能的处理器和系统。

行业遵循摩尔定律的能力带来了更小的晶体管，但也带来了更大的功率密度和相关的热管理问题。每个芯片上更多的晶体管数量意味着更多的互联——最先进的微处理器其总的互连长度可达数千米。但随着互连缩小，它们变得更加低效。如今，处理器使用的一大半能源经互连用于传输数据，例如在存储单元与逻辑单元之间。传统的方法是“跑到”物理极限。降低芯片上数据管理“能源成本”需要协调研究新材料、设备和体系结构。而在过去，对这些主题需要单独进行解决，若想取得有意义的进展，研究需要采取一种多学科的和协调的方法。

高能效的传感器对物联网而言是必不可少的。具有强大现场“智能”和通信能力的分布式传感器，允许在本地进行决策和执行，将减少管理预期海量数据所需的能量。校准和验证检查工作应能访问远程的传感器，如果它们长时间单独存在，那么必须具备高效的能源收集和利用机制。此外，还可以将智能传感器设备联结成网，以执行集体性任务，根据需要创建分布式信息计算和存储容量，进一步降低能耗。

从根本上说，必须要有一个新的概念模型和新的支持架构，使得处理庞大的互联网数据流成为可能，并能够及时提取和提出见解。若想能耗不出现爆炸性的增长，则这种新技术和新架构的能效需要比当前对主流数字半导体技术所做的最好估计还要高若干个数量级。

此外，对具备智能功率管理的微型能源（电池和能源收集设备），还有一个关键性的需求。为了尽可能减少传输的数据量，在传感器节点上需要充足的本地非易失性存储密度。

如果要建造能力更强的系统（如超过百亿亿次计算能力的系统），那么高性能计算机和大型数据中心中的核心技术的能效还需更高。最具成本效益的解决方案将是一种可以在高性能、移动和嵌入式传感器系统中实施的单一技术。然而，在这些不同应用中的最优解决方案可能采取不同的方法。因此，对多种技术应做进一步的探讨。

研究的焦点领域应包括有关传感器和先进处理器的极低功率设备、新颖的能量收集装置、可减少数据传输的新颖电路架构、探索突破因没有显著的功率均衡而引起的噪声波动所造成的物理极限，以及纳米光子学和片上光子学集成。需要下一代电子设计自动化（EDA）工具，包括经过改进的传感器、处理器和系统模型，以及用于度量能源降低效能的验证技术。在系统层面，需要研究如何在所有层面为物联网植入智能以及提高能效。

2.网络-物理系统

在未来的信息技术基础设施中，网络-物理系统是一个特殊和重要的问题。为实现成功的CPS，必须研究解决一系列重要的设计问题：

一是设计健壮、高效、有效的网络算法，以应对物理系统中可能发生的意料之外的事件；

二是在富有成本效益地利用现有的网络资源（如云计算）与构思一个独立于网络资源的独立系统之间做好权衡；

三是以最低的能耗实现高的性能；

四是异步操作能力以及协同应对系统控制；

五是在一个制造环境中，当面对意想不到的系统动态行为时，维持过程的可重复性。

六是在保证连接性的同时，保证安全性；

七是在开放的CPS架构（利用诸多因素的有利条件）与数据和知识产权保护之间做好权衡。

对未来系统而言，安全性和私密性是两个最大的挑战。当前信息技术的薄弱环节使它们易遭受攻击，这可能导致数据丢失、隐私泄露以及可能被恶意利用。

3.智能存储

需要新的存储技术和管理系统来存储和归档预期的、爆炸性增长的数据。为取得数据存储技术的进步，需要开展从设备层面到系统层面的研究工作。这些新的存储系统需要提供对数据的访问，以便进行处理并能够完成归档操作，此外，必须以这样一种方式对其进行管理，即可以实施智能数据清洗，以减少存储容量。

新的存储架构，如处理器在存储器上，将是颠覆性的创新和进步，需要在硬件系统层面和软件系统层面开展深入研究，以便优化对存储的管理。

未来的智能芯片将为实现数十亿分布式、网络化系统信息计算和存储能力的结合提供前所未有的机遇。需要提高对可扩展性问题的基本认识，以及设计和操作这样的大规模、分布式系统。应对好该领域的挑战将开创“非常大系统科学”领域的一个新篇章。

4.实时通信生态系统

在通信网络架构和技术方面需要研究和创新，这样才有可能快速传送和接收关键数据，以便进行分析，并防止因大规模数据传输而出现的网络通信堵塞。除了快，通信网络还必须尽可能降低所有层面上的能耗和传输错误，从网络边缘到集中处理系统。

数据的价值将严重依赖交付时间，一些数据可能在几毫秒钟后即失去其价值。因此，需要对实时数据流和数据分析学领域开展研究。无论通信变得多快，预计数据量将出现颠覆性增长，并将淹没整个信息技术行业，除非发明新的存储、通信和处理技术。

5.多层次和可扩展的安全

对未来系统而言，安全性和私密性是两个最大的挑战。当前信息技术的薄弱环节使它们易遭受攻击，这可能导致数据丢失、隐私泄露以及可能被恶意利用。需要在基础层面开展研究，这远远超出了链路和存储的密码协议范畴。

物联网带来的密集连接带来了额外的挑战。为使用户接受和保护财产甚至生命，物联网将需要一个非常高水平的免受攻击能力。否则，全球分布式通信智能芯片系统可能成为最大的和最易遭受恶意行为攻击的目标。适当水平的安全性必须嵌入在每一个硬件和网络中；安全性必须在设计之初就要考虑到，而不是固定为一个事后的想法。需要基于基础物理学和信息科学来理解关于安全性的限制。

物联网研究人员和设计人员应探索以下关于物联网安全性问题的答案：如何定义和度量安全性？硬件可以提供软件水平的、更大的安全性吗？必须连接总是意味着脆弱性吗？在多大程度上物联网数据保留机制应包括数据擦除功能？有类似应用于物联网设计的社会信用吗？安全应被看作是一种分级服务并相应地根据最终用户的情况来定价吗？为了实现一个值得信赖的物联网，需要更多的标准吗？

6.下一代制造范式

现有的主流半导体制造技术不支持未来智能芯片所需的异构3D系统制造。需要在材料、制造、装配和封装领域开展基础研究，以便实现新的信息技术硬件从最小的传感器节点，到超高性能的处理器。展示未来技术前景的例子包括最终可获得100 nm打印性能的半导体喷墨打印、可达分子尺度的原子级处理反应器、灵活和可重构的3D结构以及生物启发技术。

当前的半导体制造需要大量生产才能实现经济上可行。硬件模块化原理（即分布式制造单元网络，当中可以下载并生成新的设计），可以促成速度快得多的、应用特定的新硬件组成部件开发。可以用新兴的或传统的方式组合的硬件模块制造技术将支持各种各样的创新，包括小尺寸产品的开发，并可能为当前系统制造安全“补丁”。模块化制造，结合新的设计和测试工具，将使各种规模的企业能开发最初专用的或小规模的应用，而后快速实现迭代设计。

从长远来看，半导体制造需要一个新的范式，因为现有的主流平面技术并不能很好地适应1 mm和更小尺寸的异构系统。在这些尺寸上，空间是关键资产，最紧凑的设计是三维设计。离散的组成部件在这样严苛的空间限制条件下是不可能的。

生成测量数据或对执行命令做出响应的传感器/执行器系统制造，将构成特殊的挑战。今天，制造过程和传感器封装通常依赖于特定的传感器，这是低效且昂贵的，需要对制造和封装传感器/执行器系统的新方法开展研究。

关于传感器的另一个重大制造挑战是健壮的和经济的多模组合制造。今天，利用单独的过程来制造不同的智能传感器节点基本组件，如CMOS电路、MEMS传感器、闪存以及储能器/集能器。没有一个普遍存在的、类似数字系统CMOS的过程。此外，需要新的封装技术来应对小尺寸设备和传感器。

最后，有关最终紧凑硬件（如智能传感器节点）的材料基提出了一个重大的挑战。如果部署多达万亿个的传感器节点，那么今天使用的硅可能不再继续可用，特别是如果许多这样的传感器节点是“短命的”和一次性的。我们需要更加持续可用的材料，例如，如同自然界中的可回收或重用的碳基系统。对替代材料（如聚合物和纸）在集成系统制造中的潜在作用需做进一步探讨和研究。

现有的主流半导体制造技术不支持未来智能芯片所需的异构3D系统制造。需要在材料、制造、装配和封装领域开展基础研究，以便实现新的信息技术硬件从最小的传感器节点，到超高性能的处理器。

7.洞察计算

洞察计算需要对机器学习、数据分析和神经形态计算开展深入研究。需要用于解决复杂问题的新算法以及用于用户-机器接口的新方法。最终，洞察计算需要在本报告所述的所有领域取得进步，从高能效传感到通信和新颖制造。此外，还需要研究人员之间的协调，例如，在材料、设备和体系结构、或者软件和硬件领域的研究人员。这些领域的进步将主要取决于与其他领域之间的协调，过去，它们之间尚未实现很好的协调和集成。

8.物联网测试平台

由于物联网正变得越来越复杂，因此非常需要一个基础设施来测试新的技术。如今，没有任何富有代表性的测试平台或演示系统可用来支撑未来预期的物联网。没有这样一个测试平台，解决方案验证和基准测试将是不可能的。这样一个演示系统的定义和支持将需要快速的和富有意义的进展。这样一个平台应该可供来自学术界，行业和政府部门的研究人员使用。

需要采取的行动

1.一个新的、协调一致的研究倡议

为重启信息技术革命并确保国家在对经济活力和国家安全至关重要的信息技术和信息管理领域不容置疑的、长期的领导，需要一个新的、有针对性的研究倡议——国家计算和洞察技术生态系统（N-CITE）倡议。

倡议的目标应是协调在本报告所述之领域中的研究工作：高能效计算和传感；网络-物理系统；智能存储；实时通信系统；多层次和可扩展的安全；下一代制造模式；洞察计算等。

必须勇敢应对技术的挑战，以便完全实现物联网和大数据的益处，这预计需要在公共部门和私营部门的支持下付出巨大努力。为加快关键科学与工程的进步并将成果有效转换为实际使用，倡议应包括政府、行业、学术界的合作伙伴关系。

1）课前阶段。在混合式教学实施时，教师每周在课前将设计自主学习任务单和在线配套课程资源上传至蓝墨云端。课前自主学习任务单由四部分组成：①学习要达成的教学目标、学习的难点和重点以及学习方法、手段的建议等；②课前自主学习任务，请学生按照自己的节奏安排时间，观看配套资源及其他相关学习资料并阅读对应的教材章节；③自主进行学习效果检测，自学完学习材料后，完成配套的自测题目，并按照学习任务书单的提示自行检查课前学习效果；④仿真实验学习，根据提供的实验仿真模型，首先了解仿真模型各模块的功能，通过改变控制参数和负载类型，观察相关工作波形。

倡议必须桥接多个学科和研究领域，它们通常没有协作。为取得进步，需要在材料、电路和系统方面开展反复和协调研究。硬件和软件需要协同设计。需要在多个层面考虑安全问题，从芯片到应用层。设计时应考虑到制造问题。

政府、学术界和行业下一步要做的是基于本报告中所述的建议，确定一系列更详细的研究优先级。这样一个计划或路线图可以用来评估当前研究计划尚未妥善解决的差距，可以用来指导未来的计划。N-CITE倡议将为跨机构的以及公私之间的协作和协调提供一个框架。

2.发挥、保持和增强现有计划的作用

N-CITE倡议应建立在行业和政府支持的现有计划基础之上，这些计划主要关注于信息技术、半导体和纳米技术的长期研究。

2015年7月，通过行政命令，提出了国家战略计算倡议（NSCI），旨在实现高性能计算（HPC）的最大益处。NSCI奠定了百亿亿次计算系统的研究和开发框架，它将提供百倍于当前系统的性能。此外，再进一步，NSCI将创建一条通向未来HPC系统的道路，其能力将超越当前半导体技术的极限。这些目标与提议之N-CITE倡议的目标是一致的。

联邦政府的国家纳米技术倡议（NNI）包括在纳米电子学和纳米制造研究方面的重大投资。2010年，NNI建立了一系列签名倡议，专注于“具有国家级重要性的技术领域（通过加强跨部门的协调和协作，将取得更快进展）”的研究，包括2020年及以后的纳米电子学以及可持续发展的纳米制造业。NNI正在提出“重大挑战”，以引导更大的公私合作和参与，实现“大胆的但可实现的”、纳米技术激发的目标。正在考虑的“重大挑战”包括：创建不大于一粒米的设备，它可传感、计算和通信，它没有电线，且在10年内无需维护，它将启动一场“物联网”革命；创建速度快百倍而能耗更小的计算机芯片。这些重大挑战也将直接支持提议之N-CITE倡议。

其他的国家工作针对的是生物学和技术的聚合。主管部门的BRAIN（通过推进创新技术发展实现对大脑的深入研究）倡议，主要专注于更好地了解人类的大脑，将有助于开发脑启发计算。此外，半导体行业正在领导制定一个技术路线图，以实现电子学和先进生物学的交叉。路线图的五个主题是：基于DNA的大规模信息存储；高能效的、细胞启发的、基于细胞的物理和计算系统；智能传感器系统；生物系统设计自动化；以及有关半导体制造和集成的生物通路。

图1 对应所选机构的任务

提议之N-CITE倡议与这些跨部门和行业引导的活动相辅相成。进一步地，直接刺激开发下一代洞察计算系统将提供支持诸多美国政府机构的能力，以完成其各自的任务，如图1所示。

3.公私合作伙伴关系模式

实现真正的洞察计算系统将能满足政府的需求，通过政府-行业之间的协作，商业应用也将得到大大加快。半导体行业有着悠久的与政府合作历史，以确定和支持关键的平台技术研究，这些已帮助美国半导体行业保持竞争力和世界领袖地位。半导体研究公司（SRC）成立于1982年，在业界支持下，代表业界来管理这种类型的研究工作。如今，SRC涵盖众多的研究项目，其中许多通过与联邦研究机构建立合作伙伴关系来支持。半导体行业协会成立于1977年，负责提出公共政策方面的问题、提供教育、提出倡议，以通过研究和技术，来推动半导体行业的进步。

例如，DARPA和MARCO（SRC的一个附属机构）共同资助了半导体技术高级研究网络（STARnet）计划，包括TerraSwarm研究中心，它主要专注于智能、联网传感器和执行器普遍集成的研究。纳米电子学研究倡议（NRI）是一个由SRC成员公司组成的联盟，它与国家标准和技术研究院（NIST）、美国国家科学基金会（NSF）合作，主要专注于超越当前之计算技术的研究。此外，SRC和NSF还共同资助了不同领域众多有针对性的研究工作，如安全、可信、有保证、弹性的半导体和系统、耐故障系统以及多核芯片设计和架构。最后，在NIST先进制造技术联盟（AMTech）计划的支持下，SRC正在领导组建一个联盟以及制定一个旨在聚合半导体技术和先进生物学的路线图。

N-CITE倡议需要政府与行业合作伙伴之间的强有力协调，以便应对此处所述的研究挑战。半导体行业模式不仅提供了有利于整个行业的研究资金，而且增强了大学研究和学生教育，有利于联邦研究计划的通报，得到了公众对研究工作的支持，并消除了技术“从实验室到制造厂”的转化障碍。

除了建立在现有研究项目基础之上，N-CITE倡议还将发挥相关活动的作用，如IEEE关于重启计算的、企业范围的项目。

信息技术和基础设施未来展望

通过实现自动化制表以及发挥计算处理和编程作用来为企业和个人提供生产力，今天的计算机系统带来了巨大的经济效益和社会效益。未来新的洞察计算系统将永远改变人们与计算机系统的交互方式，帮助其扩展知识，并做出涉及极其巨大、快速变化之数据的复杂决策。这些未来的系统提供了大量的机会来改善我们的社会和日常生活。不过，需要开展许多研究，以应对数据日益丰富之世界带来的失控挑战。美国需要采纳和资助一个创新议程，创建一个新的引擎来驱动下一代人类经验、经济和社会进步、安全和可持续发展。

（翻译：盛开）