編者按：日前，美國SIA和SRC聯合發表了一份題為(wei) “半導體(ti) 十年計劃”的報告中，根據他們(men) 的說法，這個(ge) 計劃是由學術界，政府和工業(ye) 界各界領導者共同製定的，它確定了五個(ge) 方向，認為(wei) 它們(men) 將塑造芯片技術的未來。報告呼籲美國政府在未來十年內(nei) 每年進行34億(yi) 美元的聯邦投資，以資助這五個(ge) 領域的半導體(ti) 研發。

以下為(wei) 文章正文：

美國半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 在創新層麵領先全球，這主要得益於(yu) 在研發支出上的積極的投入。統計顯示，他們(men) 當中大部分企業(ye) 每年會(hui) 拿出近20%的收入用於(yu) 研發，這個(ge) 投入是僅(jin) 次於(yu) 製藥業(ye) 。此外，聯邦政府對半導體(ti) 研發的資助也成為(wei) 私人研發支出的催化劑。私營企業(ye) 和聯邦政府的半導體(ti) 研發投資共同維持了美國的創新步伐，使其成為(wei) 半導體(ti) 行業(ye) 的全球領導者。這些研發投資助推了創新和可商業(ye) 化產(chan) 品的發展，直接為(wei) 美國經濟和就業(ye) 做出了重大貢獻。

當前信息和通信技術(ICT)中的硬件-軟件(HW-SW)範式已經無處不在，這也得益於(yu) 軟件和算法、係統架構、電路、設備、材料和半導體(ti) 工藝技術等方麵的持續創新。然而，ICT要想在未來十年保持其增長率水平，正麵臨(lin) 著前所未有的技術挑戰。這些挑戰主要來自於(yu) 半導體(ti) 技術的各種基礎限製，這些限製降低了信息處理、通信、存儲(chu) 、感知和驅動的能源效率的世代改進。

長期可持續的ICT增長將依賴於(yu) 半導體(ti) 技術能力的突破，從(cong) 而使解決(jue) 信息處理效率問題的整體(ti) 解決(jue) 方案成為(wei) 可能。在軟件、係統、架構、電路、器件結構以及相關(guan) 的過程和材料等領域需要突破性的創新，這需要及時和良好協調的多學科研究努力。

為(wei) 了維持美國半導體(ti) 的地位，SRC和SIA共同推出這個(ge) 半導體(ti) 十年計劃中，囊括了信息處理、傳(chuan) 感、通信、存儲(chu) 和安全方麵的研究重點，以確保半導體(ti) 和ICT產(chan) 業(ye) 的可持續增長: 目前，信息和通信技術正麵臨(lin) 著五大重大變革，本報告也將從(cong) 幾大世界基礎技術的巨變開始探索，挖掘產(chan) 業(ye) 機會(hui) 。

以下為(wei) 五大重大變革：

巨變1：需要在模擬硬件方麵取得根本性的突破，才能產(chan) 生能夠感知、傳(chuan) 感和推理的用於(yu) 全球智能機器的接口;

巨變2：內(nei) 存需求的增長將超過全球矽供應，為(wei) 全新的內(nei) 存和存儲(chu) 解決(jue) 方案提供了機會(hui) ;

巨變3：持續可用的通信需要新的研究方向，解決(jue) 通信容量與(yu) 數據生成率之間的不平衡;

巨變4：硬件研究需要突破，以應對在高度互聯的係統和人工智能中出現的安全挑戰;

巨變5：不斷增長的能源需求的計算與(yu) 全球能源生產(chan) 正在創造新的風險共存，新的計算模式提供了極大提高能源效率的機會(hui) ;

根據SIA之前的報道，在半導體(ti) 新時代，要維持和加強美國在ICT領域的領導地位，需要在未來十年中每年持續增加34億(yi) 美元的聯邦投資(即將聯邦對半導體(ti) 研究的資金增加兩(liang) 倍)，以進行大規模的工業(ye) 相關(guan) 的基礎半導體(ti) 研究。(十年計劃執行委員會(hui) 就在“十年計劃”中確定的5個(ge) 重大轉變，對每年追加的34億(yi) 美元投資的分配提出建議。

分配的基礎是市場份額趨勢和我們(men) 對不同半導體(ti) 和ICT技術的研發需求的分析)。 而這個(ge) 十年計劃的主要目標包括：1、認清推動信息和通信技術發展的重要趨勢和應用，以及相關(guan) 的障礙和挑戰;2、定量評估將影響未來信通技術的五大巨變的潛力和狀況;3、確定改變半導體(ti) 技術當前發展軌跡的基本目標和指標。

巨變一：模擬硬件方麵需根本性突破

根據我們(men) 的預測，在未來，我們(men) 需要在模擬硬件方麵取得根本性的突破，這樣才能產(chan) 生能夠感知、傳(chuan) 感和推理的用於(yu) 全球智能機器的接口。 模擬電子處理現實世界中連續可變的多種形狀的信號(與(yu) 數字電子相比，數字電子通常是標準形狀，隻需要兩(liang) 個(ge) 電平，1或0)。模擬電子學領域包含多個(ge) 維度，如圖1所示。此外，所有人類可以感知的輸入都是模擬的，這就需要基於(yu) 超壓縮感知能力和低操作功率的世界機器接口的仿生解決(jue) 方案(圖2)。

圖1，模擬電子學的維度(左)

圖2，大腦的感知和推理能力是基於(yu) 超壓縮的感知能力，能夠減少10萬(wan) 個(ge) 數據，並且運算在很低的能耗上。

物理世界本質上是模擬的，而“數字社會(hui) ”對先進模擬電子設備的需求日益增加，以使物理世界和計算機世界之間的交互成為(wei) 可能。“感知我們(men) 周圍的環境是下一代人工智能的基礎，下一代人工智能設備將具備感知和推理能力。全球機器界麵是當前以信息為(wei) 中心的經濟的核心。例如，下一波先進製造革命預計將來自下一代模擬驅動的工業(ye) 電子，包括傳(chuan) 感、機器人、工業(ye) 、汽車、醫療等。對於(yu) 關(guan) 鍵任務應用，電子元件的可靠性是優(you) 先考慮的問題。例如，如今模擬芯片占汽車電子產(chan) 品故障的80%，比數字芯片的故障嚴(yan) 重十倍。

從(cong) 物理世界產(chan) 生的估計總模擬信息相當於(yu) ~1034位/秒。作為(wei) 參考，人類總感覺吞吐量在~1017位/秒(圖3)。因此，我們(men) 感知物理世界的能力明顯受到限製。未來的模擬電子技術有巨大的機會(hui) 來增強人類的感知係統，這將產(chan) 生重大的經濟和社會(hui) 效應。比如，針對人類感知和認知係統打造的多媒體(ti) ，囊括神經係統接口和通信技術。

這將產(chan) 生以人為(wei) 中心的新技術，如基於(yu) 多感覺的醫療診斷和治療，帶有虛擬香氣合成器的完全虛擬現實，或基於(yu) 室內(nei) 空氣質量的主動氣味消除。這可以導致新的以人為(wei) 中心的技術，如多傳(chuan) 感為(wei) 基礎的醫學診斷和治療，完全虛擬現實與(yu) 虛擬香氣合成器，或基於(yu) 室內(nei) 空氣質量的主動氣味消除。

圖3：世界已安裝傳(chuan) 感能力的發展趨勢

今天，生成模擬數據的能力比我們(men) 智能使用數據的能力增長得更快。在不久的將來，這種情況將變得更加嚴(yan) 重，來自我們(men) 生活和物聯網傳(chuan) 感器的數據可能會(hui) 產(chan) 生模擬數據洪流，在我們(men) 最需要的時候掩蓋有價(jia) 值的信息。傳(chuan) 感器技術正經曆著指數級增長，預計到2032年將有45萬(wan) 億(yi) 傳(chuan) 感器，每年將產(chan) 生100萬(wan) zettabytes(1027字節)的數據。這相當於(yu) ~1020 bit/秒，從(cong) 而超過了人類感知的總體(ti) 吞吐量。

因此，從(cong) 預測的數據洪流中提取關(guan) 鍵信息並以適當的方式加以應用是駕馭數據革命的關(guan) 鍵。所以，模擬的宏偉(wei) 目標是通過革命性的技術以更少的能耗和數據位來增加有用的/可操作的信息，例如以105:1的實際壓縮/減少比來減少感知-模擬-信息。

對於(yu) 許多實時應用程序，感知數據的價(jia) 值是短暫的，有時隻有幾毫秒。數據必須在該時間範圍內(nei) 使用，在許多情況下，出於(yu) 延遲和安全考慮，必須在本地使用。因此，追求信息處理技術的突破性進展，如開發分層感知算法，使從(cong) 原始傳(chuan) 感器數據理解環境是一項基本要求。新的計算模型，如模擬“近似計算”是必需的。這與(yu) 本文後麵概述的發現一個(ge) 全新的“計算軌跡”的宏偉(wei) 目標#5是一致的。

新的模擬技術也可以為(wei) 通信技術提供巨大的進步。即使在計算機對計算機通信中，在長距離時也需要模擬接口。在輸入/輸出(I/O)邊界收集、處理和通信模擬數據的能力對未來的物聯網和大數據至關(guan) 重要。模擬技術在太赫茲(zi) 領域的發展將需要未來的傳(chuan) 感和通信需求。 行動呼籲 模擬接口連接物理世界和數字世界。我們(men) 通過模擬信號獲取物理世界信息的集體(ti) 能力比可用信息低10000億(yi) 倍，很快就需要在模擬電子學方麵取得突破性進展。新的方法來感知，如感知行動，模擬“人工智能”(AI)平台，大腦啟發/神經形態和分層計算，或其他解決(jue) 方案將是必要的。

信息處理技術的突破性進展，如開發感知算法，使人們(men) 能夠從(cong) 原始傳(chuan) 感器數據中了解環境是一項基本要求。新的計算模式，如模擬“近似計算”， 可以交換能量和計算時間與(yu) 輸出的準確性(大概大腦是這樣做的)是必需的。新的模擬技術將給通信技術帶來巨大的進步。在輸入/輸出邊界收集、處理和通信模擬數據的能力對未來的物聯網和大數據世界至關(guan) 重要。

此外，模擬開發方法需要在生產(chan) 力上有一個(ge) 步驟的提高(10倍或更大)，以及時解決(jue) 應用程序爆炸問題。總之，合作研究建立革命性的模式，為(wei) 未來節能模擬集成電路的廣泛的未來數據類型，工作量和應用是必要的。 在這十年裏，每年向模擬電子產(chan) 品的新發展軌跡投資6億(yi) 美元。選定的優(you) 先研究主題概述如下：

宏偉(wei) 目標1： 模擬到信息的壓縮/減少，實際壓縮/減少比為(wei) 105:1，以一種更類似於(yu) 人類大腦的方式驅動對信息和“數據”的實際使用。

巨變二：全新的內(nei) 存和存儲(chu) 解決(jue) 方案

我們(men) 認為(wei) ，在未來，內(nei) 存需求的增長將超過全球矽的供應，這為(wei) 全新的內(nei) 存和存儲(chu) 解決(jue) 方案提供了機會(hui) 。 隨著設備、電路和架構方麵的重大創新，未來ICT需要有在內(nei) 存和存儲(chu) 技術方麵的全新解決(jue) 方案。到這個(ge) 十年結束時，ICT能耗和性能的持續改進將變得停滯不前，因為(wei) 作為(wei) 底層存儲(chu) 器，存儲(chu) 技術將麵臨(lin) 規模限製。

與(yu) 此同時，用於(yu) 人工智能應用的訓練數據正在爆炸式增長，而且沒有任何限製。越來越清楚的是，在未來的信息處理應用中，從(cong) 材料和設備到電路和係統級功能的協同創新，很可能使用尚未探索的物理原理，將是實現比特密度、能源效率和性能新水平的關(guan) 鍵。

全球對數據存儲(chu) 的需求呈指數級增長，這就需要過多的物質資源來支持正在發生的數據爆炸，今天的存儲(chu) 技術在不久的將來將無法持續。因此，數據/信息存儲(chu) 技術和方法需要新的根本解決(jue) 方案。圖4顯示了全局數據存儲(chu) 需求的預測—包括保守估計和上限。如圖4所示，未來的信息和通信技術將產(chan) 生大量的數據，遠遠超過今天的數據流。

目前，信息的生產(chan) 和使用呈指數級增長，到2040年，全球存儲(chu) 的數據量估計在1024(10的24次方)到1028(10的28次方)bit之間。值得注意的是，雖然在最終擴展的NAND閃存中單個(ge) 比特的重量為(wei) 1皮克(10-12克)，但存儲(chu) 1026(10的26次方)位的矽晶圓的總質量約為(wei) 1010(10的10次方)千克，這將超過世界上總的可用矽供應量(圖5)。

圖4：全球對內(nei) 存和存儲(chu) 的需求，預計將超過全球可轉換成矽晶圓的矽量。

全球對傳(chuan) 統矽基存儲(chu) 器的需求呈指數級增長(圖4)，而矽的產(chan) 量僅(jin) 呈線性增長(圖5)。這種差異讓基於(yu) 矽的內(nei) 存在20年內(nei) 對於(yu) Zetta規模的“大數據”部署來說將變得非常昂貴。

宏偉(wei) 目標# 2: 開發>10-100X密度的新興(xing) 存儲(chu) 和存儲(chu) 載體(ti) ，並對每個(ge) 層次的存儲(chu) 結構提高能效。 宏偉(wei) 目標# 2 b: 宏偉(wei) 目標#3b:發現具有>100x存儲(chu) 密度能力的存儲(chu) 技術，以及能夠利用這些新技術的新存儲(chu) 係統。

圖5：全球矽晶圓供應：1990-2020年數據變化及未來趨勢預測

此外，內(nei) 存如DRAM，是一個(ge) 重要的組成部分。如果不“重塑”計算內(nei) 存係統，計算機的進一步發展是不可能的，這裏的“重塑”包括設備的物理層麵，內(nei) 存架構和物理層的實現。例如，傳(chuan) 統的嵌入式非易失性存儲(chu) 器不能被擴展到28納米以下，因此需要替代品。

最後，新的內(nei) 存解決(jue) 方案必須能夠支持多種新興(xing) 應用，例如人工智能、大規模異構高性能和數據中心計算，以及滿足汽車市場惡劣環境要求的各種移動應用等。

行動呼籲 在存儲(chu) 器和數據存儲(chu) 方麵的根本性底層的突破很快就會(hui) 被要求。產(chan) 業(ye) 鏈需“從(cong) 材料到設備，到電路，再到架構，處理和解決(jue) 方案”進行合作研究，為(wei) 未來的廣泛應用提供高容量節能存儲(chu) 器和數據/信息存儲(chu) 解決(jue) 方案是必要的。

在這十年裏，每年在存儲(chu) 器和存儲(chu) 的新發展軌道上投資7.5億(yi) 美元。選定的優(you) 先研究主題概述如下：

巨變三：通信需要新的研究方向

根據我們(men) 的觀點，持續可用的通信需要新的研究方向，解決(jue) 通信容量與(yu) 數據生成率之間的不平衡，是我們(men) 必須關(guan) 注的又一個(ge) 重點。 發達國家的現狀是以隨時可用的通訊和連接為(wei) 特征的，這對生活的各個(ge) 方麵都產(chan) 生了巨大的影響。雲(yun) 存儲(chu) 和計算就是這方麵的一個(ge) 表現。從(cong) 任何地方獲取數據並將其發送到任何地方的能力已經改變了我們(men) 商業(ye) 方式以及個(ge) 人習(xi) 慣和生活方式。社交網絡就是一個(ge) 例子。

然而，雲(yun) 的主要概念是基於(yu) 持續連接的假設。此外，隨著我們(men) 之間的聯係越來越緊密，對交流的需求也越來越普遍。如圖6所示，世界技術信息存儲(chu) 需要與(yu) 通信能力之間的差距日益擴大，這是一個(ge) 令人擔憂的趨勢。例如，雖然目前傳(chuan) 輸全世界存儲(chu) 的數據在不到一年的時間內(nei) 是可能的，但預計到2040年傳(chuan) 輸至少需要20年。

全球存儲(chu) 和通信的交叉預計將在2022年左右發生，這可能對ICT產(chan) 生巨大影響。盡管人工智能係統的邊緣計算日益增長，以滿足隱私和更快的響應時間，產(chan) 生和存儲(chu) 的信息爆炸將需要雲(yun) 存儲(chu) 和通信基礎設施的巨大增長。

圖6：交叉點表示產(chan) 生的數據超過了世界技術信息存儲(chu) 和通信能力，造成了數據傳(chuan) 輸的限製。

宏偉(wei) 目標# 3a： 先進的通信技術，以1Tbps@<0.1nJ/bit的峰值速率，使所有存儲(chu) 的100-1000 zettabyte/年的數據能夠移動。

宏偉(wei) 目標# 3 b： 開發智能和敏捷的網絡，有效地利用帶寬來最大化網絡容量。

行動呼籲 為(wei) 了滿足日益增長的需求，通信需要徹底的進步。例如，雲(yun) 技術可能會(hui) 發生重大變化，重點將轉向邊緣計算和本地數據存儲(chu) 。

寬帶通信將從(cong) 智能手機擴展到增強現實、虛擬會(hui) 議和智能辦公室設置。新功能將通過新的用例和新的垂直市場豐(feng) 富用戶體(ti) 驗。這需要跨越廣泛議程的合作研究，旨在建立革命性範式，以支持未來大容量、節能通信的廣泛應用。

美國能源部科學辦公室在2020年3月發表了一份報告，以確定先進無線技術的潛在機遇和探索科學挑戰挑戰將包括無線通信技術擴展到THz區域，無線和有線技術的相互作用，網絡加密的新方法，越來越重要的安全，毫米波的新架構，設備技術，以維持帶寬和功率要求，封裝和熱控製。 在這十年裏，每年投資7億(yi) 美元在新的通訊技術。選定的優(you) 先研究主題概述如下：

巨變四：硬件研究需要突破

根據我們(men) 的觀察，在未來，硬件研究需要突破，以應對在高度互聯的係統和人工智能中出現的安全挑戰。 當今高度相互關(guan) 聯的係統和應用程序需要安全和隱私(圖7)。公司網絡,社交網絡和自治係統都是建立在可靠和安全通信的假設, 但也麵臨(lin) 各種威脅和攻擊，從(cong) 敏感數據的泄露到拒絕服務。隨著新用例、新威脅和新平台的出現，安全和隱私領域正在經曆快速的變化。例如，量子計算的出現將帶來新的威脅向量，這將給現有的加密方法帶來漏洞。

因此，必須開發新的抗量子攻擊的加密標準，並考慮到這些標準對係統性能的影響。此外，隱私已經成為(wei) 一個(ge) 主要的政策問題，越來越受到全球消費者和政策製定者的關(guan) 注。提高隱私的技術方法包括在收集或發布數據時混淆或加密數據。

在另一個(ge) 方向，設備已經滲透到物理世界方方麵麵，因此對這些設備的信任就變成了安全問題。而且，安全從(cong) 未如此重要。係統的安全性和可靠性除了傳(chuan) 統的隨機故障和物理世界係統的退化問題外，還需要考慮惡意攻擊。網絡物理係統的安全需要考慮如何即使在攻擊後仍能正常運行或失敗。我們(men) 需要智能算法，通過篩選上下文數據，以評估信任，做安全的傳(chuan) 感器融合隨著時間的推移。

這是一個(ge) 困難的問題，因為(wei) 上下文數據具有巨大的多樣性和數量——未來的係統實際上是具有無限通信和信令可能性的係統。例如，汽車可以相互通信，也可以與(yu) 路邊的基礎設施。像人類一樣，我們(men) 需要增強係統的智能來信任或不信任他們(men) 所感知到的一切。

圖7：安全的係統視圖 我們(men) 的硬件也在變化。

複雜性是安全的大敵，由於(yu) 性能和能效的驅動因素，如今的硬件平台極其複雜。現代片上係統設計包含了一係列特殊用途加速器和IP模塊。這些係統的安全架構是複雜的，因為(wei) 這些係統現在是微小的分布式係統，我們(men) 必須建立分布式安全模型與(yu) 不同的信任假設為(wei) 每個(ge) 組件。此外，這些組件通常來自第三方，這意味著硬件供應鏈需要信任。

對性能的追求也導致了微架構中的一些微妙問題。例如，許多現有的硬件平台很容易受到投機性執行側(ce) 信道問題的影響，這一點在Spectre(幽靈)和Meltdown(熔斷)中得到了曝光。在這些問題和其他問題的驅動下，未來需要全新的硬件設計。

今天的主要工作是人工智能。許多安全係統，例如，使用異常檢測來識別攻擊或使用功能分析的上下文認證。AI的能力在不斷增強，這些可信係統的應用也在不斷增長。然而，人工智能對這些係統的可信度尚不清楚。這不僅(jin) 是安全係統的問題，而且即使是具有隱含信任假設的一般係統，例如，在自動車輛中的視覺對象檢測，也是一個(ge) 問題。研究人員已經表明，對圖像的小的擾動可以使神經網絡模型產(chan) 生錯誤的結論。

一個(ge) 放置在停車標誌上的小貼紙可以使一個(ge) 模型歸類為(wei) 限速45標誌。其他深度學習(xi) 係統的應用也有類似的信任問題：語音識別的輸出可能會(hui) 被潛移默化的音頻變化所操縱，或者惡意軟件可能會(hui) 因為(wei) 二進製文件的微小變化而無法被發現。深度學習(xi) 模型的脆弱性與(yu) 其不可預測性有關(guan) 。神經網絡是沒有解釋其決(jue) 策的黑匣子。

神經網絡的其他重要問題是算法偏差和公平性。我們(men) 需要一些方法來讓深度學習(xi) 係統更加可信、可解釋和公平。 最後，在過去的十年裏，我們(men) 必須保護的係統變得無比複雜。雲(yun) 已經成為(wei) 外包計算和存儲(chu) ，同時保持控製的標準。我們(men) 仍在努力應對雲(yun) 計算帶來的安全挑戰——多租戶、供應商保證和隱私——同時雲(yun) 計算產(chan) 品的複雜性繼續增加。雲(yun) 現在提供了可信的執行環境以及專(zhuan) 門的、共享的硬件和軟件。

與(yu) 此同時，人們(men) 對邊緣計算越來越感興(xing) 趣，因為(wei) 我們(men) 意識到雲(yun) 缺乏附近計算基礎設施的性能和隱私保障。邊緣的異構本質意味著對邊緣計算服務提供商的信任是一個(ge) 主要問題，當然，物聯網設備的安全性多年來一直困擾著我們(men) 。

必須讓資源有限、成本低廉的設備更容易實現安全發展。即使在安全設計上小心謹慎，極端環境也會(hui) 造成困難。使問題複雜化的是，各個(ge) 級別的係統都變得更加複雜——現代芯片係統設計包含了一係列特殊用途的加速器和IP塊，基本上是小型分布式係統，我們(men) 必須為(wei) 每個(ge) 組件建立分布式安全模型，並對其進行不同的信任假設。

行動呼籲 今天的係統在智能化和普遍性方麵的增長速度是驚人的。與(yu) 此同時，這些係統不斷增加的規模和複雜性迫使硬件專(zhuan) 門化和優(you) 化以應對性能挑戰。所有這些性能上的進步必須與(yu) 安全和隱私方麵的進步齊頭並進。例如，保護機器學習(xi) 或傳(chuan) 統密碼學中的弱點，保護個(ge) 人數據的隱私，以及解決(jue) 供應鏈或硬件中的弱點。

宏偉(wei) 目標4： 開發與(yu) 技術同步的安全和隱私進步，新的威脅和新的用例，例如可信和安全的自主和智能係統，安全的未來硬件平台，以及新興(xing) 的量子後和分布式密碼算法。

在這十年裏，每年投資6億(yi) 美元用於(yu) 信息通信技術安全的新發展。選定的優(you) 先研究主題概述如下：

巨變五：新的計算模式

在我們(men) 看來，不斷增長的能源需求的計算與(yu) 全球能源生產(chan) 正在創造新的風險共存，新的計算模式提供了極大提高能源效率的機會(hui) 。 計算技術的快速發展為(wei) 幾乎每一個(ge) 細分市場的每一代產(chan) 品提供了更強的功能，包括服務器、PC、通信、移動、汽車和娛樂(le) 等。這些進步是由私營企業(ye) 和政府數十年的研發投資帶來的，在計算速度、能源效率、電路密度和成本效益生產(chan) 能力方麵呈指數級增長。在軟件和算法、係統架構、電路、設備、材料和半導體(ti) 工藝技術方麵的持續創新，已經成為(wei) 這一增長速度的基礎。

雖然這一趨勢已經持續了幾十年，成功地克服了許多技術上的挑戰，但現在人們(men) 認識到傳(chuan) 統計算在能源效率方麵已經接近基本極限，因此產(chan) 生了更難克服的挑戰。因此，在信息表達、信息處理、通信和信息存儲(chu) 方麵的爆炸式創新對於(yu) 可持續的經濟增長和美國的技術領先地位都是迫切和關(guan) 鍵的。

隨著每年計算量的增加，用於(yu) 支持這些計算的bit數也會(hui) 增加。預計到2050年，我們(men) 將處理近1044bit。如圖8a所示，通用計算的總能耗繼續呈指數增長，大約每三年增長一倍，而世界能源產(chan) 量僅(jin) 呈線性增長，每年增長約2%。

不斷增長的全球計算能量是由不斷增長的計算需求驅動的(圖8b)，盡管如此，計算處理器單元(例如CPU、GPU、FPGA)中每一位轉換的芯片級能量在過去40年中一直在減少(如摩爾定律所示)，當前處理器中為(wei) 10 aJ或10-17 J。 然而，對計算增長的需求正在超過摩爾定律的發展。摩爾定律目前正在放緩，因為(wei) 器件規模正在接近基本物理極限。如果計算能量的指數增長不受限製，市場動態將限製計算能力的增長，這將導致能源曲線變平(圖8a中的“市場動態限製”場景)。因此，需要在計算的能源效率的根本改進，以避免“限製”的情況。 基本的難題是計算中的比特利用率，即實現一個(ge) 計算指令所需的單位比特轉換數。

當前的CPU計算軌跡是由一個(ge) 功率公式(如圖9所示)描述的，其指數由p~2⁄3限定。觀測軌跡和指數值的理論基礎沒有被清楚地理解，因此計算的理論基礎需要進一步發展。可以發現，如果可以將公式中的指數增加~30%，計算效率和能源消耗將有一個(ge) 100萬(wan) 倍的改善。如圖9所示，圖中“新軌跡”說明這一點。

圖8a：計算的總能量：實黃線表示在提高設備能量性能的同時，繼續當前計算軌跡。虛線表示“市場動態限製”的場景阻止了世界計算能力的進一步增加，導致能源曲線趨平。藍色的方框表示一個(ge) 全新的計算軌跡被發現的場景。

圖8 (b): 2010-2050年世界計算信息的技術裝機容量(簡寫(xie) 為(wei) zip)。純黃色的線表示當前的趨勢(根據Hilbert和Lopez4的研究)。黃色虛線表示一種“市場動態有限”的情況，這種情況下，由於(yu) 能源容量有限，世界計算能力將停止進一步增長。藍框表示一個(ge) 全新的計算軌跡被發現的場景。

圖9：當前的CPU計算軌跡 行動呼籲 人們(men) 很快就會(hui) 要求計算機技術發生革命性的變化。計算負荷繼續呈指數級增長，“人工智能”應用和訓練需求的增長就是證明。

新的計算方法，如存內(nei) 計算，特殊用途的計算引擎，不同的人工智能平台，大腦啟發/神經擬態計算，量子計算，或其他解決(jue) 方案將是必要的，並將需要以異構的方式組合。潛在的異構計算架構描述的範圍在最近的國家科學技術委員會(hui) (NSTC)報告中，聲稱將需要一個(ge) 跨學科，跨職能的方法來實現商業(ye) 上可行的和可製造的解決(jue) 方案和長期存在的可能(至少十年)，以取代主流的數字方法。

本文件旨在激發合作研究“從(cong) 材料到架構和算法”，以建立革命性的範式，支持未來節能計算的廣泛的未來數據類型，工作量和應用。有關(guan) 其他背景，見美國能源部科學辦公室，微電子基礎研究需求研討會(hui) 報告。 在這十年裏，每年投資7.5億(yi) 美元來改變計算方式發展軌跡。選定的優(you) 先研究主題概述如下

總裁兼首席執行官John Neuffer表示：“聯邦政府和私營部門對半導體(ti) 研發的投資推動了美國半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 的創新步伐，推動了整個(ge) 美國和全球經濟的飛速增長。”

“然而，隨著我們(men) 進入一個(ge) 新時代，有必要重新關(guan) 注公私研究夥(huo) 伴關(guan) 係，以應對芯片技術麵臨(lin) 的巨大變化。聯邦政府必須在半導體(ti) 研究上進行雄心勃勃的投資，以使美國在半導體(ti) 及其帶來的改變遊戲規則的未來技術方麵保持領先地位。”John Neuffe說。

SRC總裁兼首席執行官Todd Younkin博士說：“未來將為(wei) 半導體(ti) 技術帶來無限的潛力，人工智能，量子計算和先進的無線技術等新興(xing) 應用有望帶來不可估量的社會(hui) 效益。” “十年計劃為(wei) 我們(men) 如何將這種潛力轉化為(wei) 現實提供了一個(ge) 藍圖。通過共同努力，我們(men) 可以促進半導體(ti) 技術的發展，使其保持強大的競爭(zheng) 力，並處於(yu) 創新浪潮的頂端。”