芯片产业的下一代路线图

美国半导体研究公司(SRC)新任总裁兼首席执行官Todd Younkin日前接受《半导体工程》杂志采访，畅谈工程师职业、研发趋势以及芯片技术未来十年的发展前景。以下是那次谈话的节选。

SE:作为一家总部位于美国的芯片财团，SRC的章程是什么?

Younkin当前位置半导体研究公司(简称SRC)是一家成立于20世纪80年代初的财团。当时，驱动因素主要是2D扩展、III-V设备、封装、互连和架构创新。但本质上，我们一直在做的是拥抱学术研究人员，将他们视为好想法的来源，并确保他们基于有趣的问题，如果这些问题得到解决，将使行业受益并被行业采用。

SE: SRC帮助开发研发项目，然后为这些项目分配资金，对吗?

Younkin:我们主要资助大学，目前在全球签约了130多所大学。第一步是SRC与工业界和政府合作，确定一个研究项目的征求意见并获得财政支持。第一步是定义问题，类似于darpa的模型。我们把征集内容放到了公开领域。我们相信，竞争是创新和创意的最佳源泉。大学教师通常分两个阶段提交提案，这使我们能够与业界和政府合作，提供反馈，加强最初的概念。我们的理念是，当项目开始时，你就可以参与进来，让它变得更好。这是你开始问难题的时候，或者问为什么有些东西行不通，并从中吸取教训。SRC与项目成员共享这些信息。

SE: SRC是由公司、政府和大学资助的吗?

Younkin:简而言之，我们的主要资金来源是我们的21个行业会员。第二来源是政府资金，其中美国国防部高级研究计划局是我们的高级合作伙伴，通过他们的电子复兴计划或ERI。我们还与NIST和NSF合作多年。我们确实有一些大学为选定的项目提供成本分担。这是我们投资的第三个也是较小的支柱。

SE:美国是半导体行业的主要创新者。然而，有一种看法认为，与其他国家相比，美国在资助基础研究方面落后了。总的来说，美国的半导体研发状况如何?

Younkin总的来说，美国的生态系统有点两极分化。我们非常擅长早期创意和商业化。但我们已经远离了这两种追求之间的空间。我看到其他国家并不害怕应用创新空间，或者他们似乎并不回避连接研究和商业化空间的挑战。出于这样或那样的原因，美国的激励制度在中间地带造成了一个巨大的真空。我担任SRC首席执行官的部分原因是我喜欢中间立场，并将SRC视为我们生态系统成功的一个重要因素。我们正在与教师合作，形成更广泛和更有思辨性的想法，试图将它们提炼出来付诸实践，并将它们交给行业。但我们的规模不大。虽然我们的预算远不及国家科学基金会(NSF)或国防部高级研究计划局(DARPA)，但我们在全球有很大的影响力，因为我们不怕中间地带。

SE:中国政府正在投入1500亿美元资金发展半导体产业。欧盟(EU)最近启动了一项数十亿美元的半导体计划。美国政府是否需要加大力度，为美国半导体产业提供更多资金，以帮助赶上其他国家?

Younkin:在这个空格中，政府是正确答案。我们的政府将帮助发现和解决有利于社会的重大挑战。半导体以及信息和通信技术的投资正是如此。半导体是美国最大的出口产品之一。它们提供了无数的就业机会，是全球领导力的源泉。但同样，这是一个将工业界和学术界分开的两分激励体系。政府可以帮助激励和创造能量。人才是昂贵的。这里需要投资。你还需要在正确的时间强调并解决正确的问题。 So, that’s where the government can step in. I was pleased to see that the National Defense Authorization Act (NDAA) legislation recently passed by Congress. It is evidence of the increased appetite for semiconductor R&D that disseminates from the U.S. industry. Academics have been working with SIA and other channels to help government connect the dots between what society gets if we invest and what it loses if we don’t.

SE:还需要做些什么?

Younkin:我们需要尝试借鉴中国和欧盟做得好的地方，在有意义的地方进行合作，不要把资金分散得太分散，以至于我们使它们变得无效，增加的投资得不到任何回报。我希望看到的是一些明智的短期胜利，将生态系统提升到一个新的水平。我还希望看到关于人们如何合作并创造出比个别部分的总和更大更好的东西的明智讨论。SRC在多方合作方面有着出色的记录。

SE:尽管如此，中国在半导体行业的支出仍超过了美国和其他国家。美国怎么能跟上?

Younkin基于我们的集体经验和对创新的共同兴趣，我们仍然具有优势。我们不能指望做的是争辩说我们将需要或获得中国级别的资金。这种情况不会发生。但我们可以明智地使用我们的资源和我们必须获得和保持竞争优势的部分。我认为，如果我们停留在过去的成就上，不创新，不求知若渴，我们就会陷入麻烦。我们必须拿着这些新资金说，‘我们能做什么才能在未来10年真正领先?我们怎样才能一起做到这一点，才能迅速做到，作为一个整体从错误中吸取教训，并保持领先。”

SE: IC行业对工程师和相关技术领域的需求正在增加，但公司很难找到足够的人才。简单地说，美国和其他地方都存在人才短缺。我们如何培养新的半导体劳动力，我们如何让更多人对这个行业感兴趣?

Younkin我从2001年开始做化学家和材料科学家。我对将事物缩小到化学和原子尺度感到兴奋，这是材料科学家、电气工程师和许多计算机工程师进入这个行业的一个令人信服的理由。近年来，这一渠道已开始明显枯竭。为了吸引人才，我们必须分享一些我们不知道如何解决的难题，并试图说明这些难题令人兴奋的原因。我们必须向聪明的人展示，在未来20到30年里，存在着令人着迷的机会，那种你可以作为科学家或工程师建立职业生涯的机会。我们必须设法使他们参与解决这些问题。例如，你有神经形态计算或者大脑启发的计算，这很有前途，但也很复杂。量子计算而且光子学是非常令人兴奋的前沿领域，正在取得巨大进展。年轻的学生群体不太接受2D缩放的故事。这种说法并没有进入他们的内心和思想。我们必须寻求一种新的叙事，帮助学生理解现在可能是加入半导体行业最激动人心的时刻。未来是光明的。

SE: SRC和SIA最近发布了一个名为“半导体十年计划”的中期十年计划。这份报告概述了未来十年的芯片研究和资助重点，对吧?

Younkin:对。SRC与来自政府、学术界和工业界的科学家合作，花了两年时间制定了这份报告，将作为我们迈向2030年及以后的指南。与新加坡航空公司合作，我们已经要求额外的34亿美元联邦研发资金，以推动智能传感、内存和存储、通信、安全和能源效率这五个重大转变的发展。完整的报告在出版商那里，很快就会发布。在这篇文章中，我们希望业界能够找出他们自己的研发挑战或新兴挑战，并加入我们的讨论。我们呼吁对下一波材料和硬件创新做出更大的集体承诺，其中集成对于实现我们都在寻求的人工智能、5G+和量子计算的全部潜力至关重要。这包括单片集成、异构集成和包含2.5D/3D的元素包装，加上我们甚至还没有开始构思或研究的技术。我们必须致力于将设备创新、材料、设计、包装、制造和劳动力发展作为一体化需求的基本要素。

SE: SRC正在研究哪些技术和/或项目?

Younkin:从包装的角度来看，我们在逻辑和射频交叉方面的工作是一个很有前途的项目。投资于5克在美国，射频的数字前端已经取得了惊人的进展。我们正在努力将先进的RF元件与逻辑、内存、fpga甚至gpu一起放在一个包中。但是有重大的热管理和形状因素的挑战。此外，解决这两个传统上独立领域的交集的专业知识或诀窍也较少。所以我们的研究人员正在考虑SoC/SiP以及设计/架构的权衡，以及朝着芯片驱动和打包解决方案的方向发展。这些投资由与加州大学圣巴巴拉分校和圣母大学的合作推动。与学者分享的行业见解在这里非常有用。

SE:那小纸片呢?

Younkin:我们一直在关注单片集成和2.5D/3D封装技术。其他人已经研究它很多年了。在未来的几年里，分解计算解决方案的组装将有许多研发机会。这是我们行业快速发展的一部分。

SE:如今，芯片制造商继续沿着逻辑扩展路线图前进，在生产中采用5nm工艺，在研发中采用3nm及以上工艺。那么逻辑缩放呢?你怎么看?

Younkin:我相信工程师和人类的创新，并相信基于我所看到的技术，驱动先进逻辑的公司至少在未来十年还会继续这样做。但是每个后续节点都需要大量的人力资本，稍有不慎就会付出高昂的代价。与此同时，芯片领域价值创造的范式正在迅速改变。公司必须通过SoC/SiP的进步来增强他们的产品组合，包括3D单片集成、新的内存类型、包装创新、新的加速器，以及很快兴起的新一代人工智能架构。通过这些改变，他们需要实现传统上通过2D缩放实现的性能提升。这非常艰难。在SRC，我们一直专注于这个方程的第二部分。我们正在教育员工，使他们能够成功地转向新的集成方案、新软件包和新架构。

SE: SRC还在研究哪些其他技术?

Younkin:我们很高兴看到快速进展的研究领域之一，是我们一直在通过新的计算机架构或基于fpga的实现来加速基因组测序的工作。虽然大部分研究都广泛地针对基因组学，但这项工作能够迅速转向，帮助应对与Covid-19相关的挑战。我们在加州大学圣地亚哥分校做了一些很好的工作，能够加速当地的测试，并帮助这座城市。在提高基因组测序技术的同时，真正的机会在于提供个性化的医疗保健解决方案。例如，如果你患有某种癌症，我也患有同样的癌症，我们可能得到的治疗将会非常不同，这是基于我们自己的测序和医生可以了解我们个人情况的一切。只有当我们能够将计算解决方案降低到一个合理的价格点，使其变得快速和可访问时，这才有可能实现。所以这是一个非常有趣的挑战，我们过去几年一直在努力，并将继续追求。

SE: SRC在生物技术领域还做了什么?

Younkin:我们有一个叫做半导体合成生物学的项目。这项工作的一个方面是观察神经元，并研究如何将它们描述为我们所了解和喜爱的设备。他们的特点是什么?我们能从生物学和电子工程的融合中学到什么?这对医疗技术和医疗设备行业来说意味着什么?我们一直在探索可植入设备和非植入支架。因此，我们越来越多地看到生物和纳米的融合，作为一个新兴的机会，为社区和医疗技术的新伙伴的进入。

SE:在地平线上还有什么?

Younkin:我们在卡耐基梅隆大学对增强现实、虚拟现实和混合现实进行了额外投资。那里的研究人员已经创建了一个名为ARENA的沉浸式跨国虚拟现实中心，在那里他们可以引入数字双胞胎——现实世界中的一些东西和虚拟世界中的一些东西——并让它们在一个平台上同步。信息在全国范围内通过类似的会议实时共享。这是一个刚刚起步的研究项目，但老实说，自从去年3月我们开始远程工作以来，这是我见过的最好的技术。

SE:我想SRC和它的合作伙伴都在关注人工智能，对吧?

Younkin人工智能的研究和想法无处不在，尤其是在SRC。在人工智能我们的研究人员之一是加州大学圣地亚哥分校的Tajana Rosing教授，他一直在推动高维计算。这是着眼于非常大的数据阵列，并试图理解如何在几个数量级的改进中处理它们。这是一个引起人们极大兴趣的领域。架构看起来很吸引人。速度提高了几个数量级。但问题仍然是，我们如何在近期内将其转化为可编程工作芯片?我觉得我们还没有答案。这就是为什么我们要花费大量的时间来推动硬件和软件架构师之间的共享对话。他们需要与对方进行更多的交谈，以获得有意义的整体收益。

SE:这项技术能带来什么?

Younkin当前位置通过在硅芯片上模拟人脑的能力，超维计算有望解决未来几年我们面临的信息爆炸问题。要做到这一点，超维计算需要更大的数据量。与32位或64位计算不同，HD方法将包含包含10,000位或更多的数据。但为了充分发挥其潜力，我们的研究人员必须继续开发新的编码和解码策略，快速算法，并推动有意义的硬件演示。

SE:你的一些努力正在取得成果，并催生了新的项目，对吗?

Younkin当前位置我们的一些工作已经发展壮大，毕业了，开始了新的生活。在我们DARPA的合作伙伴关系中有一个SRC研究项目由伊利诺伊大学领导，叫做SONIC。它试图从香农启发的通信中吸取教训，并将其提炼成能够以容错方式运行的计算机芯片设计。随机计算是描述它的另一种方式。你不依赖于任何给定设备的确定性解决方案总是正确的，而是使用系统和随机变化来设计更像大脑的芯片。这些芯片遵循80/20规则，利用可用的信息尽其所能，提供快速、准确、高效的计算解决方案。作为该项目的一个组成部分，研究人员开发了一种被称为超级奈奎斯特密度心电图的原型，这是一种神奇的耳机，能够从人类视觉皮层捕捉到比标准脑电图更多的信息。这项研究为卡内基梅隆大学的DARPA提供了2000万美元的拨款，作为DARPA下一代非手术神经技术(N3)项目的一部分。

SE: N3项目不是旨在为军人开发双向脑机接口吗?根据DARPA的说法，这些接口将用于控制无人驾驶飞行器。或者它们可以被用来与计算机系统合作执行各种任务。

Younkin:是的。我将坚持商业场景。在未来，我可以看到我们戴着一个舒适而时尚的耳机，它可以读取我们的大脑信号，然后将数据传输到我们的头戴式增强现实显示器上。这里有一个例子。假设一辆车从右边开进来。这是一辆电动汽车，所以你听不到。因此，在我们看到汽车之前，系统就能感知到并通知我们，从而避免了灾难。随着人类接受越来越多的科技，我们会发现我们正在通过手表、耳机、头部显示器和植入物来增强我们的身体。我们正在寻找不需要大量人力参与的简单解决方案。

SE: SRC和您的合作伙伴已经成立了融合太赫兹通信和传感中心。那是怎么回事?

Younkin:我们一直在推动超越毫米波5G频率的更高频率设备和系统。我们正在努力推动我们认为可能是6G的基础设施，主要是基于140 GHz和最高太赫兹的芯片设计、集成，以及手机和射频基站的系统含义。其次，相同硬件和设计的元素也可以用于成像和传感。可以把它看作是下一代激光雷达的解决方案。如前所述，我们将重点放在射频和数字封装集成上，这是通信和逻辑的交叉点。这是两个传统上独立的领域。

SE:你在SRC的愿望清单上有什么?

Younkin:我希望看到我们获得一些资金，用于量子计算和光子学方面的额外投资，以补充我们目前不断增长的研究组合。美国政府最近在量子计算方面进行了一些重大投资。这真是太棒了。

有关的故事

美国芯片制造业重获优势

人工智能、芯片和面具的下一步是什么

走在边缘