重啟信息技術革命行動倡議（一）

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重啟信息技術革命行動倡議（一）

編者按

為全面獲得物聯(lián)網和大數(shù)據(jù)的益處，并為未來旨在將數(shù)據(jù)轉換成“洞察力”的技術發(fā)展奠定基礎，美國半導體工業(yè)協(xié)會、半導體研究公司以及他們的成員公司和半導體技術專家等共同發(fā)布了一份倡議報告——《重啟信息技術革命行動倡議》。該倡議將促進信息系統(tǒng)科學和技術的重大進步，創(chuàng)造廣泛的創(chuàng)新機會。本刊將分三期連載這份報告，本期主要講述技術革命的相關發(fā)展情況。

2015年，在華盛頓特區(qū)舉辦了一次關于重啟信息技術革命的研討會，匯集了來自行業(yè)、政府和學術界的專家，對實現(xiàn)信息技術的跨越式發(fā)展問題進行了探討。

隨時隨地接入信息，是當今世界的一大特點，但收集、傳輸、分析、存儲能力，以及使用爆炸性發(fā)展的數(shù)據(jù)流來形成見解和選擇方案的能力需要新的計算方法。過去，數(shù)據(jù)生成和傳輸主要是在信息技術（IT）系統(tǒng)內完成。未來，數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)會越來越多地涉及嵌入在物理世界中的小型、低功耗傳感器和執(zhí)行器物理系統(tǒng)網絡，也稱為物聯(lián)網（IoT）。同時，更強大、性能更高的計算將對海量數(shù)據(jù)實施分析和管理，旨在預測需求的系統(tǒng)將在需要的時候提供有用的信息。除了信息，分布式、網絡化的傳感器與大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和云計算能力的結合，將使之有可能獲得洞察力，從而在所有層面實現(xiàn)決策。

項目類別和分布

結合信息技術基礎設施，從小型、低成本的傳感器到大規(guī)模的計算系統(tǒng)，可以看到，信息技術將推動社會（在政府部門，也在私營部門）實現(xiàn)創(chuàng)新。無人駕駛汽車、個性化醫(yī)療以及無數(shù)的其他智能系統(tǒng)應用正在興起。正在構想有關能源生產和供應、更安全的空中和地面交通、國家和國土安全的信息技術解決方案。在全球范圍、發(fā)達國家以及發(fā)展中國家和地區(qū)，分布式信息技術和計算更大的可用性和更多的接入將有助于減少“數(shù)字鴻溝”，為本地驅動的創(chuàng)新提供一個平臺。

然而，短期內只由私營部門來實施的、產品驅動的投資將不足以推動信息技術基礎設施和洞察技術實現(xiàn)重大進展，從而滿足創(chuàng)新所需。私營部門的研究與發(fā)展必須建立和連接于政府資助的項目，主要包括以下幾個方面。

國家戰(zhàn)略計算計劃：奠定基礎技術重大投資框架，驅動計算機系統(tǒng)性能的提高。

作為國家納米技術計劃的一部分，正在考慮的重大挑戰(zhàn)：指向重要的探索領域，尤其與半導體相關的領域。

BRAIN（通過推進創(chuàng)新技術發(fā)展實現(xiàn)對大腦的深入研究）計劃：專注于更好地理解人類的大腦，將有助于腦啟發(fā)計算的發(fā)展。

如果美國不對此做實質性的大型投資，那么未來信息系統(tǒng)的創(chuàng)新將出現(xiàn)在其他地方，經濟活力和國家安全方面的利益將流向其它國家。

2015年，在華盛頓特區(qū)舉辦了一次關于重啟信息技術革命的研討會，匯集了來自行業(yè)、政府和學術界的專家，對實現(xiàn)信息技術的跨越式發(fā)展問題進行了探討。與會者認為，需要在以下關鍵領域展開研究。

圖1

1.高能效傳感和計算：能源效率在所有層面都至關重要，從最小的傳感器，到超高性能的處理器和系統(tǒng)。傳感器節(jié)點通常也需要實施操作，而不必接入電網，可以使用電池或從環(huán)境中收集能量。另一方面，先進的處理器在能源不足的情況下性能將下降，導致過熱和熱管理問題。必須開發(fā)新型材料、設備以及計算和物理架構，以減少用于傳輸數(shù)據(jù)的能量，不論是在芯片上，還是在更長距離的數(shù)據(jù)傳輸上。

2.網絡-物理系統(tǒng)：網絡-物理系統(tǒng)包含用于控制物理實體的協(xié)作計算元素網絡。它們需要新的工程模型，包括時空動力學和算法計算；的確，在面對高度動態(tài)的物理系統(tǒng)（常有隨機舉動）時，一個網絡-物理系統(tǒng)必須具有強勁的控制力。此外，必須保證安全性，以保護生命、個人信息和財產。

3.智能存儲：需要新的存儲技術和管理系統(tǒng)來存儲和歸檔預期將發(fā)生爆炸性增長的數(shù)據(jù)。對新存儲架構的實施需要開展深入研究，包括一個新的架構如何有可能對系統(tǒng)造成破壞，以及為實現(xiàn)最佳存儲管理，系統(tǒng)的硬件和軟件需要什么做哪些改變。

4.實時通信生態(tài)系統(tǒng)：通信帶寬、特別對無線通信，必須隨著數(shù)據(jù)量的增長而增長。能夠提供非常高速的通信對實時應用而言將至關重要。寬帶通信將大大得益于太赫茲通信技術方面的進步，包括新型材料方面的進步。需要對先進的天線陣列以及可靠和彈性通信網絡（能夠實現(xiàn)自組織和自重置）設計開展深入研究。

5.多層次、可擴展的安全性：適當水平的安全性和私密性必須內置在硬件和軟件中。一個安全的系統(tǒng)必須是可信賴的、有保證的并能夠抵御網絡攻擊、盜竊和偽造。隨著時間的推移，系統(tǒng)還必須能夠應對動態(tài)變化的威脅。

6.下一代制造模式：新工藝，如在分子和原子級控制下的快速三維、遞增式制造，可能會為設備和架構取得新發(fā)展提供一條富有成本效益的道路。從長遠來看，半導體技術和生物學的融合為顛覆性的新設計提供了巨大的可能性和強大的工藝。對制造業(yè)開展深入研究，對新技術實現(xiàn)富有成效的轉變并投入實際應用而言至關重要。

7.洞察計算：基于來自數(shù)據(jù)的洞察力，未來的信息技術系統(tǒng)和基礎設施將從根本上帶來新能力。洞察計算系統(tǒng)將利用和大幅增加網絡-物理系統(tǒng)和物聯(lián)網的能力。洞察計算需要對機器學習、數(shù)據(jù)分析、神經形態(tài)計算和用戶-機器界面新方法等開展深入研究。

8.物聯(lián)網試驗平臺：需要一個測試平臺來適當構建關于物聯(lián)網復雜性的模型。如果沒有這樣一個測試平臺，那么無法實現(xiàn)對解決方案的驗證和基準測試。這樣一個平臺應可供來自學術界、行業(yè)和政府的研究人員使用。

探索性研究將著力挖掘新設備、新電路、新系統(tǒng)架構和新算法的巨大潛力，以使傳感器技術、通信技術、執(zhí)行技術和計算技術能遠遠超過今天的技術極限。然而，目前正處于一個轉折點，人們必須為未來實現(xiàn)技術的跨越式發(fā)展奠定基礎，以迎接新一波的信息技術和洞察技術革新。

美國半導體工業(yè)協(xié)會，包括政府、行業(yè)和學術界，只有通過合作和集中資金才能將這些關鍵步驟付諸實踐。此外，這些社群必須抓住快速發(fā)展的機會，重啟、擴大和擴展信息技術革命，從而確保美國強勁、長期的信息技術引領地位，如圖1所示。

半導體和信息技術的增長和進步使新興產業(yè)和商業(yè)模式成為可能，從個人計算、電子商務和互聯(lián)網搜索引擎到社交網絡和在線分享經濟，以所示的公司為代表。在提議的N-CITE倡議中需要新的研究投資，以便驅動新的增長和支持未來的創(chuàng)新。N-CITE倡議符合國家戰(zhàn)略計算倡議（NSCI）。

圖2　不同類別的數(shù)據(jù)增長和總的數(shù)據(jù)增長

圖3　估計的和預測的全球存儲器需求的上限

技術使命——智能傳感器節(jié)點

在過去的五十年中，基于半導體的電子學的進步已經融入各系統(tǒng)中，遠遠超出了計算本身，給各行各業(yè)帶來了影響，從航空航天和娛樂業(yè)，到醫(yī)藥和制造業(yè)。現(xiàn)在，人們生活的方方面面幾乎都要依靠半導體。這五十年中，大約每隔18個月，單個晶體管的大小就能縮小一半，這種能力帶來了一系列性能的提高，更低的成本、更多的功能以及更小的外觀，這種趨勢稱為摩爾定律。

半導體是信息技術的基礎，并使互聯(lián)網、網上貿易和社交媒體成為可能——連接全球的人民和信息。信息經濟正在創(chuàng)造大量的數(shù)據(jù)，它們在呈指數(shù)級增長，每年產生的數(shù)據(jù)量預計將在2017年接近30EB（圖2）。在數(shù)據(jù)量增長的同時，對存儲的需求也在飆升（圖3）。數(shù)據(jù)的增加也對帶寬提出了更高要求；然而，數(shù)據(jù)的增長速度超過了帶寬的增長速度，是帶寬增長速度的兩倍。

圖4　各種不同組織預測的每年增加的傳感器部署數(shù)量

隨著集成電路變得越來越小和越來越便宜，它們變得越來越無處不在，嵌入在各種各樣的系統(tǒng)和物品中，通過傳感、通信和執(zhí)行增加了“智能”。它們越來越網絡化，形成所謂的“物聯(lián)網”（IoT）。目前估計有500億個傳感器連接到了作為物聯(lián)網一部分的物品上。這500億個傳感器中的約140億個已經開始在互聯(lián)網上收集和發(fā)送數(shù)據(jù)；到2020年，預計將有320億個連接設備。

同時，尖端的高性能計算系統(tǒng)的性能繼續(xù)提高。這些強大的機器結合大量最快的處理器來解決以前無法應對的挑戰(zhàn)。高性能計算機廣泛用于各種應用中，從核儲備管理、天氣預報，到森林火災管理、基礎材料研究等。目前引起強烈興趣和研究熱情的領域是數(shù)據(jù)分析和機器學習。這些領域的進步將把海量數(shù)據(jù)轉換成洞察力，用于預測、預估、通報和建議等。

在基礎設施層面，這些趨勢的聚合既帶來了機遇，也帶來了挑戰(zhàn)?！岸床旒夹g”包括從智能傳感器節(jié)點到可擴展數(shù)據(jù)中心等各種各樣的技術。若想這些技術能夠提供效率和性能，則需要一個分層架構。這種新的信息技術基礎設施也需要無線通信硬件方面的進步。在每一個層面上，都必須要有適當?shù)陌踩?、私密性和保證性。接下來的各章節(jié)對下一次信息技術革命（即洞察技術革命）的基本組成要素做了描述。

傳感器技術正在經歷指數(shù)級的增長，其未來數(shù)量將受目前尚無法想象的應用驅動，如圖4所示。極小型智能節(jié)點的進一步發(fā)展對實現(xiàn)普適計算、物聯(lián)網等概念而言至關重要。

圖5　信息通信技術系統(tǒng)最近60年發(fā)展趨勢

傳感器尺寸的縮小歸于信息、通信和電信（ICT）系統(tǒng)尺寸縮小的普遍趨勢，稱為貝爾定律，如圖5所示。例如，通用計算設備的體積已經從1958年的6.53 x 108cm3（IBM 709）縮小為2007年的80 cm3（iPhone1），直至2014年的2 cm3（英特爾公司的Edison芯片）。一個相關的趨勢是設備成本出現(xiàn)了戲劇性的降低，這一定程度上源自產量的指數(shù)級增長。

每十年出現(xiàn)一類新的計算系統(tǒng)（貝爾定律），設備縮小1/100，生產和使用的設備數(shù)量隨著設備尺寸和價格的下降以及功能的提升而變得越來越多。

圖6　現(xiàn)代信息通信技術中所用能源的例子

1.節(jié)點特性

單個傳感器節(jié)點應該包括傳導、計算、存儲、通信和供電等組件。節(jié)點可能需要自主行動、為提高靈活性可通過網絡實現(xiàn)編程，并支持與其他網絡節(jié)點之間的通信，同時保持安全性和私密性。在許多應用中，節(jié)點將被嵌入環(huán)境中，并不得干擾其它功能。此外，許多自主節(jié)點將受制于規(guī)模和能源；因此，需要智能能源管理，例如，用于支持周期性的突發(fā)操作。對于不連接外部電源的小規(guī)?！凹{米節(jié)點”，隨行能量儲存的可用量將會非常有限。

據(jù)報道，最小的節(jié)點尺寸為10mm3，展示1mm3大小的全功能節(jié)點是一個富有挑戰(zhàn)的目標，尚待實現(xiàn)。更近期的應用驅動因素是具備全通信功能的智能圖像傳感器。應該注意的是，雖然已經從物理方面的考慮對個人電子設備的尺寸限度做了估計，但對一個系統(tǒng)到底能小到什么程度并仍能提供有用的功能這一問題仍是開放的，有待做進一步討論。需要開展深入研究，以便對最小規(guī)模的智能傳感器節(jié)點可能的物理估計有進一步的了解。

通常情況下，節(jié)點需要能夠實現(xiàn)運行而無需連接至外部電源，依靠電池或從當?shù)丨h(huán)境中獲取能量來為節(jié)點供電。要求電池儲電容量和功率輸出速度可以滿足嚴苛的、關于系統(tǒng)設計的限制條件。電化學電池功率密度的理論上限為104J/cm3，現(xiàn)代實用電池最大能提供550 Wh/L ≈ 2 x 103J/ cm3。因此，進一步改進的空間是有限的。即使在最好的情況下，關于能源獲取概念，獲取的功率量級也低于電化學電源。因此，只有在傳感、計算和通信方面的能源效率獲得重大改進的情況下，智能節(jié)點才能得以實現(xiàn)。最近在低功率電路方面取得的最新進展令人印象深刻；在過去六年中，模擬-數(shù)字轉換器的使用增加了一個數(shù)量級。無線電和微控制器單元也獲得了巨大進展。在現(xiàn)代信息通信技術中減少能源使用的例子如圖6所示。

2.材料-非硅設備

傳感器領域另一個相關的挑戰(zhàn)是材料。雖然大多數(shù)今天的傳感器實現(xiàn)了對硅的使用，但如果需要數(shù)十億“短命的”和一次性的傳感器節(jié)點，那么這可能不是一個可持續(xù)的方法。關于更加持續(xù)可用的材料，如生物可降解的或者可重用或回收的碳基系統(tǒng)（如同自然界中），需要開展深入研究，或者對替代材料的潛在角色（如聚合物、紙或纖維素），需要開展深入研究。新材料也可能對傳感新方法產生影響——從生物基材料到其它物理的或化學的傳感材料。

3.制造需求

一個主要挑戰(zhàn)是最終緊湊、異構硬件（包括傳感器）的制造。近期，在組裝和封裝方面需要有重大創(chuàng)新，包括自動化、并行化、薄晶片處理和3D系統(tǒng)建模。遠期，必須創(chuàng)建一個新的半導體制造范式，因為當前主流的平面技術并不非常適合制造1 mm或更小尺寸的異構系統(tǒng)。隨著空間變得有限，3D而非平面的2D架構適于更緊湊的設計。此外，由于空間限制，離散的組件是不實用的。預計新的遞增制造技術將得到廣泛使用，靈感來自于最近3D打印技術取得的成功。噴墨印刷的射頻（RF）天線以及其它無源元件（典型尺寸在幾微米）已經證明了這一點；該技術有望取得進一步發(fā)展，將獲得小至100 nm的典型尺寸以及可對環(huán)境做出響應的可重構結構。為實現(xiàn)100 nm以下的3D制造，將需進一步的巨大進步。例子包括原子級的3D打印方法、生物方法，如使用工程化微生物技術的可編程“細胞工廠”，以及可編程的、DNA導向的自組裝。

4.硬件對軟件

傳感器節(jié)點的智能和功能源自硬件和軟件組成部件。硬件提供效率和可靠性，但相對而言缺乏靈活性和需要更高的成本。另一方面，軟件是靈活的，可提供更多的功能，且成本相對較低；然而，它更慢、更容易出錯、更容易受到攻擊。有很多硬件創(chuàng)新可賦予傳感器節(jié)點智能，例如，低功耗開關、低功耗高密度非易失性存儲器、小型固態(tài)振蕩器、高效傳感器和基于硬件的安全性。這些創(chuàng)新可以使新的傳感器節(jié)點平臺具備目前在系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)的功能。這代表的是硬件/軟件功能邊界的一次轉變，從而在硬件系統(tǒng)中包含更多的責任。

5.未來方向

如今，傳感器節(jié)點的功能范圍有了顯著增長，主要基于現(xiàn)有的設備和制造技術。利用更加先進的硬件組件，可以開發(fā)性能更強、更復雜的傳感器系統(tǒng)。在高效傳感器/執(zhí)行器、超低功耗邏輯和存儲、可持續(xù)能源供應以及可擴展通信單元方面，需要取得進一步進展。為更好地理解可能帶來這些機遇的基礎科學和工程，需要開展進一步的研究工作。

（翻譯：盛開）