Kuinka DARPA vastaa pitkän aikavälin mikroelektroniikan haasteisiin

Kuinka DARPA vastaa pitkän aikavälin mikroelektroniikan haasteisiin

Aikaleima: 8. syyskuuta 2023 9
Lähdesolmu: 2869258

SEATTLE – Vuosia ennen kuin yhdysvaltalaiset kuluttajat tunsivat puolijohteiden toimitusketjun puutteen vaikutuksen, Defanced Advanced Research Projects Agency pohti jo, miten kaupallisen teollisuuden ja kansallisen turvallisuusyhteisön kohtaamat pitkän aikavälin teknologiset esteet voitaisiin ratkaista.

Viimeisten 30 vuoden aikana Yhdysvallat on tuottanut 37 prosenttia maailman mikrosiruista noin 12 prosenttiin. Nykyään Taiwan tuottaa suurimman osan maailman edistyneistä puolijohteista, ja Kiina vie suuren osan mikrosiruistaan ​​Yhdysvaltoihin. Nämä sirut antaa virtaa kaikkeen matkapuhelimista autoihin Pentagonin johtavaan viidennen sukupolven hävittäjälentokoneeseen F-35.

Huoli tuloksesta Yhdysvaltain riippuvuus ulkomaisista mikroelektroniikan toimitusketjuista nousi valtavirtaan COVID-19-pandemian aikana, kun mikrosirun puute nosti autojen hinnat pilviin. Mutta DARPA, Pentagonin korkean riskin ja palkitsevan tutkimuksen ja kehityksen keskus, oli työskennellyt päästäkseen ongelman eteen vuosia ennen sitä.

Viraston perintö mikroelektroniikan tutkimuksessa juontaa juurensa vuosikymmeniä ja sisältää ohjelmia, kuten Metal Oxide Silicon Implementation Service 1980-luvulla, jolla pyrittiin valmistamaan nopeasti mikroelektroniikan laitteita. Äskettäin ja sen jälkeen, kun presidentin tiede- ja teknologianeuvojien neuvosto julkaisi vuoden 2017 raportin, jossa korostettiin, kuinka tekniset rajat estivät Yhdysvaltain puolijohdeinnovaatioita, DARPA alkoi laatia suunnitelmaa joidenkin näiden rajojen ylittämiseksi.

"Ennen kuin keskustelun kiireellisyyttä tapahtui, meillä oli ihmisiä, jotka todella ymmärsivät, että se oli melko kiireellinen ongelma", DARPA-johtaja Stefanie Tompkins kertoi C4ISRNETille 22. elokuuta annetussa haastattelussa.

Ei ole epätavallista, että DARPA tulee aikaisin esiin ongelmajoukossa – itse asiassa se on osa viraston tehtävää. Mark Rosker, DARPA:n Microsystems Technology Officen johtaja, sanoi, että viraston tarkoituksena oli suojella puolustusministeriötä teknisiltä yllätyksiltä, ​​mikä tarkoittaa, että usein katsotaan 10–15 vuoden päähän tulevaisuuteen ennakoidakseen kansallisen turvallisuusyhteisön tuolloin kohtaavia haasteita. .

"Sen luontaisesti se asettaa meidät tilanteeseen, jossa etsimme teknologioita, jotka tulevat olemaan häiritseviä, jotka aiheuttavat muutoksia, joita ei odoteta", hän sanoi 23. elokuuta annetussa haastattelussa. "Uskon, että se asettaa meidät usein tyypillisesti suurempaan riskiin ja usein - ei aina, mutta usein - pidemmälle aikavälille."

Minne DARPA sopii

Virasto perusti vuonna 2017 laajan tutkimushankkeen nimeltä Electronics Resurgence Initiative tai ERI, joka ilmoitti sijoittaa yli 1.5 miljardia dollaria viiden vuoden aikana joukossa ohjelmia, jotka on suunniteltu selviytymään tärkeimmistä teknologisista esteistä, joita kaupallinen teollisuus ja kansalliset turvallisuusvirastot kohtaavat, kun ne pyrkivät edistämään mikroelektroniikan tutkimusta, kehitystä ja valmistusta.

Viime vuonna DARPA vahvisti sitoutumisensa eteenpäin suuntautuvaan mikroelektroniikan tutkimukseen, ERI 2.0:n julkaisu painottaen huippuluokan valmistusmahdollisuuksia sekä teknologioita, jotka voivat auttaa elektronisia järjestelmiä toimimaan äärimmäisissä ympäristöissä. DARPA aikoo käyttää vielä 3 miljardia dollaria näihin ponnisteluihin seuraavan viiden vuoden aikana.

Nykyään liittovaltion virastot, kuten kauppaministeriö ja energiaministeriö, pyrkivät elvyttämään mikroelektroniikan ekosysteemiä investoimalla valimoihin ja tukemalla yhdysvaltalaista tutkimusta aloilla, jotka ovat "suhteellisen ymmärretty", DARPAn markkinarako on pitkän aikavälin teknologiahaasteiden ratkaiseminen.

"Yritetään kehittää sellaisia ​​ominaisuuksia, jotka johtavat häiriöihin, uskon, että pitkällä aikavälillä USA:n tuotantokapasiteetti pysyy kilpailijoitamme edellä", Rosker sanoi. "Luulen, että ystävämme muissa virastoissa . . . samaa mieltä kanssamme siitä, että tämä täydentää heidän toimintaansa."

Yhdysvaltojen kasvavan kiireellisyyden johdosta mikroelektroniikan toimitusketjun haavoittuvuuksien korjaamiseksi kongressi hyväksyi viime kesänä 52 miljardin dollarin Hyödyllisten kannustimien luominen puolijohteiden tuotantoon tai CHIPS-laki. Vuoteen 2026 ulottuvalla toimenpiteellä rahoitetaan puolijohdetyövoiman parantamista, tutkimusta ja kehitystä sekä valmistusta. Se tarjoaa myös 25 %:n verohyvityksen kotimaisiin tuotantolaitoksiin ja laitteisiin tehtäviin investointeihin.

Valkoisen talon 9. elokuuta julkaiseman tietolomakkeen mukaan yritykset ovat ilmoittaneet yli 166 miljardin dollarin investoinneista puolijohteiden ja elektroniikan valmistukseen vuonna SIPS-lain hyväksymisen jälkeen. Kauppaosasto on perustanut National Semiconductor Technology Centerin, joka on tarkoitettu toimimaan puolijohdeteknologian innovaatiokeskuksena. Ja puolustusministeriö, joka sai 2 miljardia dollaria CHIPS Act -rahoitusta, on partaalla valitsemalla alueelliset keskittimet Microelectronics Commonsilleen — verkosto, joka on suunniteltu luomaan polkuja mikroelektroniikan tutkimuksen ja innovaatioiden kaupallistamiseen.

Vaikka DARPA ei saanut CHIPS Act -rahoitusta, Carl McCants, ERI:n DARPA-johtajan erityisassistentti, sanoi, että kongressin ja presidentin kiinnostus on syventänyt viraston sitoutumista DoD:n mikroelektroniikan aloitteisiin, National Semiconductor Technology Centeriin ja teollisuuteen – kaikki kumppanuudet, joista on hyötyä. organisaation työtä.

"Se johtaa enemmän keskusteluihin, se johtaa enemmän yhteistyöhön", hän kertoi C4ISRNETille 22. elokuuta annetussa haastattelussa.

Electronics Resurgence Initiative

Tämä yhteistyö on McCantsin mukaan iso osa ERI:tä ja sen seuraajaa ERI 2.0:aa, jonka tavoitteena on ratkaista teknologiset esteet, jotka vaikuttavat sekä kansalliseen turvallisuusyhteisöön että laajempaan kaupalliseen teollisuuteen.

ERI alun perin keskittyi kuuteen haasteeseen, jotka se odotti Yhdysvaltojen kohtaavan seuraavan vuosikymmenen aikana. Ne sisälsivät pyrkimyksiä hyödyntää tekoälylaitteistoa, jotta anturit lyhentävät tietojen käsittelyyn kuluvaa aikaa, parantavat valmistustekniikkaa ja lisäävät turvallisuutta.

Näillä painopistealueilla syntyi ainakin 50 DARPA-ohjelmaa, joiden kautta virastot kehittivät kumppanuuksia yliopistojen, kaupallisten yritysten ja perinteisen puolustusteollisuuden kanssa. McCantsin mukaan monet näistä organisaatioista eivät olleet koskaan työskennelleet DARPAn kanssa.

"Se laajensi tutkimustamme, laajensi jalanjälkeämme, laajensi todellakin pääsyä erilaisiin aiheen asiantuntijoihin, jotka voivat auttaa meitä tekemään sen, mitä meidän piti tehdä ja mitä yritämme", hän sanoi.

Roskerin mukaan yksi ERI-ohjelmista, jolla on ollut suurin vaikutus, on Photonics-niminen yritys. Paketti Extreme Scalability tai PIPES. Pyrkimys käyttää valoa parantaakseen sähköisten tietojen liikkumista yksittäisten sirujen välillä ja parantaakseen suorituskykyä.

Kaupalliset yritykset, kuten Intel ja Xilinx, sekä suuret puolustusalan yritykset, kuten Lockheed Martin, Northrop Grumman, Raytheon ja BAE-järjestelmät, ovat työskennelleet tutkimusryhmien kanssa Pennsylvanian yliopistosta, Sandia National Laboratorysta ja muista PIPES-instituuteista. Rosker sanoi, että ponnistelut muuttavat jo tapaa, jolla nämä yritykset ajattelevat mikroelektroniikan rakentamisesta.

Toinen ERI-yritys, Secure Siliconin automaattinen käyttöönotto, pyrkii suunnittelemaan mekanismin, jolla automatisoidaan prosessi turvallisuuden rakentamiseksi sirun suunnitteluun. Rosker selitti, että sirusuunnittelijat tekevät jatkuvasti suorituskyky- ja materiaalikauppoja pohtiessaan, miten ja pitäisikö tuotteesta tehdä turvallisempi.

Tämä ohjelma, hän sanoi, ei vain tuo prosessia automatisoimaan, vaan se antaisi suunnittelijoille mahdollisuuden "tehdä kaupat todellisella tavalla, todennettavalla tavalla".

ERI 2.0 perustuu aloitteen alkuperäisiin tutkimussuuntauksiin, mutta lisää kaksi uutta, jotka keskittyvät uusiin valmistustekniikoihin ja elektroniikan kehittämiseen, joka kestää äärimmäisessä kuumuudessa tai kylmässä.

ERI 2.0:n keskipiste on yritys nimeltään Seuraavan sukupolven mikroelektroniikan valmistus eli NGMM. Ohjelman tavoitteena on luoda yhdysvaltalainen keskus niin kutsuttujen 3D-heterogeenisesti integroitujen mikrojärjestelmien valmistamiseen.

Perustasolla 3DHI-tutkimuksen lähtökohtana on, että integroimalla ja pakkaamalla sirukomponentteja eri tavalla valmistajat voivat eritellä toimintoja, kuten muistia ja prosessointia parantaakseen merkittävästi suorituskykyä. Se on teknologia-alue, joka ei vain muuttaisi Yhdysvaltain teollista perustaa, vaan josta muut maat, mukaan lukien Taiwan, ovat erittäin kiinnostuneita.

Heinäkuussa, DARPA valitsi 11 alan tiimiä aloittaa perustyö tulevan kotimaisen 3DHI-keskuksen perustamiseksi. McCants odottaa julkaisevansa alan ilmoituksen ohjelman kahdesta seuraavasta vaiheesta tämän vuoden loppuun mennessä ja saavansa keskuksen käyttöön vuoteen 2029 mennessä.

Hän kutsui tätä aikajanaa "yleiseksi" ja lisäsi, että hän toivoo, että DARPA voi edetä nopeammin.

"Kuten minkä tahansa DARPA-ohjelman kanssa, asioita voidaan nopeuttaa tai hidastaa", McCants sanoi. "On aikajana ja aikaherkkyys, jotta voimme yhdistää tämän ja siirtyä eteenpäin."

Courtney Albon on C4ISRNETin avaruus- ja nousevan teknologian toimittaja. Hän on käsitellyt Yhdysvaltain armeijaa vuodesta 2012 lähtien keskittyen ilmavoimiin ja avaruusvoimiin. Hän on raportoinut eräistä puolustusministeriön merkittävimmistä hankinta-, budjetti- ja poliittisista haasteista.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Puolustusuutiset Pentagon