Hoe DARPA de uitdagingen op het gebied van de micro-elektronica op de lange termijn aanpakt

Hoe DARPA de uitdagingen op het gebied van de micro-elektronica op de lange termijn aanpakt

Tijdstempel: 8 september 2023 9:00 uur
Bronknooppunt: 2869258

SEATTLE – Jaren voordat de Amerikaanse consumenten de gevolgen van de tekorten in de toeleveringsketen van halfgeleiders voelden, was de Defense Advanced Research Projects Agency al aan het nadenken over de vraag hoe ze de technologische barrières op lange termijn konden aanpakken waarmee de commerciële industrie en de nationale veiligheidsgemeenschap worden geconfronteerd.

In de afgelopen dertig jaar is de VS van 30% van het mondiale microchipaanbod naar ongeveer 37% gegaan. Tegenwoordig produceert Taiwan het grootste deel van het wereldaanbod aan geavanceerde halfgeleiders en exporteert China een groot deel van zijn microchips naar de Verenigde Staten. Deze chips voorzie alles van mobiele telefoons tot auto's aan het belangrijkste gevechtsvliegtuig van de vijfde generatie van het Pentagon, de F-35.

Bezorgdheid rond de resulterende Amerikaanse afhankelijkheid van overzeese toeleveringsketens voor micro-elektronica raakte mainstream tijdens de COVID-19-pandemie, toen een tekort aan microchips ervoor zorgde dat de autoprijzen omhoog schoten. Maar DARPA, het centrum van het Pentagon voor onderzoek en ontwikkeling met een hoog risico en hoge beloning, heeft er al jaren voor gewerkt om het probleem voor te zijn.

De erfenis van het bureau op het gebied van onderzoek naar micro-elektronica gaat tientallen jaren terug en omvat programma's zoals de Metal Oxide Silicon Implementation Service uit de jaren tachtig, die tot doel had snel micro-elektronische apparaten te produceren. Meer recentelijk, en na de publicatie van een rapport uit 1980 van de President's Council of Advisors on Science and Technology, waarin werd benadrukt hoe technologische grenzen de Amerikaanse halfgeleiderinnovatie in de weg stonden, begon DARPA een plan te formuleren om een ​​aantal van die grenzen te helpen doorbreken.

“Voordat de urgentie van de discussie plaatsvond, hadden we mensen die echt erkenden dat het een behoorlijk urgent probleem was”, vertelde DARPA-directeur Stefanie Tompkins aan C4ISRNET in een interview op 22 augustus.

Het is niet ongebruikelijk dat DARPA vroeg opduikt bij een probleem; sterker nog, dat maakt deel uit van de missie van het bureau. Mark Rosker, directeur van DARPA's Microsystems Technology Office, zei dat het agentschap is ontworpen om het ministerie van Defensie te beschermen tegen technologische verrassingen, wat betekent dat het vaak 10 tot 15 jaar in de toekomst kijkt om te anticiperen op de uitdagingen waarmee de nationale veiligheidsgemeenschap op dat moment te maken zal krijgen. .

"Wat dat inherent doet, is dat het ons in een positie brengt waarin we op zoek zijn naar technologieën die disruptief zullen zijn, die veranderingen zullen veroorzaken die niet worden verwacht", zei hij in een interview op 23 augustus. “Ik denk dat dit ons vaak in een positie brengt met een hoger risico en vaak – niet altijd, maar vaak – op een langere termijn.”

Waar DARPA past

Het bureau heeft in 2017 een ingrijpende onderzoeksinspanning opgezet, het Electronics Resurgence Initiative, of ERI, en kondigde aan dat het Investeer over een periode van vijf jaar ruim 1.5 miljard dollar in een reeks programma's die zijn ontworpen om de belangrijkste technologische barrières te overwinnen waarmee de commerciële industrie en nationale veiligheidsdiensten worden geconfronteerd bij hun pogingen om onderzoek, ontwikkeling en productie op het gebied van micro-elektronica vooruit te helpen.

Vorig jaar herhaalde DARPA zijn inzet voor vooruitstrevend micro-elektronica-onderzoek, lancering van ERI 2.0 met de nadruk op geavanceerde productiemogelijkheden en technologieën die elektronische systemen kunnen helpen werken in extreme omgevingen. DARPA is van plan de komende vijf jaar nog eens 3 miljard dollar aan deze inspanningen te besteden.

Tegenwoordig proberen federale instanties zoals het ministerie van Handel en het ministerie van Energie het micro-elektronische ecosysteem nieuw leven in te blazen door investeren in gieterijen en het ondersteunen van Amerikaans onderzoek op gebieden die “relatief begrepen worden”, is de niche van DARPA in het aanpakken van technologische uitdagingen op de langere termijn.

“Door te proberen het soort mogelijkheden te ontwikkelen dat tot ontwrichting leidt, denk ik dat we op de lange termijn de Amerikaanse productiecapaciteiten een voorsprong zullen geven op onze concurrenten”, aldus Rosker. “Ik denk dat onze vrienden bij andere bureaus . . . ben het met ons eens dat dit complementair is aan wat ze doen.”

Gedreven door de groeiende urgentie binnen de VS rond het aanpakken van de kwetsbaarheden in de toeleveringsketen van de micro-elektronica, keurde het Congres afgelopen zomer de 52 miljard dollar waard Het creëren van nuttige prikkels voor de productie van halfgeleiders, of CHIPS Act. De maatregel, die loopt tot 2026, financiert inspanningen voor de verbetering van het personeelsbestand van halfgeleiders, onderzoek, ontwikkeling en productie. Het biedt ook een belastingvermindering van 25% voor investeringen in binnenlandse productiefaciliteiten en apparatuur.

Volgens een factsheet van het Witte Huis van 9 augustus hebben bedrijven ruim 166 miljard dollar aan investeringen in de productie van halfgeleiders en elektronica aangekondigd in het jaar sinds de CHIPS-wet werd aangenomen. Het ministerie van Handel heeft het National Semiconductor Technology Center opgericht, bedoeld als innovatiecentrum voor halfgeleidertechnologie. En het ministerie van Defensie, dat 2 miljard dollar aan financiering uit de CHIPS Act heeft ontvangen, staat op het punt dat te bereiken het kiezen van regionale hubs voor zijn Microelectronics Commons — een netwerk dat is ontworpen om wegen te creëren voor het commercialiseren van onderzoek en innovatie op het gebied van de micro-elektronica.

Hoewel DARPA geen CHIPS Act-financiering ontving, zei Carl McCants, speciale assistent van de DARPA-directeur voor ERI, dat de belangstelling van het Congres en de president de betrokkenheid van het agentschap bij de micro-elektronica-initiatieven van het DoD, het National Semiconductor Technology Center en de industrie heeft verdiept – allemaal partnerschappen die hiervan profiteren het werk van de organisatie.

“Het leidt tot meer discussies, het leidt tot meer samenwerkingen”, vertelde hij C4ISRNET in een interview op 22 augustus.

Electronics Resurgence-initiatief

Die samenwerking, zei McCants, is een groot onderdeel van ERI en zijn opvolger ERI 2.0, die tot doel hebben technologische hindernissen aan te pakken die zowel de nationale veiligheidsgemeenschap als de bredere commerciële industrie beïnvloeden.

De oorspronkelijke focus van ERI lag op zes uitdagingen waarvan zij verwachtte dat de VS er de komende tien jaar mee te maken zouden krijgen. Ze omvatten onder meer inspanningen om AI-hardware in te zetten om de tijd die sensoren nodig hebben om informatie te verwerken te verkorten, de productietechnologie te verbeteren en de beveiliging te vergroten.

Uit deze focusgebieden zijn ten minste vijftig DARPA-programma's voortgekomen, waardoor de agentschappen partnerschappen ontwikkelden met universiteiten, commerciële bedrijven en de traditionele industriële defensiebasis. Volgens McCants hadden veel van deze organisaties nog nooit met DARPA gewerkt.

"Het breidde ons onderzoek uit, breidde onze voetafdruk uit, breidde eigenlijk de toegang uit tot een andere groep vakdeskundigen die ons kunnen helpen doen wat we moesten doen en wat we proberen te doen," zei hij.

Een van de ERI-programma's die volgens Rosker de grootste impact heeft gehad, is een initiatief genaamd Photonics in the Pakket voor extreme schaalbaarheid, of PIPES. Bij deze inspanning wordt gebruik gemaakt van licht om de elektrische gegevensoverdracht tussen individuele chips te verbeteren en de prestaties te verbeteren.

Commerciële bedrijven als Intel en Xilinx, maar ook grote defensiebedrijven als Lockheed Martin, Northrop Grumman, Raytheon en BAE-systemen hebben samengewerkt met onderzoeksteams van de Universiteit van Pennsylvania, Sandia National Laboratory en andere instellingen aan PIPES. Rosker zei dat de inspanning de manier waarop deze bedrijven denken over het bouwen van micro-elektronica al verandert.

Nog een poging van ERI, Automatische implementatie van Secure Silicon, heeft tot doel een mechanisme te ontwerpen voor het automatiseren van het proces voor het inbouwen van beveiliging in het ontwerp van een chip. Rosker legde uit dat chipontwerpers voortdurend compromissen sluiten over prestaties en materialen, terwijl ze overwegen hoe en of ze een product veiliger kunnen maken.

Dit programma, zo zei hij, brengt niet alleen automatisering in dat proces, maar het zou ontwerpers ook in staat stellen “die transacties op een echte manier uit te voeren, op een verifieerbare manier.”

ERI 2.0 bouwt voort op de oorspronkelijke onderzoekslijnen van het initiatief, maar voegt er nog twee toe die zich richten op nieuwe productietechnieken en de ontwikkeling van elektronica die kan overleven in extreme hitte of kou.

Het middelpunt van ERI 2.0 wordt een inspanning genoemd Volgende generatie micro-elektronica-productie, of NGMM. Het programma heeft tot doel een in de VS gevestigd centrum te creëren voor het fabriceren van zogenaamde 3D heterogeen geïntegreerde microsystemen.

Op basisniveau is het uitgangspunt van 3DHI-onderzoek dat fabrikanten, door chipcomponenten anders te integreren en te verpakken, functies zoals geheugen en verwerking kunnen opsplitsen om de prestaties aanzienlijk te verbeteren. Het is een technologiegebied dat niet alleen de industriële basis van de VS zou kunnen transformeren, maar waar andere landen, waaronder Taiwan, een groot belang bij hebben.

In juli, DARPA koos 11 industrieteams om te beginnen met het fundamentele werk om de toekomstige binnenlandse 3DHI-hub op te zetten. McCants verwacht tegen het einde van dit jaar een branchekennisgeving voor de volgende twee fases van het programma vrij te geven en het centrum in 2029 te hebben opgericht.

Hij noemde die tijdlijn 'algemeen', eraan toevoegend dat hij hoopvol is dat DARPA sneller kan handelen.

“Zoals bij elk DARPA-programma kunnen zaken worden versneld of vertraagd”, aldus McCants. "Er is een tijdlijn en een tijdsgevoeligheid om dit samen te brengen en vooruit te komen."

Courtney Albon is C4ISRNET's verslaggever over ruimte en opkomende technologie. Ze deed sinds 2012 verslag van het Amerikaanse leger, met een focus op de luchtmacht en de ruimtemacht. Ze heeft gerapporteerd over enkele van de belangrijkste acquisitie-, budget- en beleidsuitdagingen van het ministerie van Defensie.

Tijdstempel:

Meer van Defensie Nieuws Pentagon