简介：1965年4月，戈登·摩尔发表论文《在集成电路中填充更多元件》，提出了预测集成电路技术发展趋势的摩尔定律，并在第3页（Page 3）强调，“当技术发展到摩尔定律极限时，设计、材料、架构创新将是突破该极限的未来之路”。经过半个多世纪的发展，集成电路技术趋近摩尔定律极限。2018年，美国防部高级研究计划局（DARPA）为了突破该极限，扩大美集成电路技术优势，在“电子复兴计划”中布局了“Page 3”项目群。该项目群由工业界主导，大学配合，并根据需要持续新增项目，旨在撬动工业界创新潜力，聚焦新材料、新架构和新设计，探索后摩尔时代微电子技术发展新路径，促进创新技术成果向国防应用转化，提高美国在半导体制造领域的全球竞争力。

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项目布局

该项目群启动时包括6个项目，项目周期多为4~4.5年，总投资约2.8亿美元，主要由铿腾、英特尔、英伟达、高通、IBM等机构承担研究。此后，DARPA每年都新增此类项目，目前已增至40多个。从总体上看，项目布局集中于后摩尔时代集成电路发展的材料与集成、系统架构、电路设计3大关键领域。

材料与集成领域，旨在通过新材料结合新架构，解决内存传输限制计算速度这一瓶颈问题，实现电路性能大幅跃升，提高大数据处理能力，为人工智能、超级计算等前沿领域发展奠定基础。系统架构领域，旨在研究专用功能所需的最优电路结构，重点探索简单编程情况下软硬件协同优化的新方法。充分发挥专用、可重构电路能力，寻求后摩尔时代计算架构创新发展路径。电路设计领域，旨在开发专用电路快速设计工具，大幅缩短设计时间、降低复杂度，解决专用电路设计成本高昂问题。

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典型项目进展

目前，“Page 3”项目群的6个项目已完成，并部分实现成果转化；新设项目群大多处于论证启动阶段，部分进入研发阶段的项目已取得初步成果。

材料与集成领域典型项目　在“Page 3”项目群中有“三维单芯片系统”和“新式计算需求”2个项目，项目周期均为4.5年，合计投入经费6435万美元。在新设项目群中有“极端可扩展性封装”“通用微光学系统激光器”等项目。

“三维单芯片系统”项目共分3个阶段。第一阶段主要是采用90纳米工艺构建基于碳纳米管场效应晶体管的三维单芯片（3DSoC），并将该技术转移到美国天水公司的200毫米晶圆上进行批量生产。2019年8月，美国麻省理工学院制造出世界首个超大规模全碳纳米管互补性金属氧化物半导体（CMOS）微处理器芯片。2020年8月，天水公司和麻省理工学院宣布，“三维单芯片系统”项目进入第二阶段，主要提高制造的性能和产量，向商业化推进。第三阶段主要是实现多样化产品设计的高产量制造，使美国制造工厂可为军用和商用客户提供按需代工服务。

“三维单芯片系统”项目画像

“极端可扩展性封装”项目共分3个阶段：第一阶段开展概念、组件及功能演示；第二阶段开展集成设计和原型制造；第三阶段开展可扩展性、复杂性和成熟度检验。项目在其主攻的光子组件并行架构、多光子芯片模块、封装内光互连取代电互连等研究方向上取得突破。

美“电子复兴计划”的“Page 3”和新设项目画像-极端可扩展性封装

2020年3月，艾亚实验室公司和英特尔公司合作，首次将光信号传输元件封装至芯片内部，实现了从系统级、电路板级光互连向芯片内部光互连的演进。在现场可编程门阵列（FPGA）中，采用两个光子接口小芯片取代了传统电输入/输出接口，小芯片能够在功耗降低到1/10的情况下，将互连带宽密度提高1000倍，从而使封装内芯片间数据传输速率达到1000吉比特/秒（现为100吉比特/秒），带宽高达5.12太比特/秒，为实现人工智能、云、高性能计算、5G和激光雷达等应用提供新的途径。

同时，通过项目的实施，还形成了创新生态系统，支撑商业用户和国防部用户长期持续共享项目技术创新成果。

系统架构领域典型项目：在“Page 3”项目群中有“软件定义硬件”和“特定领域片上系统”两个项目，项目周期均为4年，合计投入经费1.15亿美元。在新设项目群中有“数字射频战场模拟器”“物理安全保障架构”等项目。

“特定领域片上系统”项目画像

“特定领域片上系统”项目在定制化专用芯片研制试点、专用芯片设计方法与工具等技术方向上取得突破。在定制化专用芯片研制试点方向上，2022年，美国威斯康星大学研发出一种用于边缘人工智能应用的特定领域片上系统，集成了一个通用RISC-V核心和5个硬件加速器，用于执行可穿戴健康监测任务。评估表明，该系统的执行效率比软件方式快9.1倍，能效高8.9倍。在专用芯片设计方法与工具方向上，2023年，美国得克萨斯大学开发了特定领域片上系统的设计技术。该技术支持系统快速模拟，与现行设计工具相比，模拟速度提升8400倍，精度提升98.5%，大幅加快协同设计速度，在自动驾驶和机器人等领域具有广泛应用前景。

“数字射频战场模拟器”项目：2019年，美空军研究实验室展示了该系统原型；2020年，美陆军作战能力发展司令部对其进行测试，评估新型电子战系统在真实射频环境中的性能；2021年8月，美太平洋海军信息战中心与佐治亚理工学院签订1150万美元的订单，推进以此项目为基础的“新型高性能计算机”项目。作为模拟战场射频环境的强大工具，该项目成果在军事和国防工业中应用广泛，可用于开发、测试雷达与电子战等射频系统。

电路设计领域典型项目：在“Page 3”项目群中有“电子设备智能设计”和“高端开源硬件”两个项目，项目周期均为4年，合计投入经费近1亿美元。在新设项目群中有“实时机器学习”“安全硅的自动实施”等项目。

“电子设备智能设计”项目分为两个阶段：第一阶段开发用于芯片物理设计的自动化布局生成器；第二阶段运用该生成器结合现有工艺生产芯片。目前该项目的研究工作已完成，其成果已形成相关方案、产品和应用。2020年7月，项目团队通过大量原始设计数据，运用人工智能和机器学习的方法训练得到模型，研发出自动化布局生成器，可实现电路板自动布局和布线。该项目成果使模拟混合信号电路物理设计摆脱了对专业人员的高度依赖，即使用户不具备电子设计专业知识，也能在24小时内完成硬件电路的物理设计，将传统物理设计耗时缩短至1/7。

“安全硅的自动实施”项目分3个阶段：第一阶段开发安全算法和架构；第二阶段开发安全平台；第三阶段评估性能和影响。该项目于2022年4月—2023年4月完成了从建模、设计到原型开发、测试的转化，2023—2024年进入最终测试阶段。

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成效研判

从实施情况看，“Page 3”和新设项目群聚焦微电子技术长远发展，汇聚工业界和高校优势力量，在材料与集成、系统架构、电路设计3大领域，完成了多项技术成果和应用转化，取得了单片异构集成实用化、专用芯片定制通用化、芯片电路设计智能化等后摩尔时代微电子技术发展的战略性突破。

单片异构集成实用化开辟了提升芯片运算速度的新路径。通过“三维单芯片系统”“极端可扩展性封装”等项目，完成了在单一衬底上构建三维微系统的技术突破，实现封装内光互联，大幅缩短计算时间、降低系统功耗，实现了芯片性能的数量级提升。“三维单芯片系统”项目通过将碳纳米管进行三维集成，大幅降低了逻辑和存储器的访问延迟。2020年，DARPA成功将实验室三维芯片技术转化为可在美国商业晶圆厂中实施的技术，为单片异构集成指明了新方向，对美国恢复先进制造能力具有重要意义，展示出解决后摩尔时代信息系统大数据处理瓶颈问题的有效能力。“极端可扩展性封装”项目在2020年通过封装内光互连取代电互连，使芯片间的数据传输能力得到数量级提升。DARPA负责此项目的项目经理称，“带有光接口的现场可编程门阵列，将对改善高性能计算、人工智能、大规模仿真和先进雷达等国防军事能力产生重要影响”。

专用芯片的定制通用化开辟了数据密集型算法低成本运行的新途径。“软件定义硬件”项目实现了自适应配置、可重构的软硬件全新架构，尤其适用于对算力和灵活性有极高要求的数据处理领域；在节省芯片面积的同时，缩短开发周期，加快产品上市速度。英特尔、英伟达、赛灵思等企业已纷纷布局可重构架构相关业务。未来，DARPA希望通过该项目，推动机器学习和人工智能等技术在国防军事领域的应用，进一步提升后勤预测、决策支持、情报监视侦察等能力。上述数据理解能力和环境变化预测能力，将助力美国形成不对称优势。

芯片电路设计智能化开辟了专用集成电路设计大幅提升效率、降低成本与专业难度的新路径。“电子设备智能设计”项目开发算法和软件，创建了自动化布局生成器，为混合信号集成电路、系统级封装和印制电路板设计提供便利。2020年，美陆军研究实验室在此自动化布局生成器上完成了三维集成电路的设计。“高端开源硬件”项目构建了一个开源的设计和验证框架，支持以低成本实现超复杂片上系统设计的技术、方法和标准。

综上，在大国竞争背景下，DARPA围绕巩固并扩大美微电子技术优势的战略目标，组织发动企业界、学术界和军方的优势力量，重点聚焦材料与集成、系统架构、电路设计3大技术领域，成功探索多条后摩尔时代微电子技术创新发展路径，有力引领并驱动美国微电子领域技术与产业的“全面复兴”，助力半导体创新链、产业链、供应链进一步完善，为美军信息化、智能化发展提供强大的创新动力。