重启信息技术革命行动倡议（一）



重启信息技术革命行动倡议（一）

编者按

为全面获得物联网和大数据的益处，并为未来旨在将数据转换成“洞察力”的技术发展奠定基础，美国半导体工业协会、半导体研究公司以及他们的成员公司和半导体技术专家等共同发布了一份倡议报告——《重启信息技术革命行动倡议》。该倡议将促进信息系统科学和技术的重大进步，创造广泛的创新机会。本刊将分三期连载这份报告，本期主要讲述技术革命的相关发展情况。

2015年，在华盛顿特区举办了一次关于重启信息技术革命的研讨会，汇集了来自行业、政府和学术界的专家，对实现信息技术的跨越式发展问题进行了探讨。

随时随地接入信息，是当今世界的一大特点，但收集、传输、分析、存储能力，以及使用爆炸性发展的数据流来形成见解和选择方案的能力需要新的计算方法。过去，数据生成和传输主要是在信息技术（IT）系统内完成。未来，数据生成系统会越来越多地涉及嵌入在物理世界中的小型、低功耗传感器和执行器物理系统网络，也称为物联网（IoT）。同时，更强大、性能更高的计算将对海量数据实施分析和管理，旨在预测需求的系统将在需要的时候提供有用的信息。除了信息，分布式、网络化的传感器与大规模数据中心和云计算能力的结合，将使之有可能获得洞察力，从而在所有层面实现决策。

项目类别和分布

结合信息技术基础设施，从小型、低成本的传感器到大规模的计算系统，可以看到，信息技术将推动社会（在政府部门，也在私营部门）实现创新。无人驾驶汽车、个性化医疗以及无数的其他智能系统应用正在兴起。正在构想有关能源生产和供应、更安全的空中和地面交通、国家和国土安全的信息技术解决方案。在全球范围、发达国家以及发展中国家和地区，分布式信息技术和计算更大的可用性和更多的接入将有助于减少“数字鸿沟”，为本地驱动的创新提供一个平台。

然而，短期内只由私营部门来实施的、产品驱动的投资将不足以推动信息技术基础设施和洞察技术实现重大进展，从而满足创新所需。私营部门的研究与发展必须建立和连接于政府资助的项目，主要包括以下几个方面。

国家战略计算计划：奠定基础技术重大投资框架，驱动计算机系统性能的提高。

作为国家纳米技术计划的一部分，正在考虑的重大挑战：指向重要的探索领域，尤其与半导体相关的领域。

BRAIN（通过推进创新技术发展实现对大脑的深入研究）计划：专注于更好地理解人类的大脑，将有助于脑启发计算的发展。

如果美国不对此做实质性的大型投资，那么未来信息系统的创新将出现在其他地方，经济活力和国家安全方面的利益将流向其它国家。

2015年，在华盛顿特区举办了一次关于重启信息技术革命的研讨会，汇集了来自行业、政府和学术界的专家，对实现信息技术的跨越式发展问题进行了探讨。与会者认为，需要在以下关键领域展开研究。

图1

1.高能效传感和计算：能源效率在所有层面都至关重要，从最小的传感器，到超高性能的处理器和系统。传感器节点通常也需要实施操作，而不必接入电网，可以使用电池或从环境中收集能量。另一方面，先进的处理器在能源不足的情况下性能将下降，导致过热和热管理问题。必须开发新型材料、设备以及计算和物理架构，以减少用于传输数据的能量，不论是在芯片上，还是在更长距离的数据传输上。

2.网络-物理系统：网络-物理系统包含用于控制物理实体的协作计算元素网络。它们需要新的工程模型，包括时空动力学和算法计算；的确，在面对高度动态的物理系统（常有随机举动）时，一个网络-物理系统必须具有强劲的控制力。此外，必须保证安全性，以保护生命、个人信息和财产。

3.智能存储：需要新的存储技术和管理系统来存储和归档预期将发生爆炸性增长的数据。对新存储架构的实施需要开展深入研究，包括一个新的架构如何有可能对系统造成破坏，以及为实现最佳存储管理，系统的硬件和软件需要什么做哪些改变。

4.实时通信生态系统：通信带宽、特别对无线通信，必须随着数据量的增长而增长。能够提供非常高速的通信对实时应用而言将至关重要。宽带通信将大大得益于太赫兹通信技术方面的进步，包括新型材料方面的进步。需要对先进的天线阵列以及可靠和弹性通信网络（能够实现自组织和自重置）设计开展深入研究。

5.多层次、可扩展的安全性：适当水平的安全性和私密性必须内置在硬件和软件中。一个安全的系统必须是可信赖的、有保证的并能够抵御网络攻击、盗窃和伪造。随着时间的推移，系统还必须能够应对动态变化的威胁。

6.下一代制造模式：新工艺，如在分子和原子级控制下的快速三维、递增式制造，可能会为设备和架构取得新发展提供一条富有成本效益的道路。从长远来看，半导体技术和生物学的融合为颠覆性的新设计提供了巨大的可能性和强大的工艺。对制造业开展深入研究，对新技术实现富有成效的转变并投入实际应用而言至关重要。

7.洞察计算：基于来自数据的洞察力，未来的信息技术系统和基础设施将从根本上带来新能力。洞察计算系统将利用和大幅增加网络-物理系统和物联网的能力。洞察计算需要对机器学习、数据分析、神经形态计算和用户-机器界面新方法等开展深入研究。

8.物联网试验平台：需要一个测试平台来适当构建关于物联网复杂性的模型。如果没有这样一个测试平台，那么无法实现对解决方案的验证和基准测试。这样一个平台应可供来自学术界、行业和政府的研究人员使用。

探索性研究将着力挖掘新设备、新电路、新系统架构和新算法的巨大潜力，以使传感器技术、通信技术、执行技术和计算技术能远远超过今天的技术极限。然而，目前正处于一个转折点，人们必须为未来实现技术的跨越式发展奠定基础，以迎接新一波的信息技术和洞察技术革新。

美国半导体工业协会，包括政府、行业和学术界，只有通过合作和集中资金才能将这些关键步骤付诸实践。此外，这些社群必须抓住快速发展的机会，重启、扩大和扩展信息技术革命，从而确保美国强劲、长期的信息技术引领地位，如图1所示。

半导体和信息技术的增长和进步使新兴产业和商业模式成为可能，从个人计算、电子商务和互联网搜索引擎到社交网络和在线分享经济，以所示的公司为代表。在提议的N-CITE倡议中需要新的研究投资，以便驱动新的增长和支持未来的创新。N-CITE倡议符合国家战略计算倡议（NSCI）。

图2　不同类别的数据增长和总的数据增长

图3　估计的和预测的全球存储器需求的上限

技术使命——智能传感器节点

在过去的五十年中，基于半导体的电子学的进步已经融入各系统中，远远超出了计算本身，给各行各业带来了影响，从航空航天和娱乐业，到医药和制造业。现在，人们生活的方方面面几乎都要依靠半导体。这五十年中，大约每隔18个月，单个晶体管的大小就能缩小一半，这种能力带来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观，这种趋势称为摩尔定律。

半导体是信息技术的基础，并使互联网、网上贸易和社交媒体成为可能——连接全球的人民和信息。信息经济正在创造大量的数据，它们在呈指数级增长，每年产生的数据量预计将在2017年接近30EB（图2）。在数据量增长的同时，对存储的需求也在飙升（图3）。数据的增加也对带宽提出了更高要求；然而，数据的增长速度超过了带宽的增长速度，是带宽增长速度的两倍。

图4　各种不同组织预测的每年增加的传感器部署数量

随着集成电路变得越来越小和越来越便宜，它们变得越来越无处不在，嵌入在各种各样的系统和物品中，通过传感、通信和执行增加了“智能”。它们越来越网络化，形成所谓的“物联网”（IoT）。目前估计有500亿个传感器连接到了作为物联网一部分的物品上。这500亿个传感器中的约140亿个已经开始在互联网上收集和发送数据；到2020年，预计将有320亿个连接设备。

同时，尖端的高性能计算系统的性能继续提高。这些强大的机器结合大量最快的处理器来解决以前无法应对的挑战。高性能计算机广泛用于各种应用中，从核储备管理、天气预报，到森林火灾管理、基础材料研究等。目前引起强烈兴趣和研究热情的领域是数据分析和机器学习。这些领域的进步将把海量数据转换成洞察力，用于预测、预估、通报和建议等。

在基础设施层面，这些趋势的聚合既带来了机遇，也带来了挑战。“洞察技术”包括从智能传感器节点到可扩展数据中心等各种各样的技术。若想这些技术能够提供效率和性能，则需要一个分层架构。这种新的信息技术基础设施也需要无线通信硬件方面的进步。在每一个层面上，都必须要有适当的安全性、私密性和保证性。接下来的各章节对下一次信息技术革命（即洞察技术革命）的基本组成要素做了描述。

传感器技术正在经历指数级的增长，其未来数量将受目前尚无法想象的应用驱动，如图4所示。极小型智能节点的进一步发展对实现普适计算、物联网等概念而言至关重要。

图5　信息通信技术系统最近60年发展趋势

传感器尺寸的缩小归于信息、通信和电信（ICT）系统尺寸缩小的普遍趋势，称为贝尔定律，如图5所示。例如，通用计算设备的体积已经从1958年的6.53 x 108cm3（IBM 709）缩小为2007年的80 cm3（iPhone1），直至2014年的2 cm3（英特尔公司的Edison芯片）。一个相关的趋势是设备成本出现了戏剧性的降低，这一定程度上源自产量的指数级增长。

每十年出现一类新的计算系统（贝尔定律），设备缩小1/100，生产和使用的设备数量随着设备尺寸和价格的下降以及功能的提升而变得越来越多。

图6　现代信息通信技术中所用能源的例子

1.节点特性

单个传感器节点应该包括传导、计算、存储、通信和供电等组件。节点可能需要自主行动、为提高灵活性可通过网络实现编程，并支持与其他网络节点之间的通信，同时保持安全性和私密性。在许多应用中，节点将被嵌入环境中，并不得干扰其它功能。此外，许多自主节点将受制于规模和能源；因此，需要智能能源管理，例如，用于支持周期性的突发操作。对于不连接外部电源的小规模“纳米节点”，随行能量储存的可用量将会非常有限。

据报道，最小的节点尺寸为10mm3，展示1mm3大小的全功能节点是一个富有挑战的目标，尚待实现。更近期的应用驱动因素是具备全通信功能的智能图像传感器。应该注意的是，虽然已经从物理方面的考虑对个人电子设备的尺寸限度做了估计，但对一个系统到底能小到什么程度并仍能提供有用的功能这一问题仍是开放的，有待做进一步讨论。需要开展深入研究，以便对最小规模的智能传感器节点可能的物理估计有进一步的了解。

通常情况下，节点需要能够实现运行而无需连接至外部电源，依靠电池或从当地环境中获取能量来为节点供电。要求电池储电容量和功率输出速度可以满足严苛的、关于系统设计的限制条件。电化学电池功率密度的理论上限为104J/cm3，现代实用电池最大能提供550 Wh/L ≈ 2 x 103J/ cm3。因此，进一步改进的空间是有限的。即使在最好的情况下，关于能源获取概念，获取的功率量级也低于电化学电源。因此，只有在传感、计算和通信方面的能源效率获得重大改进的情况下，智能节点才能得以实现。最近在低功率电路方面取得的最新进展令人印象深刻；在过去六年中，模拟-数字转换器的使用增加了一个数量级。无线电和微控制器单元也获得了巨大进展。在现代信息通信技术中减少能源使用的例子如图6所示。

2.材料-非硅设备

传感器领域另一个相关的挑战是材料。虽然大多数今天的传感器实现了对硅的使用，但如果需要数十亿“短命的”和一次性的传感器节点，那么这可能不是一个可持续的方法。关于更加持续可用的材料，如生物可降解的或者可重用或回收的碳基系统（如同自然界中），需要开展深入研究，或者对替代材料的潜在角色（如聚合物、纸或纤维素），需要开展深入研究。新材料也可能对传感新方法产生影响——从生物基材料到其它物理的或化学的传感材料。

3.制造需求

一个主要挑战是最终紧凑、异构硬件（包括传感器）的制造。近期，在组装和封装方面需要有重大创新，包括自动化、并行化、薄晶片处理和3D系统建模。远期，必须创建一个新的半导体制造范式，因为当前主流的平面技术并不非常适合制造1 mm或更小尺寸的异构系统。随着空间变得有限，3D而非平面的2D架构适于更紧凑的设计。此外，由于空间限制，离散的组件是不实用的。预计新的递增制造技术将得到广泛使用，灵感来自于最近3D打印技术取得的成功。喷墨印刷的射频（RF）天线以及其它无源元件（典型尺寸在几微米）已经证明了这一点；该技术有望取得进一步发展，将获得小至100 nm的典型尺寸以及可对环境做出响应的可重构结构。为实现100 nm以下的3D制造，将需进一步的巨大进步。例子包括原子级的3D打印方法、生物方法，如使用工程化微生物技术的可编程“细胞工厂”，以及可编程的、DNA导向的自组装。

4.硬件对软件

传感器节点的智能和功能源自硬件和软件组成部件。硬件提供效率和可靠性，但相对而言缺乏灵活性和需要更高的成本。另一方面，软件是灵活的，可提供更多的功能，且成本相对较低；然而，它更慢、更容易出错、更容易受到攻击。有很多硬件创新可赋予传感器节点智能，例如，低功耗开关、低功耗高密度非易失性存储器、小型固态振荡器、高效传感器和基于硬件的安全性。这些创新可以使新的传感器节点平台具备目前在系统软件中实现的功能。这代表的是硬件/软件功能边界的一次转变，从而在硬件系统中包含更多的责任。

5.未来方向

如今，传感器节点的功能范围有了显著增长，主要基于现有的设备和制造技术。利用更加先进的硬件组件，可以开发性能更强、更复杂的传感器系统。在高效传感器/执行器、超低功耗逻辑和存储、可持续能源供应以及可扩展通信单元方面，需要取得进一步进展。为更好地理解可能带来这些机遇的基础科学和工程，需要开展进一步的研究工作。

（翻译：盛开）