On pourrait soutenir que les dernières années ont mis en évidence certains des problèmes les plus urgents de l’industrie des semi-conducteurs, mais il y a des défis à l’horizon bien au-delà des goulots d’étranglement actuels de la chaîne d’approvisionnement et de la fabrication de silicium.

Si les obstacles à la recherche ne sont pas surmontés, les demandes croissantes de données pourraient mettre un frein au monde « intelligent » sur lequel les fabricants, les détaillants, les géants financiers, l’énergie, les médias et d’autres entreprises misent.

Ces « cinq cavaliers » qui pourraient signaler une baisse (ou une augmentation) des attentes comprennent la mémoire/le stockage, la microélectronique analogique, les technologies de communication, l’énergie et la sécurité dans des systèmes interconnectés de plus en plus complexes.

Cette semaine, la Semiconductor Research Corporation (SRC) a publié un plan sur une décennie pour identifier et avec son partenaire DARPA, financer les efforts dans ces domaines critiques. Les cinq domaines de défi les plus urgents identifiés par le SRC (et que la DARPA prévoit de soutenir avec son nouvel effort de financement JUMP 2.0) sont les suivants :

La croissance des demandes de mémoire dépassera l’offre de silicium, offrant des opportunités pour des solutions de mémoire et de stockage radicalement nouvelles.

La demande de stockage de données est sur une courbe exponentielle, mais pas l’offre mondiale de silicium. Cela signifie que les technologies révolutionnaires de mémoire et de stockage qui sont ultra-denses et économes en énergie sont essentielles. Le SRC affirme que le grand objectif de la mémoire au cours de la prochaine décennie est de développer de nouvelles mémoires et de nouveaux tissus avec des améliorations de densité et d’énergie >10-100X pour chaque niveau de hiérarchie de mémoire. Pour le stockage, l’objectif est de développer des technologies de stockage avec des améliorations de densité 100X.

Pour la mémoire et le stockage, SRC recommande des investissements de 750 millions de dollars par an tout au long de cette décennie dans de nouvelles trajectoires pour la mémoire et le stockage.

Les domaines cibles pour le travail SRC et DARPA sur le front de la mémoire pour la périphérie, les mobiles et l’IoT incluent des innovations en matière de DRAM (solutions de mise à l’échelle de zone et alternatives à la SRAM 6T pour la mémoire sur puce) et NVM à tous les niveaux. Les autres objectifs incluent la recherche sur le flash inférieur à 28 nm, l’intégration 3D dense et les algorithmes compatibles avec la technologie de mémoire qui peuvent surmonter les défis d’écriture (latence, endurance, consommation d’énergie).

Pour les centres de données en particulier, l’objectif est de développer un « cadre logiciel omniprésent qui abaisse la barrière à l’intégration de nouveaux éléments de traitement proche des données et peut optimiser le placement et le mouvement des données dans le système. D’autres travaux sur les interconnexions et les normes (c’est-à-dire CXL) sont également essentiels. Le SRC cite également les efforts d’architecture/de conception qui gardent à l’esprit l’informatique proche des données. Sur le front émergent de la mémoire, l’idée d’ajouter des couches de cache permettant de nouvelles technologies de mémoire telles que MRAM, PCRAM et FeFET en plus des travaux en cours améliorant les densités des SSD NAND et HDD.

Le SRC appelle également à une exploration plus approfondie du stockage de l’ADN, y compris l’amélioration des coûts et de la capacité. Il est également fait mention du ruban en tant que zone continue, en particulier sur les matériaux issus de nouveaux matériaux, notamment la ferrite de strontium et la ferrite epsilon pour des densités supplémentaires.

Une communication toujours disponible nécessite de nouvelles directions de recherche qui abordent le déséquilibre entre la capacité de communication et les taux de génération de données.

L’ère à venir de la communication « always on » signifie que l’inadéquation entre la capacité de communication et la génération de données doit être réinitialisée. « Un croisement mondial entre le stockage et la communication devrait se produire vers 2022, ce qui aura un impact considérable sur les TIC », a déclaré SRC. C’est à ce moment que les données générées dépassent les capacités technologiques mondiales de stockage d’informations et de communication.

Le grand défi de la prochaine décennie est de faire progresser les technologies de communication pour permettre de déplacer toutes les données stockées de 100 à 1 000 zettaoctets/an au débit maximal de 1 Tbit/s à <0,1 nJ/bit et de développer des réseaux intelligents et agiles qui utilisent efficacement la bande passante pour maximiser capacité du réseau. SRC dit que cela signifie un investissement de 700 millions de dollars par an tout au long de la prochaine décennie.

Les domaines d’impact sont vastes et comprennent les techniques de communication sans fil s’étendant à la région inférieure au THz, l’interaction des technologies sans fil et filaires, de nouvelles approches de la densification du réseau, l’importance croissante de la sécurité, de nouvelles architectures pour mmWave et la technologie des appareils pour maintenir la bande passante et la puissance exigences, emballage et contrôle thermique.

Parmi les domaines de recherche figurent les réexplorations fondamentales de la physique sous-jacente des communications, selon le SRC. Cela inclut tout, de l’exploitation de mécanismes bio-inspirés à la mise en boucle de la technologie quantique et des réseaux de neurones pour la puissance de communication et l’optimisation des capacités.

Les domaines émergents comme mmWave sont un thème de recherche clé pour le SRC dans le but de le faire passer du « battage publicitaire au déploiement universel ». Il y a beaucoup de travail à faire, du développement de systèmes MIMO massifs avec des milliers d’antennes à de nouveaux matériaux. La photonique est également un domaine de recherche clé (avec le segment mémoire/stockage). D’autres sujets incluent les communications sécurisées pour l’IoT et les optimisations au niveau de la périphérie et du système.

Des percées fondamentales dans le matériel analogique sont nécessaires pour générer des interfaces monde-machine plus intelligentes capables de détecter, de percevoir et de raisonner.

L’électronique analogique est une classification large, qui peut inclure tout, de la communication, au contrôle, au calcul et au-delà. Le SRC identifie ce domaine de la microélectronique comme critique pour la prochaine décennie, car toutes les entrées que les humains peuvent percevoir sont analogiques, ce qui fait de ces dispositifs la clé des interfaces monde-machine qui peuvent raisonner sur la base de capacités de détection ultra-compressées et d’une faible consommation d’énergie.

« Cela s’étend aux interfaces du monde réel telles que les canaux de communication (filaires ou sans fil), la détection et le contrôle des machines et des infrastructures, ainsi que les diagnostics environnementaux et la conversion de diverses sources d’énergie produites par la nature en énergie utilisable. »

Le SRC propose des investissements de 600 millions de dollars par an au cours de la prochaine décennie sur des thèmes de recherche clés, notamment les systèmes TIC analogiques, les capteurs intelligents, l’analogique pour l’apprentissage automatique dans les appareils de périphérie et la productivité et la prévisibilité de la conception des appareils davantage axées sur les appareils.

Les domaines cibles des travaux DARPA et SRC comprennent l’intégration de la plate-forme CMOS et l’intégration de la plate-forme de packages, l’amélioration de la gestion et du contrôle de l’alimentation, la création de plates-formes de « détection à l’action » qui utilisent le ML à la périphérie, la création de plates-formes flexibles qui emballent de manière holistique les capteurs, la mémoire et la représentation du signal , en explorant la photonique sur silicium pour la distribution, le traitement et la détection des signaux, et en développant des méthodes qui multiplient par 100 les simulations analogiques et mixtes avec une précision « assez bonne » (calcul approximatif), entre autres domaines.

La demande d’énergie sans cesse croissante pour l’informatique par rapport à la production d’énergie mondiale crée de nouveaux risques, et les nouveaux paradigmes informatiques offrent des opportunités avec une efficacité énergétique considérablement améliorée.

Peu d’introduction est nécessaire pour ce sujet, surtout compte tenu de l’augmentation des demandes de données à venir au cours de la prochaine décennie. Selon le SRC, le grand objectif pour les dix prochaines années est de « découvrir des paradigmes/architectures informatiques avec une trajectoire informatique radicalement nouvelle qui peut démontrer une amélioration de >1 000 000X de l’efficacité énergétique ».

SRC ajoute que le changement de cette trajectoire « fournit non seulement des améliorations immédiates, mais offre également plusieurs décennies de potentiel de croissance. Ce serait beaucoup plus rentable que d’essayer d’augmenter considérablement l’approvisionnement énergétique mondial. Ce domaine nécessite un investissement annuel de 750 millions de dollars au cours de la prochaine décennie.

Les opportunités de changer le paysage sont mûres tout au long de la pile et interagissent avec d’autres domaines de recherche définis par le SRC. Le graphique suivant de TEL le résume bien, au moins au niveau de l’architecture informatique :

Les domaines de recherche prioritaires pour la prochaine décennie comprennent les concepts émergents en architecture, notamment le calcul haute dimension, le calcul statistique inspiré de Shannon, le calcul ultra-hétérogène (accélérateurs spécialisés) ainsi que l’exploration de nouvelles interconnexions et de nouvelles structures (spintronique, photonique, par exemple). D’autres domaines incluent l’exploration d’approches complètement nouvelles de l’informatique, y compris des méthodes quantiques, neuromorphiques et plus raffinées basées sur l’IA pour résoudre des problèmes.

Des percées dans la recherche sur le matériel sont nécessaires pour relever les défis de sécurité émergents dans les systèmes hautement interconnectés et l’IA.

La sécurité est l’un des domaines de défi les plus délicats et les plus complets pour la prochaine décennie, mais SRC limite son attention sur le côté matériel/périphérique. Cela inclut tout, des capteurs, processeurs, actionneurs et dispositifs d’alimentation et comment ceux-ci interagissent avec les logiciels, les réseaux/cloud et les approches de cryptographie existantes. L’enjeu est la sécurité dans un certain nombre de domaines, de la consommation à l’automobile, à la santé, à l’aérospatiale, à la défense, à la finance et au-delà.

Le grand défi, selon SRC, est de passer la prochaine décennie à développer des avancées en matière de sécurité et de confidentialité qui suivent le rythme des nouvelles menaces et technologies. Les exemples incluent les systèmes autonomes et intelligents fiables et sûrs, les futures plates-formes matérielles sécurisées et les algorithmes cryptographiques post-quantiques et distribués émergents.

Cette zone nécessitera 600 millions de dollars par an tout au long de la décennie, projets SRC.

À l’horizon de la recherche sur le matériel, ils recommandent d’explorer la pérennité du matériel et les approbations de maturité de la sécurité requises avant que les périphériques ne se déconnectent. Au niveau de la conception également, les explorations des systèmes NVM sont particulièrement vulnérables et synthétisent RTL pour garantir une sécurité de niveau matériel contre les attaques connues.

Les sujets de recherche en informatique sécurisée incluent la construction de processeurs sécurisés à puce unique, le développement de modèles de menace, la documentation du « contrat » de co-conception pour les propriétés de la microarchitecture en ce qui concerne la sécurité. L’IA est un autre élément essentiel de la recherche sur la sécurité pour la prochaine décennie avec une meilleure compréhension de la complexité des systèmes d’IA interconnectés et l’utilisation d’outils de sécurité émergents pour maintenir chaque étape du processus sécurisée et robuste.

Plus de détails sur ces cinq frontières de la recherche, qui totalisent 3,4 milliards de dollars par an, peuvent être trouvés via le rapport complet.

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