2019年，科技竞争态势更趋激烈，信息化、数字化、智能化、网络化技术基础日渐夯实，武器装备对高性能、深集成、低功耗、高可靠的元器件需求急迫。本年度基础电子元件器件领域发展迅速，出现了许多重大变革和突破，各国纷纷开展有针对性的战略布局，抢占技术高地与先机；诸多新材料和新器件涌现，朝着更小工艺制程、多功能异质集成方向发展，延续摩尔、超越摩尔以及综合发展进入新阶段；5G通信、人工智能等需求牵引更加强劲，应用领域与市场进一步扩大。
01、DARPA举办第二届“电子复兴”计划年度峰会
2019年7月15日至17日，DARPA在美国底特律召开第二届“电子复兴”计划年度峰会，主要内容包括三个部分：项目成果展示、探讨投资领域、指导后续合作。本次峰会对目前开展的研究成果进行展示，还对“电子设备智能设计”（IDEA）和“高端开源硬件”（POSH）项目进行现场演示。通过本次峰会为那些初次与DARPA合作或有兴趣将DARPA资助的研发成果进行技术转化并应用到商业领域的与会者提供指导，重点关注领域包括加强商业硬件安全性、用于分布式机器智能的节能计算、设计和验证分布式系统的新方法、异构集成所面临的挑战等。02、Cerebras Systems公司推出最大运算芯片
2019年8月20日，美国CerebrasSystems公司推出拥有1.2万亿个晶体管、专门面向AI任务的史上最大运算芯片——Cerebras Wafer ScaleEngine（简称WSE）。该芯片由台积电代工，使用16 nm工艺制造，芯片尺寸达到了46225 平方毫米，比当前最大的GPU核心要大56倍，使用了处理器间通信结构，实现高带宽和低延迟的突破。通过加速深度学习计算，WSE将模型训练时间从几个月缩短到几分钟，从几周缩短到几秒。Cerebras Systems公司凭借其晶圆级技术实现了巨大的飞跃，在单片硅上实现了更多的处理性能：实现了裸片之间的连接、设计了专门为神经网络原语优化的核心、在内存架构上针对深度学习进行了专门的优化。2019年8月，美国麻省理工学院工程师使用标准工艺流程设计和制造出首颗完全由碳纳米晶体管构成的微处理器，包含14000多个碳纳米管（CNT）晶体管，能在16位数据和地址上运行标准的32位指令，预计将比现在的硅基数字系统的能量效率提升一个数量级。利用这种技术有望制成商业化的碳纳米管（CNT）芯片，使其具备如今前沿硅晶体管所拥有的高性能，并维持较低的设计和制造成本。碳纳米管16位微处理器芯片取得的重大突破，标志其实用化迈出了一大步，有望带来下一代计算机跳跃发展，并对整个电子技术产生重大影响。04、宇航级FPGA成功应用于NASA太阳探测项目
2019年9月1日，NASA“帕克号”太阳探测器成功完成第三次近距离飞越探测太阳的活动。此次航行过程中，为抵抗复杂宇航环境中的温差、单粒子效应等问题，该探测器搭载了多款Microsemi公司RTAX4000系列抗辐射宇航级FPGA芯片。该系列芯片集成了抗单粒子翻转（SEU）、外加三重冗余保护的寄存器，可以使SEU发生的概率降低到1×10-10错误/位/天。其专门的EDAC工具能发现和修正SRAM上发生的位翻转，即使SRAM自带的错误检测和校正电路发生故障，这些SEU也能被发现并及时修正，不需要人工干预，也不产生额外成本，更不会影响设计时间。05、美国空军与BAE系统公司联合展开新半导体计划
2019年10月，美国空军研究实验室与BAE系统公司开展合作启动新半导体计划，共同开发下一代短栅氮化镓（GaN）半导体技术，该技术对雷达、通信、电子战等武器装备的性能提升至关重要。该技术研发目前处于第二阶段，旨在将140纳米氮化镓单片微波集成电路工艺扩展至6英寸晶圆上，并提高制造成熟度和稳定性，包括器件性能的优化、保证晶圆的良品率等。本阶段结束后，这项技术将被广泛应用到武器装备、工业制造各个领域。2019年10月24日，谷歌在《自然》上发表论文称开发出一款54 量子比特数的量子芯片，名为 Sycamore，由铝、铟、硅晶片和超导体（约瑟夫森结）等材料组成。该芯片中每个量子比特和临近的4个量子比特耦合，实际执行运算的只有53个量子比特和 86个耦合器，剩下的1个量子比特无法正常工作。通过一系列实验和计算，谷歌研究人员开发了一套高保真度的纠错流程，进而对芯片展开测试，最终得出结论，同样是对一个量子电路产生的随机数字采样100万次，Sycamore芯片支持的量子计算机只需要200秒，同时维持很低的误差率，而世界最强超算Summit需要1万年。2019年10月，据报道，欧盟“地平线2020计划”资助的TERIPHIC项目正在开发一种超高速互联网，传输速度可达到1.6太比特每秒，将为高速数据传输创造新突破。TERIPHIC项目由希腊、意大利、以色列和德国等多国科研机构共同推动，旨在为工业界开发高速通信设施。同时，超高速互联网将利用高性能光收发器，可使每秒传输1吉比特数据的能耗降低50%，成本降低到0.3欧元。预计，TERIPHIC项目将于2021年12月完成。08、美国伍斯特理工学院发现英特尔和意法半导体芯片中的漏洞，全球数十亿计算机芯片受波及
2019年11月12日，据报道，美国伍斯特理工学院安全研究人员发现英特尔和意法半导体公司制造的部分系列芯片存在严重安全漏洞，全球数十亿计算机芯片受影响。研究人员表示漏洞源于芯片中的可信平台模块（TPM）固件，黑客可通过侧通道攻击窃取保留在芯片中的加密密钥，获得文件访问权限。英特尔公司2013年后推出的i3、i5、i7系列芯片及意法半导体公司ST33系列芯片均受到波及。目前，研究人员已与英特尔和意法半导体公司展开合作，共同开发程序补丁。
09、台积电3nm芯片制程工艺进展顺利，2nm将于2024年量产
2019年12月9日，台积电表示其3纳米芯片制程工艺开发进展顺利，将于2022年开始规模量产。3纳米芯片制程工艺将大幅改进晶体管结构，并带来生产设备的大规模更新。对于台积电来说，目前其7纳米工艺已经产能满载，5纳米工艺顺利完成“风险量产”，良率超过50%，将在2020年第一季度量产，芯片密度较目前7纳米提高80％，指令周期可提升20％。此外，台积电还表示，其2纳米工艺正处于技术规划阶段，预计将于2024年实现量产。10、美国普渡大学开发出新型铁电场效应晶体管，可用于构建同时处理和储存信息的芯片
2019年12月，美国普渡大学成功开发出新型铁电场效应晶体管，可用于构建同时处理和储存信息的单个芯片器件。此前，由于铁电材料和硅材料的性质冲突，科学家无法在单个芯片中同时实现计算和存储。普渡大学研究人员在铁电材料中加入α-硒化铟，解决了常规铁电材料中“带隙”引起的绝缘问题，从而构建起材料的半导体特性，制成铁电场效应晶体管。由该材料制成的该铁电场效应晶体管用于构建“铁电存储器”，可在单个芯片中实现数据的存储和处理，从而大幅提升计算效率。
未来几年制造工艺将进一步下探，有望达到1纳米；5G将成为半导体技术的重要成长推手，低成本硅基氮化镓材料、硅基光电集成前景看好，宽禁带半导体发展潜力巨大。应用于军事领域的基础元器件将向智能化、集成化、网络化、低功耗、耐恶劣环境等方向发展，为无人化、数字化、网络化的未来战争提供强大的技术支撑和保障。全新器件、材料、架构和应用将由原理性技术研究到验证转变，如自旋电子器件、石墨烯、碳纳米管以及模拟神经网络的新型芯片架构、生物器件、DNA存储、新集成技术等，使得基础元器件发展摆脱传统的模式和局限，改变一直以来“依靠器件微型化提升芯片性能”的固定范式，获得更大的发展空间。作者：中国电科战略情报团队
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