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半导体行业观察|美国制定半导体十年计划，聚焦五大方向( 四 )


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巨变三：通信需要新的研究方向
根据我们的观点 ， 持续可用的通信需要新的研究方向 ， 解决通信容量与数据生成率之间的不平衡 ， 是我们必须关注的又一个重点 。
发达国家的现状是以随时可用的通讯和连接为特征的 ， 这对生活的各个方面都产生了巨大的影响 。 云存储和计算就是这方面的一个表现 。 从任何地方获取数据并将其发送到任何地方的能力已经改变了我们商业方式以及个人习惯和生活方式 。 社交网络就是一个例子 。 然而 ， 云的主要概念是基于持续连接的假设 。 此外 ， 随着我们之间的联系越来越紧密 ， 对交流的需求也越来越普遍 。 如图6所示 ， 世界技术信息存储需要与通信能力之间的差距日益扩大 ， 这是一个令人担忧的趋势 。 例如 ， 虽然目前传输全世界存储的数据在不到一年的时间内是可能的 ， 但预计到2040年传输至少需要20年 。 全球存储和通信的交叉预计将在2022年左右发生 ， 这可能对ICT产生巨大影响 。 尽管人工智能系统的边缘计算日益增长 ， 以满足隐私和更快的响应时间 ， 产生和存储的信息爆炸将需要云存储和通信基础设施的巨大增长 。
半导体行业观察|美国制定半导体十年计划，聚焦五大方向
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图6：交叉点表示产生的数据超过了世界技术信息存储和通信能力 ， 造成了数据传输的限制 。
宏伟目标# 3a：
先进的通信技术 ， 以1Tbps@<0.1nJ/bit的峰值速率 ， 使所有存储的100-1000 zettabyte/年的数据能够移动 。
宏伟目标# 3 b：
开发智能和敏捷的网络 ， 有效地利用带宽来最大化网络容量 。
行动呼吁
为了满足日益增长的需求 ， 通信需要彻底的进步 。 例如 ， 云技术可能会发生重大变化 ， 重点将转向边缘计算和本地数据存储 。
宽带通信将从智能手机扩展到增强现实、虚拟会议和智能办公室设置 。 新功能将通过新的用例和新的垂直市场丰富用户体验 。 这需要跨越广泛议程的合作研究 ， 旨在建立革命性范式 ， 以支持未来大容量、节能通信的广泛应用 。 美国能源部科学办公室在2020年3月发表了一份报告 ， 以确定先进无线技术的潜在机遇和探索科学挑战
挑战将包括无线通信技术扩展到THz区域 ， 无线和有线技术的相互作用 ， 网络加密的新方法 ， 越来越重要的安全 ， 毫米波的新架构 ， 设备技术 ， 以维持带宽和功率要求 ， 封装和热控制 。
在这十年里 ， 每年投资7亿美元在新的通讯技术 。 选定的优先研究主题概述如下：
半导体行业观察|美国制定半导体十年计划，聚焦五大方向
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巨变四：硬件研究需要突破
根据我们的观察 ， 在未来 ， 硬件研究需要突破 ， 以应对在高度互联的系统和人工智能中出现的安全挑战 。
当今高度相互关联的系统和应用程序需要安全和隐私(图7) 。 公司网络,社交网络和自治系统都是建立在可靠和安全通信的假设, 但也面临各种威胁和攻击 ， 从敏感数据的泄露到拒绝服务 。 随着新用例、新威胁和新平台的出现 ， 安全和隐私领域正在经历快速的变化 。 例如 ， 量子计算的出现将带来新的威胁向量 ， 这将给现有的加密方法带来漏洞 。 因此 ， 必须开发新的抗量子攻击的加密标准 ， 并考虑到这些标准对系统性能的影响 。 此外 ， 隐私已经成为一个主要的政策问题 ， 越来越受到全球消费者和政策制定者的关注 。 提高隐私的技术方法包括在收集或发布数据时混淆或加密数据 。
在另一个方向 ， 设备已经渗透到物理世界方方面面 ， 因此对这些设备的信任就变成了安全问题 。 而且 ， 安全从未如此重要 。 系统的安全性和可靠性除了传统的随机故障和物理世界系统的退化问题外 ， 还需要考虑恶意攻击 。 网络物理系统的安全需要考虑如何即使在攻击后仍能正常运行或失败 。 我们需要智能算法 ， 通过筛选上下文数据 ， 以评估信任 ， 做安全的传感器融合随着时间的推移 。 这是一个困难的问题 ， 因为上下文数据具有巨大的多样性和数量——未来的系统实际上是具有无限通信和信令可能性的系统 。 例如 ， 汽车可以相互通信 ， 也可以与路边的基础设施 。 像人类一样 ， 我们需要增强系统的智能来信任或不信任他们所感知到的一切 。


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