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《美国能源部公布“科学、安全和技术人工智能前沿”（FASST）计划的路线图》

  • 来源专题：计量基标准与精密测量
  • 编译者： 李晓萌
  • 发布时间：2024-07-22

  • 近日，美国能源部（DOE）公布“科学、安全和技术人工智能前沿”（Frontiers in Artificial Intelligence for Science, Security, and Technology ，简称FASST）计划的路线图，以帮助利用人工智能造福公众。美国政府必须发展这项关键技术的能力，通过FASST，美国能源部及其17个国家实验室旨在与学术和行业合作伙伴合作，为科学、能源和国家安全建立世界上最强大的综合科学人工智能系统。

    美国能源部长Jennifer M.Granholm表示：“人工智能是一种创新技术，可以帮助推动能源技术的突破，加强我们的国家安全。”。“FASST建立在美国能源部作为17个国家实验室的先进超级计算和研究基础设施的管家的角色之上，以提供人工智能的国家能力，并在未来几十年内实现技术突破。”

    美国能源部发布了其FASST路线图：它利用的关键能源部基础设施，它将为国家利益提供的资产，以及它提供国家人工智能能力的组织框架。FASST将改造能源部用户设施产生的庞大科学数据库，使其为人工智能做好准备，并构建下一代高能效人工智能超级计算机。这种国家人工智能能力将使美国研究人员，包括国家实验室的4万名科学家，能够开发出值得信赖的基础人工智能模型，以实现各种科学和能源应用的突破。从发现新的电池材料，到部署智能电网基础设施，甚至实现融合的突破，人工智能可以帮助加速科学发现，并实现新的、负担得起的清洁能源技术。这些功能还将被用来提供对大规模人工智能系统属性的洞察，并促进安全、安保、可信度和隐私。

    FASST计划特别关注以下四个相互关联的支柱领域：人工智能就绪数据（AI-ready data）；前沿规模的人工智能计算基础设施和平台；安全、可靠和值得信赖的人工智能模型和系统；人工智能应用程序。

    美国能源部已经通过国家实验室证明了人工智能在科学突破方面的早期成功。

    ·劳伦斯·利弗莫尔国家实验室宣布与BridgeBio合作，对一种使用人工智能和超级计算基础设施设计的癌症药物进行临床试验；

    ·太平洋西北国家实验室宣布与微软合作，利用人工智能发现了一种新的电池材料；

    ·美国能源部企业已经在开发更多的基础模型。

    FASST打算利用这些早期的成功以及美国能源部成功的公私合作历史，提供国家人工智能能力，以满足国家安全、能源安全和科学发现任务的需求。

  • 原文来源：https://www.energy.gov/articles/doe-announces-roadmap-new-initiative-artificial-intelligence-science-security-and
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相关报告

  • 《美国发布《微电子和先进封装技术路线图》》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：李衍
    • 发布时间：2023-03-31
    • 2023年3月1日，美国半导体研究联盟（Semiconductor Research Corporation, SRC）在美国商务部国家标准与技术研究院（NIST）资助下编制并发布《微电子和先进封装技术路线图》（以下简称“MAPT路线图”）临时报告，从生态系统、系统架构和应用、系统集成和基础微电子四个层面，规划并梳理关键核心技术和培育专业人才队伍所需的步骤，以确保未来美国在设计、开发和制造异质集成系统级封装（SiP）方面的创新能力。MAPT路线图以2021年版《半导体十年计划》和《异构集成路线图》为基础进行构建，提出了一个新的全面的3D半导体路线图，以指导即将到来的微电子革命。 MAPT路线图仍在开发，临时报告旨在广泛征集公众意见以实现高质量的最终路线图。MAPT路线图共包含12章。第一章为MAPT路线图报告概况，其余11章具体包括： 1. 可持续发展与能源效率。根据《半导体十年计划》，现阶段计算解决方案不可持续，随着计算需求的增加，计算的能源需求将超过市场上可用的能源。如果未来十年能源效率没有实现1000倍的提高，2040年后没有实现1000000倍的提高，计算将处于能源受限状态，不会增长、驱动新市场或刺激全球GDP增长。此外，由于全球半导体需求日益增长，以及美国《芯片法案》目标，预计未来几年美国的芯片制造将会增加。同时，从环境和人类健康的角度来看，芯片制造和先进封装所涉及的化学品、材料和工艺以及产品设计本身都必须尽可能可持续。可持续发展与能源效率的跨领域需求包括：（1）提高计算中的能源效率；（2）在半导体器件和系统的全生命周期中（如：设计、开发、制造、使用、产品使用寿命期后废弃管理）提高环境可持续性和效率；（3）随着社会需求的变化，可持续解决方案和系统创新所需的劳动力的发展。 2. 材料、衬底、供应链。本章聚焦微电子封装供应链生态的输入端，材料的来源、环境因素、成本等都会影响封装供应链的韧性和可持续性。MAPT路线图旨在确定未来几代先进电子封装结构中将使用的材料和化学品，重点考虑因素包括：高可靠性材料、新工艺材料、电气性能材料、机械性能/工艺可操作性材料、热管理材料、可靠性/温度/湿度性能优越材料和环境可持续材料。 3. 设计、建模、测试和标准。本章涉及未来的设计自动化组合和行业标准开发。这些设计工具和标准将有效帮助芯片和系统设计者探索和优化不同设计领域以及性能、功率/能源、面积/体积、保密性和安全性等指标，并将成为半导体行业的关键推动者。 4. 制造和工艺开发计量学。本章涵盖了半导体材料和器件研究、开发和制造等各个方面的测量。“表征和计量”可离线、在线和线上使用，包括物理和电气测量的所有方面。“表征和计量”涵盖了从原子尺度到宏观尺度的测量。对新材料和新结构的探索是表征密集型的，而且随着工艺技术的日益成熟，晶圆厂内计量（in-fab metrology）的使用也在增加。本章描述了MAPT路线图所有领域的表征和计量，从材料和器件到先进封装和异构集成以及系统。 5. 安全和隐私。本章确定了新出现的安全和隐私挑战，并概述了解决这些挑战的方法。本章对整个技术堆栈进行了全面分析，但重点强调了对制造和封装技术的影响。本章是对2019年IEEE发布的《异构集成路线图》（Heterogeneous Integration Roadmap）安全章节的补充。本章的主要主题包括：（1）异构集成中潜在的硬件安全漏洞；（2）确定SiP安全内容的可行策略，以及定义合理指标以评估安全弹性实施的可行策略；（3）针对特定应用的攻击预测和防御机制。 6. 劳动力发展。本章概述了未来十年MAPT领域劳动力的需求。美国上下一致认为，目前的人才库以及创建和支持美国国内MAPT劳动力的途径都远远达不到预期需求，并已成为关系美国经济和国家安全的关键点。目前，从技术认证师、专科学位操作员、维护工程师到硕士和博士工程师，MAPT领域不同教育水平的工人在数量、知识、技能和能力方面都不足以满足未来的需求。本章内容主要包括：（1）微电子劳动力需求的预测/时间表；（2）全国“赢得人心”运动的路线图；（3）整个MAPT生态系统的整体、有效的劳动力发展框架。 7. 应用驱动因素和系统要求。本章描述了各种应用领域的影响及其对MAPT路线图所涵盖的关键使能技术方向的影响，并具体讨论了数据中心和高性能计算、移动通信和基础设施、边缘计算和物联网、汽车、生物应用和健康、安全和隐私、以及防御和恶劣环境等应用实例。每一个应用领域都将以不同方式发展，并需要领域特定的系统来实现更高水平性能。 8. 先进封装与异构集成。本章重点介绍了微电子芯片的先进封装和异构集成的各个方面。由于使用更精细的晶体管（低于20nm）微缩芯片的成本优势正在减弱，因此有必要采用一种新方法，即将单个晶粒分解为更小的芯粒（chiplet）并在适当的技术制程上进行经济有效地制造。为了通过芯粒和无源元件的异构集成实现功能“缩放”，封装必须从“芯片载体”过渡到“集成平台”。随着微电子行业朝着为每个应用定制更高性能、更低功耗的解决方案发展，芯粒数量将继续增加。下一代封装技术需要支持这种异构集成的爆炸式增长，实现可以容纳极细间距I/O芯片和极细间距电路系统的互连。 9. 数字处理。本章重点介绍了已经渗透到现代社会各个方面的数字处理技术和基础设施。如今，产率问题、散热设计功耗（TDP）的实际限制、先进技术制程的高设计和制造成本对实现终端用户期望构成威胁。与此同时，人工智能/机器学习相关应用、高级认知需求、区块链等方面都要求处理不断增加的数据集，并执行越来越复杂的计算。单芯片封装解决方案不再适配数据密集型或高性能处理需求。此外，数据处理成本现在主要由将数据移动的能耗决定，包括在处理数据的微芯片内移动数据的能耗。将不同的未封装芯粒进行单片异构集成从而形成SiP，已成为解决这些挑战的重要方案。 10. 模拟和混合信号处理。模拟和混合信号处理驱动着模拟硬件的新兴应用和趋势，本章概述了该领域的短期、中期和长期前景。模拟元件对于世界-机器接口、传感、感知、通信和推理系统，以及所有类型的电气系统的电力分配、输送和管理至关重要。模拟信号处理或“模拟边缘”处理有助于减少必要的数字处理数量。本章的主要主题包括：（1）模拟和混合信号电路及处理；（2）电力转换和管理；（3）智能传感接口；（4）射频（RF）到太赫兹（THz）的器件、电路和系统（RF-to-THz devices, circuits and systems）。 11. 光子学和微机电系统。本章阐述了存储器、计算、传感、通信等所必需的重要配套技术。本章是对2021年荷兰PhotonDelta联盟和麻省理工学院微光子学研究中心发布的《国际集成光子学系统路线图》（Integrated Photonics System Roadmap – International, IPSR-I）的补充。本章的主要主题包括：（1）基于微机电系统和光子学的传感器和执行器；（2）用于通信的集成光子学；（3）用于存储器和计算的光子I/O；（4）材料和加工；（5）设计和建模支持。
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  • 《美国能源部发布国家清洁氢能战略和路线图草案》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2022-11-30
    • 近日，美国能源部（DOE）发布《国家清洁氢能战略和路线图（草案）》，指出到2050年清洁氢能将贡献约10%的碳减排量，到2030、2040和2050年美国清洁氢需求将分别达到1000、2000和5000万吨/年。该草案确定了美国清洁氢能价值链的近、中、长期行动，关键要点如下： 一、关键战略方向 该路线图草案优先考虑三个关键战略方向，以确保清洁氢能作为有效的脱碳工具被开发和利用，并为美国带来最大利益。包括： 1、明确清洁氢能的战略性地位及高影响力用途。这将确保清洁氢能被用于价值最高的应用场景。在这些应用场景中，通常深度脱碳替代方案有限。具体包括工业部门、重型卡车和实现清洁电网的长期储能。长期机遇包括出口清洁氢或氢载体的潜力，以及为美国的盟友实现能源安全。 2、降低清洁氢能成本。“氢能攻关计划”已于2021年启动，将促进氢能创新和规模化发展，刺激私营部门投资，促进整个氢能供应链发展，并大幅降低清洁氢能成本。还将努力解决关键材料和供应链的脆弱性，并针对效率、耐用性和可回收性进行设计。 3、专注于区域网络建设。包括区域清洁氢能中心，以实现区域大规模清洁氢能生产和终端应用，建设关键基础设施，推动规模化发展，促进市场腾飞。优先事项将包括短期影响，创造工作机会，以及快速启动国内制造业和私人投资。 二、近、中、长期行动时间表 路线图草案制定了清洁氢能的近、中、长期行动时间表，如图1所示。 图1 美国清洁氢能战略和路线图近中长期行动时间表 三、各阶段支持行动 1、清洁制氢 近期（2022-2025年）：①从生命周期、可持续性、成本、区域和公平角度评估路径，以优先考虑策略，确定差距；②建立清洁氢标准；③示范热解制氢、废物制氢、可再生能源制氢和核能制氢等清洁技术；④通过对制造工艺、电堆、辅助系统组件的研发、示范和部署，大规模降低电解槽成本；⑤通过模块化设计和过程强化的研发、示范和部署，降低热解制氢技术成本；⑥开发低成本、耐用的膜和分离材料；⑦促进组件标准化，减少对关键材料的依赖，并建立稳健的供应链；⑧设计并实施加速应力试验技术以评估和改善耐久性；⑨发布关于路径、排放和成本的个案研究；⑩为今后的部署制定严格的数据收集和监测框架。 中期（2026-2029年）：①实现电解制氢成本2美元/千克；②实现国内吉瓦级规模电解槽生产能力；③可最大限度地减少关键材料用量，同时实现性能和耐久性有竞争力的催化剂和组件；④优化电解槽和清洁能源供应之间的集成，以降低成本，提高效率和弹性；⑤提出目前实验室规模下最有前景的制氢概念，如热化学、光电化学或生物法制氢；⑥从真实环境的示范中收集数据，为研发、示范和部署提供信息，并持续改善性能和耐久性；⑦细化和更新路径评估，以确保以最可持续、公平、弹性和可负担的方法为目标；⑧通过分析经验教训、最佳做法和利益相关方反馈来确定扩大规模的途径和好处。 长期（2030-2035年）：①大规模部署可再生能源制氢、核能制氢和化石能源结合CCS制氢；②到2030年，清洁氢产能至少达到1000万吨/年；③不同来源的清洁氢成本达到1美元/千克；④示范可最大限度地减少关键材料使用，并达到目标性能和耐久性的电解电堆；⑤利用不同原料（如废水或高温热）大规模生产氢的商业可行方法；⑥确保建设弹性和可持续的国内供应链，适用于所采用的所有制氢途径，并能够不依赖于进口；⑦从真实环境的部署中持续收集数据，为研发、示范和部署提供信息，确定差距并完善战略；⑧应用最佳做法、经验教训和分析，包括通过全球合作和可持续性框架，确保提出最可持续、公平、弹性且经济的办法，以最大限度地发挥效益。 2、输送和存储基础设施 近期（2022-2025年）：①开发和更新分析模型和工具，以评估输送和存储技术路径、确定差距并确定策略的优先顺序；②开发严格监测和减少氢泄漏和汽化损耗的技术；③评估管道和组件材料与氢气和氢气/天然气混合物的相容性；④提出低成本、高效的氢液化和降低汽化损耗的新方法；⑤发现和开发用于大量存储和分配的氢载体材料；⑥识别可用于大量储氢的地质地层，以及相关的开发和运行要求；⑦开发和优化关键应用中的氢基础设施设计，如工业和储能；⑧制定和协调氢用于重型卡车和越野车辆的燃料协议；⑨加快研发、示范和部署，以降低高压和液氢储罐成本，包括碳纤维复合材料容器；⑩建立数据监测和收集框架，评估上游和现场排放。 中期（2026-2029年）：①验证和改进分析模型和工具，以确定各种应用的输送和存储优先顺序；②示范高效可靠的氢气管道压缩机运行；③量化气氢和液氢基础设施损耗，为大规模部署提供信息；④开发商业规模的新型高效氢气液化系统设计；⑤提出有前景的氢载体系统概念，设计可靠、低成本的系统；⑥启动区域大规模储氢示范，包括地下储氢，并确保当地利益；⑦示范新型、高效、低成本的大规模氢气输送方法；⑧部署可扩展的加氢站，以支持氢能交通早期市场，如重型卡车和公共汽车；⑨部署针对潜在的氢气和其他排放/释放的监测系统，确保数据收集；在关键地点设计可持续和公平的区域清洁氢能网络，以最大限度地发挥效益，确保能源正义、环境的正义和公平。 长期（2030-2035年）：①与当地社区和利益相关方合作，设计针对区域供需优化的氢能基础设施网络，以最大限度地发挥效益，确保实现能源、环境和公平目标；②示范先进液化技术，比当前概念的效率提高一倍；③制定长期储氢计划/氢战略储备，以确保供应弹性；④部署至少4个拥有先进低成本清洁氢存储和基础设施的区域清洁氢能中心；⑤从实际环境中的氢分配示范（如通过管道或载体）收集数据，包括排放数据，为研发、示范和部署提供信息，从而降低成本并提高可靠性；⑥持续收集数据，为扩大最佳输送和存储技术部署以及研发、示范和部署提供信息；⑦确保在不同的利益相关方之间共享与氢能基础设施相关的任何安全或其他最佳实践，以实现持续改进；⑧通过氢能基础设施的全球合作，为长期投资计划和氢出口机会提供信息。 3、终端应用和市场采用 近期（2022-2025年）：①为清洁氢的生产、加工、输运、存储和终端应用的大规模部署奠定监管基础；②开展跨领域工作（如核能、可再生能源、化石燃料、CCS、储能），确定监管和政策差距，以及解决这些差距的关键战略，以最大限度地减少影响；③制定氢气管道和大型项目的最新指南，促进利益相关方参与并解决环境、能源和公平优先事项；④启动难脱碳行业向清洁氢过渡，并确定可能扩大规模的具体场景（如氨、炼油厂、钢铁）；⑤推进有效的终端应用技术并扩大规模；⑥通过建模和改进数据采集，量化氢气泄漏的气候影响；⑦制定最佳做法和指南，以评估实际部署的清洁氢的生命周期排放，并为“原产地保证”和认证计划提供信息。 中期（2026-2029年）：①使氢能技术相关的规范和标准能够实现国际协调；②开发市场模式以加快部署进展，克服监管障碍，促进可再生能源电力用于电解槽；③通过公开访问的平台分享安全最佳做法以及从早期部署中汲取的经验教训；④部署至少两个清洁氢能中心，示范氢在难脱碳行业（如工业和重型卡车）中的使用；⑤制定国家对氢掺混限制的指南；⑥供应清洁氢，使得到2030年利用生物质和废物生产至少30亿加仑的可持续航空燃料；⑦提高电解槽、燃料电池和氢价值链中其他部件的原料回收和循环利用的效率和成本效益，以使其能够不赖依于进口。 长期（2030-2035年）：①开发市场模式监管指南，以实现清洁氢的出口；②利用从大规模部署中获得的经验教训，确定未来增长的优先领域，重点是支持最有效、经济、与气候目标一致的整体方法，最大限度地改善公共健康安全和环境；③示范和量化氢能在改进未来清洁能源系统的弹性和避免中断供应方面的益处；④到2030年示范用于发电的纯氢燃料超低氮氧化物排放燃气轮机和低铂族金属含量燃料电池；⑤启动至少一个清洁氢能中心，示范氢在清洁电网储能中的应用，并量化氢支持到2035年实现零碳电网的机会，包括区域因素。 4、使能因素、能源及环境正义 近期（2022-2025年）：①制定和实施广泛和包容性的利益相关方参与框架，并收集反馈；②为团队和组织以及联邦资助的示范项目的地理/社区选址确定多样性、公平性、包容性和其他关键优先事项的衡量标准；③推出工具和平台，以促进伙伴关系、包容性和市场部署；④为工人制定再培训计划，使其能够获得近期和长期的高薪工作；⑤为学生制定招聘和职业计划，并促进多样性、公平性和包容性；⑥制定和实施可持续性框架以及环保最佳做法；⑦开发教育资源，以支持氢能中心社区推广和参与战略；⑧改进区域优先事项数据收集并确定应用，为清洁氢的部署提供参考。 中期（2026-2029年）：①完善和不断改进利益相关方的参与和包容性，并应用所学到的经验；②促进公私合作关系，以实现包容性并加速进展；③与氢能中心所在地区的弱势社区制定和执行社区获利协议；④部署氢能技术以减少未达标地区的排放，并为当地和弱势社区提供弹性、工作和其他关键利益；⑤评估氢能技术对区域水供应和其他资源的影响；⑥进行环境和风险评估，总结经验教训，包括通过全球和区域协作；⑦与工会合作，发展和扩大氢能技术的注册学徒计划；⑧利用氢能安全中心和其他平台，分享最佳做法和经验教训。 长期（2030-2035年）：①量化部署氢能的益处，并确定额外的政策或计划优先事项，以加快进展；②在弱势社区部署清洁氢能技术的制造设施；③评估区域清洁氢能中心的技术-社会-经济影响；④开发和完善市场结构，以公平分配新技术的成本和收益；⑤确保将适应性、网络、弹性和其他缓解方法纳入扩大规模的战略计划；⑥更新和完善可持续性框架和最佳做法，为未来部署提供信息；⑦利用全球合作和倡议，最大限度地取得研发、示范和部署的成功，并确保清洁能源转型公平。
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