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《Jaydeep Kulkarni教授因“评估基于PTM的CMOS电路的辐射性能”而获得国防部的资助》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： Lightfeng
  • 发布时间：2019-06-23

  • 德克萨斯州ECE的Jaydeep Kulkarni教授和范德比尔特大学的合作者最近收到了国防部（DoD）和美国海军的一笔拨款，用于“评估基于PTM的CMOS电路的辐射性能”。

    在这项研究中，主要研究者Kulkarni与其来自范德比尔特大学的合作者Bharat Bhuva教授计划探索新型相变材料（PTM），以提高CMOS逻辑和存储电路的辐射强度。PTM器件在外偏压的作用下电阻会发生突变。与以前的方法相比，本文提出的基于PTM的电路是通过将PTM器件的后端（BEOL）集成到基线CMOS技术上，而不会导致有源硅区的增长。如果成功的话，这项研究可以显著提高国防部关键电子系统的抗辐射能力，同时将对功率和性能的影响降到最低。

    Jaydeep Kulkarni是一名助理教授，在奥斯汀德克萨斯大学电气和计算机工程系担任AMD授予的计算机工程教授。他申请了35项专利，出版了2本书籍，并在相关期刊和会议上发表了75篇论文。他的研究重点是节能数字、内存和电源管理电路、新兴的纳米技术应用和数据密集型硬件加速器。他获得了2008年英特尔基金会博士奖学金，2010年普渡大学欧洲经委会杰出博士学位论文奖，2015年IEEE交易VLSI系统最佳论文奖，2015年SRC杰出工业联络奖。

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    • 编译者：huangcui
    • 发布时间：2020-02-28
    • 1986年4月26日凌晨，乌克兰切尔诺贝利核电站发生爆炸，释放出大量的有毒气体和放射性粒子。大火燃烧了10天，数以百计的工厂人员、消防员和急救人员浴火奋战，他们当时并没有适当的安全设备来扑灭大火。其中，134人最终被诊断为急性辐射综合症，这是一种当人整个身体短时间暴露于高剂量辐射中导致的疾病。尽管切尔诺贝利的总死亡人数仍有争议，但有确凿的记录表明，在事故发生后的三个月内有28名第一批急救人员死于辐射暴露。 在切尔诺贝利灾难以来的几十年中，尽管十亿美元的公共医疗投资投入了对急性放射综合症的治疗，治疗急性辐射综合症仍是一样的方法——应用支持性护理疗法（supportive care）帮助身体抵御辐射的毒性。然而雄心勃勃的美国政府项目可能会改变这一点。美国国防高级研究计划局（DARPA）正在为军队开发尖端技术，它正在资助一组研究人员开发一种利用基因编辑工具CRISPR，临时并可逆地对抗辐射策略。类似于疫苗，科学家正在尝试生产一种基因药物，能够在人体暴露于辐射之前和之后增强人体的自然防御能力。 研究人员将使用改良的CRISPR，可以在不改变DNA编码的情况下打开和关闭基因。 CRISPR是一种使科学家能够切割、编辑或替换DNA的技术，就像在文字处理文档中进行修改一样。但是DARPA希望采取一项无需对健康人的基因组进行永久性改变的干预措施来防止辐射。DARPA计划主管Renee Wegrzyn告诉OneZero：“我们无法承担永久修改DNA的风险。” 研究人员将改用CRISPR的改良形式，无需更改DNA编码来打开和关闭基因。这种波动（fluctuations）被称为基因表达。如果说DNA是细胞的说明书，那么基因表达就是解释和执行这些说明书的方式。在最基本的层面上，人们的基因带有制造蛋白质的指令，而基因表达是这些指令被转化为蛋白质的过程。基因表达随细胞环境的变化而变化，这反过来又会影响何时以及产生多少蛋白质。这些蛋白质中的某些有益，而其他则有害。科学家认为，他们通过使用CRISPR告诉基因“停止”或“移动”，可以增强有用的蛋白质来保护细胞免受辐射，同时阻止有害的蛋白质。 基因编辑先驱、加利福尼亚大学伯克利分校分子和细胞生物学教授Fyodro Urnov说，“这就像给人装甲”，他与加州大学旧金山分校细胞和分子药理学系教授Jonathan Weissman一起领导着DARPA项目。切尔诺贝利灾难期间，Urnov在莫斯科国立大学读大二，与当时的大多数苏联公民一样，他深受其影响。 DARPA希望Urnov和Weissman的团队给士兵、急救人员和平民在进入危险高辐射区域之前使用药丸或注射剂。理想情况下，暴露后也可以进行类似的处理，例如在核灾难或肮脏炸弹的情况下。将来，辐射防护疗法也可能对在太空中执行长期任务的宇航员有用，因为在太空中，宇航员将受到暴露于会破坏DNA的宇宙射线和高速粒子的照射。 但是，尽管少数生物技术公司最近已经开始在眼中或体外细胞上使用CRISPR的临床试验，但正如Urnov和Weissman的目标那样，直接在体内进行改变是一件非常棘手的事情，因为CRISPR元件必须达到正确的细胞，以及足够的细胞，才能发挥作用。研究人员已经获得了最初的950万美元资金，并且根据DARPA合同，有四年的时间来生产一种可以在人体临床试验中测试的实验药物。 当人体暴露于高水平的辐射下，细胞会发生突变并开始发生功能障碍或死亡。血细胞以及衬在胃和食道中的那些是最易感的。这些细胞的损失使人体难以抵抗感染或治愈伤口，并引起与辐射中毒相关的症状，例如恶心和腹泻。 碘化钾片剂已使用数十年，但它们只能保护甲状腺免受辐射。近年来，刺激白细胞恢复的药物也已投放市场，但是没有针对肠道的药物，也没有针对辐射引起的基因损伤的药物。取而代之的是，医生通过支持疗法来治疗放射性中毒的患者，其中可能包括输血，骨髓移植和抗生素。 科学家知道人体可以自然修复某些基因损伤，因此DARPA认为可以增强这些机制以使人体更具弹性。研究人员现在开始了四年时间表中的第一步，确定一组基因，这些基因在打开或关闭时可以保护免受急性放射综合症的侵害。 DARPA资助的研究人员之一，哥伦比亚大学系统生物学助理教授Harris Wang说：“我们一直都以非常低的剂量暴露于辐射下，人体具有天然机制，用来修复与这些暴露相关的某些损害。但这些物质的含量非常低。” “如果我们能够使这两种类型的细胞具有抗辐射能力，那将提高人们抵御辐射的能力。” 一种基因是表达G-CSF蛋白质刺激骨髓产生白细胞，G-CSF如今可作为药物获得，商标名为Neupogen、Granix和Zarxio。DARPA的Wegrzyn说，CRISPR疗法可以让该基因表达，而不是给患者提供药物，因此人体本身可以制造更多的蛋白质。 为了找到潜在的保护性基因，科学家将使用Weissman开发的方法来筛选整个基因组。然后，他们将在人类类器官（模拟器官功能的实验室生长组织的微小斑点）中测试有价值的基因。之后，他们会进行动物测试。Wang说，他们可能需要针对几种不同的基因，而不仅仅是一两个基因，以提供足够的保护。 研究人员专注于两类主要的细胞：产生血细胞的造血干细胞和衬在肠内的上皮细胞。这些细胞不断分裂，特别容易受到辐射的影响，因为它们没有足够的时间在再次分裂之前修复遗传损伤，从而将突变传给后代细胞。Weissman说：“如果我们能够使这两类细胞具有抗辐射能力，那将提高一个人在暴露于辐射下的生存能力。” 根据美国核监管委员会的数据，普通人在一年中会暴露于3 mSv背景辐射。相比之下，广岛和长崎原子弹爆炸的幸存者平均受到约200 mSv的辐射。在太空待了一年时美国宇航员Scott Kelly，受到约146 mSv的辐射，几乎与之相当。 去火星要危险得多，对“红色星球”进行为期100天的任务可能会使宇航员暴露于1000 mSV的辐射下，比年度医疗指南要高出许多倍。如果没有某种增强的抵抗太空辐射的防御措施，就很难知道人类将能够进行多长时间的太空旅行。 威尔•康奈尔大学生理学和生物物理学副教授Christopher Mason并未参与DARPA的工作，但他支持使用遗传医学来确保宇航员在太空中的安全。Mason研究了太空对人体的影响，并领导了一个由NASA选择的科学家小组，比较了同卵双胞胎，在太空一年时间的Scott和在和同时在地球的Mark Kelly的遗传，生理和行为变化。 这项双胞胎研究表明，参与免疫系统和DNA修复的基因对太空飞行特别敏感。未知的是，是否可以在宇航员进入太空之前简单地增加这些基因，如果可以，何时需要进行这些调整。Mason说：“可能必须在辐射暴露时或一个月之前。”“什么时间的最佳节点将会激活这些途径的时机几乎是完全未知的。” Mason和其他人感兴趣的一个基因是p53，这是一种有助于预防癌症的调节基因。该基因的突变会导致癌细胞在体内生长和扩散。很少患癌症的大象拥有p53基因的多个拷贝，而人类和其他哺乳动物则只有一个。为什么在宇航员进入太空之前不增加p53？他的实验室正在尝试向人体细胞中添加额外的p53来研究其作用。 将来甚至可以用其他物种的基因来改造宇航员。Mason研究的一类这样的基因Dsup编码在水熊虫中发现的一种可抑制辐射引起的DNA断裂的保护性蛋白质，显微观察看起来像熊和毛毛虫的水熊虫几乎可以在地球上的任何地方找到。而且水生无脊椎动物非常顽强，可以在外太空生存。Mason和他的团队已经成功地将这种水熊虫的基因导入了人体细胞。现在他们在实验室中将细胞暴露在辐射下，来观察它们如何保持。 Mason意识到，在决定我们是否应该对宇航员进行基因改造之前，有很多伦理考虑因素，即使这只是暂时的。他认为我们在伦理上有义务保护宇航员，因为宇航员进入太空会承担巨大的风险。但他还想确保科学家们做对了。Mason说：“我们需要确保做的事情看起来不像侏罗纪公园或Michael Crichton的电影。” DARPA资助的研究人员面临着艰巨的任务。从没有人尝试过像这样的药。Urnov承认，即使拥有最新的基因技术，也可能无法保护人类免受致命的辐射剂量。医疗对策专家，马里兰大学放射生物学家IsabelJackson说：“我认为我们四年后不会有这种药物。”监管途径很长。美国食品药品监督管理局（FDA）批准的第一种专门用于急性放射病的药物Neupogen直到2015年才问世。这种刺激血细胞生成的药物于1991年获批用于癌症患者。但是，DARPA表示，他们正在与FDA合作，能够根据公共卫生需求快速跟踪医疗对策。 曾在美国海军核电项目任职的健康物理学家Andrew Karam表示，研究人员 正在步入未知领域。他不确定该项目是否会成功，但表示这是了解放射病涉及的重要生物途径的必要的第一步。Karam说：“他们不知道这个领域有多深有大或能找到什么。”
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  • 《英国国防部发布《科技战略2020》》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：shenxiang
    • 发布时间：2020-11-13
    • 据英国政府官网10月19日报道，英国国防部发布《2020年科学技术战略》 ，旨在确保英国防部保持未来科技优势。该报告分析了英国目前面临的发展现状和机遇，指出英国未来军事发展的五方面挑战性领域，强调了未来将投资网络空间领域，化学、生物和放射技术，新兴武器，电磁环境以及系统集成能力等。为实现发展目标，英国国防部将采取根据希望实现的结果对研发进行优先排序、重新调整科技预算、积极处理与科技有关的政策决定、推动以证据为基础的决策文化和支持科学素养等战略方针。 （一）发展现状和机遇 目前正处于技术变革的速度和广度前所未有的时代：新的研究领域正在现有领域的交叉处出现，新技术和技术应用的发展和采用速度比以往任何时候都快，新的数据收集、管理和分析技术正在产生更大量的数据和更快地信息获取速度，并产生有更细致的理解和更复杂的见解；新的参与者正在出现，科技创新不再集中在大公司和少数几个国家。 全球竞争对手发生了变化。尽管俄罗斯仍然是英国和北约的主要战略挑战，但中国才是更大的长期挑战。中国经济取得了实质性的增长，从1995年到2015年，中国每年的国防开支实际增长了至少620%。虽然中国主要关注的是地区主导地位，但其大战略和基本的国家计划表明了全球实力战略规划。中国通过有效和高效的军民融合实现，并集中于一些关键领域如制造业和供应链的主导地位，已成为许多颠覆性创新地区的第一采用者。中国的目标是到2035年实现军事现代化，到2049年成为世界一流的军事力量，具备全球作战能力。 全球科技创新格局发生了变化。庞大的跨国公司吸收了多家小企业的创新成果，积累的科学、技术和数据能力可以与一些国家相媲美。大型科技公司正凭借自身实力成为地缘政治力量，它们能够接触到公民生活和生活的方方面面，包括政治信息甚至选民投票率。科技不仅仅是解决问题的手段，它们本身也是相互依存和有争议的领域，技术进步的好处在全球范围内不均衡地积累。 自然环境前所未有的挑战。气候变化的影响继续存在，全球各地正在经历越来越多的极端天气。纵观历史，自然资源分布不均将影响地缘政治，可能加剧现有的不稳定，导致大规模移民。随着北极地区的更容易进入，北极地区将具有更大的地缘战略意义，对捕鱼、自然资源的可获得性和新航线的竞争可能导致军事存在的增加。2019冠状病毒疾病的全面影响还有待观察。 从把科技视为解决问题的一种方式转变为战略性的竞争舞台。鉴于技术将对国家地位、命运以及现代战争产生的影响，英国国防部必须抓住机会获得优势并保护那些将为英国提供决定性优势的技术。科技是力量发展的重要组成部分。 （二）现存发展挑战 为了保障英国的未来，需要了解未来，研究科技的广度，判断其可能的影响，并引导聪明的防御策略。为了作出正确的决定，需要对技术驱动的问题作出适当的回应，并将正确的研发投资列为优先事项，同时确保整个国防部所有政策和方案选择都采用严谨的科学思想，确保为关键的战略决定提供强有力的证据基础。 在“集成操作概念（the Integrated Operating Concept 2025）”的背景下，新兴技术可以使英国在未来具有决定性的优势，并展望未来的作战环境和未来部队的概念。目前存在五方面的能力挑战： 1. 无处不在的、全频谱的、多领域的情报、监视和侦察(ISR)：通过负担得起的弹性解决方案，应对影响英国国防部在所有领域和环境中进行 ISR 能力的新兴技术的威胁和机遇。 2. 多领域指挥控制、通信和计算机(C4)：发展多领域集成能力和全球协调效果的能力，使英国国防部能够对具有良好集成和弹性能力的敌人执行联合行动。 3. 保护和维持盟国的优势：提高英国与盟国的能力，并解决国防能力的弱点，特别是在信息环境中。 4. 非对称硬实力：开发出高能力的系统，以新的方式跨所有领域打击对手；开发新手段，交付硬实力以提供有效保护，对抗高能力的对手。 5. 通行和行动自由(FOAM)：产生负担得起的、可生存的能力，以应对在非电磁环境、电磁干扰环境中运行的军事威胁，并与英国盟友和伙伴进行互操作。 （三）未来拟发展的关键领域 抓住科技带来的机遇，确保英国想要的未来，国防部将继续支持对英国国防和安全、应急准备至关重要的科技能力，包括：化学、生物、放射性物质，网络作战，电磁环境，能量学，司法科学（爆炸品、数码数据），智能，军用工作动物，新材料，新型武器，信息保护技术/措施，传感器和传感，签名管理（所有域名），策略性系统，生存能力/威胁评估，系统集成系统（例如生存性、软件、保安）以及人类能力潜能。
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