DARPA 寻求开发“单元级数字阵列”

美国国防高级研究计划局（DARPA）（弗吉尼亚州阿灵顿）发布了一份项目招标书（DARPA-PS-24-05），旨在开发新一代阵列技术，该阵列可以同时提供多波束、多功能性能，而不会降低增益或分辨率。根据招标书，这项名为可扩展阵列处理（SOAP）的工作旨在提供下一代阵列技术，该技术可以开发和提供“通过设计支持分布式处理硬件来促进取代大型矩阵运算的可扩展算法”。“算法和硬件的主要应用将是大型单元级数字阵列。”招标书还指出，“从雷达和相控阵以外的学科中改编而来的新处理方法尤其令人感兴趣。”

根据招标书中项目背景的描述，“数字阵列架构与模拟阵列相比具有公认的优势，特别是能够支持多个同时波束和多功能。”，“然而，随着数字阵列的发展，阵列操作继续使用长期以来为模拟阵列建立的信号处理和跟踪算法。虽然传统阵列处理算法（如自适应波束成形中算法）足以满足传统模拟阵列的需求，但随着数字系统扩展到更多的单元和更高的数据速率，传统阵列计算的数字瓶颈严重限制了数字阵列的前景”。该报告将这些限制描述为 “处理瓶颈 “和 “数据传输瓶颈”。

背景描述指出，“例如，瞬时带宽 (IBW) 超过 1 GHz 的 1000 个单元的相控阵在信号处理时面临1000×1000矩阵的实时数值反演，阵列前端和中间处理器级之间的数据量超过 1 Tbps。处理和传输如此庞大数据流的需求导致了数字瓶颈，这大大限制了当今数字阵列架构中可实现的独立单元和IBW的数量。这些数字瓶颈随着阵列中单元数量和每个单元的IBW而增加。在 2 GHz 的 IBW 下，最先进的 (SOA) 互联技术无法容纳超过几百个单元。”

SOAP项目的目标是“…实现可扩展的算法和处理架构，以克服固有的数字瓶颈，这些瓶颈严重限制了当今在任意大的单元级数字相控阵上的宽带工作。SOAP致力于开发新的阵列工作方法，利用在其他需要管理大量数据的领域（如机器视觉、大型语言模型训练等）已被证明成功的技术。SOAP旨在将数组处理的计算复杂度从指数缩放降低到线性缩放。SOAP还力求将处理从物理分离的后端处理器转移到集成到阵列中的处理器，以便完全处理在单元级生成的所有信息，而不会丢失单元信息。”它进一步指出， “为了实现这些目标，SOAP将设计可以分布在阵列内、尽可能靠近单元的处理器。这些处理器应该以这样一种方式连接和联网，即任何处理器都可以处理来自任何单元的数据。为了促进数据从单元到处理器之间的传输，SOAP 将利用最近在数据中心和大型语言模型训练中使用的 SOA 互联方面的研究成果。”

SOAP 计划将应对两项技术挑战。技术挑战 1 的重点是 “实现数字阵列计算的可扩展算法”，方法是将图像处理和机器视觉算法等非传统算法应用于波束成形。技术挑战 2 的重点是 “实现可扩展到超大汇总数据率的处理架构”。要实现这一点，可以通过一种 “非集中式架构，其中计算负荷由多个处理器分担”–非常类似于多核处理架构–来实现分布式阵列处理。招标书进一步解释说：”预计 SOAP 将确定阵列处理专用计算资源的最佳组合。SOAP 将把这些处理元件移到阵列上，尽可能靠近射频（RF）元件，以便在数字数据生成后立即开始处理，然后再将其传送到阵列上或阵列外。它还补充说：”这种分布式架构将实现虚拟子阵列的概念，从一个到所有射频元件的任何组合都可用于执行特定功能。预计会有多个虚拟子阵列，任何元件都可以成为一个或多个虚拟子阵列的一部分。

SOAP的运行优势可能是显著的。招标书指出，“预计SOAP项目将首次实现宽带数字阵列，该阵列可以支持高IBW（>>10 MHz）下的高波束数（>>10）运行。此外，它将实现真正的多功能（例如，通信、跟踪、搜索、电子战等）低延迟运行。在高度竞争的环境中，这将提高尺寸、重量和功率受限平台的生存能力”。

SOAP 项目为期 18 个月，承包商必须应对这两项技术挑战。