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中国工程院院士尤政:超越摩尔定律的智能微系统技术有哪些核心要素?

时间:2020-08-27 作者:耿亚慧 阅读:
从计算时代、通讯时代、感知时代,我们逐步走入到智能时代,到了智能时代,智能传感器变得不可或缺。智能微系统和传感器正在创造新的未来,它的需求之大使得智慧农业、智慧城市、智慧交通、智慧医疗都变成了现实。
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从计算时代、通讯时代、感知时代,我们逐步走入到智能时代,到了智能时代,智能传感器变得不可或缺。智能微系统和传感器正在创造新的未来,它的需求之大使得智慧农业、智慧城市、智慧交通、智慧医疗都变成了现实。X8OEETC-电子工程专辑

8月26日,2020世界半导体大会·高峰论坛和创新峰会上,中国工程院院士、清华大学副校长尤政为我们带来了《智能传感器与微系统》的主题演讲。尤政院士为我们阐述了正在兴起的智能微系统技术,全面地讲解了智能微系统技术的五大技术要素:架构、微电子,MEMS,光电子、软件以及智能微系统微型化、系统化、智能化的本质特征。X8OEETC-电子工程专辑

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集成电路发展趋势

21世纪最伟大的发明就是集成电路,近年来我们国家的集成电路进口额达到3000多亿,社会对集成电路的需求巨大,离开了集成电路就是离开了社会。X8OEETC-电子工程专辑

随着集成电路的发展,密度越来越高,性能越来越强,提起集成电路,我们会提到工艺节点,也就是线宽,线宽越窄,反映的功能水平越高。X8OEETC-电子工程专辑

在半导体产业里我们经常提到摩尔定律,摩尔定律是由1965年创立的,它是对集成电路的预测,也引领和指导着集成电路产业的发展,在过去的几年中,集成电路的尺寸缩小了一千倍,性能提高一万倍,成本下降了一千万倍。目前集成电路的发展已经进展到2-3纳米,当然我们能看到1nm可容纳10个左右硅原子,传统的摩尔定律必然失效。X8OEETC-电子工程专辑

尤政院士表示,未来的发展面临着诸多选择,依着现在的路走,我们面临成本的提高,工艺节点的问题,所以在异构异质集成方面也在取得新的突破。X8OEETC-电子工程专辑

下面这张图可以代表集成电路产业的发展,在垂直方向,延续摩尔定律,我们继续冲击2-3纳米,在水平方向,是超越摩尔定律的部分,把异质的不同的系统的从传感器,执行器,通讯,一起集成变成一个微系统。如果延续摩尔定律是百米赛,是个单项冠军,那在超越摩尔定律方面,可能是个全能赛,希望有更多的性能能替代单项的速度以及容量的增加,目前在半导体行业里,异构异质集成成为主要的方向,包括硅通孔技术,3D封装,以及最近兴起的Chiplets芯粒技术。X8OEETC-电子工程专辑

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按照半导体发展的路线图来看,我们更关注IC和其他领域的集合产生的新的技术门类,这就是微系统技术,也是智能科技,MEMS,光电子以及微电子等等的集合。X8OEETC-电子工程专辑

智能微系统技术的兴起

清华大学副校长尤政院士认为,智能微系统的技术内涵可以从两个方面来讲:X8OEETC-电子工程专辑

第一个是智能微系统具有五大技术要素:包括架构、微电子,MEMS,光电子、软件。架构统领微电子、MEMS、光电子三大基础性技术,软件(包括算法)赋予硬件“灵魂和思想”,它们共同实现微系统的智能化。X8OEETC-电子工程专辑

第二个本质特征就是微型化、系统化、智能化,微型化是指通过3D异质/异构集成手段,可以实现具备信号感知、信号处理、信令执行和赋能等多功能集成的微型化系统。X8OEETC-电子工程专辑

系统化是指软硬件协同的优势表现出1+1>2系统综合性能。X8OEETC-电子工程专辑

智能化是指智能微系统“知识”与“智慧”的体现,并非局限于AI算法的实施。X8OEETC-电子工程专辑

智能微系统的核心要素:架构

架构决定智能微系统中硬件、能量、信息的状态、分布、交互、流程、逻辑等。X8OEETC-电子工程专辑

架构也是实现微型化、系统化、智能化的首要前提和关键环节。微电子、MEMS与光电子等是架构的硬件载体与物理实现,算法与软件则通过架构为智能微系统赋予灵魂和思想。X8OEETC-电子工程专辑

智能微系统的微电子要素

尤政院士认为,“可重构、可编程、存算一体化”等各类技术路线的相关芯片/器件/架构/指令等是实现智能化的重要软硬件基础与关键组成。X8OEETC-电子工程专辑

而各类IC芯片实现信号分析、数据处理、信号交换等重要功能。X8OEETC-电子工程专辑

智能微系统的MEMS要素

MEMS将机械单元、敏感结构、执行机构及相关电路整合到一块芯片上,形成具有特定功能的微型系统装置。X8OEETC-电子工程专辑

基于MEMS技术已实现了微传感器、微执行器、微能源等构成智能微系统信息获取、指令执行、能源供给的技术基础。X8OEETC-电子工程专辑

智能微系统的光电子要素

第一个是通讯方面,光电子技术具有探测精度高、处理速度快、传输通量大等优势。X8OEETC-电子工程专辑

第二个是探测感知:角分辨率、距离分辨率、时间分辨率和光谱分辨率极高。X8OEETC-电子工程专辑

第三个是传输光电子技术具有频率资源丰富、载量大、抗干扰、抗截获能力强等特点。X8OEETC-电子工程专辑

智能微系统的算法要素

最后一个就是算法与软件。既然有了处理器,可重构,我们的软件就会定义智能化水平,这也是智能微系统和普通微系统不一样的地方,这也是微系统不仅依赖于现成的AI算法,可能还有自学习、自矫正和自定义等等功能。X8OEETC-电子工程专辑

软件充当用户与智能微系统之间沟通的桥梁,同等条件下,算法直接决定了系统性能的高低,除了典型的AI应用外,算法对于传感、处理、通讯、执行和供能等功能都有重要的支撑作用。X8OEETC-电子工程专辑

智能微系统的特点

所以从智能微系统的特点来看它是一个典型的多学科交叉的前沿科技领域,汇聚了很多的基础科学和现代科学,也融合了设计、制造、集成、测试、传感、控制AI等众多技术门类新生长出来的尖端科技X8OEETC-电子工程专辑

智能微系统具有体积小、重量轻、功耗低、性价比高的特点。X8OEETC-电子工程专辑

硬件所涉及的IC芯片、MEMS芯片、光电子器件等元器件制造技术,晶圆级键合、硅通孔互联、三维封装等集成技术,以及产品性能测试方法都与IC大规模生产模式类似并密切相关。X8OEETC-电子工程专辑

此外,嵌入式开发/智能算法训练等软件范畴的开发、软化、测试等也可以批量化生产方式进行。X8OEETC-电子工程专辑

智能微系统还具备高性能、高精度、高集成度的特点。在架构的统领下,智能微系统通过算法与软件为硬件赋予思想及灵魂并进行智能化工作。X8OEETC-电子工程专辑

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智能传感器与微系统的发展需求

物联网、工业4.0、智能机器人、智慧城市、自动驾驶、5G万物互联等等各种火爆的概念都离不开传感器。传感器是承托未来世界的基础。X8OEETC-电子工程专辑

传感器的技术发展经历了分立传感器、集成式传感器、组网传感器、MEMS传感器到智能传感器与微系统。X8OEETC-电子工程专辑

智能传感器会起到什么作用?它的驱动力在什么地方?首先是物联网,物联网的特点是通过感知与识别技术,是融合物理世界与信息世界的重要一环,也是物联网区别于其他网络的最独特的部分。X8OEETC-电子工程专辑

作为物联网最基础应用层—感知识别层的重要元器件,传感器在物联网中的地位举足轻重,它是物联网建立的重要前提。X8OEETC-电子工程专辑

第二个是汽车,汽车含有数百种芯片及200多种传感器,这些精细的器件遍布在发动机、自动驾驶、车载娱乐、车钥匙、座椅、视频显示、空调系统等各个功能模块中,堪称汽车的神经。一般一台普通汽车拥有超过100个传感器,单车成本2000-3500元。X8OEETC-电子工程专辑

第三个是医疗健康。医疗设备经历率从传统的台式到便携式到穿戴式的发展路程,未来我们想能够进入家庭,通过穿戴式的实时监测和医院相结合对人的健康进行预警和干预,同时也进行了植入式医疗,所谓“片上人体”,就是将各种片上器官互相连接,对人的健康进行控制。X8OEETC-电子工程专辑

第四个就是消费电子。大家也知道我们的智能手机大概有60多个传感器,23种,未来智能手机的竞争更多是传感和智能化水平的竞争,有人估计过未来的传感器和性能提高可能会占到智能手机价格的二分之一以上。X8OEETC-电子工程专辑

最后一个智能化离不开机器人,机器人的技术对传感器的要求最高,一个是内部传感器用于测量机器人自身状态,另一个是测量与机器人作业有关的外部环境,这些传感器如果没有微系统,没有MEMS的话也很难实现真正的智能化。在2018年,Yole公司估计过智能传感器与微系统技术2018年超过万亿美元市场。X8OEETC-电子工程专辑

展望

最后,尤政院士表示,这个技术虽然发展不到30年,但是他们抓住了这个机会,清华大学在国家2011计划和国家科技部的支持下,成立了微纳制造系统与器件与系统协同创新中心,把一些高校北大、交大、东南大学、同济大学等等和工业界进行联合,也希望吸收国家微电子集成电路发展的经验,把制造、工艺构成一个很好的网络,能够为国家的未来智能传感器和微系统的发展尽一份努力,通过近十年努力,应该说紧紧跟着世界发展的重要方向,基本上实验室的水平和国外的差距在五年之内,大多数都已经进入试用阶段。同时已经取得一些很好的成果,也得到国家领导人的关心和支持。X8OEETC-电子工程专辑

最后,技术发展和创新的生态和智能微系统制造与传感器的生态是密切相关的,尤政院士呼吁,第一希望能产教融合,能够创新培养智能传感器和微系统所需要的人才,更多的开放中国原创的核心技术。第二个要核心布局,政府应该创建公共平台,基于提供公共服务的服务。最后企业界和投资者也要共同创造一个环境,能够围绕市场需求,推动产业集聚进行示范应用。X8OEETC-电子工程专辑

责编:Yvonne Geng X8OEETC-电子工程专辑

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