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1、0060809617北 京 未 来 芯 片 技 术 高 精 尖 创 新 中 心1 概述1.1概念1.2意义1.3本质特征1.4白皮书内容简介2 要素 2.1架构2.2微电子2.3MEMS2.4光电子2.5算法与软件3 技术 3.1设计技术3.2集成技术3.3测试技术3.4传感技术智能微系统技术白皮书目 录3.5处理技术3.6通讯技术3.7执行技术3.8供能技术4 应用4.1航空航天领域4.2医疗健康领域4.3汽车电子领域4.4消费电子领域4.5物联网领域 5 展望5.1技术发展趋势5.2技术发展建议参考文献索引528323436
2、3737384042北 京 未 来 芯 片 技 术 高 精 尖 创 新 中 心智能微系统技术白皮书目 录北京未来芯片技术高精尖创新中心成立于 2015 年 10 月,是北京市教委首批认定的“北京高等学校高精尖创新中心”之一。中心充分发挥清华大学的学科、科研和人才优势,联合校内多个院系资源,组建了微系统、微电子、光电子、类脑计算、基础前沿、综合应用六个分中心以及微纳技术支撑平台。中心主任由清华大学副校长尤政院士担任。中心以服务国家创新驱动发展战略和北京市全国科技创新中心建设为出发点,致力于打造国家高层次人才梯队、全球开放型微纳技术支撑平台,聚焦具有颠覆性创新的关键器件、芯片及微系统技术,推动未来
3、芯片产业实现跨越式发展。中心介绍北 京 未 来 芯 片 技 术 高 精 尖 创 新 中 心1随着人工智能(Artificial Intelligence,AI) 、大数据、物联网、下一代移动通讯等新技术的兴起,当前及未来的很长一段时间内,信息技术的发展将持续呈现微型化、集成化、智能化的趋势。从信息技术发展的历程来看,作为 20 世纪最重要的发明之一,基于微电子学的集成电路(Integrated Circuit,IC) 技术一直遵循摩尔定律 (Moore s Law) 描述的路径发展, 当前 IC 芯片的先进工艺节点已经进入 5-7纳米(nm)并逐渐趋缓, 但是并不会停下脚步。在市场需求和技术创
4、新的双重驱动下, 摩尔定律还会延续,而且已经开始“超越摩尔(Beyond Moore s Law) ” 。“超越摩尔”的发展维度主要有二 : 一是深化摩尔定律(More Moore) ,即特征尺寸继续缩小并从平面向立体化推进,IC 芯片将发展成为系统级芯片(也称片上系统,System on Chip,SoC) ; 二是增强摩尔定律(More than Moore) ,即微电子与其他领域相结合产生新的技术门类微系统技术,如图 1-1 所示。微系统是微电子、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 、光电子等技术的有机结合,具有微型化与系统化特征。微
5、系统通过先进集成手段实现微型化,在系统层次上产生新的功能,并使得系统的功能密度大幅提高。概述12在此基础上,微系统与智能科技深度交叉融合,智能微系统这一颠覆性技术应运而生。智能微系统的五大要素包括 : 架构、微电子、MEMS、光电子、算法与软件。其中,智能微系统架构统领微电子、MEMS、光电子三大基础性技术,算法与软件则可脱离传统的高性能运算单元和存储单元,紧邻 MEMS芯片、IC 芯片、光电子器件,赋予硬件“灵魂和思想” ,各要素相互支撑共同实现微系统的智能化。相较传统 SoC 芯片、MEMS 组件、光电子模块或集成微系统,智能微系统在内涵与外延上都有质的飞跃,不局限于高性能、超精密、灵巧化
6、等特点。1.1 概念在世界范围内,学术界和产业界对智能微系统尚未有统一、公认的严格定义。本文认为,智能微系统在一般意义上是指以微型化、系统化、智能化的理论为指导,在物质域、信息域、能量域等层级,采用新的架构思想与设计方法,通过三维 / 异质 / 异构集成等先进制造手段,形成特征尺度为微纳米量级,具备信息的获取、处理、通讯、执行以及能源供给等多种功能,并可独立智能化工作的微型化系统装置,也可称为智能微系统单元或智能微系统节点。在广义上,智能微系统也可认为是由多个相同或不同的上述单元按照特定的需求、 功能、 用途所组成的网络化系统, 或者与其他仪器、 设备、 系统所组成的智能微系统装备。智能微系统
7、技术的体系结构如图 1-2 所示。在本文中,除非说明,智能微系统均指智能微系统单元。图 1-1 “超越摩尔定律”的发展与微系统技术智能微系统技术白皮书概述北 京 未 来 芯 片 技 术 高 精 尖 创 新 中 心增强摩尔:拓展功能多样性深化摩尔:延续尺度缩小CMOS 基线: CPU、存储器、逻辑模拟射频130nm90nm65nm45nm32nm22nm14nm10nm7nm5nm小型化和多样化相结合: 更高价值方案无源器件高压功率传感器执行器生物芯片与人和环境交互数字内容信息处理数字内容3图 1-2智能微系统技术的体系结构智能微系统也是一个动态、开放、发展、演进的概念。首先,架构、微电子、ME
8、MS、光电子、算法与软件等智能微系统的基础性、支撑性技术一直蓬勃发展 ; 人工智能、新一代通讯、量子信息等尖端科技创新突飞猛进 ; 各种新材料、新结构、新器件、新工艺等突破也持续涌现。这些前沿科技将不断为智能微系统的技术创新注入活力。其次,社会经济发展带来的高端装备、医疗健康、汽车电子、物联网等应用需求也会驱动智能微系统技术不断突破。智能微系统技术本身的智能化演进也可类比“数据 - 信息 - 知识 - 智慧” (Data Information Knowledge Wisdom,DIKW)体系的演化路径。以典型的具备传感功能的智能微系统为例 : 传感单元把从外界采集的物理量转化为电信号,形成原
9、始数据“Data” ; 处理单元对原始数据进行加工、处理,形成可用的数据,即信息“Information” ; 如果按照既有原则或规律,在对信息过滤、提炼及加工基础上进行推理、分析,并与系统的输出或动作等产生有意义的关联,就属于知识“Knowledge” ; 在知识的基础上,通过前期累积形成对被测对象的理解与前瞻性认识,系统具备了预测及生成新知识的能力,就进入化学能太阳能电磁能电磁执行信号转化核能系统微系统传感微系统加速度计陀螺仪生理信号功能性测试传感环境适应性测试芯片级可靠性微系统微系统特征提取器件级物理信号智能压力传感器判断决策射频开关射频振荡器智能射频智能惯性智能生化射频滤波器智能生化传
10、感器化学信号传感器机械能静电执行测试测试集成集成系统级器件架构芯片集成设计设计设计设计热执行稳定性脑机接口片上器官压电执行执行处理测试集成设计LPWAWiFiBluetoothGSMLTE供能通讯算法与软件人工智能计算机科学与技术软件工程生物化学数学医学控制科学与工程材料系统科学MEMS架构算法与软件电子科学与技术机械工程信息与通信工程光学工程物理微电子光电子通讯传感智能微能源智能温度传感器智能传感胶囊内镜4智慧“Wisdom”阶段。当前大多数智能微系统本身还处于“信息”层面,或接近“知识”的阶段,也有学者称其为弱人工智能微系统或准智能微系统。拥有“智慧”的强人工智能微系统或真正的具有类人 /
11、 超人智能的智能微系统,是我们不懈探索的终极目标,如图 1-3 所示。图 1-3智能微系统的智能化可体现为“数据 - 信息 - 知识 - 智慧”体系信号采集及数据转化数据处理及数据表达基于规律的逻辑推理自我学习产生知识数据信息知识智慧1.2 意义(1)深化技术交叉融合,带动学科发展智能微系统是典型的多学科交叉前沿科技领域,几乎涉及自然科学与工程科技的全部领域,智能微系统也是信息、材料、制造、工程等相关领域发展到当前阶段并取得若干重大突破的必然结果 ; 而且智能微系统技术的发展也必将引领和带动一系列相关学科领域的发展进步、迭代更新,进一步促进学科交叉融合。(2)引领支撑智能科技,遍布行业应用智能
12、微系统是引领和支撑智能科技发展的关键,也是电子信息技术产品与装备微型化、信息化和智能化发展的核心使能(Enabling)技术之一。智能微系统技术及相关产品的应用范围极其广泛,几乎渗透各行各业,其基础理论、关键技术和应用示范等方面的突破,将对航空航天、能源环境、医疗健康以及汽车电子、消费电子、物联网等领域的发展起到至关重要的作用。(3)促进创新“从 0 到 1” ,推动社会演进智能微系统在推动世界科技不断突破创新的同时,也催生各类新概念电子信息产品和装备。作为推动人类社会沿着“机械化 - 电气化 - 信息化 - 智能化”演进的核心使能技术,对人类社会的生产生活方式产生革命性影响。智能微系统技术白
13、皮书概述北 京 未 来 芯 片 技 术 高 精 尖 创 新 中 心51.3 本质特征微型化、系统化、智能化即智能微系统的本质特征。微型化是指智能微系统硬件载体的特征尺度为微纳米量级,实现手段包括但不局限于光刻、沉积、刻蚀等一系列先进微纳加工技术 ; 系统化可理解为智能微系统可充分发挥软硬件协同的优势, 各组成部分形成有机整体, 表现出“1+12”的系统综合性能,并非指系统整体的复杂程度很高 ; 智能化是智能微系统“知识”与“智慧”的体现,并不局限于 AI 算法的实施,也可以通过若干个功能模块(传感、处理、通讯、执行)的有机结合,表现为对外界事件的主动响应。具体来说,智能微系统的本质特征体现在
14、:1. 尖端科技的深度交叉融合智能微系统是典型的多学科交叉的前沿科技领域, 汇集了数学、 物理学、 化学、 力学、 材料学、 机械学、电子学、光学、生物学、微电子学、计算机科学、仪器科学等不同学科门类,以及融合设计、制造、集成、测试、传感、控制、通讯、网络、软件、能源、AI 等众多技术门类新生长出来的尖端科技,是现代科学技术创新思维的集大成者。2. 体积小、重量轻、功耗低、性价比高智能微系统硬件所涉及的 IC 芯片、MEMS 芯片、光电子器件等元器件制造技术,晶圆级键合、硅通孔互连(TSV) 、三维封装等集成技术,以及产品性能测试方法都与集成电路的大规模生产模式类似并密切相关。此外, 嵌入式开
15、发、 智能算法训练等软件范畴的开发、 优化、 测试等也可以批量化生产方式进行。因此,智能微系统除体积小、重量轻、功耗低外,还具有成本低、性价比高的优势。3. 高性能、高精度、高集成度在架构的统领下,智能微系统通过算法与软件为“微系统”中的微电子、MEMS、光电子等硬件赋予思想及灵魂并进行智能化工作。同时,智能微系统可通过多种先进手段将不同的功能模块进行超高密度的芯片级集成,其功能密度的极大化也就实现了信息的超高灵敏度传感与探测、超高性能处理与计算、超高密度存储与传输、超高精度操作与执行,以及能量的超高效率管理与供给等优异性能。4. 智能化催生新概念产品智能微系统的智能化不局限于计算机科学中“A
16、I”的概念,还包括自动化、多功能、自供能、可重构、自适应以及存算一体、感知一体、知行一体等内涵,并在此基础上催生众多“从 0 到 1”的新概念产品与装备,对人类社会的生产生活方式产生革命性影响。1.4 白皮书内容简介白皮书的第一章提出了智能微系统这一概念,并对其发展意义,本质特征等问题进行总述 ; 第二章从技术体系角度来探讨智能微系统技术的内涵要素,包括架构、微电子、MEMS、光电子、算法与软件等;第三章再从设计、集成、测试等共性技术,以及传感、处理、通讯、执行、供能等功能性技术角度来介绍智能微系统的技术现状与发展趋势 ; 第四章接着对智能微系统在不同领域的应用及产业前景进行了讨论 ; 最后第
17、五章分析了智能微系统的未来并给出了一些建议。62.1 架构2.1.1智能微系统架构的概念一种典型智能微系统的架构如图 2-1 所示,包括传感、处理、通讯、执行、供能等功能模块。其中,传感模块用于数据的获取与采集并形成信息,处理模块用于信息的转换、计算、存储与系统的控制,通讯模块用于信息的交换与传输,执行模块用于指令的实施与系统的动作,供能模块用于系统的能量供给。智能微系统中硬件、能量、信息的状态、分布、交互、流程、逻辑等,以及硬件、软件、软硬件协同等均由架构决定。硬件主要指各功能模块的元器件、芯片、接口、连接装置、结构载体等实现系统功能的物理承载 ; 能量包括供能模块对能量的收集、存储、管理,
18、及与其他功能模块的配合等 ; 信息除了指各功能模块的处理对象外,还包括部署在各硬件载体之上的软件,以及各功能模块产生的信息等。硬件、能量、信息之间并不独立,而是在架构的“运筹帷幄”下,共同实现微系统的智能化。具体来说,智能微系统在硬件层面的架构主要体现在 IC 芯片、MEMS 芯片、光电子芯片、器件与模块的选择、布局、接口、集成方式等 ; 软件层面的架构主要指部署在硬件中的算法与程序等 ; 软硬件协同主要指智能微系统的工作时序、工作流程、工作方式、工作逻辑、软硬件配合,以及组网方式,与其他装备、系统的协同等, 确保自身或与其他系统可协调一致地工作。架构智能既可体现在硬件层面, 如采用存算一体、
19、可重构技术的芯片等 ; 又可体现在软件层面,如采用神经网络、深度学习等 AI 算法 ; 更可在硬软件协同层面实现,诸如闭环反馈、多传感信息融合等,由此表现出自校准、自组织、自适应等智能化特征。此外,智能微系统架构也是开放、动态的,具有可重构、可扩展等特征,可根据应用场景、工作状况和技术发展条件等作出及时调整。要素27传感信息采集与获取处理数据转换、计算、存储,系统控制等供能系统的能量供给通讯信息交换与传输执行指令的实施与系统的动作存算一体芯片ASIC芯片存储器中央处理器信息流能量流信息流信息流信息流信息流信息流2.1.2 架构与其他要素的关系如前所述,架构、微电子、MEMS、光电子、算法与软件
20、是智能微系统的五大要素。其中,架构是智能微系统的核心,是实现系统微型化、系统化、智能化等本质特征的首要前提和关键环节。微电子、MEMS 和光电子等是架构的硬件载体与物理实现,算法与软件通过架构为智能微系统赋予灵魂与思想。正是在架构的统领下,使得原本独立的各基础要素之间既有明确分工,又紧密融合、密切互动,形成一个有机的整体,从而实现传感、处理、通讯及执行、供能等各项功能,并使得系统智能化工作。2.1.3架构在智能微系统中的作用架构从根本上决定了智能微系统的特征与性能。类比生物界,同样是碳、氢、氧等元素,不同的架构造就了地球上千姿百态的不同物种。如果以人类自身作为智能微系统的参照物,构成智能微系统
21、的传感、处理、通讯、执行、供能等功能要素则可与人体各个器件类比 : 感官(包括耳、鼻、舌、眼等)相当于传图 2-1一种典型智能微系统的架构示意图8感模块,用于信息的获取与采集 ; 大脑相当于处理模块,用于信息的转换、计算、存储与控制 ; 四肢相当于执行模块,用于实施指令或行动 ; 人与人之间的交流相当于通讯,用以实现信息的传输与交换 ; 口、胃等相当于供能单元,用于能量获取、存储等 ; 人体骨骼框架、神经系统、消化系统相当于架构,不仅承载了人体各组成部分,而且使各器官形成有机整体,统领人体各部分相互配合、协同工作,使人体产生了各组成部分所不具备的系统性功能,如图 2-2 所示。图 2-2智能微
22、系统与人体类比智能微系统技术白皮书要素北 京 未 来 芯 片 技 术 高 精 尖 创 新 中 心2.2 微电子2.2.1微电子在智能微系统中的地位与作用基于“可重构、可编程、存算一体”等各类微电子技术路线的相关芯片 / 器件 / 架构 / 指令等是智能微系统关键的软硬件基础。此外,微电子的设计、制造、集成、测试等技术体系与智能微系统技术的发展也密切关联。再者,各类相关处理器、控制器、存储器、模拟数字(AD/DA)转换器、AI 芯片、通讯芯片等 IC 芯片构成了智能微系统的中枢与大脑,实现信号分析、数据处理、信息交换等重要功能。嘴、胃等相当于供能单元,用于能量获取、存储等人与人之间的交流相当于通
23、讯,用以实现信息的传输与交换四肢相当于执行模块,用于实施指令或行动架构人体骨骼框架、神经系统、消化系统相当于架构,统领人体各部分相互配合、协同工作耳、鼻、眼、舌等感官相当于传感模块,用于信息的获取与采集大脑相当于处理模块,用于信息的转换、计算、存储与控制处理执行传感通讯供能92.2.2应用于智能微系统的微电子技术现状及发展趋势(1)通用设计技术随着智能微系统的设计方法由专用化逐步开始向通用化转变,微电子设计的通用 IP 核设计模式也将在智能微系统设计中开始应用。此外,用于微电子设计的自动化 / 计算机辅助设计(EDA/CAD)工具也会在智能微系统的架构规划设计、多物理场耦合性能分析、集成工艺设
24、计和各种仿真模拟中发挥重要作用。(2)芯片制造技术智能微系统的制造技术来源于半导体制造工艺及微纳加工技术,但更多样的应用需求使得微系统发展出更为多元化的制造技术,如深硅刻蚀、湿法电镀、牺牲层腐蚀、金属镀膜等。尽管如此,微电子器件工艺制程的特征尺寸微缩依然会对智能微系统的制造技术产生巨大影响,带动智能微系统相关硬件的制造水平,并带来新的制造思路。(3)先进封装与集成技术由于要满足微型化、多功能、立体化和高功能密度的要求,智能微系统封装集成技术难度明显超出当前的微电子封装技术。以三维 / 异质 / 异构集成为代表的先进集成技术,以系统级封装(SiP) 、晶圆级封装(WLP)和 TSV 为代表的先进
25、集成封装技术,均脱胎于微电子 IC 制造工艺,将成为实现微型化、多功能、高性能智能微系统的主要手段与途径。2.3 MEMS微机电系统(MEMS) ,也称微电子机械系统、微系统、微机械等,是一种将机械结构与电路系统同时集成制造在一颗芯片上的技术, 其特征尺度一般在微米甚至纳米量级。由 MEMS 技术构建的传感器、执行器和微能源具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好、成本低廉、性能稳定等优点,成为智能微系统最重要的技术要素与典型代表之一。2.3.1MEMS 在智能微系统中的地位和作用智能微系统的起源、萌芽和发展都离不开 MEMS 技术。MEMS 可通过体微加工技术、表面微加工技术、LIGA 技术(一
26、种基于 X 射线光刻技术的 MEMS 加工技术) 、键合技术等将机械单元、敏感结构、执行结构及相关电路系统整合到一颗芯片上,形成具有特定功能的微型系统装置。基于 MEMS 技术的微型传感器、微型执行器、微能源器件等,构成了智能微系统信息获取、指令执行及能源供给的主要技术支撑基础。一般来说,在智能微系统中,MEMS 传感器负责从环境中采集各种物理量、生化量信息,是智能微系统的信息源头 ; MEMS 执行器完成发射、接收、导通、加热等传输或执行等动作,一起承担智能微系统与外界交互的重任 ; MEMS 微能源负责从环境中采集并存储能量,是智能微系统的能量来源。以人作为智能微系统的参照系,MEMS 传
27、感器相当于眼、耳、鼻、舌、皮肤等感觉器官,MEMS 执行器类似于人的口、手、脚等执行器官,MEMS 微能源相当于口、牙、胃、肠等消化器官,共同实现与外界环境中信息与能量的输入与输出。采集到的信息经转换、识别、计算、处理后,形成可用数据或指令信号,再进行传输或动作。总之,MEMS 传感器、MEMS 执行器、MEMS 微能源共同形成了智能微系统与外界环境进行信息与能量交互的入口和出口,并与各种信息处理、存储、控制单元紧密协作,奠定了智能微系统的技术基础。102.3.2应用于智能微系统的 MEMS 技术现状及发展趋势虽然 MEMS 技术发端于微电子技术,但目前 MEMS 从设计方法、制造手段,到集成
28、测试,工程应用都已经呈现出更强的学科独立性和系统层次特征。MEMS 技术不仅具有一般意义上微型化、集成化、高性能、低功耗、低成本等特点,还可实现超高灵敏度的传感、超高精确度的操作,同时在系统层次上表现出极大的创新性。检测精度可至十亿分之一(part per billion, ppb)量级的 MEMS 气体传感器1,2、单芯片集成 10 余种功能的 MEMS 状态传感器3、工作频段超过 100GHz 的 RF MEMS 器件4等已经充分体现了这一优势。此外,设计、代工、封测等 MEMS 芯片产业链的完善,以及上下游原材料、设备、应用、开发等生态的初步成型,使得压力传感器、陀螺仪、加速度计、气体传
29、感器、射频开关、微马达、微镜等众多商业化 MEMS 产品,已开始在航空航天、高端装备、能源环境、医疗健康、汽车电子、消费电子、物联网等各个领域广泛应用。未来,各类新原理、新材料、新方法等的突破,将给智能微系统技术的创新发展带来新灵感。此外,科学研究、工农业生产、物质文化生活对 MEMS 芯片、器件、微系统产品不断增长的多样化需求,也将牵引 MEMS 的研发与产业生态逐渐成熟。2.4 光电子2.4.1光电子在智能微系统中的地位和作用光电子技术是以光子作为信息载体,通过与电子电路等技术相结合,对信息进行采集、传输、处理、显示等的技术。得益于光的高精度、大带宽、高并行度等特征,光电子技术具有探测精度
30、高、处理速度快、传输通量大等优势,在态势精确感知、海量信息传输与处理等方面具有其他技术难以匹敌的作用,是智能微系统的核心基础技术之一。光电探测感知根据被目标对象辐射或反射(或透射等)的光波特征,来探测和识别对象。由于探测工作波长短, 光电探测角分辨率、 距离分辨率、 时间分辨率和光谱分辨率极高, 能够获取高分辨率图像信息。这方面的典型应用包括激光雷达、成像探测阵列等。传输光电子技术利用光波进行高速、高效、智能、安全的信息交互,是宽带信息网络信息传输的基石,具有频率资源丰富、载量大,抗干扰、抗截获能力强、设备功耗低、体积小、机动性强等优点,其应用包括光纤通信、自由空间光通信、水下光通信等。光子处
31、理技术利用光的高并行性、 大带宽、 低损耗、 远程传输等优势, 突破电域计算和处理的带宽瓶颈,实现海量信息的近实时计算和处理,其技术内容主要包括光电数模转化、光子计算、微波光子传输与处理等。微光机电系统(Micro Optical Electro-Mechanical-System,MOEMS)是微光学、微电子和微机械交叉融合的产物,是一种可以实现新型可调控的微光学系统技术。其中的微光学元件(结构)在微电子和 MEMS 的作用下能够进行光束的汇聚、衍射和反射等调控,从而实现光开关、衰减、扫描和成像等功能。智能微系统技术白皮书要素北 京 未 来 芯 片 技 术 高 精 尖 创 新 中 心112.
32、4.2应用于智能微系统的光电子技术现状及发展趋势近年来,随着器件性能和集成工艺的提升,以融合光电子器件、MEMS、微电子为特征的异质集成微系统得到了很大发展。光电探测是信息获取与环境态势感知的重要手段之一,随着智能化与精准化要求提高,迫切需要光电探测器件在感知光强信息外,还能获取相位、光谱、位置、距离深度、偏振等多维信息,并具备极高的灵敏度和极大的动态范围。长期来看,复杂多样的场景、灵活多变的目标,还要求光电探测从现阶段被动视觉探测模式,向主动视觉探测模式转变,并通过与信息处理、人工智能的结合,真正实现系统的自主感知。未来,传输光电子技术的发展一方面在于实现更高速率、更远距离的通信,另一方面在
33、于构建满足不同需求的空间激光通信网络。在高速通信方面,重点是进一步挖掘激光调制效率,采用高频谱效率、多维度调制的复杂调制解调方式 ; 在超远距离激光通信方面,主要是采用能效更高的脉冲脉位调制技术 ;在空间激光通信网络方面,需要解决激光通信终端的小型化、低功耗、轻量化设计难题,开发空间智能自组网等新技术。光子处理技术还将与电的信号处理、深度学习算法、人工智能相结合,形成包括“光 + 电 + 软件” ,具有学习认知、自适应、多功能的智能化系统,从而实现动态调控,快速反应等功能。因此,提升数据处理和光子计算的速率、 容量、 精确度和容错率, 实现光子处理及光子计算元器件的微型化和系统级集成,降低光子
34、计算系统的功耗和成本,发展并完善光子处理自适应算法是未来光子处理发展的重要方向。2.5 算法与软件2.5.1算法与软件在智能微系统中的地位和作用算法与软件是智能微系统的灵魂和思想,也是微系统表现出智能行为的内在方法和支撑。微电子、MEMS 和光电子等要素是算法与软件的硬件基础,架构是算法与软件的运行环境。硬件基础和运行环境共同决定了智能微系统的理论能力上限,而算法与软件作为运用这些能力的方法,决定了系统的实际功能与性能参数。软件的重要作用之一是充当用户与系统之间沟通的桥梁。用户可以在无需了解系统内部具体工作原理和运行方式的情况下,通过软件便捷地调用智能微系统中的相应功能。如日常生活中常用的手机
35、拍照功能,为了达到更好的成像结果,在拍摄距离不同的物体时,需要对手机相机的镜头焦距等物理参数进行调整。而软件可以将调整镜头焦距等物理操作虚拟化成按键、触摸或划动等简便的操作方式,大大方便了用户操作。在同等的硬件系统与架构条件下,算法直接决定了系统性能的高低。以“刷脸”功能中的人脸识别算法为例,在同一台智能手机中,可能有多个应用程序(APP)用到人脸识别功能,但这些应用程序“刷脸”的速度和准确性确差别很大,这种差异绝大部分源于不同的算法。比如,人脸识别算法通常流程是先确定待识别人脸在整张拍摄图片中的位置,然后再对人脸所在区域进行特征提取,并与人脸库中的候选结果进行比对。传统做法一般利用两个神经网
36、络分别完成人脸位置检测和人脸提取任务。随着研究的12不断深入,人们发现这两个神经网络在初期有大量类似的计算,通过对两个网络进行整合,不仅能够达到基本等同的效果,而且可以减少计算量,提高算法运行速度,缩短识别时间。除了典型的人工智能应用外,算法对于智能微系统的各个功能模块 : 包括传感、处理、通讯、执行和供能等都有重要的支撑作用。如智能传感算法,能够有效提高传感器输出信号的信噪比和数据精度 ;智能通讯算法通过对数据的分析,采取不同的压缩、加密和传输策略,从而在传输效率和安全性等多个维度提高通信质量。2.5.2应用于智能微系统的算法与软件技术现状及发展趋势智能微系统的算法定义了系统获取和运用知识的
37、能力,包括信息与数据的分析,问题的求解,推理与决策等。如智能相机中的场景分析与自适应摄像参数调整,智能手机中的指纹识别,智能驾驶系统中的辅助驾驶功能等等。定制化是智能微系统算法与软件的重要特征之一。与计算机的通用系统不同,智能微系统往往具有相对固定且具体的应用场景与功能需求。这就使得算法与软件必须满足应用的特定要求,如算法复杂度的限制,软件数据精度的要求,对噪声的抗干扰能力和安全性等。比如,在指纹识别等涉及安全与私密性的应用中,要求算法具有“宁缺毋滥”的特性,为了准确识别出非真样本,允许牺牲一定对真样本判断成功的概率。比如一套典型指纹识别算法的性能要求,对于错误样本的接受率要小于万分之一,而对
38、于正确样本,拒认率只要低于 20% 就可以认为是合格的。反之,在一些医疗与健康监护智能微系统中,则会考虑“宁错一千,不放一个”的原则,尽可能提高算法的召回率,只要有疑似危害健康的可能性,都需要报告出来。由于智能微系统具有体积小、重量轻、能耗低等特点,系统所能提供的计算能力有限,难以提供大型计算设备,如服务器规模的海量存储与运算能力。但对于很多应用场景来说,不能因为算力受限而大幅牺牲系统智能。因此,对已有算法进行压缩,或针对具体应用进行专门、灵活的设计十分重要。如神经网络算法中的参数压缩方法,通过将高精度权重参数,转化为低精度形式,可以将模型存储所需的空间成倍缩减。此外,通过神经网络的蒸馏算法,
39、先训练大网络以学到知识,再将此知识传授给小网络,最终可以使得部署在微系统的小型神经网络,完成与大型神经网络同样或相似的功能。智能微系统技术白皮书要素北 京 未 来 芯 片 技 术 高 精 尖 创 新 中 心133.1 设计技术3.1.1智能微系统设计技术特点和共性要素智能微系统的设计包括功能设计、 信息域设计、 能量域设计等不同层面。 功能设计定义系统的整体功能、工作逻辑、运行方式,以及各组成部分的具体功能、性能指标等 ; 信息域设计定义系统中信号、数据的传递方式、路径等; 能量域设计则定义系统整体能源的供给与分配策略、途径与实施办法等。功能、信息域、能量域的设计又都涵盖材料、器件、芯片、结构
40、等硬件层面,以及算法、流程、步骤、代码等软件层面。智能微系统的设计层次可以是自上而下的系统级设计,即先进行系统顶层设计,规划系统功能和子系统功能,然后逐层分解 ; 也可以自下而上的模块化设计,即先分别设计各个子模块结构、功能,再搭建子系统,然后逐层向上并最终形成完整系统 ; 更多的则是二者有机结合,系统级设计与模块化设计交互进行,不断更迭。架构设计是系统级设计的首要任务与关键核心 ; 而传感、处理、通讯、执行、供能等功能模块的软硬件实现是模块化设计的重点环节。一般来说,不同层次设计的实现方式也不同。系统级设计追求整体综合性能最优化,在约束条件和性能指标间求取平衡,需要多尺度、多物理场、多能量域
41、的协同设计与多学科联合优化 ; 而模块化设计更侧重通过软硬件开发工具进行各类器件(芯片) 、工艺、版图的设计、模拟、验证及迭代等。目标匹配程度、系统功能与性能、全周期成本、可靠性等都是智能微系统设计成功与否的重要评价指标。针对不同的应用需求,对各指标进行相应加权有利于筛选出更合适的设计方案。技术3143.1.2智能微系统设计技术发展趋势智能微系统设计涉及众多专业学科与技术领域,而不同领域技术发展水平也不尽相同。整体来看,随着 EDA 设计工具的发展,计算机辅助的自动化设计将成为智能微系统设计的主要技术手段。在硬件设计方面,目前已发展出一系列原理型仿真设计工具、工艺制造辅助设计工具、验证工具等,
42、例如微电子、MEMS、光电子等领域常用的 PSPICE、Cadence、Protel、L-Edit、COMSOL、ANSYS、ConventorWare、Intellisuite 等 ; 算法开发方面,无论是传统的控制算法还是新兴的人工智能算法都有相应的开发工具,如 Eclipse、Matlab、 Pytorch 等。在目前分立子系统开发工具的基础上,还需要逐渐发展智能微系统相关的设计包、数据库,逐步实现材料、器件、工艺、功能、性能一体化,交互性设计方法和手段,最终形成系统级一体化设计工具。 3.2 集成技术3.2.1智能微系统集成技术特点和共性要素集成是智能微系统各部分形成有机整体的重要保障
43、,在物质域、信息域、能量域等有不同内涵。在架构统领下,信息域的集成主要体现为可执行的算法、软件在微纳器件、芯片等硬件中的部署,突破子单元的算力、存储能力、功耗局限,完成信息获取、分析、决策、表达等功能,是智能化的关键贡献者 ;能量域的集成则体现为系统的能量策略、能量分配管理方法等与各类能量收集、存储、管理、释放等供能技术及硬件的集成,协同实现系统的高效能量利用。信息域和能量域集成在本书传感、处理、执行、供能等章节将详细讨论,本小节重点阐述集成在物质域的内涵、特点及发展情况。集成制造技术是智能微系统物理层面的实现方法,一方面为系统设计实现提供关键技术支撑及约束 ; 另一方面由于涉及多种功能、多种
44、类型的异质芯片,器件、部件的芯片级互连集成,集成层级的再调整、再组合也对可靠性设计和后续系统测试等提出了挑战。过去半个多世纪与半导体 IC 芯片相伴而生的,还有采用微纳制造工艺在各类衬底上制造的多样化的MEMS 芯片、光电子芯片。近年来,MEMS 与光电子产业成为最具活力的半导体领域,MEMS 器件、光电子芯片与 IC 芯片的集成也随之成为智能微系统技术的热点研究方向。但与主流 CMOS IC 芯片相比,MEMS 器件、光电子器件与芯片在特征尺寸、圆片材质、大小等方面都存在差异, 因而多种芯片的混合集成是智能微系统集成的重要途径,而 SiP 成为智能微系统硬件的主要形式。3.2.2 智能微系统
45、集成技术发展趋势以三维 / 异质 / 异构集成为代表的先进集成技术,使得智能微系统能够通过架构统领,将微电子、光电子、MEMS、算法与软件等技术要素有机融合,并实现传感、处理、通讯、执行等多种功能,如图 3-1所示。同时,随着 MEMS/NEMS 等微纳器件结构的不断丰富,玻璃、玻璃上硅(SOI) 、金属、有机聚合物、压电材料以及磁性材料等新型材料,以及纳米压印、激光加工、微注塑、3D 打印等相关专用加工技术也逐渐融入智能微系统的集成制造领域。以近年来引起业界广泛关注的芯粒(Chiplet)技术为例,该技术把一些由不同制造工艺预先制备的具有特定功能的芯片裸片(die) , 通过三维异质 / 异
46、构等先进集成技术, 以拼装“积木”的方式集成为“超级”异构的系统级“芯片” 。作为硬核形式的 IP,芯粒通过灵活多样的组合为智能微系统带来更多的设计空间和更强大的功能,并有望重塑整个信息技术产业链。智能微系统技术白皮书技术北 京 未 来 芯 片 技 术 高 精 尖 创 新 中 心15图 3-1一种智能微系统集成示意图 (来源 : 互联网) 射频加速度计图像传感器系统芯片模拟 / 数字集成硅中介层硅通孔硅通孔微凸点光波导光信号片外光信号微流控通道3D处理器3D 存储微镜垂直腔面发射激光器光电探测器此外,单片式三维堆叠集成也是近年来学术界的研究热点。与 SiP 的硅通孔(TSV)类似,单片三维集成
47、也是将器件在垂直方向上堆叠起来,但有别于 TSV 的模块化集成封装,单片式三维集成是基于TLV(through-layer-via)的晶体管器件级三维集成。这种集成方式使得每层器件之间的间距可以达到局域互连尺度,极大提高传输线效率,实现高带宽、低延迟、低功耗,满足智能微系统的多样化需求5。如图 3-2 所示,一种利用单片三维集成方法将碳纳米管传感器与逻辑、RRAM 存储、硅电路逻辑 IC 进图 3-2单片三维集成的高能效计算系统6 (来源 : Nature)碳纳米管场效应晶体管逻辑和传感器阻变存储器碳纳米管场效应晶体管逻辑硅逻辑超密互连碳纳米管晶体管adefghbc16行了超高密度集成,即将逻
48、辑、存储、传感混合集成在单一芯片中实现“感存算”一体化,极大提高了系统的计算能效6。3.3 测试技术3.3.1智能微系统测试技术特点和共性要素智能微系统中可能包含数字 IC、模拟 IC、存储 IC、现场可编程门阵列(FPGA) 、射频 IC、MEMS 器件、光电器件、连接结构、封装结构等众多电子元器件与构成部件。这种超高功能密度集成的光机电一体化复杂系统,在设计阶段就必须考虑其可测试性,在集成制造阶段需要通过各种测试方法和手段来保证工艺质量,在应用前更是需要对系统进行全面测试。智能微系统涉及的测试技术种类繁多,但总体可分为功能 / 性能测试和可靠性 / 失效测试两大类。功能 / 性能测试主要是
49、对智能微系统的各项功能进行验证,以及对各种工况条件下的各项技术性能指标进行测量与试验; 可靠性 / 失效测试主要是对智能微系统持续运行或有效期内的性能退化与最终失效进行测试。通常两类测试之间的界限并不是很清晰,都包括力学、电学、光学和环境适应性等测试技术。智能微系统结构复杂、芯片器件多样、组成部件数量众多,目前单一的标准化测试技术与测试流程难以满足测试需求。针对测试过程复杂、数据量大等特点,一般在系统设计阶段就会考虑测试需求 ; 在测试方案的制订中,也会围绕具体的功能 / 性能测试目标与内容,综合考虑测试手段。以 MEMS 相关的测试为例,由于 MEMS 结构 / 器件通常包括与电信号相关的机
50、械运动,在测试中不仅要测量其电学特性,而且要通过接触式或非接触式的力学检测技术来测试其可动结构的机械运动,如平移、振动、旋转或机械冲击等。另外,除了单独的力学、电学测试外,MEMS 结构 / 器件的功能实现还涉及力 - 电耦合效应,需要制订专门的测试方案,通过力 - 电交互的综合测试手段,甚至个性化的测试单元结构来配合实现 MEMS 相关的功能 / 性能测试。智能微系统涉及 IC、MEMS、光电子等各类芯片、电子元器件,学科交叉、多种测试手段交互联动的特点十分突出。环境适应性测试是智能微系统的可靠性 / 失效测试中的重要环节。相关具体的测试手段一般包括用于力学可靠性方面的冲击、振动试验,用于温