微电子技术调研报告(微电子模块——微电子技术的现状和未来发展)

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微电子技术经历了百余年的发展，深入了人类生活的诸多方面，但其传统的发展模式也遇到了一定的困难。本文从三个具体的微电子应用角度切入微电子技术的发展现状，探讨其未来发展的前景和机遇，分析如何使微电子在“后摩尔定律时代”下更好的服务人类，并对未来的智慧时代、智能时代做出了展望。

1. 概述

微电子技术作为从20世纪初开始发展起来的一种新兴的技术，其影响力逐渐扩展到人类生活的每一个方面，并且成为衡量国家现代化水平的一大重要标志。站在今天来看，微电子领域已取得了骄人的成绩，但传统领域已经体现出了发展乏力的问题，而新兴领域仍然拥有广阔的发展空间。超低功耗智能物联网（ AIOT ）芯片、微机电系统（ MEMS ）以及类脑器件与智能芯片就是拥有广阔未来的三个重要应用。

2.1 物联网与物联网芯片的机遇与挑战

著名的摩尔定律指出，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。在集成电路技术和互联网科技飞速发展的情况下，轻的、大的互联网机会已经被挖掘殆尽，剩下重的、高度垂直化的互联网机会，正在被加速挖掘。且不论摩尔定律是否仍然符合当今的发展趋势，在摩尔定律之外，我们当下迫切需要找到微电子发展的“下一个风口”。我们不难预估，物联网将会成为信息领域下一个大时代。

实现物联网的核心，是面向物联网的绿色智能芯片。而超低功耗智能物联网（ AIOT ）芯片的设计就极为重要。为了支撑智能家居等物联网应由需求，芯片的架构必须采用超低功耗、轻量化安全、边缘 AI 、柔性传感器等技术，这就需要其以动态功耗为主，打破信息孤岛，化数据流为智能信息流。

但是，基于目前的发展状况，物联网发展依然存在五大亟待解决的问题。其分别为：成本问题、供电问题、低功耗问题、通信问题和边缘智能处理问题。如果这些问题能够得到很好的解决，物联网的广阔未来将会无可估量。人与人的70亿终端互联将会被拓展到人与物、物与物的兆亿终端互联，而超海量的大数据和服务需求将会成为千载难逢的机遇，催生更多数量、更广规模、更大体量物联网服务与产业。

可以预想，在不久的未来，通过物联网物理层、网络层、应用层三层的有机结合，物联网将被应用到绿色农业、工业监控、公共安全、远程医疗、智能家居、环境监测、智能图书馆、可穿戴设备等诸多领域。其功能的多样性将会极大地改变人们的生活。

1.2 微机电系统的应用

微机电系统（ MEMS ）在微电子技术的基础上发展起来，融合了多种微加工技术，包括传感器、执行器和控制电路等部分。微电子与其他学科交叉形成的微纳机电系统技术极大丰富了芯片的内涵，而生物微机电系统（ Bio MEMS ）就是其重要的一类应用。

对于血压、脑电信号等生物数据的采集、测量，是目前生物科学领域的短板。尤其在脑科学领域，人类对于大脑的理解和神经活动的认知仍有很大的局限性。同时，目前大多数家用便携式监测设备及目前的可穿戴设备都达不到医疗级，完全无法满足智慧医疗的要求。这就催生了利用微加工技术制造用于生物检测和操作的微型器件和系统的新兴技术产业。

生物微机电系统通过植入式微电极阵列、微电极芯片、甚至是“脑机接口”等技术，与生物医疗紧密结合，将成为未来智能医疗领域的支柱，为智慧医疗的到来提供坚实基础。当前，生物微机电系统已经有植入式电子耳蜗、视网膜芯片等应用案例，也在渐冻症等神经类疾病的研究上显示出一定的作用。基于 MEMS 技术和无线传输的多功能睡眠监测平台也在睡眠参数监测、脑电波分析上发挥功效。而由于老龄化社会趋势明显、亚健康问题的普遍发生、医疗资源的紧张，人类愈发需要可移动的、高灵敏度的监测和治疗设备。因此可以说，智慧生物医疗是 MEMS 的一个重要方向，也是改变未来社会医疗和保障体系的技术基石。

1.3 类脑智能芯片与人工智能

近三十年来，人工智能（ AI ）发展势头迅猛，并与许多学科进行了有机结合，获得了极大地发展，取得了丰硕的成果。它已逐步成为一个独立的分支，在理论和实践上自成一派。目前，人工智能在医疗、电子、金融等行业已取得广泛应用，在诸如自然语言处理、机器人、预测分析、计算机视觉、逻辑推理等方面也取得了重大的突破性成果。近年来，从事神经形态计算与人工智能研究的机构也呈现迅猛增长趋势，根据权威机构预测，其未来在亚太地区的市场也会十分广阔。

人工智能以数据、算力和算法为基石。传统的感知智能模拟大脑内各感觉器官（尤其是视觉），其生物原理较清楚，在大数据支持下可以得到快速应用，在电子硬件的支持下很多任务的表现可以超过人类。目前，已有基于深度学习的硬件，因此感知智能是当下人工智能最广泛的应用形式。

但是如果想要将人工智能真正运用到包括自动驾驶在内的人类生活的各个领域，不仅需要感知智能，更需要认知智能。认知智能模拟人类大脑的推理、抉择、注意、自主学习等认知功能，旨在真正实现大脑的高级功能，例如适应复杂环境、在不确定条件下推理和抉择、快速学习新知识等。目前，多个体智能协作游戏就是认知智能的初级例子。

2011年，《科学美国人》把模拟人脑的芯片列为10个改变世界的想法之一。但是目前尚未有支持真正意义上认知计算的硬件。如果我们将擅长搜索、计算、储存、优化的机器智能与擅长理解、推理、想象、决策、泛化的生物质能混合，便有可能产生新一代人工智能——混合智能。

如果使用传统的硅基（ CMOS ）芯片来实现神经形态芯片，其物力财力的巨大消耗是不现实的。因此，我们需要针对神经形态计算研究新的神经形态器件与芯片，其应当拥有更高的能效和集成密度和更好的基于物理的仿生信息处理能力。忆阻器、相变单元、自旋器件等AI器件可以用来模拟突触，基于这些器件的人供图出乎能够实现高仿生精度，能够模拟生物突触多种短时程、长时程的可塑性。

通过类脑器件与智能芯片，未来的人工智能将会从弱人工智能向强人工智能、甚至超人工智能进化，真正智能地服务人类。

3. 结论

在“后摩尔时代”，微电子领域在摩尔定律之外仍有广阔的发展空间。在非冯·诺依曼架构下的各类新兴计算芯片以及通过微纳电子与其他学科结合形成的微机电系统技术都是拥有无限发展空间和良好发展前景的微电子技术。其将会使微电子技术上一个层面, 为人类的社会文明做贡献。

参考文献：

[1].张俊杰.微电子技术的发展研究[J].现代工业经济和信息化,2018,8(11),11-12.

[2].武俊齐,赖凡.后摩尔时代新兴计算芯片进展[J].微电子学,2020,50(03):384-388.

[3].霍星明,尤江东.AIOT技术驱动下智慧图书馆建设思考[J].河南图书馆学刊,2020,40(09):97-98+104.