从智能传感器和微系统看集成电路的发展方向学术资讯

作者：张陈翔

导读：从集成电路说起。集成电路被称为21世纪最伟大的发明。从1971年Intel为世人带来第一块商业化的集成电路CPU“4004”至今，在短短的40年内，集成电路如雨后春笋般迅速占领了人类生活的各个领域。无论是在诸如个人电脑、手机之类的消费电子，还是在航空航天，陆路交通，电子电气，乃至军事领域，无不是集成电路大展拳脚的舞台。以至于有一句话说，“离开集成电路就等于离开现代社会”。时至今日，中国每年在芯片上的进口值能够达到3000多亿，在进口总额中占到最大的比例，足以见到集成电路在中国发展中的重要地位。

关于集成电路的发展路线，1965年Intel的联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）从经验出发提出过这样的猜想：集成电路的晶体管数量每隔24个月（后改为每18个月）就能翻一倍，整体性能随之也将翻倍。随着集成电路发展的一路走来，集成电路也确实沿着他所预测的道路飞速迭代，甚至超过了他所预想的速度。从1971年Intel的4004只有2252个晶体管，到2019年苹果的A11芯片达到了夸张的43亿个晶体管。摩尔所提出的这个设想也因此被称为“摩尔定律”，成为了集成电路发展的预测、引领和指导的思想。

之所以能在一块集成电路上集成越来越多的晶体管，根本原因是特征尺寸，或者叫工艺节点或线宽的不断减小；换言之，单个晶体管体积的不断减小。目前能够投入量产的最先进工艺节点为5nm，而2-3nm特征尺寸的工艺也在紧锣密鼓的研发中。在过去的几年中，集成电路的特征尺寸缩小了1000倍，性能提高了1万倍，使得成本减少了100万倍，因此不断缩小的线宽是研发人员和生产商始终追求的目标。

然而，由于光刻方式以及物理层面原子大小的限制，只靠缩小线宽来增大集成电路密度的方式必将走到尽头，摩尔定律必将失效。为了延续集成电路的发展，各研究机构提出了诸多不同的解决方案，包括新材料、新工艺方法，也包括各种异质异构技术。例如，硅通孔（Through Silicon Via，TSV）技术，即制造穿过硅晶圆或芯片的通孔，实现2.5D乃至3D的封装；芯粒（chiplet）技术，用能够实现单元功能的小芯片作为积木，搭建起能够实现复杂功能的大芯片。如图1所示的新型集成芯片将会逐渐占据主导地位。

图1 高级集成集成电路芯片模型（图片来源于网络）

总而言之，人们对于集成电路发展的方向基本分为两条路。一条路可以认为是延续之前的发展道路，例如继续冲击2-3nm乃至更小的制程，从而使得摩尔定律能够延续；这条道路只是改变集成电路的密度，不改变整体的结构和功能，可以认为是单项上的优化。另一条路，就是接下来将要着重介绍的微系统方式，它将以超越摩尔定律的方式，通过将IC和其他领域的结合，例如MEMS、光电子等，使得芯片获得革新，成为各项全能的高度集成的器件。

智能微系统的前世今生

图2 美国密歇根大学David Blaauw组研发的智能灰尘（图片来源于网络）

1995年，DARPA展示了他们研发的“智能灰尘”。这个直径几厘米的小东西，重量只有几毫克，却能够实现在空气中飞行，并能够通过作为“耳朵”的声音传感器听到周围的动静，甚至能够做出一些动作。到2017年，智能灰尘已经能够做到只有5mg的重量，体积更是达到1.3立方毫米。并且在这粒小小的灰尘上，集成了能源系统（厚膜电池，超级电容，太阳能电池），控制器（控制电路），传感器（陀螺仪，红外传感器），通讯系统（被动式的微波通讯，主动式的激光通讯），可谓麻雀虽小，五脏俱全。

图4 UC Berkley视频中展示的“杀人蜂”（图片来源于网络）

2018年，加州大学伯克利分校（UC Berkeley）计算机系教授Stuart Russell联合其他教授发布了一个科幻视频。在视频中，开发者展示了一个名为“杀人蜂”的微型飞行器（图4）。它只有37g重，但具备传感器、处理器和执行器。它能够使用人工智能技术，对人脸进行识别，并通过自身携带的3g炸药，对目标进行精确打击。Russell教授发布这个视频的目的是警示人们滥用AI带来的严重后果，但我们也要看到随着智能微系统的发展，这样的幻想终将能够实现。

所谓智能微系统，就是在使用微纳加工等技术搭建的微型化硬件平台上，用软件赋予其智能，使其能够自主或半自主地采集、处理、输出信号，以及执行一些动作，对外做功。

整个智能化系统有三大本质特征。第一，微型化，即通过三维异质异构手段，将信号感知、处理、执行集合为一体，通过高度集成减小系统硬件的体积。第二，系统化，即硬件支撑智能，软件定义智能，二者相辅相成，使得微系统能够实现更为丰富的功能，起到一加一大于二的效果。第三，智能化，通过硬件本身特质或软件赋予系统独立“思考”的能力，是微系统知识和智慧的体现。

作为填充，智能微系统有五大技术要素：架构，微电子，微机电系统（MEMS），光电子和软件。其中架构是硬件统领，决定了微系统中硬件、能量、信息的状态、分布、交互、以及流程的逻辑。

微电子方面，目前正在向可重构、可编程、存算一体等方向发展，将为智能化提供硬件支持。

MEMS同样也是使用微纳加工技术制造的，但与微电子不同的是，它是将诸如梁、板等机械结构微型化，做在芯片上形成的器件。通过特殊的结构或材料，MEMS能够实现对不同外界信号的感知，包括声、光、电、热、力等等，并将它们转换为电信号，供微电子处理电路处理，可谓是沟通物理世界与信息世界的桥梁。

光电子被认为是智能微系统的“眼睛”和另一个“大脑”。随着光计算的发展，光电子在未来有望凭借更小的面积和功耗，取代微电子处理器，成为智能微系统的另一个大脑。

最后是算法与软件。作为机器智能实现的直接因素，算法与软件定义了机器的智能化水平。在现有AI技术的基础上，算法也在朝着自学习、自校正和自定义的方向发展，这些技术将进一步增加智能微系统的智能程度。

图5 智能微系统整体架构

为了将上述各部分集成为一个非常小的硬件系统，目前还需要借鉴微电子领域的三维异质异构集成技术，将传感器、执行器、处理器、通讯、能源的裸片集成，进一步减小系统体积。难点在于，不同种类的芯片，例如IC和MEMS，是用不同材料、不同工艺制作的，在集成的过程中可能会遇到工艺互斥等问题。因此，微系统的三维集成依然是需要继续投入研究的关键问题之一。

最终形成的智能微系统，是很多基础科学和现代科学的交叉融合，相比起传统的智能系统，智能微系统具有体积小，重量轻，功耗低，性价比高等特点。除了体积和质量上的优势，智能微系统还有高性能，高精度和高集成度的特点。例如美国国家标准与技术研究院（NIST）研发的芯片原子钟（图6），能够以仅仅一个咖啡豆的大小实现的精度，完全有潜力代替晶振及原子钟成为新的计时器件。智能微系统的高级程度也使得它能够广泛用于汽车及飞机电子领域，例如发动机中的智能系统，能够进行能量的获取，并进行信号传输，同时监测发动机的工况和安全。

图6 NIST研发的芯片原子钟（图片来源于网络）

智能传感器与微系统路在何方

从市场层面来看，智能传感器有五大驱动力：物联网，汽车电子，医疗健康，消费电子和机器人。

物联网是沟通社会中各种实体的桥梁，是生产生活智能化的重要手段。从国际市场来看，物联网中的传感器有近千亿美元的市场，针对智能微传感器的研究有着非常强大的市场动力。

现代汽车的运行需要大量的传感器，用来检测包括汽车发动机、油箱、水箱等各部分工作状态。一般来说，一台汽车需要4000元左右的传感器，而其中80%可以用MEMS器件替代。由于微传感器有体积小、质量轻、集成度高、精度高等特点，终将逐步取代传统机械传感器。

医疗健康行业的检测设备经历了从台式到便携式，再到穿戴式和植入式的过程。不仅在诊断上，在治疗上智能传感器和微系统也正在发挥重要的作用。

在消费电子领域，智能手机、手环等智能设备已经是现代人们离不开的必需品。在一台智能手机中，就有包括加速度传感器、陀螺仪、微麦克风、光线传感器等23中60多个传感器，能够占到整机价格的1/2。随着智能手机和智能穿戴式设备功能需求的愈加丰富，对传感器数量和种类的需求也必将继续增加。

为了实现更接近人体的行为模式，机器人不仅需要更为精准的内部控制电路，更需要能够提供更为丰富和精准信息的外部传感器。目前一个机器人中，最多能有100多个传感器。如果将来机器人市场进一步扩大，尤其是家用机器人等智能机器人的需求进一步提升，对微型传感器的需求将是不可估量的。

在2018年，智能传感器和微系统的国际市场就达到了一万亿美金。在可以预见的将来，这个市场将持续扩大。为了抓住这个千载难逢的发展机遇，清华大学在2011计划和国家科技部的支持下成立了微纳系统制造与器件协同创新中心，联合其他高校和工业界，共同推动中国智能微传感器和微系统的研发和市场化。而技术发展和创新生态与智能微传感器、微系统的发展生态建立密切相关。为了建立良好的生态，这里提出三点建议。第一，产教融合，创新培养智能传感器和微系统的人才，开发中国首创核心技术；第二，核心布局，政府创建公共平台，提供公共服务；第三，企业界和投资商创造环境，围绕市场需求，推动产业集聚，进行示范作用。在科研界、产业界和政府的协同努力下，必将为智能微传感器和微系统的发展铺平一条康庄大道。

（本文系 2020 年8月30日尤政院士演讲实录文稿 , 有删改。）