如何制造出一次性微芯片

每个研究项目都需要一个醒目的名字——很难想出比「塑料腋窝」更好的了。其创意是设计和制造出带有电子鼻子的芯片,可以对环境中的气味和化学物质采样。英国芯片设计公司安谋的高级工程师詹姆斯·迈尔斯 (James Myers) 说,这种芯片可以贴到各种消费品上派用场。它的名字源于将这种芯片编织到衣物中的想法,可以让健忘的穿着者知道自己真的该冲个澡了。

尽管名字戏谑,但这个项目很较真。它由安谋、曼彻斯特大学、生产柔性电子产品的公司 Pragmatic,以及英荷消费品巨头联合利华合作开展。据研究公司高德纳估计,去年全球售出了 2.59 亿台个人电脑。皮尤民调估计,全球智能手机的数量已超过 25 亿。安谋的设计主宰了各种低功耗微处理器市场,用于从智能手机到电视的各种物品。该公司对自身业务的规划围绕这样的假设展开:到 2035 年全球将有上万亿台计算机。

「塑料腋窝」就是在尝试设计出可能满足这种需求的芯片。它的目标是生产一款坚固、可弯曲、可大量生产的计算机,配备可与外界通信的传感器,每台的价格低于 0.01 美元。在位于剑桥的安谋总部展示的原型版本看起来像一块比平常稍硬的胶带,上面布满了电路走线。

迈尔斯很愿意谈论个人卫生以外的应用。他指出,这种传感器可以安装在食品包装中,代替印刷的有效期来准确评估包装中的内容物何时变质。这继而可以帮助超市和购物者减少浪费。

「塑料腋窝」中的芯片既便宜又简单。它的「逻辑门」(信息处理的基本元件) 粗大得和 1970 年代使用的标准件一样,而且只有 1000 个。每个传感器也都很简单,用于不同类别的有气味的化学物质,会产生不精确、粗糙而便于使用的信号。大多数计算机科学家都希望借助机器学习的现代智慧来弥补传感器的不足。但是,在这么简单的芯片上怎么做到呢?

要将机器学习算法塞入如此受限的机器,就需要把所有东西都简化到极致。这款芯片使用一种简单形式的机器学习,称为朴素贝叶斯分类器。使用上的灵活性也被牺牲掉了:为让产品尽可能便宜和简单,算法被直接蚀刻到塑料中,意味着芯片不可重新编程。如果芯片被设计用于监控草莓释放的化学物质,那它对鸡肉就毫无用处。迈尔斯说:「如果您希望它做新的事情,就需要设计和印刷新的电路。」

由于芯片设计昂贵且设计师稀缺,迈尔斯和他的团队一直在研究软件工具以简化该任务。其想法是用广泛使用的编程语言 Python 来描述一种新算法,然后用软件将其转换成能够被输入 Pragmatic 公司的芯片制造机的电路图。这种方法引起了五角大楼最雄心勃勃的研究机构 DARPA 的关注。作为其投资 15 亿美元的「电子复兴计划」的一部分,它正在研究简单快速的芯片设计方法。

目前,「塑料腋窝」的演示模型由电池供电。可靠的电源意味着该芯片可以始终监控它关注的东西。迈尔斯说,将来,对于只需要间歇监视的应用,电源应该是可以省掉的。芯片的塑料基板上刻有一个天线,可与外界通信。其思路是可以将智能手机或专用的无线读取器设备放在芯片附近。读取器发出用于传输数据的无线电波,但也会在芯片中感应出足够大的电流让其工作 (非接触式信用卡的工作原理与此类似)。

妈妈看,没有电池

一些芯片已经能够采集更常见的环境能量,捕获从阳光到热到振动的一切。专注于物联网业务的美国芯片制造商芯科科技 (Silicon Labs) 的老板马特·约翰逊 (Matt Johnson) 说,目前这种采集主要作为电池的补充而不是替代。主要的限制因素是无线数据传输,它消耗的电量比数据处理要多得多。「但是每一代产品都在改进。」他说。在不久的未来,耗电的需求和采集的供应之间会达到「契合点」。市场研究公司 Semico Engineering 在 2018 年出具的一份报告估计,到 2022 年,能量采集设备的市场规模或可达到 34 亿美元。

约翰逊说,在更换电池很麻烦时——比如桥梁或隧道等结构中的监视设备——自供电芯片特别有用。这种芯片还可能因为别的原因而变得必要。安谋估计,到 2035 年,如果要为它预测中的万亿个芯片供电,哪怕每个芯片只需要一粒手表用的纽扣电池,对锂 (它对高性能电池至关重要) 的需求将是全世界目前每年锂产量的三倍。毕竟,安谋的保罗·威廉姆森 (Paul Williamson) 说,一万亿是「一个挺大的数字,如果你想一想的话」。

Write a response…

Your email address will not be published. Required fields are marked *