向医疗保健、生活方式及生命科学等领域的新技术
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“为什么电脑不能更进一步像人脑一样工作?微处理器中过多的晶体管到底应该用在哪一方面?”在ISSCC 2008(国际固态电路会议)上，登台作主题讲演的美国Numenta公司创始人Jeff Hawkins向众多的半导体工程师提出了上述问题。
Jeff Hawkins原本是PDA厂商利用时间信息的学习系统HTM(hierarchical temporal memory)，目前正在进行技术验证。JeffHawkins强调说：“HTM的算法现在还处于研究阶段，还将不断地变化，进入电路实现阶段的时期尚早。但是，HTM和大脑新皮质都是并行工作。这种并行处理的应用软件最适于在多内核的环境中工作，并且能点的CMOS传感器，已拥有实际成果的可植入视觉障碍患者眼球内的CMOS传感器，以实现可视化的人类生活规律为目标的系统，可测定细菌种类的传感器，可测定不明分子种类的超小型核磁共振(NMR)设备等。”
“今后芯片的一个发展方向，可能会是用于实现直观用户界面的传Palm公司及Handspring公司的创始人，但他现在却在只有15名职员的Numenta公司里研究如何能将人脑的智能结构有效地应用于电脑中。他于2004年在美国出版了其著作“On Intelligence”(中文版译名：人工智能的未来)，成为使人脑的智能研究再次引人注目的人物。他参考人脑新皮质的分层结构，提出了可充分利用数量众多的晶体管。”
在被称为“半导体奥运会”的ISSCC上，从事智能研究的Hawkins登台演讲的事实表明，半导体的开发正迎来一个转折点：半导体器件的应用不再仅限于传统的电脑及数字家电产品中，一些在全新应用中使用半导体器件的论文受到了广泛的关注。比如，能检测出人的注视感器。苹果公司iPhone的问世导致人们更加关注用户界面，今后将会有更多的设计方案致力于获得以前没有被利用到的信号及信息。
本文将聚焦于涉及半导体发展新方向并正处于萌芽状态的九个话题，介绍其主要内容及对未来的影响。
英特尔公司制作的几百mW的x86处理器立足于SoC，重复利用基于单元的设计
英特尔公司的低功耗x86处理器Silverthorne(开发代码名称)是面向重量为300g～1kg的UMPC(超级移动PC)以及MID(移动互联网设备)而推出的。其平均功耗为几百mW，热设计功耗小于2W，和以前面向PC的x86处理器相比，功耗得到了大幅降低。在电源电压为+1.0V的情况下，最大工作频率是2GHz，其晶体管总数是4700万个。
Silverthorne采用45nm CMOS工艺制造。晶体管的栅极绝缘膜采用高k材料，栅电极采用金属栅，从而削减了栅极漏电流。而且，处理器采用了被称为C6的功耗管理模式，进一步降低了功耗。在使用C6模式时，不仅是内核的内部时钟会停止工作，而且也会关断对PLL和1级/2级高速缓存等的供电。
便于实现多内核及SoC
Silverthome的低功耗技术颇为引人注目，而且，从其电路结构中可以看出，其布局已经考虑到了今后多内核和SoC的应用以及CPU内核的重复利用。
Silverthome的最大特点是芯片为长方形，而大部分处理器芯片通常为正方形。英特尔公司Silverthorne的设计工程师Gianfranco Gerosa表示：“将芯片制作成长方形的原因是为了便于今后实现多内核。”当PC处理器要与最新的GPU集成在单芯片上时，这样的长方形也是很有效的。这种长方形不仅适用于PC的独立处理器，对于面向家电产品的CPU内核也同样适用。
Silverthorne的另一个特点是，为了缩短处理器的设计周期以尽快投入市场，这款处理器中广泛利用了在ASIC中频繁使用的设计方法――基于单元的设计。在处理器内的205个功能单元块(FuB，functional unit block)中，有相当于91％的187个FUB应用了基于单元的设计方法。和ASIC一样，在这些基于单元设计的FUB中，有50％的功能单元块是根据RTL描述进行逻辑综合得到的电路。
一般来说，在处理器的设计中，ALU(算术逻辑单元)等要求高速或低功耗的电路块大多采用全定制设计，就是由设计工程师通过手工作业依照要求确定晶体管的尺寸及版图设计。但是，在这款Silverthorne中采用全定制设计的部分只占全部FUB中的9％，即只包括2级高速缓存、PLL电路及输入，输出电路。Gerosa解释说：“为了尽量缩短设计周期，我们选择了这样的方法。虽然是处理器产品，但如果不能及时投入市场，那也就没有任何意义。”
Gerosa表示，为了缩短设计周期，Silverthorne也采用了并行设计方法，同时并行地推进逻辑设计和版图设计两个方面。具体来说，就是在各个功能块大致的电路设计信息的基础上，并行开展了版图设计。
利用相邻像素的局部并行模拟运算高速识别视线
韩国延世大学开发出能检测出人眼注视点的CMOS传感器，它可以拍摄人眼附近的图像，并在芯片上进行图像识别处理，以确定用户正在注视哪个位置。
通常，这一类图像识别处理往往是在读出来自CMOS传感器并经过AD转换的图像数据之后，利用软件在传感器外部实现的。但此次的新技术则是在CMOS传感器上集成了对瞳孔位置进行计算处理的硬件，就是连接了附近像素的局部并行模拟运算电路。因为采用的是模拟处理，因此其应用仅限于检测出人眼的注视点。但是，通过该技术，单独使用CMOS传感器就可以进行图像识别处理，而不再像以前那样需要外置PC和图像识别处理器等。
如果进一步发挥利用单芯片检测用户视线的特点，该技术就可以有效应用于检测汽车司机的注视点等用途上。另外，还可以在机器人和游戏机以及HMD(头盔显示系统)等各种数字设备中集成识别用户视线的功能。这样一来，就能够体察用户的意图并实现更加直观的用户界面。对于在用户界面中应用视线识别技术的研究一直都非常流行，这项单独使用传感器而无需外置元器件就能实现此类处理的技术，将有可能大幅度降低成本。这款传感器在使用+3，3V电源电压工作时的功耗是100mW。
识别结果是1500S/s
这款传感器的另一个特点是速度极高，原理上最高识别速度可达到5000S／s。这一特性对于要求延迟时间短而实时性高的游戏或者用户界面非常有用。延世大学的KimDongsoo表示，在以前使用CMOS传 感器和图像识别处理器相结合的方式中，由于受限于CMOS传感器中ADC的带宽以及图像识别处理器的处理性能等，因此识别速度一直停留在60S/s左右。但是，这款CMOS传感器是利用模拟电路进行图像识别处理的，因此从原理上说没有上述限制。
不过，上述5000S/s的数值是只考虑每帧200μs的识别处理时间时的速度，并没有包含曝光时间。这款传感器的照明光源设定为红外线，实验时的曝光时间为500gs，因此其有效速度应在1500S/s以下。KimDongsoo解释说：“曝光时间的长短取决于照明条件。如果照明光源比较暗，速度也会变慢。”
这款传感器还增加了提高测量精度的结构。在识别瞳孔的位置时，照明光在瞳孔的角膜上反射后再映射到图像中的这一现象是导致误差的主要原因。对于这种误差，反复进行在图像识别领域中普通的膨胀／收缩处理可予以去除。中的n表示膨胀／收缩处理的重复次数。把附近像素的输出连接到几个相关像素中的晶体管浮栅上，换算成电流值，再将其连接到光电二极管的阴极侧。另外，膨胀／收缩处理就是从附近的8个像素中选择最大或最小亮度时进行的滤波器运算。图3b中的WTA(winner takes a11)电路用于检测出每一列，行的最大值。
已埋入患者眼球内的人造眼利用人体植入型CMOS传感器让患者恢复部分视力
德国的非营利性研究机构IMS发表的是供人造眼(也称人造视网膜或人造视觉)使用的CMOS传感器，可以埋入人类眼球的视网膜内，该技术已经应用于某些患者，并使其恢复了部分视力。
2006年，德国Ttibingen眼科医院大学的眼科医生Eberhart Zrenner为了让7位因患视网膜色素变性而导致视觉障碍的患者恢复视力，曾经把这款CMOS传感器芯片植入他们的视网膜下面。当他通过外科手术把这款3mm2、1450像素的CMOS传感器植入患者的视网膜下面之后，有3位患者部分地恢复了视觉。据介绍，这些芯片在大约5个星期以后摘除，没有发现它对视网膜造成任何损伤。
50μm的超薄CMOS传感器
用于恢复视觉的人造眼通常会将传感器所拍摄的图像传递给人体的神经系统，其中采用的传递方式各有不同。这款新型传感器采用了被称为“视网膜下(subretinal)”的方式，它是利用电极刺激视网膜下面的神经节细胞，并取代视细胞层(椎体细胞及杆体细胞)的功能。此外，还有刺激视网膜细胞表面的“视网膜上(epiretinal)”方式，以及直接利用电极刺激大脑视觉区域的“大脑刺激”方式等。由于视网膜下的方式在植入时损伤视网膜的可能性比较小，因此其被认为是用作人造眼的最佳方式。
但是，为了能将传感器植入视网膜下边的狭窄区域里，传感器就必须很薄。此次发表的芯片在制成以后首先进行图像读出测试，然后使用芯片切割机切下用于测试的电路，只取出传感器部分。再将其厚度减薄到50μm，并安装在用于供电的带状柔性印制板上。芯片表面设置有用于刺激神经节细胞的TiN电极。为了不损伤神经节细胞，电刺激被规定为10μA～100μA，脉冲间隔500μS，脉冲频率20Hz，幅度小于+2V。据介绍，利用3mm2的传感器至少能实现12度的视角。传感器的平均功耗大约是5mW。
去除了直流分量的第2代产品
在IMS CHIPS发表演讲以后，德国Retina Implant公司和德国乌尔姆大学等了上述人体植入型CMOS传感器的第2代产品。RetinaImplant公司和IMS CHIPS是协作关系，并且也参与了上述传感器的设计工作。
虽然第2代传感器还没有进行实际应用，但其对上一代产品进行了若干改进。首先，芯片上的电极去除了一切直流分量。对于视网膜的电刺激也从以前的直流+2V改为交流2V，电源也从以前的直流+3V改为交流2V。这样一来，在传感器周围的细胞中将难以引发化学反应。用于向传感器供电的带状物体采用了由聚酰胺制成的柔性印制板，并从眼球内的传感器通过人体内部连接到耳朵附近的电源盒上。第1代产品是在人体外部使用接触型电源供电，但第2代产品则支持无线供电。
基于新原理的CMOS片上温度传感器利用硅的热扩散率测量温度，误差大幅提高为±0.5摄氏度
荷兰德尔夫特科技大学开发出可集成在芯片上的新型CMOS片上温度传感器。以前，用于测量处理器工作温度等的片上温度传感器主要是带隙型产品，但这款新型传感器的测量原理和以前的全然不同。具体来说，新产品的温度测量是利用芯片衬底硅中的热扩散率实现的，热扩散率是与温度相关的函数。
随着制造工艺的发展，工艺变异性的问题越发严重，而硅的热扩散率不会受到制造工艺变异性的影响。因此，可以很容易地实现批次偏差很小的片上温度传感器，并具有取代传统片上温度传感器的可能性。这款新型传感器的工作温度范围是-55℃～+125℃，功耗约为5mW。
利用脉冲驱动测量加热器
新型传感器的测量原理主要在于，利用脉冲驱动传感器中加热器的相位差来检测热扩散率。在这所大学以前的研究中，检测时主要利用和1/T(T：温度)成正比的传感器的输出频率，该变化是非线性的。但是，利用一定的频率驱动传感器里的加热器，并在距离一定的位置上进行测量时得到的相位差，是和T成正比，且大体上呈线性变化。
传感器采用被称为ETF(电热滤波器)的结构。首先，在传感器中央设置由电阻构成的加热器，并在其周围配置8个阵列状排列的热电偶。8个热电偶以串联方式连接，并在其两端输出8个热电偶中因来自加热器的热量而发生的电位差的总和。当使用一定的频率脉冲驱动加热器时，根据加热器与位于周围的热电偶产生的电位(V)之间的相位差，以及加热器和热电偶之间的距离(S)就可以求出温度。
另外，为了由相位差计算出温度，就有必要精确保持加热器和热电偶之间的距离精度。不过，据德尔夫特科技大学的casparvanVroonhoven表示：“这款传感器的奥妙就在于，利用光刻技术很容易地确保了水平方向的精度。”
利用∑ADC检测相位差
通过ETF得到的相位差，再通过采样率为2.67kSPS的相位域型∑ADC进行数字化。在加热器功率为1mW的情况下，ETF的输出幅度很小，只有几百μV，所以要先用前置放大器进行放大，再使用相位比较器转换为电压信号，然后用40pF的片上电容器进行积分。ETF的驱动频率是85kHz，由 外部的石英振荡器进行驱动。由于这款温度传感器利用的是相位差，石英振荡器的频率精度±100ppm就可以直接支持温度传感器的最小分辨率±0.05℃。同时制造16个传感器时的性能不一致性(30)为±0.5℃，这一数值和已经完成校准的双极晶体管传感器相当。
利用电子技术追求幸福测量人体周围的环境温度，实现生活规律的可视化
日立制造所开发的可穿戴式系统“Life Thermoscope”可以连续3年随时测量人体周围的环境温度。其目标是实现通常难以了解的人的生活规律的可视化。
承担Life Thermoscope主要功能的超小型模块叫做LT模块，其体积只有30cm3。在LT模块中，除了温度传感器(用于检测人体的环境温度)、处理器(对于检测数据进行压缩等)和RF芯片(具有通过无线方式向外部发送检测数据的功能等)以外，还集成有锂离子电池、液晶显示器(分辨率为128×64)、扬声器，以及3按键用户界面等。LT模块的外形尺寸很小，只有55mm×90mm×6mm，可以装入手表等设备内随身携带。
减少发送数据量
Life Thermoscope可以约20秒一次的测量周期持续地测量人体周围的环境温度，电池寿命约为3年。日立制造所表示，选择这种测量人体周围环境温度的方式，是因为人的行为大部分是结合环境温度的变化来考虑的。该公司认为：“这其中最重要的问题是温度变化的规律，而不是环境温度本身的变化量。就是说，通过测量在短期内环境温度变化是否频繁，或者环境温度是否在比较长的时间内都保持一定数值等情况，来把握人的生活规律。”比如，人工作时去见上司或进入会议室时，环境温度都会发生变化。在公司职员里，有喜欢频繁移动的人，也有适合于停留在一个地方认真工作的人。
为了实现人生活规律的可视化，LT模块会对温度数据进行如下处理。首先，以大约5分钟作为一个时段，将每20秒测量一次的温度数据作为基础，去除低通滤波器带来的高频噪声等，并最终将人的行为分为四种规律(状态)。即：温度梯度在10分钟内发生变化的状态(T1)、温度梯度在30分钟内发生变化的状态(T2)、温度梯度在60分钟内发生变化的状态(T3)、温度梯度在60分钟以上没有发生变化的状态(T4)。然后，导出温度数据所符合的T1～T4中的一种状态。计算得到的数据通过无线方式大约每5分钟一次发送到跟服务器连通的基站。这个阶段的数据量是当初测量得到的温度数据量的1／3000。当数据量减少时，可缩短通过无线方式向基站发送数据的时间，从而降低功耗。
为了使这样导出的生活规律具有意义，系统引入了由温度的被测量者对自己的状态进行评分的方式，每日评分一次，满分是5分，评分的项目分为以下5种：Physical(身体状态)、Spiritual(精神状态)、Intellectual(智力)、Executive(执行力)、Social(人际关系)。
研究这些评分结果和上述的T1-T4温度规律之间的相互关系，就可以知道如何行动才能充实精神状态及身体状态。日立制造所谈到开发目标时表示：“我们认为该系统可以告诉大家，如何能够幸福地生活。”
采用CMOS工艺使体积缩小为1/40，重量减轻为1/60
哈佛大学和美国马萨诸塞州综合医院试制出全球最小的核磁共振(NMR)设备。该设备的体积为2500cm3，同已实现商品化的最小型NMR设备相比，体积缩小到约1140。新试制设备的长度仅27cm，重量2kg，只有以前产品的1/60，是便于移动的NMR设备。
NMR是位于静磁场里的原子核和特定频率的电磁波之间相互作用的现象。这一特定频率利用分子内因为原子环境而发生的变化等进行物质的分析。此次开发的NMR设备的工作原理如下。首先，把测量对象的试样放置于静磁场中，构成试样原子的原子核自旋全部会朝向施加磁场的方向。在这种状态下向试样发送特定频率的RF信号时，原子核的磁化将以静磁场方向为轴作前向运动。然后，当停止发送RF信号时，原子核会渐渐恢复到原来的状态。测量其恢复到原来状态所需的时间(张弛时间：T2)，就可以知道试样定物质的含量(见图7b)。此次开发的NMR设备主要适用于检测不明分子。具体来说，其目标是检测人体内的病毒和细菌以及人体癌细胞产生的蛋白质等。利用半导体工艺实现小型化
哈佛大学等开发的NMR设备的体积能显著缩小的原因在于，其引入了以前几乎没有应用过的半导体集成技术。哈佛大学解释说：“以前的NMR设备全部都是由物理专业的工程师参与研发工作。而我们则将物理专业的知识和以半导体为中心的工程知识一起带进研究工作中，开发出NMR设备。”
作为这两种知识相结合的代表，此次的设备中利用CMOS工艺实现了RF收发器。在以前的NMR设备中，低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)和混频器以及数字脉冲发生器等各种电路采用的都是分立元器件。针对这一点，哈佛大学等利用CMOS工艺将这些电路全部集成在单芯片上。
引入半导体技术的优点不仅限于电路的集成化方面。由于采用了丰富的半导体噪声对策技术，因此，构成NMR设备的磁铁等成功地大幅度缩小了体积。哈佛大学等此次使用的磁铁的体积大约是以前的1/10。当采用小型磁铁时，NMR设备的读出信号值会变小，并且对噪声非常敏感。为了解决这一问题，开发团队对CMOS收发器接收单元中的电路进行了改进。将接收单元的信号布线改为差分结构，以减轻共态噪声的影响，并且改变了接收单元中LNA的晶体管结构，以提高对于印制板噪声的耐受性。
全球首个面向认知无线电的接收器可动态检测出UHF频段的空闲频带并应用于通信
美国乔治亚州科技学院和韩国三星电机公司等开发出面向认知无线电的接收器，可以动态地检测出空闲的频带，并在避免与其他的通信／广播服务干扰的同时，共享频带。
现在，认知无线电在美国是特别引人注目的技术。美国有望于2009年2月以前完成地面电视广播的数字化工作，并试图相应地引入认知无线电方式，在UHF频段实现无需授权的高速无线通信WRAN(无线区域网)。数字电视广播是分别为每个地区分配频道的，而且，在不同的地区都还有未经分配的没有利用的频道。这样的空闲频带，即所谓的白区，可供通信使用。
作为面向认知无线电的通信技术规范，IEEE委员会目前正在制定IEEE 802.22标准。预计通信频带宽度是6MHz左右，调制方式有望采 用OFDMA方式，并有可能成为接近WiMAX的物理层。据熟悉认知无线电发展动向的新泻大学助教佐佐木重信表示，此次该款芯片的这些单位在IEEE 802.22标准制定中，在决定物理层的技术规格时起到了主导作用。在标准公布之前就抢先发表面向IEEE 802.22标准的芯片，其目的可能是为了在标准竞争中掌握更大的主导权。
采用组合式的检测方式
认知无线电中检测其他无线服务的频率利用状况的方式主要有3种，即利用匹配滤波器的方式，检测频谱功率的能量检测(Energy Detection)方式，以及利用循环平稳(cyclostationary)的方式。利用匹配滤波器的方式需要事先了解将要检测的无线服务的调制方式等相关知识，要检测出各种各样的无线服务是很困难的。能量检测方式可利用FFT得到频谱，但很难分辨出调制方式等。循环平稳方式会对每种调制方式及符号速度取特定的值，可以辨别出调制方式，但其缺点在于计算过程很复杂。
乔治亚州科技学院等提出了结合能量检测和循环平稳的方法，并将前者称为MRSS(多分辨率频谱感知，multi・resolution spectrumsensing)方式，将后者称为AAC(模拟自相关，analog auto-correlation)方式。这种组合方法分为两个阶段工作，先利用MRSS得到的频谱进行大致的检测，然后再利用AAC进行更详细的无线方式的判断。此次发表的芯片中只采用了结构简单的MRSS方式，采用0.18μmCMOS工艺制造，在采用+1.8V电压工作时功耗是180mW。
通常，在得到信号频谱的情况下，往往是在完成数字化之后再进行FFT处理，但在MRSS方式中，则是使用模拟电路执行和FFT等效的处理。因此，不再需要高速的ADC以及用于FFT运算的DSP或专用电路。具体来说，是对下变频之后的各个I/Q信号乘以窗口函数，并对其进行积分。改变窗口函数的频率，就可改变所得到的频谱的频率分辨率。窗口函数使用的是Hann窗口，在通过数字电路DWG(数字窗口发生器)生成脉冲波之后，再经由低通滤波器得到。
这款抢先问世的支持IEEE802.22标准的接收器的实用性仍是未知数。在这一技术规范中，对于带宽为6MH z的电视广播服务，IEEE802.22标准规定的授权用户感知门限为-116dBm。但是，这款接收器的接收灵敏度只有-60dBm，远远达不到要求。可以说，今后检测灵敏度能够提高到的程度，将是这款接收器能否投入实际应用的关键。