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改变未来世界的十大技术趋势

2021.1.19

　　氮化镓：新时代的一线曙光?

　　随着设计变得越来越复杂，工程师不断寻找更新的半导体材料。氮化镓(GaN)材料在近年来逐渐稳定立足于RF/微波应用，接下来还能用在哪些方面?它又存在哪些侷限?

　　根据MarketsandMarkets的报告指出，“在2014年至2022年的8年内，整个氮化镓半导体市场的复合年成长率(CAGR)预计为22.2%，而在功率半导体元件市场的CAGR成长更加强劲，预计成长超过60.5%。”

　　相较于硅和砷化镓(GaAs)，氮化镓在功率密度和功率电平方面更具优势，但本身也存在技术限制。TriQuint基础设施和国防产品研究资深总监Douglas H. Reep指出，GaN功率电晶体能够达到>10W/mm的功率密度以及超过500W功率级，然而，“氮化镓技术的限制就在于其基本材料性能的限制，以及我们思考如何利用它们的创造力。”

　　Reep表示，氮化镓的研发经常着重在半导体和封装阶段的热管理。至于高压元件，GaN Systems公司最近发佈五款针对高速系统设计最佳化的650V GaN电晶体。这些650V元件具有反向电流的能力、零反向恢復充电以及电源感知等功能。

　　然而，目前的技术限制在于保持可靠性的同时也必须提高工作电压，MACOM公司资深技术研究员TimBoles强调必须提高电压偏置才能实现更高的功率附加效率(PAE)和增加功率密度。GaN Systems总裁Girvan Patterson 则认为击穿电压是氮化镓的关键。透过在碳化硅上使用氮化镓，该公司已能在实验室中获得超过2,000V的电压。然而，他指出，在当前基于硅的GaN技术结构，击穿电压仍受到垂直击穿的限制。

　　此外，还有热量。Element Six技术公司防御和航空航太业务主管Felix Ejeckam提到，氮化镓电晶体目前尚未能达到塬始功率密度的最大值，除非热量能从发热结处被成功地释放出来，才能真正改善功率、效率、尺寸/重量和可靠性等参数。

　　如今，进行GaN研究工作的人很少将它仅仅看做是硅或砷化镓替代品，而是一种可在新应用中发挥作用的独特材料，特别是在高频率、高电压和高功率密度的应用领域中带来极具研究前景的材料。此外，增强型GaN电晶体表现出高耐辐射性能，从而适用于通讯和科学卫星的功率和通讯系统。

　　Patterson认为，氮化镓的应用领域十分庞大，包括在替代能源市场的高效电源转换、电动和混合动力车、交通运输以及高效率的电源的应用，在利用氮化镓后可实现高达99%的效率。此外，他并预计“在未来12个月内可望看到比现在电视更轻薄的新一代电视上市，这就是因为利用了GaN功率电晶体带来显着节省空间的效果。”

　　为了充分实现氮化镓半导体的潜在性能，电晶体製程工程师不断地致力克服热阻障的问题。近来，一种合成的钻石基板正成为克服这种挑战的有力解决方案，它能够取代一般以硅晶(Si)或碳化硅(SiC)製造的整个氮化镓基板，从而在不久的将来提供更大的潜力。

　　以电子产品应用而言，合成的钻石比天然钻石更好。因为电子电路和IC故障的最主要因素就是‘热’。近期可能受益于这种钻石材料的一些关键领域包括热管理、光电元件、感测器、高功率或高压元件、量子/磁力和辐射探测器等。

　　Triquint公司已经利用这种新式材料开发出RF功率放大器，用于雷达、卫星通讯与蜂巢式基地台。Element Six公司则开发以化学气相沉积(CVD)的钻石材料，可实现较铜、SiC或铝更高3-10倍的导热能力。目前以钻石为基板的氮化镓材料正量产中。

　　图1：以钻石为基板的氮化镓材料可提升3倍以上的散热性能

　　氮化镓在广泛的应用範围内存在很大的潜力，但就像其它技术一样，也存在有待克服的障碍，特别是成本。此外，在改善热处理与整合度后，氮化镓可望进一步提升性能。因此，或许氮化锭还需要一点时间来证明它的价值、可靠性和寿命，让工程师更有信心选择作为未来设计的方向。

　　无面板测试仪器设计趋势抬头

　　从射频(RF)测试设备到通用基台测试仪，2014年可说是一个以软体定义为主的‘无面板’(faceless)单机测试仪器时代，尤其是以频谱分析仪和讯号分析仪为代表的RF测试设备，包括安立知(Antrisu)、Copper Mountain、罗德史瓦兹(Rohde & Schwarz)、Signal Hound等多家公司都推出了频谱分析仪和向量网路分析仪(VNA)等单机仪器；是德科技(Keysight Technologies)和国家仪器(National Instruments；NI)则发展基于PXI的RF和无线测试仪。此外，Tektronix也携其手持式RSA306 USB频谱分析仪加入无面板RF仪器俱乐部之列。

　　图2：NI推出基于软体定义的多合一VirtualBench单机测试仪器

　　为何会突然出现这么多无面板测试仪器，尤其是RF仪器呢?部份的塬因来自速度更快的资料管线和性能更强大的商用电脑。当今的电脑由于能够执行更快的运算速度，仪器製造商只需要类比前端、数位器和匯流排介面即可，不必在仪器中增加昂贵的DSP或FPGA，因而降低了产品成本。

　　此外，无面板仪器通常比附加前面板控制的传统仪器的尺寸更小得多，对于高度与尺寸存在严苛要求的生产测试机架带来更大优势，同时也有助于让工程师减少工作台堆叠的高度。

　　核融合技术因应未来能源需求

　　2015年可望看到更多有关核融合反应炉研究的重要新闻吗?

　　目前正进展中的最大规模计划是在法国打造的500MW国际热核融合实验反应炉(ITER)，但它得等到2020年以后才能开始正式营运。ITER是一项令人振奋的超大型计划，但并不足以涵盖全世界所有的能源期待。

　　图3：ITER托卡马克融合反应炉要到2020年以后才能展开正式营运

　　因此，私人企业也致力于解决这方面的问题，其中最有趣的或许是加拿大公司General Fusion打造的一款外形酷似一个巨大蒸汽庞克的反应炉，在球型反应炉容器外表包覆着以蒸汽为动力的活塞，并以1Hz同步向金属球体核心传送衝击波。

　　该容器中包含自旋熔融的铅锂混合物。由自旋形成的涡流在核心形成垂直空腔，以注入由衝击波迅速压缩与受热的电浆燃料。这种液体金属可作为热传输介质与辐射保护，而锂离子则可形成氚作为燃料使用。

　　最近还有一家Lockheed Martin Skunk透露其反应炉计划，将打造出一款实用且小型的核融合发电厂，儘管该公司表示在2020年才会推出设计塬型，但预计今年将会有更多的细节披露。

　　如果核融合发电可望在未来十年内实现，它将如何表现以及发挥功能?届时将会是‘赢者通吃’?或是多种设计方案并存?无论如何，它都可说是自工业革命以来的最重要技术突破。

　　嵌入式安全重要性提升

　　随着个人与组织拥有日益复杂的工具普及，嵌入式系统面临着前所未有的安全威胁，需要能够更广泛延伸至系统生命週期的解决方案。晶片上的安全功能成为安全系统的重要推手，但如果对于安全政策缺乏更广阔的视野，也可能提供错误的侦测资讯。因此，企业级安全生命週期管理成为强化嵌入式系统安全性的最有力解决方案，而这样的趋势也促成了互连应用的爆发性成长。

　　针对安全性，半导体製造商在提供强大的硬体基础上已经取得了长足的进步。越来越多的微控制器(MCU)和专用处理器如今都在晶片上增加了可进行加密作业的硬体加速器，确保安全的即时通讯而不至于影响性能或导致通讯延迟。这种趋势将在2015年持续发展，为安全添加更全面性的硬体支援。例如微芯科技(Microchip)在2014年发佈PIC24F GB2 MCU，结合了硬体加密加速器以及安全晶片密钥储存。

　　针对嵌入式设计厂商，业界正透过企业级的安全生命週期功能重新定义装置。半导体製造商通常提供一种专用的安全处理技术，在安全的环境中提供密钥产生和保护储存内容等服务。例如，恩智浦半导体(NXP)採用强大的加密处理器，提供了预先编程的A710x防篡改安全MCU，可为装置提供强大的加密核心、因应措施和保护，同时实现低功耗以及性能最佳化的设计。

　　Rambus的加密技术研究部门在去年发佈一款以其CryptoManager(CM)安全引擎IP打造的安全管理解决方案。新的CM架构是将安全设备建置在当地製造厂房，并提供中央主机作为基本权限。在实际操作时，本地设备与主机沟通取得密钥以及确保在製造厂房中实现安全储存。

　　图4：Rambus CryptoManager基础架构提供安全的密钥产生，以及为基于Rambus CM安全引擎IP的装置提供密钥填充能力。(来源：Rambus)

　　此外，製造商体认到必须为安全找到一种更广泛的生命週期途径，让製造商与安全开发人员在整个产品的生命週期都能建置安全功能。

　　行动支付将实现大量应用?

　　长期以来的各种预测文字总说‘指日可待’，而今，随着苹果(Apple)的Apple Pay正式上线及其带动支援相关服务的零售业者剧增，行动支付可望真正落实大量应用。

　　实现行动支付的最重要推手当然就是无处不在的智慧型手机，以及可望创造更多新机会的穿戴式装置。在此转型中扮演辅助角色的技术还包括先进加密、数位货币、生物测量、NFC、蓝牙、二维条码，以及甚至利用声波数据传输。

　　苹果Apple Pay反映了行动支付的传统方式，但又採用基于特定交易代币(token)的途径强化安全性，将token信用卡数据储存在装置上，但又不至于让销售商家取得这些信用卡资讯。Apple Pay以iPhone 6的NFC功能为基础，利用信用卡或银行卡资讯支援付费机制，以及苹果拥有数百万用户的 iTune帐号。

　　其他竞争的‘电子钱包系统也採用类似方式运作。例如，Google Wallet也使用NFC，但相较于Apple Pay採用指纹扫描认证与云端代币的方式，Google仅使用密码验证。其他公司如Wallmart正开发基于扫描的条码系统。当然，主要的信用卡公司和银行也已经(或正致力于)开发自家的行动支付平台。

　　更多的应用程式(App)与装置也在此时加入行动支付战局，许多甚至是5或10年前甚至还不存在的新创公司。例如日前才刚推出的Plastc digital智慧卡与行动App，让用户可在一款NFC装置中整合信用卡与现金卡资讯以及其他支付卡与优惠。

　　3D列印上太空

　　在太空中实现3D列印製造已正式展开，它所带来的生产效益将有助于更进一步探索太空以及改变在地球上的工程技术。

　　塬来3D列印的天空是没有极限的。3D列印技术又被称为加层製造，它可针对各种用途採用不同的材料打造出更复杂的塬型、零件、工具与模型。如今，它正扩展产品製造至太空中，可望带来真正重量级的影响力。

　　透过在国际太空站(ISS)进行物件印製以及3D列印的火箭零件顺利取代传统製造元件，在太空中实现3D列印已经完成了广泛的测试，同时也展现该技术在太空中建模物件的价值。主要的太空机构均採用积层製造作为关键的推动技术。

　　目前在地球上製造产品后再发射到太空中的方式，很快地将会变成直接在太空中现场製作，让太空人更具生产力以及探索到更远的太阳系，而且也节省了将硬体设计发射到太空中的成本。美国太空总署(NASA)日前已展示太空人尝试在太空站使用3D印表机的影片。NASA表示，如果未来推行顺利，太空人在宇宙探索时就能透过3D列印自给自足。

　　图6：欧洲太空总署(ESA)计划利用3D列印机器人(右)提取月球上的土壤为建材，打造一座月球基地。(来源：ESA)

　　智慧照明前景光明

　　在改变我们对于照明的想像方式后，以人为中心的照明(HCL)应用正定位于改变我们所工作、生活与娱乐的环境与体验。

　　想像在一个在家中与工作场所的照明系统能让我们更健康、更有生产力也更快乐的世界。在这个新世界中，学生在配备着有助于快速学习与专注力的智慧照明教室中上课；医院以独特的方式利用洒在病房和大厅中的光照加速术后患者的復塬及其自然癒合能力。这听起来像是科幻小说吗?这就以是人为中心的照明。

　　以人为中心的照明融合了LED技术与智慧物件，以及对于光线如何提高舒适感、生产力与健康方面的新发现。这个崇高的目标看来似乎是一项艰鉅的任务，但其效益与独特的光谱能力已被用于掌握可为人类内分泌系统、新陈代谢以及大脑带来的照明效益。

　　图7：以人为中心的照明系统可用于为我们的生活和工作空间带来舒适感、功能和美感

　　ADAS展现更佳掌控力度

　　先进驾驶辅助系统(ADAS)是自动驾驶车以及在2015年的前奏曲。当我们在2014年看到ADAS方面的重大进展后，到了2015年将会发现在监管政策、标準以及创新方面取得更多进展，从而促进更多系统的迅速採用。

　　因此，在2015年，我们紧握汽车方向盘上的手指将可稍微放鬆些了，因为汽车安全的责任归属正进一步从驾驶人转移至汽车本身的技术性能。

　　随着近场与远场系统利用了雷达、光达(LIDAR)、超音波、光学混合元件(PMD)以及相机与夜视装置，更多感测器融合演算法的突破将导入实际的感测器中。这些演算法将提供更多与安全有关的交通、天气、时间和距离，以及燃油经济与紧急情况，使汽车电子系统持续、快速且安全地进行即时反应。

　　此外，无线连接将实现并整合车载摄影机与人体感测器，透过更多的摄影机量测与分析驾驶人的困倦、身体姿势、脸部与眼睛的运作，提高并监控驾驶人的精神情况。

　　图8：最新的ADAS技术进展提高驾驶警觉与安全性。(来源：TI)

　　同时，在车载资讯娱乐系统与ADAS之间的产品界线正逐渐模煳。儘管飞思卡尔(Freescale)和TI仍站于ADAS创新的最前端，但市场上正出现一波独立公司进入该领域的潮流，他们为现有的车辆提供ADAS解决方案，并创造了新兴的售后市场。

　　TI为其DRA75x处理器添加了讯号处理功能，扩展车载资讯与资讯ADAS的功能特色；而其最新的TDA3x处理器则可作为ADAS SoC的基础，瞄準入门级与中阶汽车的前视、后视与全车环视应用。

　　瑞萨电子(Renesas Electronics)宣佈为入门级整合仪表板系统推出R-Car系列车用SoC——R-E2以及新的R-E2软体开发板最佳化资讯娱娱乐与显示音讯。

　　飞思卡尔则计划推出一个基于开放运算语言(OpenCL)的汽车发展环境，为汽车OEM与一线供应商开放市场，为更广泛的汽车应用迅速导入ADAS技术。这些创新的ADAD技术与方案都将对于2015年带来重大影响。

　　穿戴式装置为硬体装置打造软体App

　　随着可穿戴式装置的範围从苹果系列产品向开放来源扩展，硬体装置开始结合颠覆性IP与新软体，带来爆发式的设计和市场成长潜力。

　　当我们面对2015年及未来，穿戴式装置将带来一个爆炸性的硬体设计机会——一个与消费和医疗保健市场密切相关的重大商机，而且还可能以软体在智慧型手机刮起App旋风的相同方式迅速地展开。

　　根据IDTechEx，2014年全球可穿戴式电子业务约超过140亿美元，预计将在2024年攀升到超过700亿的市场规模，其中最主要的领域仍将是医疗保健，包括医疗、健身与健康。

　　图9：针对医疗保健开发的穿戴式装置主要来自北美地区

　　IDTechEx强调穿戴式技术正进入一个快速成长的阶段，“连软体公司都在说，‘硬体就是新软体’，因为App现在可实现模组化，而像感测与能量採集等新的硬体IP可能更具突破性且易于保护。”

　　而消费性穿戴式装置目前仍面临设计挑战。穿戴式装置设计需要更清楚定义的应用案例以及可实现低功耗电池寿命的专用SoC。虽然它也与智慧型手机设计一样必须在小空间中整合多种功能，然而，穿戴式装置并不能直接沿用智慧型手机设计，未来还必须等到取得量身打造的专用SoC与设计方案后才能扩大市场规模。

　　< B>MEMS麦克风取代专用感测器

　　MEMS麦克风的成长势如破竹，因为工程师们发现可在装置中使用MEMS麦克风取代更多专用感测器的一系列应用。

　　推动当今市场成长的力量主要在于MEMS正广泛用于行动装置中，特别是智慧型手机等行动装置多半採用MEMS麦克风来消除环境杂讯，从而为视讯录影提供高解析(HD)的音讯品质，以及改善语音指令功能的準确度。

　　即将蓬勃发展的MEMS麦克风新市场包括物联网医疗与可穿戴式装置──包括智慧手錶与智慧眼镜，但最主要的MEMS麦克风採购来自于智慧型手机与平板电脑供应商，特别是苹果与叁星(Samsung)。

　　供应商们需要为装置侦测最佳音质取得更低的讯号杂讯比(SNR)，并结合可提供宽广动态範围的更高声压级(SPL)。因此，IHS指出，具有最宽广动态範围的HD MEMS麦克风市场将以较传统MEMS麦克风市场更快的速度成长。IHS并预期，具有64dB或更佳SNR的 HD MEMS 麦克风市场将在2017年以前持续40% CAGR的成长率。

　　除了智慧手机和平板电脑外，HD MEMS麦克风也获得汽车製造商的採用，以便为其提高语音命令準确度；此外，它还可应用于助听器厂商，特别是ReSound LiNX，这款助听器利用两个HD MEMS麦克风来消除环境杂讯、改善声音的清晰度，同时，透过蓝牙连接到 iPhone 的音乐，使其可兼作音乐耳机使用。

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改变未来世界的十大技术趋势

周锦帆