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IC大未来2:微型生物芯片

时间:2018-10-14 09:39来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
IMEC 精进"微型化尺度"关键技术&复合材料
深受业界肯定的比利时微电子研究中心 (IMEC) 亦同意:将半导体应用到生医,微型化尺度 (Scale) 是个关卡——人类头发是 50μm、红血球细胞是 8μm、大肠杆菌是 2μm、抗体是 12nm、DNA (脱氧核糖核酸) 更只有 2nm,半导体技术须以 50μm 电子探针、8μm 微镜、2μm 微柱、14nm 鳍式场效晶体管 (FinFet)、5nm 纳米孔 (Nanopore) 因应,极为复杂;而 IMEC 设有超过百人的生命科学项目团队,专责半导体工艺和厂房运作整合,并将之与细胞 (Cell)/分子 (Molecular) 生技、表面化学 (Surface Chemistry) 和病理分析等化验工作连结。
 
微流道芯片、微电极数组、高光谱成像领先群伦
IMEC 总裁兼执行长 LUC VAN DEN HOVE 表示,现今人们对于生技的关注点,已从存活期限 (Lifespan) 推展至健康期限 (Healthspan)。根据统计,有超过一万种疾病是由人类基因突变所引起,希望借由体外测试 (In Vitro Testing) 以及 CRISPR/Cas9 等基因编辑 (Gene Editing) 技术,达到治疗与预防效果;而 IMEC 可借助更快速的微流道芯片 (microfluidic) 和化学反应,以及更高的平行结构 (parallelism) 进行基因定序 (Gene Sequencing),并与策略伙伴共同开发"微电极阵列"(MEA) 芯片,透过片上神经元译码老年失智症 (dementia) 以利药物研究。
 
照片人物:IMEC总裁兼执行长 LUC VAN DEN HOVE
 
IMEC 生命科学暨影像部门副总裁 Paru Deshpande 补充,微型化通常是生医电子的先决条件;在欧洲研究理事会启动奖助金 (ERC Starting Grant) 资助下,IMEC 已开发出高分辨率的片上影像分析系统,乃借由有源片上光子扫瞄结构化图纹,并直接整合到 CMOS 影像传感器以极小化器件尺寸。他们也正在开发小型、高效的流式细胞仪 (cytometry),可用于癌症研究和产检的诊断;搭载新型微致动器的高效微流道芯片,结合荧光反应 (Fluorescence) 和成像技术侦测细胞,辅以机器学习 (Machine Learning) 算法区分正常或异常细胞。
 
多模观测强化实证经验
微流道芯片亦可与前述硅基 MEA 整合在同一块电路板,打造超高分辨率的多模读取仪器。IMEC 新一代 MUSEICV3 即是全球首款整合电池驱动之无线传感器中枢的多模模拟读数单芯片 (SOC),包括:心电图 (ECG)、光体积变化描记图 (PPG) 和生物电阻抗 (BioZ) 等。在4.3mm X 4.3mm 紧凑面积上,集成电源管理单元 (PMU)、USB2.0 / BLE 4.2 产业标准协议,以及基于 ARM M4f 内核的数字信号处理器 (DSP),并内建加密引擎等安全功能,适用于穿戴设备。总裁暨执行长 HOVE 坚信,"在数字世界中,敢于从不寻常的角度建立多模观测将能强化实证经验"。
 
例如,手指触觉回馈 (Haptic Feedback) 会透露许多信息,而薄膜电子可降低平板显示处理成本并易于屏幕缩放。另一方面,具有 5 个干式电极 (dry electrode) 的低功耗智慧眼镜,可经由追踪镜片做眼电图检验 (EOG)、虚拟现实/扩增实境 (AR/VR) 导航,以及神经退化疾病的早期侦测。HOVE 强调,要实现智能应用,须从计算、存储和连接三路并进。特别一提,IMEC 认为人体所有系统皆是紧密相连的,故发挥微型化专长、以一个无线芯片监测欲观察的生命体征,并做成抛弃式贴布方便大众使用。另一个议题是:这么庞大的数据量,该如何消化?
 
图1:IMEC 智慧健康平台
资料来源:IMEC提供
 
神经形态芯片:存储+处理,高效、灵活、扩展佳
"现今这些大数据,每年约有 1 Zettabyte (ZB) 的数据量在流动,等同 1,000 个数据中心的容量,2025 年预估将逼近 100 ZB,只靠云端足以支撑?"HOVE 抛出这样的疑问。他认为,在电池驱动的边缘设备做机器学习有其必要,而"磁阻式随机存取内存"(MRAM) 相较于 CMOS 架构更节能,更适合用于二元神经网络。有鉴于传统电脑将存储、处理分开,会耗费许多能量在两地穿梭;IMEC 仿真人类大脑发展"神经形态芯片"(neuromorphic chip),将存储与处理合而为一、分布在原始的处理节点 (神经元) 及互连 (突触) 之间。
 
在内存上计算有助于提高效能、灵活度与扩展性。总结IMEC 在计算和存储已取得以下成果:
●计算:用于 3nm 以下的 FinFet 和纳米线 (NANOWIRE)、神经形态芯片/量子 (Quantum) 计算、基于超导体和硅材的量子位 (qubit),实现 TFLOPS (teraFLOPS)——每秒 1 万亿次的浮点计算;
●存储:基于铁电氧化铪 (Hafnium Oxide) 的新型非逸失性 DRAM、类似 3D-NAND 的堆栈铁电器件 (3D FeNAND)、仅以 CMOS 兼容处理的新型 MRAM 单元 (称为 SOT-MRAM) 解决自旋转移力矩式内存 (STT-MRAM) 的可靠度问题,以及将电压施加到材料堆栈,记录存储器电阻变化的可变电阻式内存 (ReRAM),皆有利于高密度的长时间存储。
 

图2:高密度、长时间存储,是新世代内存特色
资料来源:IMEC提供
 
"从创意到产品"的一站式服务
此外,HOVE 直指"成本、充电设施和行驶距离的焦虑"是标榜零事故、零排放、零壅塞的电动车迄今未成为主流的原因。为此,IMEC 研发出新型纳米复合材料,可将电解质由液体转成固体成为"固态电池",能源密度上看 200 WH/L、充电速度达 0.5C (以 500mA 放电约 2.5 小时可充满),不仅可用于电动车,亦适用于小型可携式电子设备和定置电网 (Stationary Grid) 的储能系统。IMEC 创新服务总监暨台湾总经理 Peter Lemmens 重申,IMEC 可支持客户"从创意到产品"的整个创新周期,迄今已服务超过 300 家公司和 700 家学术机构。
 
照片人物:IMEC 创新服务总监暨台湾总经理 Peter Lemmens
 
在台湾立足迈入第十个年头的 IMEC,日前与国研院仪器科技研究中心 (ITRC,简称"仪科中心") 签署合作备忘录,将共同开发先进高光谱成像技术、光学组件/系统开发,以及穿戴设备、纳微米材料与人体组织显微影像分析等潜在应用。双方联合创新服务涵盖:电子系统需求研发、仪器设计与生产质量检验、可行性研究与原型设计。Lemmens 分享"与机会同行"的秘诀:
1. 参与社会创业 (Social Entrepreneurship):例如,开始于 2013 年、以道德来源及组装为特色的"公平贸易手机"(Fairphone),现今年产 13.5 万支手机、年营收达 1,600 欧元;
2. 保持创业热情:先求简单至美,再瞄准复杂者力求至善;
3. 从解决方案角度思考:正视软件者应先将自己的硬件做好,智能软件建立在创新硬件之上,将创新硬件、可靠固件及应用软件结合在一起,构成完整的产品和解决方案。
 
最后,就是勇于启动梦想!IMEC 可支持跨价值链、一站式服务的专用芯片 (ASIC) 设计和制造,且拥有世界顶级服务商、晶圆厂等可信任供应链伙伴,可给予完整技巧组合、科学基础方法、可靠模型、原型制作和制造服务,以及包括应用软件设计在内的工程和产业化协助,提供完整的整厂 (turn-key) 系统和产品设计,以合理成本迅速发展独特的解决方案,每年有逾 500 项 IC 设计试产。

 

(责任编辑:homey)
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