健康医学微电子学的进展

摘 要：2011年国际固态电路会议（ISSCC）的主题是为了健康生活的电子学.基于ISSCC2011的报道素材,编译与提炼健康医学微电子学的研究成就与进展趋势,再现3个大会技术报告主旨思想与技术突破要点,摘 要1个专家圆桌专题研讨的焦点与亮点,复习与总结ISSCC2011的技术趋势,最后浓缩结论,强调理念,亮出基尔比原理,附录介绍2012年ISSCC的主题.

关 键 词：ISSCC；健康医学微电子学；基尔比原理

ResearchProgressofHealthyMedicalMicroelectronics:

ISSCC2011Summary

LIWen-shi

（DepartmentofMicroelectronics,SoochowUniversity,Suzhou,215006,China）

Abstract:ThethemeofISSCC2011ison“ElectronicorHealthyLiving”.BasedonprimaryliteraturesofISSCC2011,ItranslateandsummarizemainachievementsandtrendsonHealthyMedicalMicroelectronics.Theidea-chainsandtech-tricksofthreeplenaryinvitedlecturesareintroduced,followingbyreviewofroundtablediscussionsoflowpowerdesignandISSCC2011trends.InconclusionsultralowpowerhealthmonitoringideaandKilbyPrinciplewillbemet.ThethemeofISSCC2012（SiliconSystemorSustainability）iswelingus.

Keywords:ISSCC,HealthyMedicalMicroelectronics,KilbyPrinciple

1引言

2011年ISSCC的主题是：为了健康生活的电子学[1].

电子学的重要作用是促使更加健康的生活方式在技术上成为可能.

例如,医疗电子学使得医生能够诊断和治疗疾病；外挂电子监控器可提供关于健康危险和生命特征的良好评价；临床疾病患者之所以能更加正常地生存,是依靠植入电子装置,其便于传感、处理、执行和通信；人体局域网（BodyAreaNetworks）能被接入运行于我们手机中的监控程序；那些暂时尚不可行的技术,也必将获益于电子学,以改善我们的未来生活方式.

4个大会报告的前3个,让我们分享了成就更加健康生活的已知成果和未知愿景.

为了支撑年度会议主题,圆桌研讨报告4聚焦于革新的低功耗解决方案,其指向10倍节能的植入装置、可穿戴装置和支持云计算的数据中心.

211篇录用论文中,论文分类S2的主题是针对健康的技术（TechnologiesForHealth）,涉及8篇论文；论文分类S17的主题是生物医学和显示（Biomedical&Displays）,涉及6篇生物医学论文.论坛F3的主题是目标朝向健康生活的个体医疗和监控（TowardsPersonalizedMedicineandMonitoringforHealthyLiving）,涉及10个专业报告,重点是生物传感和MEMS药物缓释胶囊.

本文提出健康医学微电子学,分论编译大会主题报告的内容摘 要和专家圆桌研讨专题的焦点与亮点,复习与摘 要ISSCC2011的技术趋势,最后浓缩结论强调理念,亮出指导微电子学优化的基尔比原理,附录概要2012年ISSCC的主题与关 键 词.

2植入系统的新接口

大会报告题目1是基于植入系统集成的人体新接口[2].

技术改良的高速推进,导致我们与所处世界如何接口继续出现新的可能性.该改良引擎的强大,得力于健在了45周年的摩尔定律的指导,其造就了一套变化非凡的人体与环境接口能力,涉及传感、处理、执行和通信,也应用于保健技术的革故鼎新.

自从1960年厄尔巴肯和威尔逊格雷德巴齐发明第一个植入心脏起搏器以来,半导体电子学既用于拯救生命,也用于改善生命质量.

始于生物电学简单同步的最初成功,植入心脏起搏器已经转化并牵引出诸多新的医学应用,典型案例包括基于蜂窝网络调制治疗神经不适症,以及近似实现了人工胰腺系统等.

在新技术加速进步的扩张应用过程中,为了优化治疗,重在预防,必须利用系统的方法,才能更好地设计植入装置以及整个保健环路.

结合图1理解技术主题（装置体积缩减,动态和自适应治疗,患者的高级管理）,需要注意三个关键的设计抽象的管理角度：（1）接口,（2）信息,（3）能量.

（1）接口管理

摩尔定律的新支撑例如3D电子封装,使得新的技术策略成为可能,其将基于符号化理解,以强调此类抽象约束.

初步的物理接口是人体和植入装置的相互作用.目标就是体积寻小而不牺牲其它性能参数.

较小体积的优点是带来较少的侵入和致病可能,而且产生更简单和造价低的嵌入子模块.例如心脏除颤器的体积已经缩小了1个数量级.

先进工艺包括三维集成技术,也能提供新特征,例如更短的引线、无引线系统以及浸入人体局域网的可以互相通信的独立装置.

再如,统计至2008年的数据表明：大电容的三维集成密度增长率约为80nF/mm2/year.

另一个关键接口就是有关数据流的信息管理.

（2）信息管理

较好的已连接装置代表着患者和医生之间渴望的无缝信息交换.大量增长的数据必须被处理成为优质信息,安全地传递给医生和电子医疗记录中心.

拜托传感器、算法和闭环反馈联合作用的系统将提供前述机会,以便更好地治疗和管理临床疾病.应对这些饱有希望的“智能”系统的诸多挑战,包括传感器的生物稳定性、节能的信号处理、算法灵敏度折中,以及真实环境下的专一特征,当然也包括证明疗效的时间长度.

例如,传统的脊神经刺激器的改良品,基于低功耗三轴加速器构成反馈环路,再借助于用户算法,其感知患者的体姿和活动级别,可实验进行自动“滴定”治疗.

需要强调的是,植入装置与医院生态系统例如核磁共振仪（MRI）兼容性问题的识别与响应.已知例如,2008年,威尔逊格雷德巴齐发明了可以避免MRI磁场干扰的植入激光心脏起搏器.

瞩望新的商业模式；催生植入系统完全被用户所接受,绝非仅仅增加了大量数据而已.

（3）能量管理

为了完全收获较小体积的智能植入装置的益处,必须识别可接受的能量管理策略.集成的进步也引入了针对存储和管理能量的新方法.低功耗的电路功能显然被理解翻译成为适合于较小体积的电池供电.

医疗设备应用的优化空间有赖于集成电路技术所提供的机会.需要仔细紧盯系统级别的目标,因为保健不希望做成技术孤岛；提高集成度,将有助于增加患者的收效并且减轻其临床医疗负担.

迈向未来,新的科学发现必将拉动新的植入系统的发明.其背景是解决两大难题：寻找疾病的机制；催生新的研究工具――诸如未来的神经逻辑闭环植入系统.

本报告讲演专家所在公司的研究示例：植入系统主要添加的3个模块,包括脑电活动传感（精度~1μVrms/5μW/channel）、三轴加速度计（精度1fF/g；±5g±5mg@noisefloorof1mg/√Hz；300nA/axis）、算法处理器.

为了理解前例,功能模块之间的架构参见图2（双向脑机接口提升已知的植入系统平台）.

为方便下一代的深脑刺激器的革新与分类,Medtronic公司架构了临床植入研究工具,用于识别和应用（疾病治疗）人体的多种特征.该设计方法学允许75,000个已经植入的神经治疗系统,在临床上更加快捷更加安全.

已知背景：可植入起搏器和因特网曾是获得2001年美国工程界最高奖的项目.

走向未来：依靠新旧技术的融合,迈向保持健康、减少疼痛和延长寿命的未来!

3无线保健的贴片革新

大会报告题目2是为无线个人保健和生活方式带来机遇的技术变革[3].

来自普遍监测、实时诊断和以患者为中心治疗的诸多挑战,将使得硅元素变得更加本质；各种个体保健、诊断和治疗产品的技术突破,正在驱动着电路改进与系统创新.

硅元素正在新兴的保健范式中扮演着关键的角色.例如涉及以疾病为中心的医学看护,以患者为中心的确诊与治疗,超前个性化与普通大众化的诊断与治疗.

保健的需求特点是个体的、断言的、预防的和分享的,就无疑意味着,将面对大量的测量数据和相关的信息以及通信技术的基础设施前提.

正因如此,多数数据将被移动携带,进出于人居或无人职守的装置,而仅仅需要训练有素的专业人员的最小干预.

经常来自主诉的以患者为中心的数据,是临床实验的关键,其重要作用涉及寻求诊断、检查治疗改进、评价治疗后的生命健康质量,以及加速创造着的患者社会网络.

患者主诉的数据质量会经常出现问题.区别于此,连接于人体的监测装置的突显优点,是方便提供数据、确保质量、保护隐私与易于识别.这种技术基础将促使每天监测得到“优质良率”的微事件（作为参考标准）,以便在症状明显之前,宣称疑难的病情表现稳定.其中,数据挖掘和处理必须置信和安全；基于Web网的怎么写作有如MicrosoftHealthVault和GoogleHealth.

检测如最近的医院远在几百公里之外,为了趋近更加健康生活之目标,技术需求将是：识别疾病的早期模式,便于加速诊断,增强家庭保健的导向,改进自我医疗；便携式监测器将把客观和优质的数据提供给遥控医生,所有这些均依赖于信息和通信技术的优良的基础设施建设.

在多种研究中,相关的简单无线心电图监测器（ECG,Electro-Cardiogram）贴片（patch）早在2002年已启动研究（比利时IMEC的Human++项目）,实现可绕性和伸张性；与动态心电图仪（1957年由美国实验物理学家NormanJHolter发明）相比较,此类第一代健康贴片正开始影响着护理的效果,同时减少了被测者的留院时间.

例如,在模拟域而非数字域提取ECG信号的特征,可以缩减DSP能耗达11倍；基于检测活动特征的模数转换（ADC）变采样技术,可以6:1压缩ADC的输出数据,最终缩减ECG贴片系统的功耗可达7倍.另外,区别于解决ECG信号中运动伪迹的间接方法（依靠速度和加速度检测体姿,缺点是高能耗）,新技术直接利用运动伪迹的产生原因,其针对电极-皮肤组织接口,根据电极-皮肤组织之间的接触阻抗来判断和减弱运动伪迹；综述者评价：接触阻抗一般被认为是负效应,此处得到了正性应用.

下一代多传感器智能贴片将是保健领域的游戏（技术）变革者,同时也是技术路线图的初步驱动项目,特点是其根本步骤涉及系统能耗的效率、信号采集、调理、在线处理、识别和无线数据传输.

智能贴片和其它可穿戴装置,与保健的技术基础设施互连,具备自动供电能力,具备嗅觉、听觉和感觉能力.我们需要传递这些技术特点的新技术,例如基于灵活的可配置模式.为取得这些成就,也必将遵循和应对合理的成本约束和生态制造挑战.因为,对于每一项应用,硬件约束肯定会呈现为诸如系统可靠性、成本和能量预算.

超低功耗计算：基于亚阈值技术（缺点是噪声容限降低）的超低功耗的能量效率,已经可达pJ/周期（@kHz时钟）,为了支持ECG算法,依赖于低频、有限处理、小存储器和低精度的组合应用；至于脑电图仪（EEG）的高能效和快计算能力,则需利用诸多技术,例如轮停、SIMD指令、门控电源、电压缩减、多时钟域、多电压域,以及强化的门控时钟等；新的超低功耗特性趋势是达到0.5pJ/周期,基于40nm的CMOS技术,借助于专用指令集处理器这一新概念.

已知的多数通信协议（例如能耗量级50~100nJ/bit）并不适合于指导超低能耗人体局域网（BAN）射频（参见图3,其中BAN是折中考量功耗和数据率的典范）,依靠宽范围轮停的RF电路可以降低功耗至nJ/bit量级（对照数据参见于标题6之新技术方向）.

位于技术层面的游戏变革者是寻优的和有效的,如果他们已被应用需求所驱动的话.确实存在快速的进步,处于近距和深入的相互作用之中,存乎医学和电子通信之间,已知的证据来自于世界范围的与保健相关的实验,例如利用无线传感于人体局域网的可重构性.此类技术对于个体诊断和产品疗效,显然驱动着技术“游戏”改变的电路、系统和商业模式的创新.

许多可见的应用例如脑机接口已经显现出魔力.然而,伴随着每一代新技术及其应用算法,可穿戴无线系统正变得各方阻碍减少与自动功能增加.

能量收集和管理是制约健康贴片等便携平台发展的第一因素；多参数传感的意图是集成多种功能检测,指标分别针对运动、加速度（基于MEMS）、方向（基于陀螺）、声响（Si麦克风）、气味（基于电子鼻）、流体分析（Lab-on-Chip）,以及图像和光线等.

ECG绿色集成技术看好系统-封装联合设计,例如织物集成；重视电磁兼容,例如电池-天线-系统体之间耦合；希望裸芯减薄至10μm；将依赖滚动“印刷”工艺于塑料基等箔衬之上.

贴片技术已经演进为智能皮肤（SCIENCE,2011年8月12日）.美国伊利诺伊大学材料学教授约翰罗杰斯等设计的智能“皮肤”实为一种超薄电子装置,包括感应器、电子元件、电源及发光元件,其被压缩到厚度仅有100μm的超薄层中.它可像纹身一样附着于皮肤上,测量心率和其他生命体征,还可做为电子绷带以便加速伤口愈合、甚至还可为检测肢装置带来触觉.测试后发现,智能皮肤的突出优点是可在受试者上肢、颈部、前额、脸颊以及下颚表面连续工作24个小时而不刺激皮肤.

一个自适应智能系统的获得,必将建立在设计的所有抽象层的交叉寻优和技术移植之上.

未来技术应用于优秀目标,例如监测心理压力与情绪等,将正性地颠覆我们怎样生活、游艺和工作的态度.虽然,这些进步尚不能预言出现一个“勇敢的新世界”,但是可以鼓励和强化个人的更加健康、快乐和长寿的人生愿景.

4生态友好的健康半导体

大会报告题目3是为了健康生活的生态友好的半导体技术[5].

人类史上工业发展双刃剑的负面所造成的生态污染,已经给健康生存带来了严重的威胁.为了拯救笼罩在全球环境危机下的人们,所有工业的研发导向开始加速指向生态友好的工业模式.

研究表明,危机的来源一是能耗增长,二是温室效应蔓延.因此,关键努力是减少所有工业的能源需求.身处其中的半导体制造业对节能减排责无旁贷.在不牺牲便捷性和生产率的前提下,有效的贡献途径就是迫使所有半导体产品包括生产线都降低能耗（energyconsumption）提高能效（energyefficiency）.

提高能效需要整个半导体产品研发过程的通力协作：设计（包括架构）、设计方法学、工艺技术和封装.更需要与其它工业领域的合作：与软件提供商和用户的早期互动可以提高能效；与电能的设备制造、产生与分布的互动将可提高整个电能基础设备的效率,及至正性地影响半导体产品的设计与应用.

典型的成就例如：最近的低功耗多核处理器、绿色存储器解决方案、宽带存储器接口、三维封装技术、低泄漏/低电源工艺技术、低功耗设计方法学,以及智能网格电源系统.

仔细检讨半导体生产线的低能效原因,其包括制造设备的待机损耗（占比正常工作的72.9%）.除了减少此类损耗,必须与设备供应商合作,共同面对绿色制造问题.

未来工艺预测举例：期望高κ/金属栅的FET和超低介电常数（≤2.4）介质成为面向20nm之后节点的主流工艺,结合鱼鳍FinFET结构（优点是不受掺杂剂量涨落的影响）,可望提高性能20%,减小能耗10%（与平面工艺比较）.

有研究表明,如果淀积的温度从780°C降为300°C,则可节能约80%；从公式ΔQ等于MCΔT（能量、质量、热容和温度之间的关系）可以理解：保持工艺设备的热稳定性,是节能的必要环节.

图4中显见,存在能耗的节约空间高达58%.最近4年每晶圆的设备能效已经改良了12.2%,导致了节约能量高达4.9TWh（该数量等于2002年美国旧金山的电能消耗）.

三维集成,通过采用硅通孔（Through-SiliconVia,TSV）工艺可以节约大于75%的能耗（针对存储器的宽I/O接口）.

SamsungElectronics曾于2010年7月报道：由单核变为双核,可以节能20~30%.

2009年的报道数据表明：当手机处理器组合应用了这些低功耗设计方法学技术,例如门控时钟、门控电源、多阈值电压、电压/频率缩减、自适应的衬底偏置,以及统计时序（时钟抖动）/泄漏,可以节约50%的动态电流、55%的泄漏电流和99.5%的待机总电流,同时满足大生产的参数良率要求.

为了平衡设计约束集合,例如速度、能耗、热预算和面积,必须以发展的眼光结合应用进行架构级优化,考虑时钟抖动分析和自动纠错编码应用.另外不要忘记,异步电路对于某些电路可以降低接近一半的功耗.

针对新的环境挑战,好答案将是高能效的半导体产品和生态友好的制造工艺,朝向改善环境,彻底拯救我们自己与我们所处的星球!

5未来的能耗如何缩减十倍

为了支撑取得另一个10倍率能耗缩减时代的改良方案,需要植入系统、可穿戴系统和数据中心.圆桌专家组将分享他们的想法（ideas）,以期突破未来的能效提高瓶颈.

大会专家组圆桌研讨题目4是：能耗的十倍缩减的挑战与解决方案[6].

虽然在过去的20年里,电子电路的能量效率得到神奇地改良,但是同时,来自计算、存储和通信的性能要求持续增长着,其伴随了无线多媒体装置的涌现.

为获得下一个数量级的能耗降低的机会所涉及的领域包括：模拟、数字、RF和存储器.

模拟和数字之间的边界持续地变得模糊,因为有数字校正应用于模拟技术,依靠模拟的自适应技术应用于数字电路,例如,优化工作电压以便适合与工作负载和工艺变异相匹配.

存储器电路需应用系统级别的方法,例如需要位元优化、基于集成调整器的低压供电技术、3D硅垂直通孔（TSV）和工艺优化.

未来的工艺技术将把新的晶体管结构和高迁移率沟道材料,用于低压数字电路.依靠TSV工艺,将着重降低I/O功耗和缩短芯片互连.

针对RF,集成电感和发射电路的超低内阻问题将是个挑战.RF收发器将趋向更高级别的数字架构.

未来的CAD工具若要优化能耗,将聚焦联合设计以便提供最佳解决方案,例如综合考虑封装、架构、能量源和天线.

研讨专家们首先赞许的是金帆定律[Gene（Frantz）’sLaw]（GeneA.Frantz,1994）,内容是：每18个月DSP的能效将翻番,其图解参见图5（百万级乘法累加器：MMAC）.

根据Frantz本人报告的PPT的信息提示[7],该趋势的极限将是描述人脑（3D-Bio-DSP）的关键数据（~10-4[毫瓦/百万级乘法累加器/秒],2030[年]）.

背景知识：1982年TI推出第一块商用DSP芯片,25年间,市场规模就从1千万美元成长到100亿美元.DSP的发展先后经历了三波应用创新：第一波为通信产品；第二波为娱乐产品；第三波则是汽车、医疗与环保等.目前（2009年）,通信领域市场仍在稳定持续发展；娱乐应用才刚刚开始,拥有着无可限量的发展前景；第三波应用的特点在于个性化,因此市场非常巨大.

JackSun（CTOofTCR&D）认为：我们一直受到功率约束,所以必须向自然学习!提倡并行主义,口号是低功耗高密度就是新性能.

其提供的第一张图解就是人脑与最先进图形处理器的对比：

人脑功耗~20W,3D结构,神经元100B（B等于109,为十亿）,相当于~1T（T等于1012,为万亿）晶体管；而游戏架构GF100（台积电40nm工艺；三层分级架构：4个图形处理集群GPC,16个流式多处理器阵列,512个流处理器SP）的功耗是~200W,2D结构,逻辑晶体管~3B.

难怪在题为“技术突破的最后的前沿――能耗”的讲演中（2009.11.9于苏州大学）,GeneFrantz总结指出：深脑仿真（DeepBrainSimulation）是未来重要的研究方向之一.

JackSun预测关于晶体管革新演进规律的总结参见图6（横轴是关键工艺节点,左纵轴是电源电压,右纵轴是功率密度）.其约束条件是保持功率密度恒定,比例缩小至Vcc<0.5V.所看好的材料和工艺包括紧致硅和HKMG（高k绝缘层+金属栅极）等.

针对数字电路的集成,咨询专家DanDobberpuhl指出：为了分摊能效改良因子――2.5倍/技术代,最小的可接受贡献率/技术代分别是：

●技术缩微：1/k等于1.43X；

●电路与CAD：1/k0.6等于1.25X；

●架构和算法：1/k等于1.43X.

（k为缩微因子）

当从系统的观点考察10倍能耗缩小问题时,PhilippeMagarshack（STMicroelectronics）认为：基于资深设计师的研发经验,应该从解决各类棘手问题的开始就为一切建模（Modelallthis！）!

6技术趋势摘 要

2011-ISSCC技术趋势总结[4],其发展趋势关 键 词与数据分别为：

模拟电路：数字矫正（DigitalCure）.

处理器：工艺32nm；集成度3.1B（B为十亿）晶体管；钟频5.2GHz；多核10个.

IMMD（成像,MEMS,医疗与显示）：单封装的多轴加速度计和陀螺（Single-packagedmultiple-axisaccelerometersandgyroscopes）；MEMS；CoG（Chip-on-Glass）接口；化学传感（Chemicalsensing）；心脏病治疗（Cardiactherapies）；大动态范围（HighDynamicRange）.

存储器：三维芯片堆叠（3Dchipstacking）；28nm64GbTLCNAND闪存（集成度趋势为3X/年）；64MbSRAMinHKGA（高κ/金属栅）32nmSOI.

RF趋势：无线（载波120GHz,数据率10Gb/s）.

新技术方向：人体局域网（BodyAreaNetworks,BAN）（功耗≤7mW,数据率~100Mb/s）；其中的一种为人体通信（Body-ChannelCommunication,BCC）（―>1mW,1Gb/s）.

7结语

ISSCC从1953年开坛,每年推出顶新（state-of-the-art）技术,无愧于IC设计（为主）的奥运会.

健康医学微电子学,健康医学是牵引,微电子学是车身,经济学之手来驱动.

关于市场：仅以美国的个体医疗市场为例,估计有$232B之巨；未来的年增长率将达11%.

关于建模：当从系统的观点考察十倍能耗缩小问题时,PhilippeMagarshack（STMicroelectronics）认为：基于资深设计师的研发经验,应该从解决各类棘手问题的开始就为一切建模（Modelallthis！）!

关于理念：研究是一门艺术,即如何设计一些方案去解决那些难题的艺术（语出SirPeterMedwar）；艺术只不过是做事的正确方法――ThomasAquinas（1225~1274）.

创造就是把自己的心理资源投入新颖的高质量的主意（ideas）中；创造力是一种提出或产出具有新颖性（即独创性和新异性等）和适切性（即有用的与适合特定需要的）工作成果的能力（RobertJ.Sternberg）.

“在微电子技术的发展历史上,每一种算法的提出都会引起一场变革等提出一种新的电路结构可以带动一系列的应用,但提出一种新的算法则可以带动一个新的领域,因此算法应是今后系统芯片领域研究的重点学科之一”（王阳元院士：21世纪的硅微电子学,2005）.

关于原理：微电子学优化原理可谓之基尔比原理（KilbyPrinciple）[8]：将构造系统的①部件数量最小化；②材料数量最小化；③工艺步骤最小化；④工艺差别最小化.

需求是发明之母.微观经济学定义需求为写得起单的渴望；因此,“人们必将面临权衡取舍（PeopleFaceTrade-Offs）”,此药方位列经济学十大原理之首（N.GregoryMankiw：经济学原理）（其实就是我们熟悉的折衷设计理念）.

诚心鸣谢ISSCC的创造者与组织者们；衷心感谢王正华教授等微电子学前辈与导师们的长久关心与悉心指导；最后致谢源自苏州市科技局的2011年软科学立项课题支撑.

附录：ISSCC2012的大会主题已确定为[9]：面向可持续发展的硅系统（SiliconSystemorSustainability）.这是因为更加鲁棒的和可持续的硅系统必将重视：重用性、重组织、重构性、自修复和自组织.