展望2023：改變未來世界的十大技術(shù)趨勢上網(wǎng)時間:2023年01月06日2023年彷佛一眨眼就過去了，然而，工程師們在這轉(zhuǎn)瞬間已經(jīng)取得了一些重大的成就。從無面板(faceless)的測試儀器到氮化鎵(GaN)與其他新式半導(dǎo)體材料、嵌入式安全、可穿戴式裝置、在太空中實現(xiàn)3D打印，以及智慧照明與智慧汽車等，2023年的創(chuàng)新已經(jīng)讓整個科技時代向前進(jìn)展至一個更新的高度了。邁向2023年，我們同樣期待更多的創(chuàng)新與進(jìn)步。今年，《電子工程專輯》(EETimes)與《電子技術(shù)設(shè)計》(EDN)的編輯群攜手合作，進(jìn)一步探索在2023年的一些熱門技術(shù)，這些技術(shù)將塑造明年以及未來的重要技術(shù)趨勢。氮化鎵：新時代的一線曙光？隨著設(shè)計變得越來越復(fù)雜，工程師不斷尋找更新的半導(dǎo)體材料。氮化鎵(GaN)材料在近年來逐漸穩(wěn)定立足于RF/微波應(yīng)用，接下來還能用在哪些方面？它又存在哪些局限？根據(jù)MarketsandMarkets的報告指出，“在2023年至2023年的8年內(nèi)，整個氮化鎵半導(dǎo)體市場的復(fù)合年成長率(CAGR)預(yù)計為22.2%，而在功率半導(dǎo)體組件市場的CAGR成長更加強勁，預(yù)計成長超過60.5%。”相較于硅和砷化鎵(GaAs)，氮化鎵在功率密度和功率電平方面更具優(yōu)勢，但自身也存在技術(shù)限制。TriQuint基礎(chǔ)設(shè)施和國防產(chǎn)品研究資深總監(jiān)DouglasH.Reep指出，GaN功率晶體管可以達(dá)成>10W/mm的功率密度以及超過500W功率級，然而，“氮化鎵技術(shù)的限制就在于其基本材料性能的限制，以及我們思考如何運用它們的發(fā)明力?！盧eep表達(dá)，氮化鎵的研發(fā)經(jīng)常著重在半導(dǎo)體和封裝階段的熱管理。至于高壓組件，GaNSystems公司最近發(fā)布五款針對高速系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的650VGaN晶體管。這些650V組件具有反向電流的能力、零反向恢復(fù)充電以及電源感知等功能。然而，目前的技術(shù)限制在于保持可靠性的同時也必須提高工作電壓，MACOM公司資深技術(shù)研究員TimBoles強調(diào)必須提高電壓偏置才干實現(xiàn)更高的功率附加效率(PAE)和增長功率密度。GaNSystems總裁GirvanPatterson則認(rèn)為擊穿電壓是氮化鎵的關(guān)鍵。透過在碳化硅上使用氮化鎵，該公司已能在實驗室中獲得超過2,000V的電壓。然而，他指出，在當(dāng)前基于硅的GaN技術(shù)結(jié)構(gòu)，擊穿電壓仍受到垂直擊穿的限制。此外，尚有熱量。ElementSix技術(shù)公司防御和航空航天業(yè)務(wù)主管FelixEjeckam提到，氮化鎵晶體管目前尚未能達(dá)成原始功率密度的最大值，除非熱量能從發(fā)熱結(jié)處被成功地釋放出來，才干真正改善功率、效率、尺寸/重量和可靠性等參數(shù)。如今，進(jìn)行GaN研究工作的人很少將它僅僅看做是硅或砷化鎵替代品，而是一種可在新應(yīng)用中發(fā)揮作用的獨特材料，特別是在高頻率、高電壓和高功率密度的應(yīng)用領(lǐng)域中帶來極具研究前景的材料。此外，增強型GaN晶體管表現(xiàn)出高耐輻射性能，從而合用于通訊和科學(xué)衛(wèi)星的功率和通訊系統(tǒng)。Patterson認(rèn)為，氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域十分龐大，涉及在替代能源市場的高效電源轉(zhuǎn)換、電動和混合動力車、交通運送以及高效率的電源的應(yīng)用，在運用氮化鎵后可實現(xiàn)高達(dá)99%的效率。此外，他并預(yù)計“在未來12個月內(nèi)可望看到比現(xiàn)在電視更輕薄的新一代電視上市，這就是由于運用了GaN功率晶體管帶來顯著節(jié)省空間的效果?！睘榱顺渥銓崿F(xiàn)氮化鎵半導(dǎo)體的潛在性能，晶體管制程工程師不斷地致力克服熱阻障的問題。近來，一種合成的鉆石基板正成為克服這種挑戰(zhàn)的有力解決方案，它可以取代一般以硅晶(Si)或碳化硅(SiC)制造的整個氮化鎵基板，從而在不久的將來提供更大的潛力。以電子產(chǎn)品應(yīng)用而言，合成的鉆石比天然鉆石更好。由于電子電路和IC故障的最重要因素就是‘熱’。近期也許受益于這種鉆石材料的一些關(guān)鍵領(lǐng)域涉及熱管理、光電組件、傳感器、高功率或高壓組件、量子/磁力和輻射探測器等。Triquint公司已經(jīng)運用這種新式材料開發(fā)出RF功率放大器，用于雷達(dá)、衛(wèi)星通訊與蜂巢式基地臺。ElementSix公司則開發(fā)以化學(xué)氣相沉積(CVD)的鉆石材料，可實現(xiàn)較銅、SiC或鋁更高3-10倍的導(dǎo)熱能力。目前以鉆石為基板的氮化鎵材料正量產(chǎn)中。

圖1：以鉆石為基板的氮化鎵材料可提高3倍以上的散熱性能。氮化鎵在廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)存在很大的潛力，但就像其它技術(shù)同樣，也存在有待克服的障礙，特別是成本。此外，在改善熱解決與整合度后，氮化鎵可望進(jìn)一步提高性能。因此，或許氮化錠還需要一點時間來證明它的價值、可靠性和壽命，讓工程師更有信心選擇作為未來設(shè)計的方向。無面板測試儀器設(shè)計趨勢昂首從射頻(RF)測試設(shè)備到通用基臺測試儀，2023年可說是一個以軟件定義為主的‘無面板’(faceless)單機測試儀器時代，特別是以頻譜分析儀和訊號分析儀為代表的RF測試設(shè)備，涉及安立知(Antrisu)、CopperMountain、羅德史瓦茲(Rohde&Schwarz)、SignalHound等多家公司都推出了頻譜分析儀和向量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)等單機儀器；是德科技(KeysightTechnologies)和國家儀器(NationalInstruments；NI)則發(fā)展基于PXI的RF和無線測試儀。此外，Tektronix也攜其手持式RSA306USB頻譜分析儀加入無面板RF儀器俱樂部之列。

圖2：NI推出基于軟件定義的多合一VirtualBench單機測試儀器。為什么會忽然出現(xiàn)這么多無面板測試儀器，特別是RF儀器呢？部份的因素來自速度更快的數(shù)據(jù)管線和性能更強大的商用計算機。當(dāng)今的計算機由于可以執(zhí)行更快的指令周期，儀器制造商只需要模擬前端、數(shù)字器和總線接口即可，不必在儀器中增長昂貴的DSP或FPGA，因而減少了產(chǎn)品成本。此外，無面板儀器通常比附加前面板控制的傳統(tǒng)儀器的尺寸更小得多，對于高度與尺寸存在嚴(yán)苛規(guī)定的生產(chǎn)測試機架帶來更大優(yōu)勢，同時也有助于讓工程師減少工作臺堆棧的高度。核融合技術(shù)因應(yīng)未來能源需求2023年可望看到更多有關(guān)核融合反映爐研究的重要新聞嗎？目前正進(jìn)展中的最大規(guī)模計劃是在法國打造的500MW國際熱核融合實驗反映爐(ITER)，但它得等到2023年以后才干開始正式營運。ITER是一項令人振奮的超大型計劃，但并局限性以涵蓋全世界所有的能源期待。

圖3：ITER托卡馬克融合反映爐要到2023年以后才干展開正式營運。因此，私人公司也致力于解決這方面的問題，其中最有趣的或許是加拿大公司GeneralFusion打造的一款外形酷似一個巨大蒸汽龐克的反映爐，在球型反映爐容器外表包覆著以蒸汽為動力的活塞，并以1Hz同步向金屬球體核心傳送沖擊波。該容器中包含自旋熔融的鉛鋰混合物。由自旋形成的渦流在核心形成垂直空腔，以注入由沖擊波迅速壓縮與受熱的電漿燃料。這種液體金屬可作為熱傳輸介質(zhì)與輻射保護(hù)，而鋰離子則可形成氚作為燃料使用。最近尚有一家LockheedMartinSkunk透露其反映爐計劃，將打造出一款實用且小型的核融合發(fā)電廠，盡管該公司表達(dá)在2023年才會推出設(shè)計原型，但預(yù)計今年將會有更多的細(xì)節(jié)披露。假如核融合發(fā)電可望在未來十年內(nèi)實現(xiàn)，它將如何表現(xiàn)以及發(fā)揮功能？屆時將會是‘贏者通吃’？或是多種設(shè)計方案并存？無論如何，它都可說是自工業(yè)革命以來的最重要技術(shù)突破。嵌入式安全重要性提高隨著個人與組織擁有日益復(fù)雜的工具普及，嵌入式系統(tǒng)面臨著前所未有的安全威脅，需要可以更廣泛延伸至系統(tǒng)生命周期的解決方案。芯片上的安全功能成為安全系統(tǒng)的重要推手，但假如對于安全政策缺少更廣闊的視野，也也許提供錯誤的偵測信息。因此，公司級安全生命周期管理成為強化嵌入式系統(tǒng)安全性的最有力解決方案，而這樣的趨勢也促成了互連應(yīng)用的爆發(fā)性成長。針對安全性，半導(dǎo)體制造商在提供強大的硬件基礎(chǔ)上已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。越來越多的微控制器(MCU)和專用解決器如今都在芯片上增長了可進(jìn)行加密作業(yè)的硬件加速器，保證安全的實時通訊而不至于影響性能或?qū)е峦ㄓ嵮舆t。這種趨勢將在2023年連續(xù)發(fā)展，為安全添加更全面性的硬件支持。例如微芯科技(Microchip)在2023年發(fā)布PIC24FGB2MCU，結(jié)合了硬件加密加速器以及安全芯片密鑰儲存。針對嵌入式設(shè)計廠商，業(yè)界正透過公司級的安全生命周期功能重新定義裝置。半導(dǎo)體制造商通常提供一種專用的安全解決技術(shù)，在安全的環(huán)境中提供密鑰產(chǎn)生和保護(hù)儲存內(nèi)容等服務(wù)。例如，恩智浦半導(dǎo)體(NXP)采用強大的加密解決器，提供了預(yù)先編程的A710x防篡改安全MCU，可為裝置提供強大的加密核心、因應(yīng)措施和保護(hù)，同時實現(xiàn)低功耗以及性能優(yōu)化的設(shè)計。Rambus的加密技術(shù)研究部門在去年發(fā)布一款以其CryptoManager(CM)安全引擎IP打造的安全管理解決方案。新的CM架構(gòu)是將安全設(shè)備建置在本地制造廠房，并提供中央主機作為基本權(quán)限。在實際操作時，本地設(shè)備與主機溝通取得密鑰以及保證在制造廠房中實現(xiàn)安全儲存。

圖4：RambusCryptoManager基礎(chǔ)架構(gòu)提供安全的密鑰產(chǎn)生，以及為基于RambusCM安全引擎IP的裝置提供密鑰填充能力。（來源：Rambus）此外，制造商體認(rèn)到必須為安全找到一種更廣泛的生命周期途徑，讓制造商與安全開發(fā)人員在整個產(chǎn)品的生命周期都能建置安全功能。行動支付將實現(xiàn)大量應(yīng)用？長期以來的各種預(yù)測文字總說‘指日可待’，而今，隨著蘋果(Apple)的ApplePay正式上線及其帶動支持相關(guān)服務(wù)的零售業(yè)者劇增，行動支付可望真正貫徹大量應(yīng)用。實現(xiàn)行動支付的最重要推手當(dāng)然就是無處不在的智能型手機，以及可望發(fā)明更多新機會的穿戴式裝置。在此轉(zhuǎn)型中扮演輔助角色的技術(shù)還涉及先進(jìn)加密、數(shù)字貨幣、生物測量、NFC、藍(lán)牙、二維條形碼，以及甚至運用聲波數(shù)據(jù)傳輸。蘋果ApplePay反映了行動支付的傳統(tǒng)方式，但又采用基于特定交易代幣(token)的途徑強化安全性，將token信用卡數(shù)據(jù)儲存在裝置上，但又不至于讓銷售商家取得這些信用卡信息。ApplePay以iPhone6的NFC功能為基礎(chǔ)，運用信用卡或銀行卡信息支持付費機制，以及蘋果擁有數(shù)百萬用戶的iTune賬號。其他競爭的‘電子貨幣包系統(tǒng)也采用類似方式運作。例如，GoogleWallet也使用NFC，但相較于ApplePay采用指紋掃描認(rèn)證與云端代幣的方式，Google僅使用密碼驗證。其他公司如Wallmart正開發(fā)基于掃描的條形碼系統(tǒng)。當(dāng)然，重要的信用卡公司和銀行也已經(jīng)(或正致力于)開發(fā)自家的行動支付平臺。更多的應(yīng)用程序(App)與裝置也在此時加入行動支付戰(zhàn)局，許多甚至是5或2023前甚至還不存在的新創(chuàng)公司。例如日前才剛推出的Plastcdigital智能卡與行動App，讓用戶可在一款NFC裝置中整合信用卡與鈔票卡信息以及其他支付卡與優(yōu)惠。3D打印上太空在太空中實現(xiàn)3D打印制造已正式展開，它所帶來的生產(chǎn)效益將有助于更進(jìn)一步探索太空以及改變在地球上的工程技術(shù)。本來3D打印的天空是沒有極限的。3D打印技術(shù)又被稱為加層制造，它可針對各種用途采用不同的材料打造出更復(fù)雜的原型、零件、工具與模型。如今，它正擴展產(chǎn)品制造至太空中，可望帶來真正重量級的影響力。透過在國際太空站(ISS)進(jìn)行對象印制以及3D打印的火箭零件順利取代傳統(tǒng)制造組件，在太空中實現(xiàn)3D打印已經(jīng)完畢了廣泛的測試，同時也展現(xiàn)該技術(shù)在太空中建模對象的價值。重要的太空機構(gòu)均采用積層制造作為關(guān)鍵的推動技術(shù)。目前在地球上制造產(chǎn)品后再發(fā)射到太空中的方式，不久地將會變成直接在太空中現(xiàn)場制作，讓航天員更具生產(chǎn)力以及探索到更遠(yuǎn)的太陽系，并且也節(jié)省了將硬件設(shè)計發(fā)射到太空中的成本。美國太空總署(NASA)日前已展示航天員嘗試在太空站使用3D打印機的影片。NASA表達(dá)，假如未來推行順利，航天員在宇宙探索時就能透過3D打印自給自足。

圖6：歐洲太空總署(ESA)計劃運用3D打印機器人(右)提取月球上的土壤為建材，打造一座月球基地。（來源：ESA）智慧照明前景光明在改變我們對于照明的想象方式后，以人為中心的照明(HCL)應(yīng)用正定位于改變我們所工作、生活與娛樂的環(huán)境與體驗。想象在一個在家中與工作場合的照明系統(tǒng)能讓我們更健康、更有生產(chǎn)力也更快樂的世界。在這個新世界中，學(xué)生在配備著有助于快速學(xué)習(xí)與專注力的智能照明教室中上課；醫(yī)院以獨特的方式運用灑在病房和大廳中的光照加速術(shù)后患者的復(fù)原及其自然愈合能力。這聽起來像是科幻小說嗎？這就以是人為中心的照明。以人為中心的照明融合了LED技術(shù)與智能對象，以及對于光線如何提高舒適感、生產(chǎn)力與健康方面的新發(fā)現(xiàn)。這個崇高的目的看來似乎是一項艱巨的任務(wù)，但其效益與獨特的光譜能力已被用于掌握可為人類內(nèi)分泌系統(tǒng)、新陳代謝以及大腦帶來的照明效益。

圖7：以人為中心的照明系統(tǒng)可用于為我們的生活和工作空間帶來舒適感、功能和美感。ADAS展現(xiàn)更佳掌控力度先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)是自動駕駛車以及在2023年的前奏曲。當(dāng)我們在2023年看到ADAS方面的重大進(jìn)展后，到了2023年將會發(fā)現(xiàn)在監(jiān)管政策、標(biāo)準(zhǔn)以及創(chuàng)新方面取得更多進(jìn)展，從而促進(jìn)更多系統(tǒng)的迅速采用。因此，在2023年，我們緊握汽車方向盤上的手指將可稍微放松些了，由于汽車安全的責(zé)任歸屬正進(jìn)一步從駕駛?cè)宿D(zhuǎn)移至汽車自身的技術(shù)性能。隨著近場與遠(yuǎn)場系統(tǒng)運用了雷達(dá)、光達(dá)(LIDAR)、超音波、光學(xué)混合組件(PMD)以及相機與夜視裝置，更多傳感器融合算法的突破將導(dǎo)入實際的傳感器中。這些算法將提供更多與安全有關(guān)的交通、天氣、時間和距離，以及燃油經(jīng)濟與緊急情況，使汽車電子系統(tǒng)連續(xù)、快速且安全地進(jìn)行實時反映。此外，無線連接將實現(xiàn)并整合車載攝影機與人體傳感器，透過更多的攝影機量測與分析駕駛?cè)说睦Ь?、身體姿勢、臉部與眼睛的運作，提高并監(jiān)控駕駛?cè)说木袂闆r。

圖8：最新的ADAS技術(shù)進(jìn)展提高駕駛警惕與安全性。（來源：TI）同時，在車載信息娛樂系統(tǒng)與ADAS之間的產(chǎn)品界線正逐漸模糊。盡管飛思卡爾(Freescale)和TI仍站于ADAS創(chuàng)新的最前端，但市場上正出現(xiàn)一波獨立公司進(jìn)入該領(lǐng)域的潮流，他們?yōu)楝F(xiàn)有的車輛提供ADAS解決方案，并發(fā)明了新興的售后市場。TI為其DRA75x解決器添加了訊號解決功能，擴展車載信息與信息ADAS的功能特色；而其最新的TDA3x解決器則可作為ADASSoC的基礎(chǔ)，瞄準(zhǔn)入門級與中階汽車的前視、后視與全車環(huán)視應(yīng)用。瑞薩電子(RenesasElectronics)宣布為入門級整合儀表板系統(tǒng)推出R-Car系列車用SoC——R-E2以及新的R-E2軟件開發(fā)板優(yōu)化信息娛娛樂與顯示音頻。飛思卡爾則計劃推出一個基于開放運算語言(OpenCL)的汽車發(fā)展環(huán)境，為汽車OEM與一線供貨商開放市場，為更廣泛的汽車應(yīng)用迅速導(dǎo)入ADAS技術(shù)。這些創(chuàng)新的ADAD技術(shù)與方案都將對于2023年帶來重大影響。穿戴式裝置為硬件裝置打造軟件App隨著可穿戴式裝置的范圍從蘋果系列產(chǎn)品向開放來源擴展，硬件裝置開始結(jié)合顛覆性IP與新軟件，帶來爆發(fā)式的設(shè)計和市場成長潛力。當(dāng)我們面對2023年及未來，穿戴式裝置將帶來一個爆炸性的硬件設(shè)計機會——一個與消費和醫(yī)療保健市場密切相關(guān)的重大商機，并且還也許以軟件在智能型手機刮起App旋風(fēng)的相同方式迅速地展開。根據(jù)IDTechEx，2023年全球可穿戴式電子業(yè)務(wù)約超過140億美元，預(yù)計將在2024年攀升到超過700億的市場規(guī)模，其中最重要的領(lǐng)域仍將是醫(yī)療保健，涉及醫(yī)療、健身與健康。

圖9：針對醫(yī)療保健開發(fā)的穿戴式裝置重要來自北美地區(qū)。IDTechEx強調(diào)穿戴式技術(shù)正進(jìn)入一個快速成長的階段，“連軟件公司都在說，‘硬件就是新軟件’，由于App現(xiàn)在可實現(xiàn)模塊化，而像感測與能量采集等新的硬件IP也許更具突破性且易于保護(hù)?！倍M性穿戴式裝置目前仍面臨設(shè)計挑戰(zhàn)。穿戴式裝置設(shè)計需要更清楚定義的應(yīng)用案例以及可實現(xiàn)低功耗電池壽命的專用SoC。雖然它也與智能型手機設(shè)計同樣必須在小空間中整合多種功能，然而，穿戴式裝置并不能直接沿用智能型手機設(shè)計，未來還必須等到