展望改变世界的十大技术发展趋势

展望2023：改变未来世界的十大技术趋势上网时间:2023年01月06日2023年彷佛一眨眼就过去了，然而，工程师们在这转瞬间已经取得了一些重大的成就。从无面板(faceless)的测试仪器到氮化镓(GaN)与其他新式半导体材料、嵌入式安全、可穿戴式装置、在太空中实现3D打印，以及智慧照明与智慧汽车等，2023年的创新已经让整个科技时代向前进展至一个更新的高度了。迈向2023年，我们同样期待更多的创新与进步。今年，《电子工程专辑》(EETimes)与《电子技术设计》(EDN)的编辑群携手合作，进一步探索在2023年的一些热门技术，这些技术将塑造明年以及未来的重要技术趋势。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？它又存在哪些局限？根据MarketsandMarkets的报告指出，“在2023年至2023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%，而在功率半导体组件市场的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，但自身也存在技术限制。TriQuint基础设施和国防产品研究资深总监DouglasH.Reep指出，GaN功率晶体管可以达成>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，以及我们思考如何运用它们的发明力。”Reep表达，氮化镓的研发经常着重在半导体和封装阶段的热管理。至于高压组件，GaNSystems公司最近发布五款针对高速系统设计优化的650VGaN晶体管。这些650V组件具有反向电流的能力、零反向恢复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干实现更高的功率附加效率(PAE)和增长功率密度。GaNSystems总裁GirvanPatterson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，尚有热量。ElementSix技术公司防御和航空航天业务主管FelixEjeckam提到，氮化镓晶体管目前尚未能达成原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，才干真正改善功率、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晶体管表现出高耐辐射性能，从而合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，涉及在替代能源市场的高效电源转换、电动和混合动力车、交通运送以及高效率的电源的应用，在运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，这就是由于运用了GaN功率晶体管带来显著节省空间的效果。”为了充足实现氮化镓半导体的潜在性能，晶体管制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，它可以取代一般以硅晶(Si)或碳化硅(SiC)制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。由于电子电路和IC故障的最重要因素就是‘热’。近期也许受益于这种钻石材料的一些关键领域涉及热管理、光电组件、传感器、高功率或高压组件、量子/磁力和辐射探测器等。Triquint公司已经运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。ElementSix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高3倍以上的散热性能。氮化镓在广泛的应用范围内存在很大的潜力，但就像其它技术同样，也存在有待克服的障碍，特别是成本。此外，在改善热解决与整合度后，氮化镓可望进一步提高性能。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昂首从射频(RF)测试设备到通用基台测试仪，2023年可说是一个以软件定义为主的‘无面板’(faceless)单机测试仪器时代，特别是以频谱分析仪和讯号分析仪为代表的RF测试设备，涉及安立知(Antrisu)、CopperMountain、罗德史瓦兹(Rohde&Schwarz)、SignalHound等多家公司都推出了频谱分析仪和向量网络分析仪(VNA)等单机仪器；是德科技(KeysightTechnologies)和国家仪器(NationalInstruments；NI)则发展基于PXI的RF和无线测试仪。此外，Tektronix也携其手持式RSA306USB频谱分析仪加入无面板RF仪器俱乐部之列。

图2：NI推出基于软件定义的多合一VirtualBench单机测试仪器。为什么会忽然出现这么多无面板测试仪器，特别是RF仪器呢？部份的因素来自速度更快的数据管线和性能更强大的商用计算机。当今的计算机由于可以执行更快的指令周期，仪器制造商只需要模拟前端、数字器和总线接口即可，不必在仪器中增长昂贵的DSP或FPGA，因而减少了产品成本。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规定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栈的高度。核融合技术因应未来能源需求2023年可望看到更多有关核融合反映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映炉(ITER)，但它得等到2023年以后才干开始正式营运。ITER是一项令人振奋的超大型计划，但并局限性以涵盖全世界所有的能源期待。

图3：ITER托卡马克融合反映炉要到2023年以后才干展开正式营运。因此，私人公司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GeneralFusion打造的一款外形酷似一个巨大蒸汽庞克的反映炉，在球型反映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冲击波。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，以注入由冲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。最近尚有一家LockheedMartinSkunk透露其反映炉计划，将打造出一款实用且小型的核融合发电厂，尽管该公司表达在2023年才会推出设计原型，但预计今年将会有更多的细节披露。假如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高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，需要可以更广泛延伸至系统生命周期的解决方案。芯片上的安全功能成为安全系统的重要推手，但假如对于安全政策缺少更广阔的视野，也也许提供错误的侦测信息。因此，公司级安全生命周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，半导体制造商在提供强大的硬件基础上已经取得了长足的进步。越来越多的微控制器(MCU)和专用解决器如今都在芯片上增长了可进行加密作业的硬件加速器，保证安全的实时通讯而不至于影响性能或导致通讯延迟。这种趋势将在2023年连续发展，为安全添加更全面性的硬件支持。例如微芯科技(Microchip)在2023年发布PIC24FGB2MCU，结合了硬件加密加速器以及安全芯片密钥储存。针对嵌入式设计厂商，业界正透过公司级的安全生命周期功能重新定义装置。半导体制造商通常提供一种专用的安全解决技术，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)采用强大的加密解决器，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优化的设计。Rambus的加密技术研究部门在去年发布一款以其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本地制造厂房，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保证在制造厂房中实现安全储存。

图4：RambusCryptoManager基础架构提供安全的密钥产生，以及为基于RambusCM安全引擎IP的装置提供密钥填充能力。（来源：Rambus）此外，制造商体认到必须为安全找到一种更广泛的生命周期途径，让制造商与安全开发人员在整个产品的生命周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ApplePay正式上线及其带动支持相关服务的零售业者剧增，行动支付可望真正贯彻大量应用。实现行动支付的最重要推手当然就是无处不在的智能型手机，以及可望发明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涉及先进加密、数字货币、生物测量、NFC、蓝牙、二维条形码，以及甚至运用声波数据传输。苹果ApplePay反映了行动支付的传统方式，但又采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信息。ApplePay以iPhone6的NFC功能为基础，运用信用卡或银行卡信息支持付费机制，以及苹果拥有数百万用户的iTune账号。其他竞争的‘电子货币包系统也采用类似方式运作。例如，GoogleWallet也使用NFC，但相较于ApplePay采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形码系统。当然，重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。更多的应用程序(App)与装置也在此时加入行动支付战局，许多甚至是5或2023前甚至还不存在的新创公司。例如日前才刚推出的Plastcdigital智能卡与行动App，让用户可在一款NFC装置中整合信用卡与钞票卡信息以及其他支付卡与优惠。3D打印上太空在太空中实现3D打印制造已正式展开，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。本来3D打印的天空是没有极限的。3D打印技术又被称为加层制造，它可针对各种用途采用不同的材料打造出更复杂的原型、零件、工具与模型。如今，它正扩展产品制造至太空中，可望带来真正重量级的影响力。透过在国际太空站(ISS)进行对象印制以及3D打印的火箭零件顺利取代传统制造组件，在太空中实现3D打印已经完毕了广泛的测试，同时也展现该技术在太空中建模对象的价值。重要的太空机构均采用积层制造作为关键的推动技术。目前在地球上制造产品后再发射到太空中的方式，不久地将会变成直接在太空中现场制作，让航天员更具生产力以及探索到更远的太阳系，并且也节省了将硬件设计发射到太空中的成本。美国太空总署(NASA)日前已展示航天员尝试在太空站使用3D打印机的影片。NASA表达，假如未来推行顺利，航天员在宇宙探索时就能透过3D打印自给自足。

图6：欧洲太空总署(ESA)计划运用3D打印机器人(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象方式后，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。想象在一个在家中与工作场合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能照明教室中上课；医院以独特的方式运用洒在病房和大厅中的光照加速术后患者的复原及其自然愈合能力。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技术与智能对象，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。这个崇高的目的看来似乎是一项艰巨的任务，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2023年的前奏曲。当我们在2023年看到ADAS方面的重大进展后，到了2023年将会发现在监管政策、标准以及创新方面取得更多进展，从而促进更多系统的迅速采用。因此，在2023年，我们紧握汽车方向盘上的手指将可稍微放松些了，由于汽车安全的责任归属正进一步从驾驶人转移至汽车自身的技术性能。随着近场与远场系统运用了雷达、光达(LIDAR)、超音波、光学混合组件(PMD)以及相机与夜视装置，更多传感器融合算法的突破将导入实际的传感器中。这些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，使汽车电子系统连续、快速且安全地进行实时反映。此外，无线连接将实现并整合车载摄影机与人体传感器，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惕与安全性。（来源：TI）同时，在车载信息娱乐系统与ADAS之间的产品界线正逐渐模糊。尽管飞思卡尔(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，并发明了新兴的售后市场。TI为其DRA75x解决器添加了讯号解决功能，扩展车载信息与信息ADAS的功能特色；而其最新的TDA3x解决器则可作为ADASSoC的基础，瞄准入门级与中阶汽车的前视、后视与全车环视应用。瑞萨电子(RenesasElectronics)宣布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软件开发板优化信息娱娱乐与显示音频。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与一线供货商开放市场，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2023年带来重大影响。穿戴式装置为硬件装置打造软件App随着可穿戴式装置的范围从苹果系列产品向开放来源扩展，硬件装置开始结合颠覆性IP与新软件，带来爆发式的设计和市场成长潜力。当我们面对2023年及未来，穿戴式装置将带来一个爆炸性的硬件设计机会——一个与消费和医疗保健市场密切相关的重大商机，并且还也许以软件在智能型手机刮起App旋风的相同方式迅速地展开。根据IDTechEx，2023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，其中最重要的领域仍将是医疗保健，涉及医疗、健身与健康。

图9：针对医疗保健开发的穿戴式装置重要来自北美地区。IDTechEx强调穿戴式技术正进入一个快速成长的阶段，“连软件公司都在说，‘硬件就是新软件’，由于App现在可实现模块化，而像感测与能量采集等新的硬件IP也许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。虽然它也与智能型手机设计同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能型手机设计，未来还必须等到