深受業(yè)界肯定的比利時微電子研究中心 (IMEC) 亦同意：將半導體應用到生醫(yī)，微型化尺度 (Scale) 是個關卡——人類頭發(fā)是 50μm、紅血球細胞是 8μm、大腸桿菌是 2μm、抗體是 12nm、DNA (脫氧核糖核酸) 更只有 2nm，半導體技術須以 50μm 電子探針、8μm 微鏡、2μm 微柱、14nm 鰭式場效晶體管 (FinFet)、5nm 納米孔 (Nanopore) 因應，極為復雜；而 IMEC 設有超過百人的生命科學項目團隊，專責半導體工藝和廠房運作整合，并將之與細胞 (Cell)／分子 (Molecular) 生技、表面化學 (Surface Chemistry) 和病理分析等化驗工作連結(jié)。
微流道芯片、微電極數(shù)組、高光譜成像領先群倫
IMEC 總裁兼執(zhí)行長 LUC VAN DEN HOVE 表示，現(xiàn)今人們對于生技的關注點，已從存活期限 (Lifespan) 推展至健康期限 (Healthspan)。根據(jù)統(tǒng)計，有超過一萬種疾病是由人類基因突變所引起，希望借由體外測試 (In Vitro Testing) 以及 CRISPR/Cas9 等基因編輯 (Gene Editing) 技術，達到治療與預防效果；而 IMEC 可借助更快速的微流道芯片 (microfluidic) 和化學反應，以及更高的平行結(jié)構(gòu) (parallelism) 進行基因定序 (Gene Sequencing)，并與策略伙伴共同開發(fā)＂微電極陣列＂(MEA) 芯片，透過片上神經(jīng)元譯碼老年失智癥 (dementia) 以利藥物研究。
IMEC 總裁兼執(zhí)行長 LUC VAN DEN HOVE 表示，現(xiàn)今人們對于生技的關注點，已從存活期限 (Lifespan) 推展至健康期限 (Healthspan)。根據(jù)統(tǒng)計，有超過一萬種疾病是由人類基因突變所引起，希望借由體外測試 (In Vitro Testing) 以及 CRISPR/Cas9 等基因編輯 (Gene Editing) 技術，達到治療與預防效果；而 IMEC 可借助更快速的微流道芯片 (microfluidic) 和化學反應，以及更高的平行結(jié)構(gòu) (parallelism) 進行基因定序 (Gene Sequencing)，并與策略伙伴共同開發(fā)＂微電極陣列＂(MEA) 芯片，透過片上神經(jīng)元譯碼老年失智癥 (dementia) 以利藥物研究。
照片人物：IMEC總裁兼執(zhí)行長 LUC VAN DEN HOVE
IMEC 生命科學暨影像部門副總裁 Paru Deshpande 補充，微型化通常是生醫(yī)電子的先決條件；在歐洲研究理事會啟動獎助金 (ERC Starting Grant) 資助下，IMEC 已開發(fā)出高分辨率的片上影像分析系統(tǒng)，乃借由有源片上光子掃瞄結(jié)構(gòu)化圖紋，并直接整合到 CMOS 影像傳感器以極小化器件尺寸。他們也正在開發(fā)小型、高效的流式細胞儀 (cytometry)，可用于癌癥研究和產(chǎn)檢的診斷；搭載新型微致動器的高效微流道芯片，結(jié)合熒光反應 (Fluorescence) 和成像技術偵測細胞，輔以機器學習 (Machine Learning) 算法區(qū)分正常或異常細胞。
多模觀測強化實證經(jīng)驗
微流道芯片亦可與前述硅基 MEA 整合在同一塊電路板，打造超高分辨率的多模讀取儀器。IMEC 新一代 MUSEICV3 即是全球首款整合電池驅(qū)動之無線傳感器中樞的多模模擬讀數(shù)單芯片 (SOC)，包括：心電圖 (ECG)、光體積變化描記圖 (PPG) 和生物電阻抗 (BioZ) 等。在4.3mm X 4.3mm 緊湊面積上，集成電源管理單元 (PMU)、USB2.0 / BLE 4.2 產(chǎn)業(yè)標準協(xié)議，以及基于 ARM M4f 內(nèi)核的數(shù)字信號處理器 (DSP)，并內(nèi)建加密引擎等安全功能，適用于穿戴設備。總裁暨執(zhí)行長 HOVE 堅信，＂在數(shù)字世界中，敢于從不尋常的角度建立多模觀測將能強化實證經(jīng)驗＂。
微流道芯片亦可與前述硅基 MEA 整合在同一塊電路板，打造超高分辨率的多模讀取儀器。IMEC 新一代 MUSEICV3 即是全球首款整合電池驅(qū)動之無線傳感器中樞的多模模擬讀數(shù)單芯片 (SOC)，包括：心電圖 (ECG)、光體積變化描記圖 (PPG) 和生物電阻抗 (BioZ) 等。在4.3mm X 4.3mm 緊湊面積上，集成電源管理單元 (PMU)、USB2.0 / BLE 4.2 產(chǎn)業(yè)標準協(xié)議，以及基于 ARM M4f 內(nèi)核的數(shù)字信號處理器 (DSP)，并內(nèi)建加密引擎等安全功能，適用于穿戴設備。總裁暨執(zhí)行長 HOVE 堅信，＂在數(shù)字世界中，敢于從不尋常的角度建立多模觀測將能強化實證經(jīng)驗＂。
例如，手指觸覺回饋 (Haptic Feedback) 會透露許多信息，而薄膜電子可降低平板顯示處理成本并易于屏幕縮放。另一方面，具有 5 個干式電極 (dry electrode) 的低功耗智慧眼鏡，可經(jīng)由追蹤鏡片做眼電圖檢驗 (EOG)、虛擬現(xiàn)實／擴增實境 (AR/VR) 導航，以及神經(jīng)退化疾病的早期偵測。HOVE 強調(diào)，要實現(xiàn)智能應用，須從計算、存儲和連接三路并進。特別一提，IMEC 認為人體所有系統(tǒng)皆是緊密相連的，故發(fā)揮微型化專長、以一個無線芯片監(jiān)測欲觀察的生命體征，并做成拋棄式貼布方便大眾使用。另一個議題是：這么龐大的數(shù)據(jù)量，該如何消化？
圖1：IMEC 智慧健康平臺
資料來源：IMEC提供
資料來源：IMEC提供
神經(jīng)形態(tài)芯片：存儲＋處理，高效、靈活、擴展佳
＂現(xiàn)今這些大數(shù)據(jù)，每年約有 1 Zettabyte (ZB) 的數(shù)據(jù)量在流動，等同 1,000 個數(shù)據(jù)中心的容量，2025 年預估將逼近 100 ZB，只靠云端足以支撐？＂HOVE 拋出這樣的疑問。他認為，在電池驅(qū)動的邊緣設備做機器學習有其必要，而＂磁阻式隨機存取內(nèi)存＂(MRAM) 相較于 CMOS 架構(gòu)更節(jié)能，更適合用于二元神經(jīng)網(wǎng)絡。有鑒于傳統(tǒng)電腦將存儲、處理分開，會耗費許多能量在兩地穿梭；IMEC 仿真人類大腦發(fā)展＂神經(jīng)形態(tài)芯片＂(neuromorphic chip)，將存儲與處理合而為一、分布在原始的處理節(jié)點 (神經(jīng)元) 及互連 (突觸) 之間。
＂現(xiàn)今這些大數(shù)據(jù)，每年約有 1 Zettabyte (ZB) 的數(shù)據(jù)量在流動，等同 1,000 個數(shù)據(jù)中心的容量，2025 年預估將逼近 100 ZB，只靠云端足以支撐？＂HOVE 拋出這樣的疑問。他認為，在電池驅(qū)動的邊緣設備做機器學習有其必要，而＂磁阻式隨機存取內(nèi)存＂(MRAM) 相較于 CMOS 架構(gòu)更節(jié)能，更適合用于二元神經(jīng)網(wǎng)絡。有鑒于傳統(tǒng)電腦將存儲、處理分開，會耗費許多能量在兩地穿梭；IMEC 仿真人類大腦發(fā)展＂神經(jīng)形態(tài)芯片＂(neuromorphic chip)，將存儲與處理合而為一、分布在原始的處理節(jié)點 (神經(jīng)元) 及互連 (突觸) 之間。
在內(nèi)存上計算有助于提高效能、靈活度與擴展性。總結(jié)IMEC 在計算和存儲已取得以下成果：
●計算：用于 3nm 以下的 FinFet 和納米線 (NANOWIRE)、神經(jīng)形態(tài)芯片／量子 (Quantum) 計算、基于超導體和硅材的量子位 (qubit)，實現(xiàn) TFLOPS (teraFLOPS)——每秒 1 萬億次的浮點計算；
●存儲：基于鐵電氧化鉿 (Hafnium Oxide) 的新型非逸失性 DRAM、類似 3D-NAND 的堆棧鐵電器件 (3D FeNAND)、僅以 CMOS 兼容處理的新型 MRAM 單元 (稱為 SOT-MRAM) 解決自旋轉(zhuǎn)移力矩式內(nèi)存 (STT-MRAM) 的可靠度問題，以及將電壓施加到材料堆棧，記錄存儲器電阻變化的可變電阻式內(nèi)存 (ReRAM)，皆有利于高密度的長時間存儲。
●計算：用于 3nm 以下的 FinFet 和納米線 (NANOWIRE)、神經(jīng)形態(tài)芯片／量子 (Quantum) 計算、基于超導體和硅材的量子位 (qubit)，實現(xiàn) TFLOPS (teraFLOPS)——每秒 1 萬億次的浮點計算；
●存儲：基于鐵電氧化鉿 (Hafnium Oxide) 的新型非逸失性 DRAM、類似 3D-NAND 的堆棧鐵電器件 (3D FeNAND)、僅以 CMOS 兼容處理的新型 MRAM 單元 (稱為 SOT-MRAM) 解決自旋轉(zhuǎn)移力矩式內(nèi)存 (STT-MRAM) 的可靠度問題，以及將電壓施加到材料堆棧，記錄存儲器電阻變化的可變電阻式內(nèi)存 (ReRAM)，皆有利于高密度的長時間存儲。
圖2：高密度、長時間存儲，是新世代內(nèi)存特色
資料來源：IMEC提供
＂從創(chuàng)意到產(chǎn)品＂的一站式服務
此外，HOVE 直指＂成本、充電設施和行駛距離的焦慮＂是標榜零事故、零排放、零壅塞的電動車迄今未成為主流的原因。為此，IMEC 研發(fā)出新型納米復合材料，可將電解質(zhì)由液體轉(zhuǎn)成固體成為＂固態(tài)電池＂，能源密度上看 200 WH/L、充電速度達 0.5C (以 500mA 放電約 2.5 小時可充滿)，不僅可用于電動車，亦適用于小型可攜式電子設備和定置電網(wǎng) (Stationary Grid) 的儲能系統(tǒng)。IMEC 創(chuàng)新服務總監(jiān)暨臺灣總經(jīng)理 Peter Lemmens 重申，IMEC 可支持客戶＂從創(chuàng)意到產(chǎn)品＂的整個創(chuàng)新周期，迄今已服務超過 300 家公司和 700 家學術機構(gòu)。
此外，HOVE 直指＂成本、充電設施和行駛距離的焦慮＂是標榜零事故、零排放、零壅塞的電動車迄今未成為主流的原因。為此，IMEC 研發(fā)出新型納米復合材料，可將電解質(zhì)由液體轉(zhuǎn)成固體成為＂固態(tài)電池＂，能源密度上看 200 WH/L、充電速度達 0.5C (以 500mA 放電約 2.5 小時可充滿)，不僅可用于電動車，亦適用于小型可攜式電子設備和定置電網(wǎng) (Stationary Grid) 的儲能系統(tǒng)。IMEC 創(chuàng)新服務總監(jiān)暨臺灣總經(jīng)理 Peter Lemmens 重申，IMEC 可支持客戶＂從創(chuàng)意到產(chǎn)品＂的整個創(chuàng)新周期，迄今已服務超過 300 家公司和 700 家學術機構(gòu)。
照片人物：IMEC 創(chuàng)新服務總監(jiān)暨臺灣總經(jīng)理 Peter Lemmens
在臺灣立足邁入第十個年頭的 IMEC，日前與國研院儀器科技研究中心 (ITRC，簡稱＂儀科中心＂) 簽署合作備忘錄，將共同開發(fā)先進高光譜成像技術、光學組件／系統(tǒng)開發(fā)，以及穿戴設備、納微米材料與人體組織顯微影像分析等潛在應用。雙方聯(lián)合創(chuàng)新服務涵蓋：電子系統(tǒng)需求研發(fā)、儀器設計與生產(chǎn)質(zhì)量檢驗、可行性研究與原型設計。Lemmens 分享＂與機會同行＂的秘訣：
1. 參與社會創(chuàng)業(yè) (Social Entrepreneurship)：例如，開始于 2013 年、以道德來源及組裝為特色的＂公平貿(mào)易手機＂(Fairphone)，現(xiàn)今年產(chǎn) 13.5 萬支手機、年營收達 1,600 歐元；
2. 保持創(chuàng)業(yè)熱情：先求簡單至美，再瞄準復雜者力求至善；
3. 從解決方案角度思考：正視軟件者應先將自己的硬件做好，智能軟件建立在創(chuàng)新硬件之上，將創(chuàng)新硬件、可靠固件及應用軟件結(jié)合在一起，構(gòu)成完整的產(chǎn)品和解決方案。
1. 參與社會創(chuàng)業(yè) (Social Entrepreneurship)：例如，開始于 2013 年、以道德來源及組裝為特色的＂公平貿(mào)易手機＂(Fairphone)，現(xiàn)今年產(chǎn) 13.5 萬支手機、年營收達 1,600 歐元；
2. 保持創(chuàng)業(yè)熱情：先求簡單至美，再瞄準復雜者力求至善；
3. 從解決方案角度思考：正視軟件者應先將自己的硬件做好，智能軟件建立在創(chuàng)新硬件之上，將創(chuàng)新硬件、可靠固件及應用軟件結(jié)合在一起，構(gòu)成完整的產(chǎn)品和解決方案。
最后，就是勇于啟動夢想！IMEC 可支持跨價值鏈、一站式服務的專用芯片 (ASIC) 設計和制造，且擁有世界頂級服務商、晶圓廠等可信任供應鏈伙伴，可給予完整技巧組合、科學基礎方法、可靠模型、原型制作和制造服務，以及包括應用軟件設計在內(nèi)的工程和產(chǎn)業(yè)化協(xié)助，提供完整的整廠 (turn-key) 系統(tǒng)和產(chǎn)品設計，以合理成本迅速發(fā)展獨特的解決方案，每年有逾 500 項 IC 設計試產(chǎn)。
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