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技术革新时代 2014电子行业十大创新技术盘点

  7、自修复芯片或让电子设备永不受伤

  众所周知电子产品有多脆弱,细小的CPU芯片有多达数亿晶体管,其中的电路的复杂程度可想而知,而且一旦出现芯片级的损坏几乎不可能完整修复,整个CPU就此报废。但是想象一下有那么一天,如果芯片具有自我修复能力,就像科幻电影《终结者》中的机器人,手机或电脑里的芯片在受伤后可以几乎瞬间恢复如初,那生活将会发生哪些改变?

  美国的科研小组以及加州的理工学院相继研制出了这种自我修复芯片系统,在电路瘫痪时可以进行自我修复,从而避免整个CPU的报废。实在让业内叹为观止。 

  美国Illinois大学研究小组自我修复芯片系统

  该自我修复芯片系统是由美国航空工程师Scott White和Nancy Sottos领导的研究小组研发的。由于航空航天领域的特殊性,对于坏死芯片的更换十分困难,因此自我修复芯片的研制十分必要。

  研究小组成员称,自我修复芯片使得系统简单化,重建或是重新更换芯片都没有自我修复来的简单。自我修复芯片采用的特殊材料能够自行解决一些问题,比不需要人为干预,而且十分迅速。

  eFuse

  IBM于2004年就已经开展关于自我修复芯片的研究,当时IBM的芯片自我修复技术名为eFuse,该技术能使芯片对自身进行监控、调节和修复。eFuse技术的原理就是在设计之初每一块芯片上增加了大量的微电溶丝,微电溶丝可以改变电路的电压或者提高和减缓速度,以适应任务的需要。

  由于芯片在电子设备中的重要性,一个细小的毛病都会使得整个设备,例如个人电脑,服务器蒙受巨大损失甚至瘫痪宕机。

  电子设备发展到今天,小小芯片集成了数亿晶体管,集成电路的复杂程度与密度都使得难以进行人工维修,往往是一个微小的电路瘫痪,就会使得整个CPU丧失功能,数亿晶体管从此报废。

  自我修复芯片实现的原理

  Sottos说到,对于芯片的人工维修,没有多大空间,通常情况下,你都不能进入芯片内部一看究竟,任何一个集成的微小电路的坏死都是十分致命的,你只能更换整个芯片。

  在多数电子设备中,更新换代的频率十分迅速,带来的是电子垃圾的问题日益严重。但是在一些重要的特殊领域,例如用于航空航天领域的设备或是军方领域的设备,更换或是维修设备都是十分困难的。

 

  自我修复电路整个过程

  Illinois的研究小组研发了自我修复材料的系统,并且打算将这些技术应用到导电系统中。

 

  自我修复电路

  Sottos领导的小组将自我修复材料的细小的胶囊(Capsules)颗粒放置在电路上,当原有电路被损坏时,胶囊颗粒也同时被击穿,里面的液态金属流出修复电路,整个电路又重新正常工作。研究小组声称90%的样品恢复到损坏前的导电性的99%。

 

  自我修复胶囊颗粒

  在一个航天器中,尤其是基地型的空间站,数亿万计的数以千计的导线,人们不知道什么时候电路坏死,然而自我修复的能力能及时解决问题,而且这一修复过程是在我们对其中的电路损坏不知情的情况下完成的。

  加州理工学院的神奇集成电路技术

  加州理工学院的工程师们开发的堪称神奇的集成电路技术,不但能让芯片实现自我修复,甚至连极光轰击都无所畏惧。这在以往还是从没有过的。

  加州理工用功率放大芯片做原型展示了这种技术。这些芯片极其微小,76个放在一起才和一枚硬币差不多。为了加大难度,开发团队特意用高能激光束从不同角度多次轰击这些芯片,然后看着它们在不到一秒钟的时间里就自动修复了。

 

  这种特殊芯片里有专门的电路和传感器,其中传感器随时检测芯片的温度、电流、电压、功耗,并将这些信息汇聚到定制的专用集成电路(ASIC)里,由其分析芯片的整体状况,可在几毫秒的时间里决定是否需要以及如何进行修复。

  芯片做出反应所依据的算法并没有罗列每一种可能的状况如何应对,而是根据传感器的累积反馈来得出结论,相当于有了一定的自我学习能力。研究人员解释说,因为芯片里有10多万个晶体管,谁也不知道哪里会出错,也不可能知道,所以他们设计了这种通用处理方式,而且无需外界干预。这显然是明智的,毕竟现在的高端芯片已经动辄几十亿个晶体管,不可能遍数纠错。 

  在观察了20多种不同芯片组之后,研究人员发现带有自我修复能力的放大器所消耗的能量只有无此能力芯片的一半,而整体性能是差不多的。

  这样的发明带来的结果就是,或许有一天,我们再也不用担心自己的电子设备会轻易报废了,就算坏了也不需要找人修理了。

  更多精彩点击阅读【专题】OFweek电子工程网2014年度盘点

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