啥?芯片也可以 “聞出味道”了?
近年來，柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展越來越快。隨著可拉伸電子元件的出現(xiàn)，也使智能手表、健身記錄儀，和其他一些可穿戴智能設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)。柔性電子產(chǎn)品通常是將電路布在柔性材料基板(如塑料或紙)上而制成的。
柔性芯片可用于制造成本較低、輕薄、可彎曲、穿戴舒適的設(shè)備。雖然這些特性使它比傳統(tǒng)電子器件更適于某些應(yīng)用，但到目前為止，并不是所有這類的柔性芯片都能獲得最初預(yù)想的性能。
最近，Arm 和 PragmatIC 的研究人員用低成本的柔性芯片制造了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)處理引擎，該引擎可用于構(gòu)建各種有高級(jí)數(shù)據(jù)處理能力的智能設(shè)備。他們發(fā)表在《Nature Electronics》雜志上的論文里，里面詳細(xì)地演示了這一引擎在氣味識(shí)別上的應(yīng)用。
其中研究人員之一的 Emre Ozer 告訴 TechXplore：“Arm 研究院和 PragmatIC 公司有著密切的研發(fā)合作，而后者擁有基于金屬氧化物薄膜晶體管(TFTs)的低成本柔性 IC 制造技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于在低成本柔性基板上制造處理引擎有著巨大的潛力，它能使數(shù)十億件物品變得‘更智能’，而成本只要幾美分，而不是幾美元。”
Ozer 和同事們開發(fā)的 ML 處理引擎可直接連接到傳感器上，這些傳感器可以檢測(cè)與氣味相關(guān)的化學(xué)信息，因此被稱為 “電子鼻”(e-noes)。接著，引擎會(huì)分析這些信息，并試圖確定傳感器捕捉到了什么氣味。
在最近的項(xiàng)目中，Arm 和 PragmatIC 的團(tuán)隊(duì)與曼徹斯特大學(xué)的研究人員進(jìn)行了密切的合作，他們專門開發(fā)基于低成本塑料基板的柔性電子鼻傳感器。而這其中，新的硬連接的 ML 引擎就是該合作的結(jié)果之一。
ML 本征柔性加工引擎(NFPEs)可以在聚酰亞胺基片上制造，用于各種應(yīng)用。來源：Ozer 等人。
Ozer 說：“我們的引擎實(shí)現(xiàn)了一種名為‘單變量貝葉斯特征投票分類器’的 ML 算法。訓(xùn)練完成后 ML 的參數(shù)是固定的，也就是說，在設(shè)備的生命周期中 ML 參數(shù)不會(huì)發(fā)生改變，所以處理引擎都是硬連接的。它由大約 1000 個(gè)柵極組成，這是一種非常節(jié)約資源的設(shè)計(jì)。”
雖然引擎的 ML 參數(shù)固定不能被編程，看上去有些不利，但現(xiàn)在這些引擎的目標(biāo)市場(chǎng)是快速消費(fèi)品 (FMCGs)，這類產(chǎn)品本來就很少需要重新編程。事實(shí)上，生產(chǎn) FMCG 的公司的首要任務(wù)是確保產(chǎn)品能快速、大批量、低成本地生產(chǎn)，因?yàn)樗鼈兒芸炀蜁?huì)被消費(fèi)掉。
而對(duì)于用途，例如可以集成到塑料包裝的材料中，以此來處理包裝食品的氣味。包裝食品往往很快就過期了，而消費(fèi)者購買食品后，包裝和其中的柔性電子元件就會(huì)被扔掉。因此，ML 引擎的生命周期也很短，不需要重新編程。
Ozer 說：“早在 2004 年，通用或可編程處理器就在柔性基板上制造出來了。這些柔性處理器采用低溫多晶硅(LTPS)TFT 技術(shù)開發(fā)，制造成本較高。因此，這項(xiàng)技術(shù)不適合實(shí)現(xiàn)超低成本的電子產(chǎn)品。IMEC 于 2014 年在柔性基板上使用金屬氧化物 TFT 開發(fā)了算術(shù)邏輯單元，但這是一個(gè)算力有限的概念驗(yàn)證原型。”
Ozer 和他的同事們開發(fā)的引擎比過去制造的大多數(shù)可編程的柔性處理器具有更先進(jìn)的功能。事實(shí)上，它是有史以來使用金屬氧化物 TFTs 制造的最復(fù)雜的柔性集成電路(IC)。雖然該引擎僅由大約 1000 個(gè)柵極組成，但其柵極密度大約是基于金屬氧化物 TFT 技術(shù)的其他現(xiàn)有數(shù)字集成電路的 20-45 倍。
在開發(fā)柔性電子產(chǎn)品時(shí)，不同的電子元件(傳感器、能量采集器、處理器等)通常是單獨(dú)制造，最后組合成一個(gè)設(shè)備。然而，迄今為止，將柔性元件集成到一個(gè)單一系統(tǒng)中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比將傳統(tǒng)的電子元件組合起來困難得多。研究人員現(xiàn)在計(jì)劃繼續(xù)測(cè)試他們的引擎與其他組件集成后的性能(比如電子鼻傳感器和數(shù)字接口)。
Ozer 說：“雖然這一研究領(lǐng)域的系統(tǒng)集成還沒有傳統(tǒng)電子領(lǐng)域成熟，但是展望未來，Arm Research 和 PragmatIC 已經(jīng)開始與曼徹斯特大學(xué)合作，將柔性電子鼻傳感器集成到一個(gè)單一的柔性系統(tǒng)中，包括柔性傳感器讀出接口和 ML 引擎。
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