美国专用集成电路研发的新成果
（一）研制电子信息领域的专用芯片
1．开发计算机设备方面的专用芯片
⑵拟用DNA研制功能更强大的微处理芯片。2009年8月16日，美国IBM公司阿尔马登研究中心主管斯派克·拉亚恩领导，加州理工学院研究人员参与的一个研究小组，在《自然·纳米技术》杂志上发表研究成果称，他们准备利用DNA制造下一代更小、功能更强大的微处理芯片。众所周知，微处理芯片广泛应用于计算机、手机和其他电子设备。
目前，芯片制造商，正在争先恐后研制更小、更便宜的产品，思量着如何降低芯片的成本。然而， IBM公司却另辟蹊径，宣布与高校研究人员一起，试图在人工DNA纳米结构组成的廉价架构上，制造微处理芯片。
研究证明，DNA分子能够“自我组装”，溶解成细小的正方形、三角形和星形结构。IBM的研究人员利用了这一点，找到方法在这些结构上制造特殊的有粘性的点，这些点可以将碳纳米管、纳米线和纳米粒子紧密联结起来，形成微电路。
拉亚恩表示，这是半导体行业中首次利用生物分子来处理数据，这表明，DNA之类的生物结构，实际上提供了一些循环重复的模式，半导体行业可以利用这一点。
目前，芯片越小，设备越贵。拉亚恩表示，如果人工DNA纳米架构能够批量生产，那么，芯片制造商完全可以摒弃上亿美元的复杂制造工具，转而使用不足100万美元的、基于DNA的溶解和加热设备。
不过，拉亚恩表示，这种新型芯片至少要10年后才可能面世，即使公司开始采用人工DNA 纳米结构来搭建框架，这些框架比传统工具搭建出来的小很多，但这项技术仍然需要多年的实验和测试。
⑵用木材制成可降解计算机芯片。2015年5月26日，美国威斯康星大学麦迪逊分校，电气和计算机工程系教授马振强领导的研究团队，在《自然·通讯》杂志上发表论文认为，电子产品通常由不可再生、不可生物降解并可能有毒的物质制成，其更新换代速度之快，带来的是日益沉重的环境负担。为此，他们与美国农业部林产品实验室合作，拿出了令人吃惊的解决方案：一个几乎全部由木材制成的半导体芯片。
研究人员在论文中，描述了这一新器件。证实用由木材制成的柔性可降解材料即纤维素纳米纤维(CNF)，作为计算机芯片基底的可行性。
马振强说：“芯片的大部分材料就是基底，其他材料我们只用了不到几微米。现在芯片很安全了，你可以把它们丢弃到森林里，让真菌去降解。它们变得和肥料一样安全。”
农业部林产品实验室，工程复合材料科学研究组项目负责人蔡智勇，自2009年以来就在研发环保纳米材料。他说：“如果你将一棵大树砍成一丝丝纤维，得到的最常见产品是普通纸张。这时纤维的尺寸，是微米级。但如果我们能够进一步将其分解到纳米级呢？在这样尺度下，就可以制造出非常坚固、透明的纤维素纳米纤维纸。”
蔡智勇研究小组与麦迪逊分校生物医学工程教授龚绍勤合作，攻克了将木材衍生材料用于电子器件的两个主要障碍：表面光滑度和热膨胀。他们在纤维素纳米纤维表面，覆上环氧树脂涂层，同时解决了光滑度和防潮问题。
龚绍勤说：“与多为石油基的其他聚合物相比，纤维素纳米纤维的优势在于，它是一种生物基材料，是可持续、生物相容和可生物降解的。而且，纤维素纳米纤维的热膨胀系数，相对于其他聚合物来说更低。”
新型芯片的性能与现有芯片类似，但制造工艺更为环保。目前，大多数无线设备都使用砷化镓基微波芯片，新工艺可以大大减少这种昂贵且危害环境的物质的使用。论文合著者、麦迪逊分校电气和计算机工程系研究生郑伊焕说：“我在一个5毫米×6毫米的芯片上，集成了1500个砷化镓晶体管，通常一个这样尺寸的微波芯片上只有8到40个晶体管。我们用确定装配技术，将设计与纤维素纳米纤维结合在了一起，我们也将它用在任何想要的地方，制成一个完全功能性的电路，性能堪比现有芯片。”
马振强则表示：“大规模生产目前的半导体芯片成本相当低，行业可能还需要一段时间来适应我们的设计。但是，柔性电子产品代表了未来，我相信我们会遥遥领先。”
研究人员简要描述了纤维素纳米纤维纸的循环过程示意图：从木材中提取并制成的纤维素纳米纤维纸，经过真菌降解后，又重新回到森林，不会造成负面的环境影响。
2．研发广播电视方面的专用芯片
开发出实现手机和电视融合的电视芯片。2004年11月，德州仪器宣布，它已经成功地开发出第一款用于手机设备的数字电视芯片，德州仪器将其命名为“好莱坞”。
这款好莱坞电视芯片，成功地把现在的两大消费电子设备融合在一起：电视和手机。据悉，这一数字电视芯片，使得手机能够接受到每秒24～30帧的电视广播节目，它整合了电视调谐、信号解调以及信道译码的功能。这款电视芯片子，将使手机用户体验到数字化高质量的实时电视节目。
德州仪器打算在2006年为其客户提供样品，因此第一款采用该芯片的手机样品，不会早于2007年。这使得业内有足够的时间，来开发针对手机用户的电视节目内容和部署网络设施。
在手机电视领域，全球的标准很可能不只一个。据悉，德州仪器的电视芯片，能同时支持欧洲的数字视频广播标准(DVB)，以及日本的集成业务数字广播标准(ISDB)。
3．研制网络通信方面的专用芯片
⑴开发功能更佳更安全的新一代通信芯片。2004年12月，有关媒体报道，美国英特尔公司和美国电话电报公司自2003年联手，开始共同开发新一代芯片，近日，新的芯片即将问世。
这种芯片，把英特尔公司的计算能力，与电话电报公司在通信业务方面的经验结合在一起，目的是使用户在打电话、无线宽频通信、召开远程会议及收发电子邮件等方面，更方便、更便宜。英特尔和电话电报公司称，新的芯片能完成上述所有电信服务，有可能改变未来10年或20年通信领域的面貌。
在宽频通信方面，电话电报公司正帮助英特尔，研发称为无线城域网（WiMax）的无线网络通信技术芯片，这种芯片可使计算机用户，同远在48公里处的无线城域网塔站实现无线宽带互连，从而使用户在通信时有多种选择：可以从电话公司或电缆公司购买无线城域网的无线服务，或者购买有线宽带服务。
在电话通信方面，两家公司共同研发的芯片，能使通过计算机打互联网电话的音质，与传统电话声质相媲美。这意味着，电话费将大幅度降低，并可通过计算机召开远程会议。
在计算机安全方面，现在的计算机安全，主要依赖于计算机内部软件，因此必须不断采用“补丁”来保证计算机的安全。电话电报公司的技术则可不让病毒进入计算机，因此，装有这种芯片的计算机，可借助于该公司的技术而得到保护。
⑵研制成世界最复杂的通信用硅相控阵芯片。2007年11月，加州大学圣迭戈分校研制出世界上最复杂的“相控阵”——射频集成电路。这项由美国国防部高级研究计划局资助的研究成果，将使应用于毫米波军用传感器和通信系统的新一代相控阵天线，在体积、重量、性能和成本方面取得突破。
项目负责人称，这是第一个可在Q波段，即40吉赫兹～50吉赫兹，发射信号的16阵列相控阵芯片，阵元之间的均匀性和低耦合性，以及耗电之低、体积之小（仅3.2×2.6平方毫米）都是前所未有的，作为一个完整系统，该芯片创造了多个第一。
相控阵芯片最昂贵的部分是16∶1分频器、移相器、振幅控制器以及信道间的一致性和隔离性。该芯片则包含了相控阵芯片完整数字控制所必需的所有CMOS数字电路，而且使用的是JazzSBC18HX商用处理器，因此大大降低了制造相控阵芯片的复杂性。
如果把工作频段，从军用卫星通信的Q波段扩展到24吉赫兹或60吉赫兹，采用同样技术设计开发的芯片，就可以用于商业地面通信，例如可直接接收宽频电视的汽车卫星系统以及高速无线数据传输。
在英特尔公司的资助下，研究人员正在开发的硅CMOS相控阵芯片，将可嵌入笔记本电脑用作高速数据传输的工具。
研究人员称，目前设计开发的还只是一个发射机芯片，但在此基础上3年内就可设计开发出接收机芯片，到时将实现在很短时间里快速传输数百吉赫兹的数据。
⑶研制出超高速新型无线传输芯片。2012年5月25日，美国物理学家组织网报道，新加坡南洋理工大学和新加坡科学技术研究局信息通信研究所，联合开发的超高速无线传输芯片，传输速度最高可达每秒2GB，每秒可传输250M的内容，是蓝牙传输速度的1000倍。
有了这种超高速无线传输芯片，不需要任何线缆，打一下响指的时间，就能完成250M文件的拷贝，等30多秒就能将一部8G的全高清电影，下载到自己的电脑里。
这种新型无线芯片，采用无线毫米波技术，能用非常小的功率传输大量信息。这使得智能手机、平板电脑、投影仪、电视机之间，可直接通过无线方式收发数据，而无需使用电缆。领导这项研究的，是南洋理工大学电气与电子工程学院首席研究员杨杰圣教授。他说，移动互联网和超高速无线网络的发展对设备间无线传输速度提出了更高的要求，但此前由于技术障碍，该难题一直未能得到很好的解决。
研究人员称，这种芯片被命名为“VIRTUS”，主要由天线、射频收发器和基带处理器三部分组成。天线直接与收发器相连，射频收发器负责过滤和放大信号，基带处理器则会对信号进行进一步的处理。该处理器包括非线性模拟信号处理、独特的数字并行处理和解码器架构，是该芯片能保持较低功耗的关键所在。该研究小组首次成功将这几个部分集成在一起，制成了一个60GHz（吉赫，相当于10万赫兹）的低功率芯片组，这不但让无线高清视频成为了现实，也使其距商业化应用更近了一步。
杨杰圣表示，这一技术的使用范围极为广泛，在无线展示、移动分布式计算机、高清晰视频流、多用户实时互动游戏等方面都极具潜力，他们已与几家公司达成了合作协议，以使其尽早进入市场。
⑷研制出具备快速无线上网功能的伸展型集成电路。2016年6月1日，每日科学网报道，美国威斯康星大学麦迪逊分校，电子和计算机工程教授马振强领导的一个研究团队，在《先进功能材料》杂志上发表研究成果称，他们近日研制出全球运行速度最快的伸展型可穿戴集成电路，有望推动整个物联网，甚至互联程度更高的高速无线网络的发展。
这种可伸展集成电路功能强大的主要原因，在于其独特的结构。受到双绞线电话电缆的启发，它由两个超纤细输电线路，以重复的S形曲线交错组成，其曲折的形状就像3D迷宫一样，能让传输线拥有拉伸能力且不影响其性能，也不受外部干扰，同时还能将流经的电磁波限制在其中，几乎完全消除了电流损失。
目前，该研究团队研制出的可伸展集成电路，能在40GHz以上的无线电频率下工作。与其他宽度高达64毫米可伸展传输线不同的是，这种集成电路厚度仅为0.25毫米，“娇小纤细”的体型，使其在表皮电子系统或其他应用领域表现出色。过去十年间，该研究团队一直在研制此类晶体管有源器件，最新研究结合了高频和柔性电子设备领域的相关技术。
马振强说：“我们找到了把高频晶体管，整合进能无线上网电路中的方法，这一平台有望应用于多个领域。”
近年来，轻盈便捷、功能多样的可穿戴电子设备“你方唱罢我登场”，源源不断涌入消费市场，从监测生命体征到为其他电子设备充电甚至净化空气，几乎都能无线联网。研究人员表示，对于那些千方百计希望拓展可穿戴电子设备潜能和应用领域的制造商来说，这项最新研制的电路是一个好平台，有望用于能黏贴在皮肤上的可穿戴电子设备内。由于具备快速无线上网功能，该电路也可使健康护理人员对病人进行远程监控，或用于新一代无线宽带技术5G设备内。
（二）专用集成电路研发的其他新成果
1．研制医疗健康方面的专用芯片
⑴发明瘫痪病人用脑力来控制行为的芯片。2004年3月，有关媒体报道说，把大脑与电脑联机让脑力来运作实物，这是许多科幻小说里的情节。近年来，美国的神经系统专家及芯片研究专家，潜心于这个领域的研究。2004年3月初，已经有了重大的突破。专家们计划在5月间就五位四肢瘫痪的人进行实验。
美国布朗大学神经科学研究部门的主任约翰·唐纳休，自从20世纪80年代初期，就开始研究，以电波刺激老鼠和猴子的脑前列皮质层，看身体肌肉做出的反应，并据此研究如何结合脑神经细胞和电脑，运作意志力。
他把研究成果带出校园，并与生产微电级芯片的科学家合作，开发出辅助神经细胞的芯片。他们计划在2004年5月间进行实验，一个连结电脑的芯片，将被植入四肢瘫痪的人头颅内，这些四肢瘫痪的人将以脑力移动电脑屏幕上的光标。
开发出芯片的公司主管表示，人们对于芯片的效用难免会半信半疑，就像医学界刚推出调整心律的心肌起搏器时一样。
事实上，目前市面上已经有辅助身体不便病人的电波诊疗器材。美敦力公司的神经医学专家开发的舒缓帕金森病情的器材，每年的销售金额高达一亿美元。另外有一家公司开发的，可以降低癫痫病人发作机率的脑波刺激器材，也即将上市。
⑵模拟人脑研制出“神经网格”集成电路。2014年5月，物理学家组织网近日报道，美国斯坦福大学生物工程副教授夸贝纳·波尔翰领导的研究团队，在国际顶级期刊《电气与电子工程师协会会刊》上发表论文称，他们研制出运行速度更快且能效更高的微型芯片，其运行速度为传统个人电脑(PC)的9000倍，且能耗低很多。他们表示，最新研究有望大力推动机器人技术和计算技术的发展，并进一步提升人类对自己大脑的理解。例如，能像人脑快速高效运行的芯片，有望让机械义肢拥有健全肢体的复杂性和反应能力。
人脑其实是一个高效又节能的器官，用又慢又杂乱的神经元，就可以处理一些对世界上最厉害的超级计算机而言都很棘手的问题：理解语言、抽象思考还有控制动作等。而这个比鞋盒还小的人脑，只用了比家里电灯泡还少的能量。人脑的这种高效和节能一方面给予科学家灵感，另外一方面也吸引了科学家进一步探究其秘密的欲望，而模拟人脑的芯片或系统则满足了这两点，从而引无数英雄竞折腰。
该研究团队研制出的“神经网格”集成电路，由16块特制的“神经内核”芯片组成，每块芯片上都有超过65536个“硅神经元”，这些神经元可以通过80个参数进行编程，以模拟不同类型的神经元。这16块芯片携手，能模拟100万个神经元和数十亿个突触连接。它模拟人脑1秒钟的活动，仅需要1秒钟。“神经网格”的大小与一台苹果平板电脑相当，功耗为5瓦，仅相当于一个手机充电器，而其能模拟的神经元和突触，比其他大脑模拟设备多几个数量级。
“神经网格”所具备的高速运行和低能耗的特征，使其成为研究人类大脑的有力工具，除了了解大脑的正常活动，它还可以研究大脑疾病，例如自闭症、精神分裂等，这些疾病用现有的传统技术都很难模拟。有鉴于此，美国国立卫生研究院对这款百万神经细胞模型进行了资助。
现在，波尔翰已经着手进行下一步的研究，降低成本并制造编译软件。编译软件能使不具备神经科学知识的工程师和计算机专家也能用其来解决问题，例如，使用“神经网格”控制类人机器人等。该研究团队正在为残疾病患，研发能被类似“神经内核”芯片控制的义肢。
波尔翰说，目前，“神经网格”电路板上每块芯片的成本约为4万美元。但他相信，使用现代化的制造过程，并大批量制造这种芯片，能将每个“神经内核”的成本降低到1/100；更廉价的硬件和编译软件则可以降低芯片的配置成本，如此一来，就能大大降低“神经网格”的成本，让其有机会在多个领域大展拳脚。
研究人员指出，像人脑一样高速有效运行的芯片，能让义肢拥有健全肢体所具有的复杂性和反应速度。波尔翰预见，未来，一块类似“神经内核”的芯片能被植入残疾人的大脑中，解释人类的运动并将其翻译成命令，指挥义肢。
目前，在波尔翰的实验室内，“神经网格”正在对一个小型义肢进行控制，让其实时执行运动命令。现在看来，这款小型义肢并不起眼，但它的操作杆杠和关节非常简单，这很有可能是未来机器义肢的雏形。
当然，所有这些神经形态学系统，都无法与人脑的复杂性和高效性相比。波尔翰强调称，尽管“神经网格”的能效约为一台模拟100万个神经元的个人电脑的10万倍，但仍然无法与我们的大脑相匹敌。
波尔翰表示:“人脑内神经元的数量是‘神经网格’的8万倍，耗能仅为其三倍。神经形态学领域的工程师们面临的终极挑战就是，规模和能效两不误，也就是说，达到人脑能效的同时，提供更好的可配置性和规模。”
⑶首次对肝脏芯片进行测试。2017年4月18日，《自然》杂志官网报道，美国食品与药物管理局宣布，已经开始对一种肝脏芯片开展一系列测试，检验其能否可靠模拟人类对食品和食源性疾病的生物反应。这是世界上第一次政府官方机构采取行动，确认能否通过芯片器官，获取新药审批认可的实验数据，从而取代动物模型。
这次受试的肝脏芯片来自生物技术公司，由哈佛大学威斯生物研究所研发。这种用柔性半透明材料制成的芯片只有5号电池大小，其支架上分布着各种人体肝脏细胞，一种类似血液的液体系统负责提供养分并排出废物，并模拟细胞外基质、免疫系统成分和机械力等生物环境。
2012年，美国食品与药物管理局、美国国立卫生研究院和美国国防部高级研究计划局，联合启动一项“器官芯片”计划，资助大学和科研机构研发器官芯片，以代替动物进行药物测试。但宣布这次实验的美国食品与药物管理局食品安全部毒理学高级顾问苏珊娜·菲茨帕特里克表示，他们这次测试的并不是药物，而是食品、化妆品和营养补充剂，首先评估肝脏芯片，后续再对肾脏芯片、肺芯片和肠道芯片等开展研究，以获得每种器官芯片对各种产品的处理数据，同时检测食源性病菌对特定器官的影响。
从事肝脏芯片研发的匹兹堡大学毒理学家劳伦斯·维尔内蒂，对美国食品与药物管理局这么快就开始测试器官芯片表示惊讶。他认为这个决定“非常及时”。
动物的代谢与人体代谢在许多方面很不一样，动物试验虽然是很好的模型，但也会产生错误结果。而且动物保护组织在不断施压，希望减少实验中的动物使用，如从2013年开始，欧盟已经严格禁止销售基于动物实验的化妆品。维尔内蒂说：“但人们必须对化妆品进行测试，因此需要找到一种结果稳定的可靠系统来替代。实际上，器官芯片可能就是最好的选择。”
2．开发研究昆虫飞行行为的专用芯片
研制破解蜻蜓飞行控制系统的微型芯片。2011年12月，美国杜克大学电气工程师马特·雷诺兹领导的一个研究小组，在《新科学家》杂志发布消息说，他们专门制造出一种微型芯片，希望以此来破解蜻蜓复杂的飞行控制系统，为今后无人机和其他飞行器的研发提供灵感。
蜻蜓一直以来都是人类眼中的飞行专家：侧飞、倒飞轻而易举，悬停、垂直上下不在话下。在灵活性上，即便是目前最先进的人造飞行器也无法与其相提并论。
雷诺兹说，蜻蜓的翅膀能够让其控制自如地来回穿梭，其自由度和操控性远超过目前所有人造飞行器的机翼。在扑食昆虫时，蜻蜓必须使自己的嘴和猎物保持在一条直线上，快速地水平移动，精准地垂直升降，这完全有赖于其独特的飞行控制能力。
为了弄清这一过程，雷诺兹与霍华德·休斯医学研究所的一个研究小组，专门制造了一种比指甲盖还小的微型芯片。这种芯片的重量只有38毫克，是蜻蜓自重的1/10。微芯片中的电极与蜻蜓神经索中的16条神经相连，从而能够获得蜻蜓飞行控制系统的神经信号。整个芯片附着在蜻蜓的腹部，由于体积小、重量极轻，它并不会对蜻蜓飞行和扑食能力造成干扰。在工作时，芯片通过无线方式获取电力，能够以每秒5兆的速度传输数据，与普通的家庭宽带传输速度相当。
在实验中，研究人员以果蝇为诱饵，测试实验蜻蜓的飞行能力，并以高速摄像机进行拍摄。结合由附着在蜻蜓身上的微型芯片传来的数据，他们就能获得蜻蜓飞行规律及其控制翅膀运动的相关细节。
研究人员称，通过这样的分析，或能破解蜻蜓高超飞行能力的奥秘所在，从而开发出更灵活、敏捷的无人机和飞行器。
3．研制检测甲烷泄漏方面的专用芯片
开发能实时检测油气井甲烷泄漏的微芯片。2017年4月6日，《科学美国人》杂志官网报道，IBM与哈佛大学、普林斯顿大学有关专家联合组成的研究小组，设计出一个5平方毫米的微型传感器芯片，可持续实时检测甲烷排放。
甲烷的升温“潜能”是二氧化碳的25倍，而石油和天然气钻井泄漏成为甲烷排放的主要来源。目前，油气行业通过人工手持红外摄像机来检测甲烷泄漏，这一方法昂贵且低效。美国西南能源公司企业环境项目主管东·约旦说，如果对整个工厂进行气体泄漏检测，需要专门派人用一整天的时间操作这种手动扫描设备。一般而言，公司每季度进行一次整体检测，因此，有些泄漏可能要几个月后才被发现。另外，这种红外摄像机虽对大的泄漏源足够敏感，但对小的泄漏点很容易“视而不见”。
而该研究小组开发的微型芯片，其安装在小硅晶片上的传感器，包含激光和玻璃缆线通道。激光从光缆向空气中发射，当甲烷分子飘过传感器上方时，会吸收特定波长的光线，产生一种独特的特征；芯片将其转化成电信号，再通过绘制光吸收图谱来测算甲烷泄漏量。
石油和天然气公司把这种传感器嵌入井壁或压缩机站周围，光吸收图谱中非常微小的变化数据，可自动发送到IBM的云计算机，结合风力、湍流、适度、温度等复杂动力模型，就能判断甲烷泄漏源。一旦确定，公司可立即派人前去修复。
IBM认知物联网系统和技术经理诺玛·索萨说：“这款芯片的优点是可以提供实时警报，并标记时间和位置等信息。最关键的是，所有芯片都是无线连接”。市场上甲烷检测传感器非常昂贵，规模巨大且需要电力，而新研制的这款不需供电的芯片设计成本较低，每个芯片只要200美元。
