編者按：模擬接口是溝通物理世界與數(shù)字世界的橋梁,。我們能夠通過模擬信號(hào)去處理的信息,，僅為物理世界中存在信息的一萬(wàn)萬(wàn)億分之一,，因此,，社會(huì)需要模擬技術(shù)基礎(chǔ)研究能快速發(fā)展,。

新的傳感技術(shù)成為必需品,，例如聯(lián)動(dòng)傳感（sensing to action）,、模擬“人工智能”平臺(tái),、類腦/神經(jīng)形態(tài)和分層計(jì)算,，以及其他的技術(shù)方向。信息技術(shù)在傳感器上的突破性進(jìn)展是基礎(chǔ)性要求,，例如開發(fā)基于傳感器原始數(shù)據(jù)感知算法以分析環(huán)境或場(chǎng)景,。而類似于模擬“接近計(jì)算”等新計(jì)算模型也是需要重點(diǎn)關(guān)注的研究方向，模擬“接近計(jì)算”類似人腦行為,，在消耗能量與計(jì)算時(shí)間上與輸出精度做折中,。新型模擬技術(shù)將為通信技術(shù)發(fā)展帶來巨大推動(dòng)力。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)行業(yè)而言,，如何收集,、處理、傳輸位于輸入輸出邊界的模擬數(shù)據(jù)十分關(guān)鍵,。此外,，模擬開發(fā)方法學(xué)也需要有跳躍式提升（10倍開發(fā)效率，甚至更高）,，以提高模擬產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)出,，從而能及時(shí)滿足應(yīng)用對(duì)模擬芯片需求的爆炸性增長(zhǎng)?？偠灾?，聯(lián)合研發(fā)以推動(dòng)未來革命性發(fā)展高能效模擬集成電路是必要的，因?yàn)槟M電路對(duì)未來信息技術(shù)的數(shù)據(jù)類型,、工作負(fù)載和應(yīng)用方向都至關(guān)重要,。

模擬芯片技術(shù)的長(zhǎng)期目標(biāo)是在減少能量消耗的同時(shí)增加可操作信息量，從而實(shí)現(xiàn)高效,、實(shí)時(shí)（低延遲）的傳感-模擬-信息通路,，實(shí)際信息壓縮比期望做到10^5（即10萬(wàn)）:1。

在此十年中,，美國(guó)將每年投資6億美元用于研究模擬電子的新方向,。已選優(yōu)先研究的課題羅列如下。

美國(guó)半導(dǎo)體十年計(jì)劃研討會(huì)牽頭制定了“模擬電子新方向”的長(zhǎng)期目標(biāo),，該研討會(huì)由學(xué)術(shù)界,、工業(yè)界和政府實(shí)驗(yàn)室的專家組成?！澳M電子新方向”包含以下五個(gè)研究領(lǐng)域：

模擬信息通信系統(tǒng)（ICT）的基本原理,、挑戰(zhàn)和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)方向

智能傳感器：傳感和致動(dòng)

太赫茲模擬技術(shù)

端側(cè)機(jī)器學(xué)習(xí)中的模擬技術(shù)

模擬設(shè)計(jì)的效率和生產(chǎn)可預(yù)測(cè)性

該文是智能傳感器部分的翻譯，由于編譯人員經(jīng)驗(yàn)尚淺,，不當(dāng)之處,，請(qǐng)多指教。

概述和需求

未來十年,，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,，智能工廠,、智慧城市、智能汽車等“智能社會(huì)”將變成現(xiàn)實(shí),。其核心驅(qū)動(dòng)力包含能源效率,、安全性、生產(chǎn)力,、靈活性,、健康，以及娛樂和個(gè)性化,。為實(shí)現(xiàn)核心驅(qū)動(dòng)因素，需要感知現(xiàn)實(shí)世界并及時(shí)采取適當(dāng)行動(dòng)和有效措施,。絕大多數(shù)傳感器可以從物理社會(huì)中接收模擬輸入信號(hào),。將這些信號(hào)數(shù)字化將會(huì)創(chuàng)建大量的原始數(shù)據(jù)，由于預(yù)計(jì)要部署的傳感器數(shù)量龐大,，數(shù)據(jù)負(fù)載預(yù)計(jì)將以指數(shù)級(jí)的速度增長(zhǎng),。何時(shí)何地如何處理不斷增長(zhǎng)的傳感器應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)，以提取信息,、收集見解,、作出決定以及采取行動(dòng)是亟待解決的問題。

隨著對(duì)視覺信息（安全攝像機(jī),，車輛360攝像頭,，面部識(shí)別等）和高分辨率的需求不斷增加，每個(gè)傳感器的平均數(shù)據(jù)采集率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),。到2032年,，傳感器的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)（圖1.8）估計(jì)將達(dá)到每年1BB =珀字節(jié)= 1027 字節(jié)/年，相當(dāng)于大于 1020 bit / s,。

模擬傳感器數(shù)據(jù)泛濫問題

本級(jí)別的數(shù)據(jù)生成有兩個(gè)關(guān)鍵問題：

1）消化或有效使用傳感器輸出的數(shù)據(jù)建立更加智能的社會(huì),；

2）有效地處理數(shù)據(jù)以采取適當(dāng)行動(dòng)。

消化數(shù)據(jù)（即處理數(shù)據(jù)）的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類在數(shù)據(jù)量,、理解力和及時(shí)性等方面的能力范圍,。當(dāng)前，估計(jì)人類的總數(shù)據(jù)消耗約為 1017 bit / s,，而在接下來的十年中,，預(yù)估數(shù)據(jù)的生成量將超過現(xiàn)在1000倍。預(yù)計(jì)傳感器將以指數(shù)形式增長(zhǎng),，因此需要進(jìn)行機(jī)器處理才能有效利用所部署的傳感器,。

這就導(dǎo)致了處理數(shù)據(jù)采取適當(dāng)行動(dòng)的第二個(gè)問題。如上所述,，那些需要機(jī)器處理的典型數(shù)據(jù)流,，在通信介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù),，并反饋適當(dāng)?shù)男畔⒁圆扇⌒袆?dòng)。在預(yù)計(jì)的數(shù)據(jù)速率（ 1020 位/秒）下,，假設(shè)功耗只有1pJ /位,，則需要100MW。在此半導(dǎo)體十年規(guī)劃中最積極的通信目標(biāo)是大于該級(jí)別100倍（0.1nJ /位）,，僅通信功耗就達(dá)到10GW,。

如果我們要利用模擬傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)期增長(zhǎng)來驅(qū)動(dòng)建設(shè)更智能的社會(huì)，則需要進(jìn)行重大變化,。一個(gè)更加智能的社會(huì),，可以更好地實(shí)時(shí)管理電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和微電網(wǎng)規(guī)模（包括可再生能源動(dòng)態(tài)），以靈活/高效的生產(chǎn)方式提高產(chǎn)量,，并通過跟蹤照明和HVAC（供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)）系統(tǒng)需求提高建筑效率,，而不是通過預(yù)定程序?qū)崿F(xiàn)這些。

解決模擬數(shù)據(jù)泛濫的關(guān)鍵是提高傳感器,、信號(hào)處理和后續(xù)行動(dòng)決策的能力,，盡可能本地化處理，而不是將數(shù)據(jù)傳到遠(yuǎn)端進(jìn)行處理（即到云端）,?！案兄袆?dòng)”的目標(biāo)是優(yōu)化系統(tǒng)分區(qū)，以管理系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,。在電力/能源和成本方面,，為了改善環(huán)境和健康，需要在本地實(shí)際處理數(shù)據(jù)能力與全球性考慮因素之間取得平衡,。為提高決策能力,，需在本地快速?zèng)Q策與較慢的集成學(xué)習(xí)模型之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。

從人體的感覺/處理系統(tǒng)可獲得參考,，人體感知處理系統(tǒng)通過人體的感覺系統(tǒng)產(chǎn)生約10 Mbits / s的速度,，但僅以小于50 bit / s的速度自覺處理比率為200,000 ：1的總體“數(shù)據(jù)信息位”。大腦持續(xù)以較慢的速度在后臺(tái)學(xué)習(xí),，以增強(qiáng)前景中的“感知行動(dòng)”,。因此，我們最初將目標(biāo)定為一個(gè)類似的量度,，以實(shí)現(xiàn)將“數(shù)據(jù)”到可操作“信息位”以100,000：1減少,，或稱之為數(shù)據(jù)減少率（DRR）為100,000：1。

數(shù)據(jù)減少率：DDR = 數(shù)據(jù)位/信息位

這是非常積極的做法,，并且不會(huì)影響所有傳感應(yīng)用的功能,。

傳統(tǒng)的信號(hào)壓縮是不夠的。壓縮通常以原始信號(hào)的重建為目標(biāo)，并保留一些應(yīng)用通用性,。對(duì)于需要重建的情況,，例如視頻和音頻娛樂或用于遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷和手術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)視頻，此解決方案的效果很好,，但僅限于將數(shù)據(jù)縮減10倍至200倍（圖1.9）,。

為了在檢測(cè)信號(hào)中提供檢測(cè)到的“可操作信息”的輸出（模擬或幾個(gè)字節(jié)），需要對(duì)檢測(cè)信號(hào)或“信息”的處理方式進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換,。需要對(duì)關(guān)鍵行動(dòng)目標(biāo)及信號(hào)和相關(guān)的“檢測(cè)熵”有較高的了解——因此具有確定性或健壯性（robustness）,。在經(jīng)典信息理論中，香農(nóng)（Shannon）將“信息熵”度量定義為簡(jiǎn)潔地捕獲任何信息（與原始數(shù)據(jù)相反）所需的絕對(duì)最小存儲(chǔ)量和傳輸量,。此概念被擴(kuò)展到從感測(cè)中檢測(cè)到的采取行動(dòng)所需的最小可操作輸出,。這個(gè)輸出可以是數(shù)據(jù)位（甚至單個(gè)位），也可以是控制驅(qū)動(dòng)的模擬輸出信號(hào),。為了產(chǎn)生可操作的輸出,，需要系統(tǒng)知識(shí)支撐，并考慮對(duì)從傳感器本身,，到模擬信號(hào)處理,，以及可能在模擬和數(shù)字域中的神經(jīng)處理等所有系統(tǒng)組件增加智能,。因此,，正如美國(guó)能源科學(xué)辦公室在2018年發(fā)布的“微電子學(xué)的基本研究需求”報(bào)告中所強(qiáng)調(diào)的那樣，整體協(xié)同設(shè)計(jì)將是必需的,。

還有可能感知更多參數(shù),，尤其是使用更便宜的電子設(shè)備來執(zhí)行光譜分析時(shí)。不同傳感方式（傳感器融合）的組合為更好的系統(tǒng)優(yōu)化,，以及可能更好的傳感能力開辟了可能性,。人類與世界互動(dòng)的方式也頗受矚目，創(chuàng)新可能性很高,，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及類似技術(shù)可能會(huì)為人機(jī)交互創(chuàng)造不同的方式,，而感知行動(dòng)是關(guān)鍵的使能技術(shù)之一。

我們正面臨著傳感器數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)——數(shù)據(jù)泛濫,。當(dāng)前,，海量傳感器數(shù)據(jù)既不容易處理，也不利于傳送,。智能社會(huì)對(duì)傳感器需求實(shí)質(zhì)性增長(zhǎng),，并且越來越多應(yīng)用趨勢(shì)出現(xiàn)，從而增加了傳感器的數(shù)量及其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量,。傳感器數(shù)據(jù)量必須通過智能縮減來降低,，即轉(zhuǎn)向“感知行動(dòng)”模型以傳輸最少的信息位。為了解決這個(gè)問題,，已經(jīng)設(shè)定了平均數(shù)據(jù)減少比率為100,000：1的目標(biāo),。解決這樣一個(gè)積極的目標(biāo)需要進(jìn)行多個(gè)領(lǐng)域的研究,，并已推薦一份初步清單。

宏偉目標(biāo)：實(shí)際壓縮比為 105 ：1的模擬信息壓縮

圖 人體互聯(lián)網(wǎng)和以人為本的計(jì)算（由加州大學(xué)伯克利分校的Jan Rabaey提供）

這是“模擬電子的新軌跡”第二部分,，聚焦于“智能傳感：感知到行動(dòng)”,，與前面的討論直接吻合。以下是受邀專家演講的要點(diǎn)總結(jié),，其后是未來研究重點(diǎn),。

學(xué)術(shù)界的主題演講強(qiáng)調(diào)分布式智能，包括“行動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”,。本地和分布式處理在時(shí)延,、能效、安全性/保密性,、健壯性和自治性方面具有優(yōu)勢(shì),。這是通過人體模型（圖1.10）和其他生物系統(tǒng)突顯出來的，它們是具有多個(gè)反饋路徑的分層但緊密鏈接的控制系統(tǒng),。關(guān)鍵點(diǎn)在于盡可能緩慢地僅發(fā)送所需的信息,，并在可能的情況下在本地進(jìn)行處理。他們?cè)谟懻撝?，舉例說明了早期感測(cè)/處理技術(shù),，以及使用最合適的技術(shù)（模擬，數(shù)字甚至化學(xué)）進(jìn)行處理,?？傮w而言，通信成本很高,，而處理成本（能源等）則要低得多,。

第一位行業(yè)專家討論了移動(dòng)便攜式AR / VR應(yīng)用，該應(yīng)用強(qiáng)調(diào)需要以非常低的功率進(jìn)行本地處理,，并具有多種感應(yīng)方式才能有效,。延遲和幀率對(duì)于需要本地性能的自然人機(jī)界面至關(guān)重要。為滿足產(chǎn)品尺寸與重量的要求而提高集成度一直驅(qū)動(dòng)技術(shù)向前發(fā)展,，除了使用電路板,、柔性板和封裝集成方法，還有三層堆疊傳感器示例（像素+ DRAM +邏輯異質(zhì)集成）,。為滿足更高的強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸與處理的能源成本要求,，系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化是必不可少的。

第二位行業(yè)專家聚焦于“足夠準(zhǔn)確”的傳感方式和信號(hào)處理,，以及組合多個(gè)傳感器以做出可靠的決策和行動(dòng),。此外，傳感器的“主動(dòng)感應(yīng)”和自我校準(zhǔn)可以提供額外的性能和功能（圖1.11）。在工業(yè)/機(jī)器人,、汽車,、基礎(chǔ)設(shè)施和健康/醫(yī)療應(yīng)用中的感知和行動(dòng)具有很高的價(jià)值。他還強(qiáng)調(diào)了傳感器產(chǎn)生的大量“原始數(shù)據(jù)”以及提高行動(dòng)效率必要的信息縮減,。具體示例包括汽車ADAS /自主多傳感器圖像,，其中檢測(cè)到的物體是最終結(jié)果，并且“數(shù)據(jù)”的數(shù)量級(jí)更少,。

下一位來自學(xué)術(shù)界的專家討論了壓縮感測(cè)應(yīng)用的領(lǐng)域,。數(shù)據(jù)可以通過稀疏/壓縮采樣來減少，但是從能耗的角度來看,，用于數(shù)據(jù)重建的后期處理可能會(huì)非常昂貴,。再次利用生物學(xué)，根據(jù)應(yīng)用需要在本地進(jìn)行稀疏處理具有價(jià)值,。他強(qiáng)調(diào)了為未來的感知行動(dòng)應(yīng)用持續(xù)構(gòu)建最佳性能創(chuàng)新的必要性,。

來自工程界的第四位專家介紹了用于物聯(lián)網(wǎng)的高度集成SoC，高集成度對(duì)于小尺寸可穿戴設(shè)備和低功耗是必需的,。他強(qiáng)調(diào),，為節(jié)省功率允許占空比循環(huán)，需要“常開”處理器來為主處理器減輕負(fù)擔(dān),。他再次強(qiáng)調(diào)了針對(duì)該應(yīng)用程序的技術(shù)定制,，其中包括針對(duì)ML（機(jī)器學(xué)習(xí)）的硬件加速器，這些硬件加速器針對(duì)低功耗和物體檢測(cè)或其他功能進(jìn)行了定制,。NVM（虛擬機(jī)）和內(nèi)存中的計(jì)算已被強(qiáng)調(diào)為關(guān)鍵技術(shù)需求,。

最后一位來自學(xué)術(shù)界的專家強(qiáng)調(diào)需要有效和高效的人機(jī)界面在醫(yī)療中的應(yīng)用,。醫(yī)療應(yīng)用對(duì)人機(jī)界面等要求包括本地處理,、低功耗、便攜性和人體兼容性,。學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力是使解決方案?jìng)€(gè)性化和有效的關(guān)鍵能力,。大腦中的“神經(jīng)接口”面臨著非常重大的挑戰(zhàn)，但是入耳式傳感器有機(jī)會(huì)替代探針,，同時(shí)仍提供有效“信息”,。他還提出了將人類生物處理作為改善此類界面和療法的模型。

圖：足夠準(zhǔn)確的有源感應(yīng)和校準(zhǔn)（由德州儀器,，Baher Haroun提供）

圖：常開處理器（由高通,，Rashid Attar提供）

圖 本地及分層智能感應(yīng)

上圖展示了一個(gè)“感知行動(dòng)”系統(tǒng)的概況圖，該系統(tǒng)為以下列出的開放性問題/挑戰(zhàn),，以及以下小節(jié)中的研究需求提供了背景,。開放的問題/挑戰(zhàn)包括：

“萬(wàn)億”傳感器生成冗余和未使用的“數(shù)據(jù)”。

云不是答案。

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