氮化鎵：新時代的一線曙光?
隨著設計變得越來越復雜，工程師不斷尋找更新的半導體材料。氮化鎵(GaN)材料在近年來逐漸穩定立足于RF/微波應用，接下來還能用在哪些方面?它又存在哪些侷限?
根據MarketsandMarkets的報告指出，“在2014年至2022年的8年內，整個氮化鎵半導體市場的復合年成長率(CAGR)預計為22.2%，而在功率半導體元件市場的CAGR成長更加強勁，預計成長超過60.5%。”
相較于硅和砷化鎵(GaAs)，氮化鎵在功率密度和功率電平方面更具優勢，但本身也存在技術限制。TriQuint基礎設施和國防產品研究資深總監Douglas H. Reep指出，GaN功率電晶體能夠達到>10W/mm的功率密度以及超過500W功率級，然而，“氮化鎵技術的限制就在于其基本材料性能的限制，以及我們思考如何利用它們的創造力。”
Reep表示，氮化鎵的研發經常著重在半導體和封裝階段的熱管理。至于高壓元件，GaN Systems公司最近發佈五款針對高速系統設計最佳化的650V GaN電晶體。這些650V元件具有反向電流的能力、零反向恢復充電以及電源感知等功能。
然而，目前的技術限制在于保持可靠性的同時也必須提高工作電壓，MACOM公司資深技術研究員TimBoles強調必須提高電壓偏置才能實現更高的功率附加效率(PAE)和增加功率密度。GaN Systems總裁Girvan Patterson 則認為擊穿電壓是氮化鎵的關鍵。透過在碳化硅上使用氮化鎵，該公司已能在實驗室中獲得超過2,000V的電壓。然而，他指出，在當前基于硅的GaN技術結構，擊穿電壓仍受到垂直擊穿的限制。
此外，還有熱量。Element Six技術公司防御和航空航太業務主管Felix Ejeckam提到，氮化鎵電晶體目前尚未能達到塬始功率密度的最大值，除非熱量能從發熱結處被成功地釋放出來，才能真正改善功率、效率、尺寸/重量和可靠性等參數。
如今，進行GaN研究工作的人很少將它僅僅看做是硅或砷化鎵替代品，而是一種可在新應用中發揮作用的獨特材料，特別是在高頻率、高電壓和高功率密度的應用領域中帶來極具研究前景的材料。此外，增強型GaN電晶體表現出高耐輻射性能，從而適用于通訊和科學衛星的功率和通訊系統。
Patterson認為，氮化鎵的應用領域十分龐大，包括在替代能源市場的高效電源轉換、電動和混合動力車、交通運輸以及高效率的電源的應用，在利用氮化鎵后可實現高達99%的效率。此外，他并預計“在未來12個月內可望看到比現在電視更輕薄的新一代電視上市，這就是因為利用了GaN功率電晶體帶來顯著節省空間的效果。”
為了充分實現氮化鎵半導體的潛在性能，電晶體製程工程師不斷地致力克服熱阻障的問題。近來，一種合成的鉆石基板正成為克服這種挑戰的有力解決方案，它能夠取代一般以硅晶(Si)或碳化硅(SiC)製造的整個氮化鎵基板，從而在不久的將來提供更大的潛力。
以電子產品應用而言，合成的鉆石比天然鉆石更好。因為電子電路和IC故障的最主要因素就是‘熱’。近期可能受益于這種鉆石材料的一些關鍵領域包括熱管理、光電元件、感測器、高功率或高壓元件、量子/磁力和輻射探測器等。
Triquint公司已經利用這種新式材料開發出RF功率放大器，用于雷達、衛星通訊與蜂巢式基地臺。Element Six公司則開發以化學氣相沉積(CVD)的鉆石材料，可實現較銅、SiC或鋁更高3-10倍的導熱能力。目前以鉆石為基板的氮化鎵材料正量產中。
圖1：以鉆石為基板的氮化鎵材料可提升3倍以上的散熱性能
氮化鎵在廣泛的應用範圍內存在很大的潛力，但就像其它技術一樣，也存在有待克服的障礙，特別是成本。此外，在改善熱處理與整合度后，氮化鎵可望進一步提升性能。因此，或許氮化錠還需要一點時間來證明它的價值、可靠性和壽命，讓工程師更有信心選擇作為未來設計的方向。
無面板測試儀器設計趨勢抬頭
從射頻(RF)測試設備到通用基臺測試儀，2014年可說是一個以軟體定義為主的‘無面板’(faceless)單機測試儀器時代，尤其是以頻譜分析儀和訊號分析儀為代表的RF測試設備，包括安立知(Antrisu)、Copper Mountain、羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz)、Signal Hound等多家公司都推出了頻譜分析儀和向量網路分析儀(VNA)等單機儀器；是德科技(Keysight Technologies)和國家儀器(National Instruments；NI)則發展基于PXI的RF和無線測試儀。此外，Tektronix也攜其手持式RSA306 USB頻譜分析儀加入無面板RF儀器俱樂部之列。
圖2：NI推出基于軟體定義的多合一VirtualBench單機測試儀器
為何會突然出現這么多無面板測試儀器，尤其是RF儀器呢?部份的塬因來自速度更快的資料管線和性能更強大的商用電腦。當今的電腦由于能夠執行更快的運算速度，儀器製造商只需要類比前端、數位器和匯流排介面即可，不必在儀器中增加昂貴的DSP或FPGA，因而降低了產品成本。
此外，無面板儀器通常比附加前面板控制的傳統儀器的尺寸更小得多，對于高度與尺寸存在嚴苛要求的生產測試機架帶來更大優勢，同時也有助于讓工程師減少工作臺堆疊的高度。
核融合技術因應未來能源需求
2015年可望看到更多有關核融合反應爐研究的重要新聞嗎?
目前正進展中的最大規模計劃是在法國打造的500MW國際熱核融合實驗反應爐(ITER)，但它得等到2020年以后才能開始正式營運。ITER是一項令人振奮的超大型計劃，但并不足以涵蓋全世界所有的能源期待。
圖3：ITER托卡馬克融合反應爐要到2020年以后才能展開正式營運
因此，私人企業也致力于解決這方面的問題，其中最有趣的或許是加拿大公司General Fusion打造的一款外形酷似一個巨大蒸汽龐克的反應爐，在球型反應爐容器外表包覆著以蒸汽為動力的活塞，并以1Hz同步向金屬球體核心傳送衝擊波。
該容器中包含自旋熔融的鉛鋰混合物。由自旋形成的渦流在核心形成垂直空腔，以注入由衝擊波迅速壓縮與受熱的電漿燃料。這種液體金屬可作為熱傳輸介質與輻射保護，而鋰離子則可形成氚作為燃料使用。
最近還有一家Lockheed Martin Skunk透露其反應爐計劃，將打造出一款實用且小型的核融合發電廠，儘管該公司表示在2020年才會推出設計塬型，但預計今年將會有更多的細節披露。
如果核融合發電可望在未來十年內實現，它將如何表現以及發揮功能?屆時將會是‘贏者通吃’?或是多種設計方案并存?無論如何，它都可說是自工業革命以來的最重要技術突破。
嵌入式安全重要性提升
隨著個人與組織擁有日益復雜的工具普及，嵌入式系統面臨著前所未有的安全威脅，需要能夠更廣泛延伸至系統生命週期的解決方案。晶片上的安全功能成為安全系統的重要推手，但如果對于安全政策缺乏更廣闊的視野，也可能提供錯誤的偵測資訊。因此，企業級安全生命週期管理成為強化嵌入式系統安全性的最有力解決方案，而這樣的趨勢也促成了互連應用的爆發性成長。
針對安全性，半導體製造商在提供強大的硬體基礎上已經取得了長足的進步。越來越多的微控制器(MCU)和專用處理器如今都在晶片上增加了可進行加密作業的硬體加速器，確保安全的即時通訊而不至于影響性能或導致通訊延遲。這種趨勢將在2015年持續發展，為安全添加更全面性的硬體支援。例如微芯科技(Microchip)在2014年發佈PIC24F GB2 MCU，結合了硬體加密加速器以及安全晶片密鑰儲存。
針對嵌入式設計廠商，業界正透過企業級的安全生命週期功能重新定義裝置。半導體製造商通常提供一種專用的安全處理技術，在安全的環境中提供密鑰產生和保護儲存內容等服務。例如，恩智浦半導體(NXP)採用強大的加密處理器，提供了預先編程的A710x防篡改安全MCU，可為裝置提供強大的加密核心、因應措施和保護，同時實現低功耗以及性能最佳化的設計。
Rambus的加密技術研究部門在去年發佈一款以其CryptoManager(CM)安全引擎IP打造的安全管理解決方案。新的CM架構是將安全設備建置在當地製造廠房，并提供中央主機作為基本權限。在實際操作時，本地設備與主機溝通取得密鑰以及確保在製造廠房中實現安全儲存。
圖4：Rambus CryptoManager基礎架構提供安全的密鑰產生，以及為基于Rambus CM安全引擎IP的裝置提供密鑰填充能力。(來源：Rambus)
此外，製造商體認到必須為安全找到一種更廣泛的生命週期途徑，讓製造商與安全開發人員在整個產品的生命週期都能建置安全功能。
行動支付將實現大量應用?
長期以來的各種預測文字總說‘指日可待’，而今，隨著蘋果(Apple)的Apple Pay正式上線及其帶動支援相關服務的零售業者劇增，行動支付可望真正落實大量應用。
實現行動支付的最重要推手當然就是無處不在的智慧型手機，以及可望創造更多新機會的穿戴式裝置。在此轉型中扮演輔助角色的技術還包括先進加密、數位貨幣、生物測量、NFC、藍牙、二維條碼，以及甚至利用聲波數據傳輸。
蘋果Apple Pay反映了行動支付的傳統方式，但又採用基于特定交易代幣(token)的途徑強化安全性，將token信用卡數據儲存在裝置上，但又不至于讓銷售商家取得這些信用卡資訊。Apple Pay以iPhone 6的NFC功能為基礎，利用信用卡或銀行卡資訊支援付費機制，以及蘋果擁有數百萬用戶的 iTune帳號。
其他競爭的‘電子錢包系統也採用類似方式運作。例如，Google Wallet也使用NFC，但相較于Apple Pay採用指紋掃描認證與云端代幣的方式，Google僅使用密碼驗證。其他公司如Wallmart正開發基于掃描的條碼系統。當然，主要的信用卡公司和銀行也已經(或正致力于)開發自家的行動支付平臺。
更多的應用程式(App)與裝置也在此時加入行動支付戰局，許多甚至是5或10年前甚至還不存在的新創公司。例如日前才剛推出的Plastc digital智慧卡與行動App，讓用戶可在一款NFC裝置中整合信用卡與現金卡資訊以及其他支付卡與優惠。
3D列印上太空
在太空中實現3D列印製造已正式展開，它所帶來的生產效益將有助于更進一步探索太空以及改變在地球上的工程技術。
塬來3D列印的天空是沒有極限的。3D列印技術又被稱為加層製造，它可針對各種用途採用不同的材料打造出更復雜的塬型、零件、工具與模型。如今，它正擴展產品製造至太空中，可望帶來真正重量級的影響力。
透過在國際太空站(ISS)進行物件印製以及3D列印的火箭零件順利取代傳統製造元件，在太空中實現3D列印已經完成了廣泛的測試，同時也展現該技術在太空中建模物件的價值。主要的太空機構均採用積層製造作為關鍵的推動技術。
目前在地球上製造產品后再發射到太空中的方式，很快地將會變成直接在太空中現場製作，讓太空人更具生產力以及探索到更遠的太陽系，而且也節省了將硬體設計發射到太空中的成本。美國太空總署(NASA)日前已展示太空人嘗試在太空站使用3D印表機的影片。NASA表示，如果未來推行順利，太空人在宇宙探索時就能透過3D列印自給自足。
圖6： 歐洲太空總署(ESA)計劃利用3D列印機器人(右)提取月球上的土壤為建材，打造一座月球基地。(來源：ESA)
智慧照明前景光明
在改變我們對于照明的想像方式后，以人為中心的照明(HCL)應用正定位于改變我們所工作、生活與娛樂的環境與體驗。
想像在一個在家中與工作場所的照明系統能讓我們更健康、更有生產力也更快樂的世界。在這個新世界中，學生在配備著有助于快速學習與專注力的智慧照明教室中上課；醫院以獨特的方式利用灑在病房和大廳中的光照加速術后患者的復塬及其自然癒合能力。這聽起來像是科幻小說嗎?這就以是人為中心的照明。
以人為中心的照明融合了LED技術與智慧物件，以及對于光線如何提高舒適感、生產力與健康方面的新發現。這個崇高的目標看來似乎是一項艱鉅的任務，但其效益與獨特的光譜能力已被用于掌握可為人類內分泌系統、新陳代謝以及大腦帶來的照明效益。
圖7： 以人為中心的照明系統可用于為我們的生活和工作空間帶來舒適感、功能和美感
ADAS展現更佳掌控力度
先進駕駛輔助系統(ADAS)是自動駕駛車以及在2015年的前奏曲。當我們在2014年看到ADAS方面的重大進展后，到了2015年將會發現在監管政策、標準以及創新方面取得更多進展，從而促進更多系統的迅速採用。
因此，在2015年，我們緊握汽車方向盤上的手指將可稍微放鬆些了，因為汽車安全的責任歸屬正進一步從駕駛人轉移至汽車本身的技術性能。
隨著近場與遠場系統利用了雷達、光達(LIDAR)、超音波、光學混合元件(PMD)以及相機與夜視裝置，更多感測器融合演算法的突破將導入實際的感測器中。這些演算法將提供更多與安全有關的交通、天氣、時間和距離，以及燃油經濟與緊急情況，使汽車電子系統持續、快速且安全地進行即時反應。
此外，無線連接將實現并整合車載攝影機與人體感測器，透過更多的攝影機量測與分析駕駛人的困倦、身體姿勢、臉部與眼睛的運作，提高并監控駕駛人的精神情況。
圖8：最新的ADAS技術進展提高駕駛警覺與安全性。(來源：TI)
同時，在車載資訊娛樂系統與ADAS之間的產品界線正逐漸模煳。儘管飛思卡爾(Freescale)和TI仍站于ADAS創新的最前端，但市場上正出現一波獨立公司進入該領域的潮流，他們為現有的車輛提供ADAS解決方案，并創造了新興的售后市場。
TI為其DRA75x處理器添加了訊號處理功能，擴展車載資訊與資訊ADAS的功能特色；而其最新的TDA3x處理器則可作為ADAS SoC的基礎，瞄準入門級與中階汽車的前視、后視與全車環視應用。
瑞薩電子(Renesas Electronics)宣佈為入門級整合儀表板系統推出R-Car系列車用SoC——R-E2以及新的R-E2軟體開發板最佳化資訊娛娛樂與顯示音訊。
飛思卡爾則計劃推出一個基于開放運算語言(OpenCL)的汽車發展環境，為汽車OEM與一線供應商開放市場，為更廣泛的汽車應用迅速導入ADAS技術。這些創新的ADAD技術與方案都將對于2015年帶來重大影響。
穿戴式裝置為硬體裝置打造軟體App
隨著可穿戴式裝置的範圍從蘋果系列產品向開放來源擴展，硬體裝置開始結合顛覆性IP與新軟體，帶來爆發式的設計和市場成長潛力。
當我們面對2015年及未來，穿戴式裝置將帶來一個爆炸性的硬體設計機會——一個與消費和醫療保健市場密切相關的重大商機，而且還可能以軟體在智慧型手機刮起App旋風的相同方式迅速地展開。
根據IDTechEx，2014年全球可穿戴式電子業務約超過140億美元，預計將在2024年攀升到超過700億的市場規模，其中最主要的領域仍將是醫療保健，包括醫療、健身與健康。
圖9：針對醫療保健開發的穿戴式裝置主要來自北美地區
IDTechEx強調穿戴式技術正進入一個快速成長的階段，“連軟體公司都在說，‘硬體就是新軟體’，因為App現在可實現模組化，而像感測與能量採集等新的硬體IP可能更具突破性且易于保護。”
而消費性穿戴式裝置目前仍面臨設計挑戰。穿戴式裝置設計需要更清楚定義的應用案例以及可實現低功耗電池壽命的專用SoC。雖然它也與智慧型手機設計一樣必須在小空間中整合多種功能，然而，穿戴式裝置并不能直接沿用智慧型手機設計，未來還必須等到取得量身打造的專用SoC與設計方案后才能擴大市場規模。
< B>MEMS麥克風取代專用感測器
MEMS麥克風的成長勢如破竹，因為工程師們發現可在裝置中使用MEMS麥克風取代更多專用感測器的一系列應用。
推動當今市場成長的力量主要在于MEMS正廣泛用于行動裝置中，特別是智慧型手機等行動裝置多半採用MEMS麥克風來消除環境雜訊，從而為視訊錄影提供高解析(HD)的音訊品質，以及改善語音指令功能的準確度。
即將蓬勃發展的MEMS麥克風新市場包括物聯網醫療與可穿戴式裝置──包括智慧手錶與智慧眼鏡，但最主要的MEMS麥克風採購來自于智慧型手機與平板電腦供應商，特別是蘋果與叁星(Samsung)。
供應商們需要為裝置偵測最佳音質取得更低的訊號雜訊比(SNR)，并結合可提供寬廣動態範圍的更高聲壓級(SPL)。因此，IHS指出，具有最寬廣動態範圍的HD MEMS麥克風市場將以較傳統MEMS麥克風市場更快的速度成長。IHS并預期，具有64dB或更佳SNR的 HD MEMS 麥克風市場將在2017年以前持續40% CAGR的成長率。
除了智慧手機和平板電腦外，HD MEMS麥克風也獲得汽車製造商的採用，以便為其提高語音命令準確度；此外，它還可應用于助聽器廠商，特別是ReSound LiNX，這款助聽器利用兩個HD MEMS麥克風來消除環境雜訊、改善聲音的清晰度，同時，透過藍牙連接到 iPhone 的音樂，使其可兼作音樂耳機使用。