http://phys.org/news/2013-03-caltech-self-healing-electronic-chips.html
March 10, 2013
想像一下，你的智慧型手機或電腦裡的晶片能即時自行修復並保護自己，在數微秒內從不太理想的電池供電到整個電晶體毀損中復原。那聽起來有點像是科幻小說裡的東西，不過，一個位於加州理工學院（Caltech）的工程師團隊，已經開發出史上第一個像這樣的「自癒（self-healing）」集成晶片了。
這個團隊，由加州理工學院工程與應用科學系高速積體電路實驗室的成員組成，已在微小的功率放大器中證明了這種自我療癒的能力。這個放大器非常渺小，事實上 76 個晶片加上自癒所需的所有東西，只要一便士硬幣就能容納。或許，這個實驗中最戲劇性的是，該團隊以高功率雷射轟炸這些晶片，摧毀這些晶片的不同部份，接著他們看到這些晶片在不到一秒鐘的時間內自動形成某種 work-around。
"這套系統首度發揮作用並且自我療癒，真的很不可思議。那感覺像是我們正在見證積體電路演化中的下一個階段，" Ali Hajimiri 表示，加州理工 Thomas G. Myers 電機工程教授。"我們真的轟掉半個放大器，並將許多它的元件（例如電晶體）給蒸發，而它能夠恢復到近乎其理想的表現狀態。"
這個團隊的結果出現在三月號的 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 當中。
直到目前為止，就連單一故障都常常導致整個 IC 晶片變成廢物。加州理工工程師想要賦予 IC 晶片一種類似於我們免疫系統的治療能力 -- 能偵測並迅速回應任意數量的攻擊，以便使更大的系統在最佳狀態下運作。他們所設計的功率放大器採用許多強健、on-chip 的感應器，那能偵測溫度、電流、電壓與功率。來自這些感應器的資訊被餵到相同晶片上，一個客製的特定應用積體電路（ASIC）單元，一個中央處理器，那扮演系統的「大腦」角色。這個腦袋分析這個放大器的整體表現，並決定是否需要調整該系統裡任一個致動器（actuators） -- 晶片可改變的部份。
有趣的是，這個晶片的頭腦，其運作並非根據那些「知道該如何回應每種可能情況」的演算法。相反的，它是基於感應器的集體反應（aggregate response）來下定論。"你告訴晶片你想要的結果，並讓它自己想出如何產生這些結果，" Steven Bowers 說，Hajimiri 實驗室的畢業生，此論文的第一作者。"挑戰在於，每個晶片上有超過 10 萬個以上的電晶體。我們不曉得在這些東西裡有那些會出包，而且我們也不必知道。我們以一種夠普遍性的方式來設計此系統，那能在外力不介入的情況下，在任何狀態下尋找所有致動器的最佳狀態。"
在觀察 20 個不同的晶片後，該團隊發現，具自癒能力的放大器，其所消耗的電力，大約是那些無自癒力者的一半，而其整體表現更加可預測與可重現（reproducible）。
"我們已證明，自癒能對付四種類型非常不一樣的問題，" Kaushik Dasgupta 表示，另外一位畢業生，亦參與此計畫。這些問題包括：靜態變異（static variation），那是一種跨元件的變異產物（a product of variation across components）；長期老化（long-term aging）問題，當反覆使用改變了系統的內部屬性時，此問題會逐漸浮現；以及短期變異（short-term variations），那由環境條件（例如負載、溫度與供應電壓的差異）所引發；最後是部份電路意外或故意的災難性毀損。
這個加州理工團隊選擇在一個毫米波頻率的功率放大器中首度展示這種自癒能力。如此高頻的集成晶片屬於尖端研究，且對次世代的通訊、成像、感應與雷達應用十分有用。藉由證明這種自癒能力在如此先進的系統中運作良好，研究者希望這種自癒方法能擴展到幾乎是所有的電子系統中。
"將這種類型的「電子免疫系統」納入 IC 晶片中，將開啟不同的可能性，" Hajimiri 說。"在我們看待電路以及它們獨立運作能力的方式上，那真的是一種轉變。它們現在能夠診斷與修復它們自己的問題，而不需要任何人為介入，朝「無敵電路（indestructible circuits）」更靠近一步。"
除了 Hajimiri、Bowers 以及 Dasgupta 之外，前加州理工博士後學者 Kaushik Sengupta (PhD '12)，他現在是普林斯頓大學助理教授，也是「Integrated Self-Healing for mm-Wave Power Amplifiers」這篇論文的共同作者。此研究的初步報告，贏得 2012 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium 的最佳論文獎。此研究由 Defense Advanced Research Projects Agency 與 Air Force Research Laboratory 資助。
更多論文資訊：(PDF 檔)
www.chic.caltech.edu/Publication05/Conferences/Bowers_RFIC_12.pdf
※ 相關報導：
＊ Integrated Self-Healing for mm-Wave Power Amplifiers
http://dx.doi.org/10.1109/TMTT.2013.2243750
Foreman, K., Sengupta, K.; Dasgupta, K.; Bamberg, S.;＊ 未來能自行改寫電路的電腦？新奈米材料在多維度中「引導」電流
Hajimiri, A.
Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on,
Volume: 61 , Issue: 3, Page(s): 1301 - 1315.
doi: 10.1109/TMTT.2013.2243750
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