微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用

湯曉英

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

·總體工程·

微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用

湯曉英

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

作為軍事裝備自主可控和信息化武器系統(tǒng)微型化、集成化、智能化發(fā)展的重要支撐，微系統(tǒng)技術(shù)在軍事競(jìng)爭(zhēng)中具有重要的戰(zhàn)略意義，受到國(guó)外軍事強(qiáng)國(guó)的高度重視，被美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局列為戰(zhàn)略發(fā)展重點(diǎn)，并設(shè)立專門辦公室加強(qiáng)技術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)，不斷加快微系統(tǒng)的發(fā)展，推進(jìn)在武器裝備系統(tǒng)中的應(yīng)用。文中從微系統(tǒng)研究項(xiàng)目、元器件技術(shù)、集成技術(shù)、算法與架構(gòu)、熱管理技術(shù)等方面介紹了國(guó)外微系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，描述了微系統(tǒng)在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用情況，分析了微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向和研究重點(diǎn)，提出了我國(guó)發(fā)展微系統(tǒng)技術(shù)的建議。

微系統(tǒng)；微電子；光電子；微機(jī)電系統(tǒng)；集成

0 引 言

微系統(tǒng)是以微電子、光電子、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)為基礎(chǔ)，結(jié)合體系架構(gòu)和算法，運(yùn)用維納系統(tǒng)工程方法，將傳感、通信、處理、執(zhí)行、微能源等功能單元，在維納尺度上采用異構(gòu)、異質(zhì)等方法集成在一起的微型系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局(DARPA)將微系統(tǒng)定義為在微電子、微機(jī)械、微光學(xué)等基礎(chǔ)上把傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器和信號(hào)處理器等集成在一起的具有一種或多種功能的裝置。與傳統(tǒng)集成電路主要實(shí)現(xiàn)計(jì)算、信號(hào)處理或信號(hào)存儲(chǔ)等單一功能不同的是，微系統(tǒng)能夠完成信號(hào)感知、信息處理、信令執(zhí)行、通信和電源等多種功能，正向芯片級(jí)系統(tǒng)和跨域應(yīng)用智能信息處理平臺(tái)芯片發(fā)展。微系統(tǒng)迎合了未來武器裝備信息平臺(tái)芯片化發(fā)展的需求，也是后摩爾時(shí)代軍用電子系統(tǒng)發(fā)展的方向，其前景日益受到軍事強(qiáng)國(guó)的重視，美國(guó)、歐洲、日本都設(shè)立了項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)開發(fā)[1]。在微系統(tǒng)的發(fā)展上，DARPA提出了兩個(gè)“100倍”目標(biāo)，即探測(cè)能力、帶寬和速度比目前的電子系統(tǒng)提高100倍以上，體積、重量和功耗下降到目前電子系統(tǒng)的1/ 100～1/ 1 000。

1 軍用微系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 研究項(xiàng)目

美國(guó)根據(jù)智能化程度將微系統(tǒng)分為四個(gè)級(jí)別：固定功能、可重構(gòu)、自適應(yīng)和智能。目前，微系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到集成微系統(tǒng)階段，在功能構(gòu)成上對(duì)應(yīng)于可重構(gòu)和自適應(yīng)兩個(gè)智能級(jí)別。美國(guó)、歐洲從各方面設(shè)立了項(xiàng)目，主要包括：電子元器件技術(shù)、集成技術(shù)、算法與架構(gòu)、支撐技術(shù)等四大類，各類又包含子領(lǐng)域技術(shù)，具體項(xiàng)目在子領(lǐng)域技術(shù)下開展，具體項(xiàng)目如圖1、圖2所示。

1.2 微系統(tǒng)相關(guān)元器件技術(shù)

微系統(tǒng)元器件呈現(xiàn)出兩個(gè)方向的發(fā)展特點(diǎn)，一是各類電子元器件自身持續(xù)向小型化和集成化發(fā)展；二是集成了微電子器件和光電子器件優(yōu)勢(shì)的光電集成器件發(fā)展需求迫切，發(fā)展迅速。

圖1 美國(guó)DARPA微系統(tǒng)重點(diǎn)在研課題

圖2 歐洲微系統(tǒng)重點(diǎn)在研課題

1.2.1 微電子技術(shù)

微電子器件是先進(jìn)電子裝備的基礎(chǔ)和核心，得到軍事強(qiáng)國(guó)的一致重視，常以戰(zhàn)略性超前部署，保證微電子器件的發(fā)展速度與軍事需求相匹配。微電子器件主要分為第一代硅基器件、第二代化合物半導(dǎo)體器件、寬禁帶半導(dǎo)體，以及可替代硅的各種新材料器件等幾個(gè)方面。

1)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

ADC是連接模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的橋梁，隨著電磁頻譜競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，需要開發(fā)超高速ADC，并盡可能向前端靠攏，從而提高雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)的靈活性和工作性能。2016年1月中旬，DARPA“商用時(shí)標(biāo)陣列(ACT)”項(xiàng)目取得重大進(jìn)展，開發(fā)出了超高速ADC，采樣速度達(dá)到600億次/s，是現(xiàn)有商用ADC的10倍，能夠探測(cè)和分析30 GHz以下頻段內(nèi)的信號(hào)，基本覆蓋現(xiàn)有雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等武器裝備的工作頻段，將顯著提升士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上態(tài)勢(shì)的感知能力。

2)磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)

MRAM根據(jù)在不同磁化方向表現(xiàn)的磁阻高低來記錄0和1，兼具SRAM的高讀寫速度、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)的高集成度和閃存的非易失性，具備成為通用存儲(chǔ)器的潛力，還有功耗低、壽命長(zhǎng)和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，軍事應(yīng)用潛力巨大，美國(guó)DARPA、歐盟都設(shè)立了專門項(xiàng)目推動(dòng)MRAM的發(fā)展。2016年1月，美國(guó)Cobham半導(dǎo)體公司宣布其非易失性存儲(chǔ)器產(chǎn)品UT8MR8M8和UT8MR2M8獲得合格供應(yīng)商目錄V級(jí)抗輻射認(rèn)證，滿足宇航應(yīng)用需求。該產(chǎn)品工作電壓為3V，工作溫度為-40℃～105℃，抗輻射能力為100 krad～1 Mrad，SEL效應(yīng)大于100 MeVcm2/mg，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)大于20年，可進(jìn)行無限次數(shù)據(jù)讀寫，可替代3.3 V SRAM，適用于需高速反復(fù)讀寫的存儲(chǔ)器應(yīng)用領(lǐng)域。

3)高效線性全硅發(fā)射機(jī)集成電路(ELASTx)

由于硅材料器件所能耐受的擊穿電壓較低，毫米波功率放大器多采用以砷化鎵、氮化鎵為代表的化合物半導(dǎo)體材料，限制了系統(tǒng)集成度，也無法兼顧線性度和能效要求。DARPA在2010年啟動(dòng)了ELASTx項(xiàng)目，希望使用先進(jìn)的硅工藝，研制出具有高功率、高能效和高線性度的單芯片毫米波發(fā)射機(jī)集成電路。2013年，ELASTx團(tuán)隊(duì)采用多層堆疊45 nm絕緣體上硅CMOS工藝制造出硅基功率放大器，輸出功率在45 GHz達(dá)到0.5 W；采用0.13 μm硅鍺雙極CMOS工藝制作出硅基功率放大器，輸出功率在42 GHz達(dá)到0.7 W。為提高輸出功率，兩種方式均使用了多級(jí)功率放大結(jié)構(gòu)和片上多路功率合成技術(shù)。2014年，ELASTx團(tuán)隊(duì)又研制出首個(gè)可工作在94 GHz的全硅單片集成信號(hào)發(fā)射機(jī)SoC，將原本由多個(gè)電路板、單獨(dú)的金屬屏蔽裝置和多條輸入/輸出連線組成的發(fā)射機(jī)集成到了一個(gè)只有半個(gè)拇指指甲蓋大小的硅芯片上，實(shí)現(xiàn)了硅基射頻器件輸出功率的大幅提升，以及硅數(shù)字信號(hào)器件和射頻器件的單片集成，如圖3所示。此項(xiàng)技術(shù)突破有望為未來軍用射頻系統(tǒng)提供新的設(shè)計(jì)架構(gòu)，使下一代軍用射頻系統(tǒng)體積更小、重量更輕、成本更低和功能更強(qiáng)。

圖3 DARPA 94 GHz全硅片上系統(tǒng)發(fā)射機(jī)

4)氮化鎵器件

氮化鎵器件具有功率高、體積小、重量低等顯著優(yōu)勢(shì)，已在雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等軍事裝備和商業(yè)市場(chǎng)廣泛應(yīng)用[2]。2016年3月，美國(guó)Navitas公司采用“AlGaN”工藝設(shè)計(jì)出650 V單片集成氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以及氮化鎵邏輯和驅(qū)動(dòng)電路，其開關(guān)頻率達(dá)到現(xiàn)有硅基電路的10～100倍，帶來更小、更輕和更低功率成本的功率電子器件。2016年4月，美國(guó)Wolfspeed公司宣布其碳化硅基氮化鎵射頻功率晶體管完成性能測(cè)試，符合美國(guó)NASA衛(wèi)星和宇航系統(tǒng)所需的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

5)硅可替代材料

在硅可替代材料方面，石墨烯一度被認(rèn)為是最有可能替代硅的材料，一方面石墨烯大面積制造工藝尚未突破，另一方面石墨烯沒有帶隙，限制了在高速數(shù)字集成電路中的應(yīng)用。為此，一方面研究為石墨烯注入帶隙；一方面研究其他可替代硅的材料，如氧化鎵、黑砷磷等[3]。2016年6月，在美國(guó)能源部科學(xué)辦公室和基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室、能源部科學(xué)用戶設(shè)施實(shí)驗(yàn)室、美陸軍研究實(shí)驗(yàn)室武器和材料司令部的支持下，美國(guó)密歇根理工大學(xué)的研究人員實(shí)現(xiàn)了石墨烯薄片和氮化硼納米管兩種材料間的無縫連接，所形成的異質(zhì)結(jié)體現(xiàn)出開關(guān)行為特征。2014年5月，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)布合同聲明，指出β-Ga2O3禁帶寬度達(dá)到4.8 eV，擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到8 MV/cm，大約是碳化硅和氮化鎵的2～3倍，有望為雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信系統(tǒng)的一系列軍用射頻和開關(guān)器件帶來成本、體積、重量和性能方面的變革，而實(shí)現(xiàn)這一切的核心是實(shí)現(xiàn)β-Ga2O3襯底。2016年3月，美國(guó)Kyma公司和空軍研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制出在商用β-Ga2O3襯底體上同質(zhì)生長(zhǎng)外延層的新工藝技術(shù)。

1.2.2 光電子器件技術(shù)

隨著電傳輸在功耗和速度上面臨的多重限制，光傳輸成為持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，其中光電器件小型化和光電集成是發(fā)展重點(diǎn)[4]。2015年12月，DARPA發(fā)布模塊化光學(xué)孔徑構(gòu)建塊(MOABB)項(xiàng)目，尋求開發(fā)采用自由空間光學(xué)技術(shù)的輕小型光電傳感器熊，達(dá)到超小尺寸、超低重量和成本，遠(yuǎn)快于現(xiàn)有掃描速度的要求；2013年，歐洲發(fā)起了歐洲光電子公私合作計(jì)劃，強(qiáng)化歐洲在光電子領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，該計(jì)劃于2016年2月得到歐盟3 500萬歐元的支持，用于建造3條光電子器件和電路的試產(chǎn)線，目標(biāo)是滿足對(duì)中紅外傳感器的需求。為了實(shí)現(xiàn)光電集成，DARPA開展了光學(xué)優(yōu)化嵌入式微處理器(POEM)項(xiàng)目和嵌入式計(jì)算技術(shù)能量效率革命(PERFECT)項(xiàng)目；歐盟也于2016年2月啟動(dòng)硅基直接調(diào)制激光(DEMENSION)項(xiàng)目，建立一個(gè)真正的單片光電集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在硅芯片上制造有源激光組件。

1.2.3 微機(jī)電系統(tǒng)器件技術(shù)

MEMS器件技術(shù)一是研究能使傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)小型化的技術(shù)，二是探索在真空電子器件中的應(yīng)用，通過實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)真空器件組成部分的小型化形成微真空器件。2013年11月，美國(guó)DARPA“太赫茲電子學(xué)”項(xiàng)目研究人員在諾·格公司研制的1 cm寬行波真空管基礎(chǔ)上，通過采用微真空電子器件的設(shè)計(jì)思路、微電子器件和微機(jī)電系統(tǒng)的制造工藝和材料，研制出世界上首個(gè)可工作在0.85 THz的真空管放大器。

1.2.4 微能源器件技術(shù)

2016年6月，芬蘭愛爾蘭延德爾國(guó)家研究院技術(shù)研究中心結(jié)合維納加工工藝和新研究出的混合納米材料，研究出能與硅基微電子器件單片集成的微型超級(jí)電容器，具備超高能量和集成度等優(yōu)勢(shì)，電容值最高達(dá)到15 F/cm3，能量密度最高達(dá)到1.3 mWh/cm3，功率密度最高達(dá)到214 W/cm3。

1.3 集成技術(shù)

美國(guó)國(guó)防部在20世紀(jì)90年代末率先提出采用異構(gòu)集成技術(shù)將微電子器件、光電子器件和MEMS器件整合在一起，開發(fā)芯片級(jí)集成微系統(tǒng)的概念，至此開始三維集成系統(tǒng)的研究。三維集成系統(tǒng)通常采用先進(jìn)的基于硅過孔(TSV)技術(shù)，把RF前端、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳感、控制甚至能量源等多種功能垂直堆疊在一起，以達(dá)到縮小尺寸、提高密度、改善層間互聯(lián)、提高系統(tǒng)功能的目的，從而使武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多功能和小型化。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖，三維集成技術(shù)是未來關(guān)鍵發(fā)展技術(shù)之一，是克服由信號(hào)延遲導(dǎo)致的“布線危機(jī)”的關(guān)鍵技術(shù)解決方案。隨著電子產(chǎn)品不斷向小型化、輕重量和多功能方向的推進(jìn)，經(jīng)過多年發(fā)展，三維集成技術(shù)逐漸形成了兩大主流趨勢(shì)：三維單片集成和三維封裝技術(shù)，它們分別發(fā)展成為IC芯片領(lǐng)域和IC封裝領(lǐng)域的領(lǐng)先型技術(shù)。2016年3月，IMEC公司在OFC上展示了基于晶圓級(jí)集成硅光電平臺(tái)(iSiPP)上的多種硅光電集成器件的發(fā)展，可有效支持50 Gb/s不歸零(NRZ)通路數(shù)據(jù)速率通信的發(fā)展，滿足高密度、寬帶寬、低功耗遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)通信收發(fā)機(jī)以及激光雷達(dá)等傳感器低成本、大批量應(yīng)用需求，成為高速硅光電集成器件發(fā)展史上的又一重要里程碑。

1.4 算法與架構(gòu)

隨著元器件技術(shù)向系統(tǒng)方向發(fā)展，系統(tǒng)架構(gòu)和算法所占的比重日益增加，成為微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，重要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)融合、智能自主、提高頻譜利用率等方面。

多傳感器數(shù)據(jù)融合可有效提升整個(gè)傳感器系統(tǒng)信息的有效度，比如F-35戰(zhàn)斗機(jī)的全傳感器融合系統(tǒng)能夠利用所有機(jī)載傳感器的信息生成一體化作戰(zhàn)圖，并通過安全數(shù)據(jù)鏈與其他飛行員及指控中心自動(dòng)共享。美國(guó)國(guó)防部從算法和硬件兩方面加強(qiáng)信息的自主處理能力。算法方面，DARPA自2008年起開展了“視頻信號(hào)和圖像搜索分析工具(VIRAT)”項(xiàng)目和“持久監(jiān)視開發(fā)和分析系統(tǒng)(PerSEAS)”項(xiàng)目，啟動(dòng)了對(duì)海量視頻檢索技術(shù)的研究，并于2014年發(fā)布了“拒止環(huán)境下的協(xié)同作戰(zhàn)(CODE)”項(xiàng)目，開發(fā)高級(jí)協(xié)同自治算法和軟件，使現(xiàn)有無人機(jī)平臺(tái)能在拒止環(huán)境下有效運(yùn)作[5]。硬件方面，DARPA于2008年啟動(dòng)為期6年的“神經(jīng)形態(tài)自適應(yīng)可塑電子系統(tǒng)(SyNAPSE)”項(xiàng)目，2013年啟動(dòng)為期4年的“傳感與分析用稀疏自適應(yīng)局部學(xué)習(xí)”項(xiàng)目，開發(fā)可在大小、處理速度和能耗方面可與真實(shí)大腦媲美的神經(jīng)形態(tài)芯片。2016年2月，麻省理工學(xué)院在DARPA支持下研制出以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)為架構(gòu)的可進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的芯片Eyeriss，效能是普通移動(dòng)處理器的10倍，可在不聯(lián)網(wǎng)的情況下執(zhí)行人臉辨別等功能。

1.5 熱管理技術(shù)

隨著電子元器件尺寸不斷縮小，集成度提高和功能日益復(fù)雜，芯片單位面積內(nèi)產(chǎn)生的熱量急劇增加，已成為制約電子元器件發(fā)展的重要因素[6]。傳統(tǒng)將熱量導(dǎo)出再使用空氣冷卻的遠(yuǎn)程散熱方式已無法滿足要求，限制了器件集成度的進(jìn)一步提升，導(dǎo)致先進(jìn)計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、激光器、功率源等軍用裝備中熱管理部分所占體積和重量持續(xù)上升。為滿足未來電子元器件對(duì)體積、重量和功耗的要求，以美國(guó)DARPA為代表的國(guó)防機(jī)構(gòu)和企業(yè)積極開展散熱技術(shù)的研究。

2009年，DARPA啟動(dòng)熱管理技術(shù)(TMT)項(xiàng)目群，引入新型納米結(jié)構(gòu)、材料和先進(jìn)冷卻技術(shù)降低熱傳輸環(huán)節(jié)上的熱阻，該項(xiàng)目包含主動(dòng)冷卻模塊(ACM)、風(fēng)冷交換器微技術(shù)(MACE)、熱地平(TGP)、納米熱界面(NTI)和近結(jié)熱傳輸(NJTT)。其中近結(jié)熱傳輸是研究的重點(diǎn)，也是熱管理技術(shù)由器件外部轉(zhuǎn)向內(nèi)部的分水嶺。為了進(jìn)一步加強(qiáng)芯片內(nèi)部散熱技術(shù)的研究，DARPA在2012年6月發(fā)布ICECool項(xiàng)目公告，開發(fā)可將微通道直接嵌入芯片或封裝體中的微細(xì)加工技術(shù)，在納米尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)流或蒸發(fā)等微冷卻技術(shù)，使電子元器件具備芯片級(jí)散熱能力，達(dá)到熱流1 kW/cm2，熱密度超過1kW/cm3，局部亞毫米級(jí)的熱流密度超過5 kW/cm2的目標(biāo)[7]。2016年3月，美國(guó)洛﹒馬公司研制出內(nèi)嵌芯片級(jí)微流體散熱通道的散熱片，尺寸僅為厚250 μm，長(zhǎng)5 mm，寬 2.5 mm，如圖4所示，所含冷卻用水量不足一滴，但足以冷卻最熱的電路芯片。美國(guó)IBM公司在DARPA的發(fā)展思路上更進(jìn)一步，2013年3月提出利用仿生學(xué)原理，開展“電子血液”研究，擬通過芯片內(nèi)部電解液的流動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)芯片冷卻和供能，其最終目標(biāo)是將芯片體積壓縮到原來的百萬分之一，能效提升10 000倍。IBM計(jì)劃在該研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)1 018次級(jí)微服務(wù)器原型，為未來平方千米(SKA)射電望遠(yuǎn)鏡等大型傳感器網(wǎng)絡(luò)提供實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)處理能力。2013年10月，IBM制造出可利用“電子血液”進(jìn)行散熱和供能的計(jì)算機(jī)原型，通過電解液取代電線供電和風(fēng)能散熱，從而節(jié)省大部分空間，提高芯片密度。

圖4 洛馬公司采用內(nèi)置微流體冷卻的緊湊散熱板

1.6 其他技術(shù)

在微系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，各國(guó)還對(duì)生物可分解器件、用于攻擊和防守的集成電路安全技術(shù)、防止性能減退或失效的自修復(fù)技術(shù)等進(jìn)行了研究。

2 軍用微系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

微系統(tǒng)能夠極大地提高武器系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性和隱蔽性，改變戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)獲取樣式，帶來戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的本質(zhì)變革。當(dāng)前部分新型微系統(tǒng)技術(shù)已開始進(jìn)入實(shí)用化階段，如芯片級(jí)原子鐘、芯片衛(wèi)星、微型雷達(dá)等。

2.1 雷達(dá)應(yīng)用

2016年4月，德國(guó)弗勞恩霍夫研究所應(yīng)用固態(tài)物理IAF分部研發(fā)出一種新型高集成度毫米波雷達(dá)掃描儀，如圖5所示。工作頻率為94 GHz，帶寬為15 GHz，作用距離達(dá)數(shù)百米，高頻模塊采用InGaAs器件技術(shù)和特種印制電路板，用來替代傳統(tǒng)龐大、笨重的波導(dǎo)，印制電路板尺寸僅為78 mm×42 mm×28 mm，整個(gè)雷達(dá)模塊的大小與一個(gè)煙盒類似，適用于工業(yè)傳感、飛行安全監(jiān)控等。

圖5 弗勞恩霍夫研究所雷達(dá)掃描儀及其組成部分

2016年7月，雷聲公司被美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室授予陸軍“下一代雷達(dá)(NGR)”合同， 研發(fā)可縮放、敏捷、多模射頻前端技術(shù)(SAMFET)，改進(jìn)依賴?yán)走_(dá)的防空反火箭和迫擊炮系統(tǒng)功能，特別是在手持、車載和機(jī)載等在內(nèi)的便攜式應(yīng)用。雷聲公司將以GaN技術(shù)為基礎(chǔ)，探索新的模塊設(shè)計(jì)和制造方法，研制能夠集成到NGR系統(tǒng)的模塊化組成單元，滿足NGR的開發(fā)架構(gòu)要求，提供信號(hào)處理的靈活性、敏捷性和高效率。

2012年1月，DARPA開發(fā)了高集成度二維光學(xué)相控陣芯片，將4 096個(gè)納米天線集成到一個(gè)硅基底上，尺寸僅有576 μm×576 μm，相當(dāng)于針尖大小，應(yīng)用了可擴(kuò)展大規(guī)模納米天線技術(shù)、新型微加工技術(shù)以及光電單片集成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，能夠形成高分辨率光束，實(shí)現(xiàn)新型傳感與成像能力。2015年，美國(guó)南加州大學(xué)實(shí)現(xiàn)二維光學(xué)相控陣發(fā)射模塊與控制電路的單片集成，8×8陣列中每個(gè)單元可單獨(dú)調(diào)相，實(shí)現(xiàn)了300多個(gè)獨(dú)立的光子集成器件與74 000個(gè)電子器件單片集成，為實(shí)現(xiàn)更高集成度的片上激光相控陣?yán)走_(dá)奠定了基礎(chǔ)。其二維光學(xué)相控陣列芯片是在異質(zhì)、異構(gòu)等光電集成關(guān)鍵技術(shù)得到逐步突破的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，具有多功能、低成本、小型化、高穩(wěn)定、低功耗等特征。能夠有效降低裝備的負(fù)載和功耗，提高裝備穩(wěn)定性，加快作戰(zhàn)反應(yīng)速度。

隨著戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)越來越多樣、任務(wù)越來越多元、環(huán)境越來越復(fù)雜、頻譜越來越擁擠，需要雷達(dá)在發(fā)射接收兩端能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)，達(dá)到與外部環(huán)境和目標(biāo)狀態(tài)相匹配，獲取最佳性能。認(rèn)知雷達(dá)能夠通過對(duì)歷史和當(dāng)前環(huán)境的感知、分析、學(xué)習(xí)、推理和規(guī)劃，形成發(fā)射-接收-處理自適應(yīng)閉環(huán)，提高雷達(dá)工作效能[8]。自2006年認(rèn)知雷達(dá)概念提出以來，對(duì)認(rèn)識(shí)雷達(dá)波形設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、資源調(diào)度和應(yīng)用場(chǎng)景開展了廣泛研究，但尚未見實(shí)裝出現(xiàn)，微系統(tǒng)的發(fā)展將給認(rèn)知雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)提供有力支撐。

2.2 通信應(yīng)用

2016年6月，日本電報(bào)和電話公司、富士通和日本國(guó)家信息與通信技術(shù)研究所合作研發(fā)出首個(gè)300 GHz太赫茲無線通信用緊湊型收發(fā)器，經(jīng)測(cè)試，通過使用正交極化的多路傳輸可達(dá)到40 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。該收發(fā)器使用磷化銦基高電子遷移率晶體管作為超高速核心器件，并將其集成到高頻收發(fā)機(jī)單片集成電路中，該收發(fā)機(jī)將一個(gè)集成電路連接到帶有天線的金屬封裝上，總體積小于1 cm3。

2016年5月，德國(guó)“先進(jìn)E波段衛(wèi)星鏈路(AC-CESS)”項(xiàng)目在71GHz～76GHz頻段(E頻帶)以6 Gbit/s的傳輸速率實(shí)現(xiàn)了37 km傳輸，將現(xiàn)有最先進(jìn)陸地?zé)o線傳輸能力提升了10倍以上，刷新了數(shù)據(jù)傳輸記錄。新研制的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用了由IAF研制的GaN和InGaAs微波毫米波單片集成器件。

2.3 電子戰(zhàn)應(yīng)用

為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的未來戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，美國(guó)海軍啟動(dòng)了“下一代干擾機(jī)(NGJ)”研發(fā)計(jì)劃，以替代EA-6B“徘徊者”和EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機(jī)上的ALQ-99戰(zhàn)術(shù)干擾吊艙，形成下一代機(jī)載攻擊能力。下一代干擾機(jī)將采用GaN組件有源電掃陣列天線，大幅度提高發(fā)射功率和干擾效果，并可與EA-18G電子戰(zhàn)飛機(jī)現(xiàn)有機(jī)載電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫集成，提高美海軍的全頻譜干擾能力。該有源電掃陣列天線除具有電子戰(zhàn)功能外，還具有雷達(dá)、通信和信號(hào)情報(bào)偵查功能。

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，正從固定波形的模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲粗ㄐ蔚目删幊虜?shù)字系統(tǒng)，對(duì)電子戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和對(duì)抗雷達(dá)威脅提出了挑戰(zhàn)。DARPA于2012年發(fā)布了“自適應(yīng)雷達(dá)對(duì)抗(ARC)”項(xiàng)目，希望引入人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，基于可觀察到的威脅行為，實(shí)時(shí)分析和學(xué)習(xí)敵方雷達(dá)的行動(dòng)，自動(dòng)產(chǎn)生對(duì)抗策略，使美國(guó)機(jī)載電子戰(zhàn)系統(tǒng)能夠在戰(zhàn)場(chǎng)上實(shí)時(shí)、自動(dòng)、有效應(yīng)對(duì)行為未知和帶有自適應(yīng)能力的新型數(shù)字可編程雷達(dá)系統(tǒng)。

2.4 其他應(yīng)用

微系統(tǒng)還在不依賴GPS的導(dǎo)航、芯片衛(wèi)星、基于MEMS的微型推進(jìn)器、納米激光器、微型機(jī)器人等領(lǐng)域得到應(yīng)用或探索可能的應(yīng)用途徑。

3 微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

縱觀以美國(guó)為代表的軍事強(qiáng)國(guó)對(duì)微系統(tǒng)的發(fā)展需求，結(jié)合技術(shù)發(fā)展規(guī)律，軍用微系統(tǒng)將向小型微型化、多功能集成化、靈活智能化等方向發(fā)展[9]。一方面重視多種功能的異質(zhì)、異構(gòu)集成，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)小型化和微型化；另一方面通過將多個(gè)電子元器件進(jìn)行系統(tǒng)化整合，打造微型作戰(zhàn)平臺(tái)。采用模塊化、開放式發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)的更快融入和集成，降低系統(tǒng)研發(fā)調(diào)試的難度和成本。加入自主學(xué)習(xí)和自主決策能力，提高自適應(yīng)能力，擴(kuò)大微系統(tǒng)的作用范圍。在14 nm基礎(chǔ)上繼續(xù)下探持續(xù)縮小特征尺寸、從三維封裝集成到三維單片集成、推進(jìn)量子和神經(jīng)形態(tài)新計(jì)算范式、用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)模擬功能將是微系統(tǒng)發(fā)展的主要內(nèi)容。

4 結(jié)束語

微系統(tǒng)技術(shù)對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)和軍事裝備發(fā)展具有重大影響，對(duì)微電子、光電子、MEMS技術(shù)以及綜合集成技術(shù)具有強(qiáng)勁的牽引作用。要站在武器裝備創(chuàng)新發(fā)展和自主可控的高度，充分認(rèn)識(shí)微系統(tǒng)技術(shù)對(duì)發(fā)展新一代信息化武器裝備、推進(jìn)裝備智能發(fā)展、轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)裝備制造模式、促進(jìn)裝備體系新格局發(fā)展的重要作用，成體系地布局規(guī)劃軍用微系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品研制，解決微系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真、算法架構(gòu)、制造集成、測(cè)試驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)問題，堅(jiān)持軍民融合發(fā)展理念開展技術(shù)合作和資源共享，塑造良好的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制和發(fā)展環(huán)境，形成具有國(guó)際先進(jìn)水平的軍用微系統(tǒng)科研和制造能力體系。

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湯曉英 女，1965年生，工程師。研究方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化工程。

Development and Application of Microsystem Technology

TANG Xiaoying

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

As a significant supporting means for independent & controllable military equipment development and information weapon system miniaturization, integration and intelligence, microsystem technology plays a strategic role in military competence, and is given great focus by strong nations, which is also highlighted by DARPA which set up specified office to enhance technology research and application development so as to push microwave system development and application in weapon equipment. The paper introduces foreign microsystem development status in research programs, component technology, integration technology, algorithm & architecture, TMT, depicts microsystem application in radar, communication, EW, analyzes development trend and significant research areas, and finally presents recommendations for microsystem development of our nation.

microsystem; micro-electronics; optical electronics; MEMS; integration

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.009

湯曉英 Email：2371709964@qq.com

2016-09-20

2016-11-22

TN957

A

1004-7859(2016)12-0045-06