近日，根據(jù)蘋果知名爆料人Mark Gurman和其他知情者的說法，蘋果公司在人體血糖監(jiān)測(cè)上取得了一個(gè)突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)，并且還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的初步小型化。
據(jù)國(guó)際權(quán)威數(shù)據(jù)，當(dāng)前全球有超過5億成年人有糖尿病，需要注意飲食和運(yùn)動(dòng)，時(shí)刻關(guān)注血液中葡萄糖的含量，一旦血糖過高，這些患者就會(huì)出現(xiàn)健康問題，甚至危及生命。不過，以當(dāng)前的醫(yī)療科技水平來說，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)血糖含量還沒有特別高科技的方法，“扎針” 是目前最普遍和有效的方法。雖然有一些新技術(shù)出現(xiàn)，例如將設(shè)備通過軟針插到上臂就可以持續(xù)監(jiān)測(cè)血糖變化，但“扎針”這一步驟依舊不可避免。
無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)有望搭載至蘋果手表
按照知情人的說法，蘋果工程師正在開發(fā)一種大小和iPhone類似的原型設(shè)備，可以綁在肱二頭肌上，不用“扎針”就可以在用戶處于糖尿病前期時(shí)發(fā)出警告。相比于設(shè)備體積的縮小，“無創(chuàng)”具有更重要的意義，可以大幅度減輕糖尿病患者的痛苦。根據(jù)消息，蘋果內(nèi)部人士稱，這個(gè)被稱作“E5”的項(xiàng)目希望在不刺破人體皮膚來取血的情況下連續(xù)測(cè)量體內(nèi)的葡萄糖含量，在數(shù)百人身上對(duì)比測(cè)試后，蘋果證明其無創(chuàng)檢測(cè)血糖的技術(shù)方向可行，而蘋果的最終目標(biāo)是將血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)添加到Apple Watch上。
2014年9月時(shí)，第一代Apple Watch正式對(duì)外公布。當(dāng)時(shí)，Apple Watch還必須配合iPhone來使用，相當(dāng)于iPhone的一個(gè)配件。如今，Apple Watch已經(jīng)發(fā)展到了第八代，可以配合eSIM當(dāng)做獨(dú)立設(shè)備使用，而且ECG心電圖、心臟健康、血氧監(jiān)測(cè)等健康功能也逐步落地，讓手表“不僅僅只是手表”。如果關(guān)于血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)，意味著蘋果手表將從讓你更時(shí)尚的“可選消費(fèi)品”變成全球大多數(shù)糖尿病患者的“必需品”。
據(jù)了解，“無創(chuàng)”的血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依賴蘋果設(shè)計(jì)的硅光芯片和傳感器，利用光的反射來檢測(cè)血糖含量，具體來說：特定波長(zhǎng)的光線能夠透過皮膚，而在皮膚下方有組織液的區(qū)域內(nèi)，有從毛細(xì)血管中滲透出來的、與血糖有關(guān)的物質(zhì)，光照射到這些物質(zhì)上會(huì)反射回來，而波長(zhǎng)和強(qiáng)度根據(jù)遇到的物質(zhì)不同而不同，最后，傳感器收集光信號(hào)，再利用特定的算法來估算血糖含量。
不過，利用這種方式來估測(cè)血糖，可能受到很多因素的影響，因此蘋果內(nèi)部將自己研發(fā)的無創(chuàng)且持續(xù)血糖監(jiān)測(cè)技術(shù)視為一種 “預(yù)防措施”，用來提醒那些可能有糖尿病或者糖尿病早期患者持續(xù)健康飲食、合理運(yùn)動(dòng)。至少?gòu)?975年開始，研究人員就一直在研究監(jiān)測(cè)血糖水平的方法。到現(xiàn)在為止，即使花費(fèi)了數(shù)億美元，人類至今還沒有造出一種在臨床或商業(yè)上可行的產(chǎn)品，能夠足夠準(zhǔn)確地持續(xù)監(jiān)測(cè)血糖。而經(jīng)過超12年時(shí)間的秘密打造，蘋果研發(fā)的系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了概念驗(yàn)證階段，同時(shí)蘋果公司認(rèn)為該技術(shù)是可行的，但實(shí)際大規(guī)模推廣使用需要縮小到更加實(shí)用的尺寸才行。如果功能和體積能得到進(jìn)一步完善，這項(xiàng)突破將是糖尿病患者的福音，同時(shí)有助于鞏固蘋果在醫(yī)療健康領(lǐng)域的地位。
值得一提的是，研究出這一技術(shù)的部門是被譽(yù)為蘋果最隱蔽的團(tuán)隊(duì)——探索性設(shè)計(jì)小組(XDG)，該小組隸屬于蘋果硬件技術(shù)團(tuán)隊(duì)，與蘋果傳統(tǒng)部門不同的是，XDG被允許以更大的財(cái)務(wù)自由來探索一切可能性，他們似乎不需要給出最后的產(chǎn)品，而是將驗(yàn)證一個(gè)想法是否可行作為工作的目標(biāo)。XDG中有數(shù)百名工程師，但在XDG內(nèi)從事一個(gè)項(xiàng)目的人員，卻不能和XDG內(nèi)另一個(gè)項(xiàng)目的員工交流工作。
與Alphabet旗下的“登月工廠”部門一樣，XDG負(fù)責(zé)許多頗具創(chuàng)意的項(xiàng)目。2015年，XDG開啟了無創(chuàng)血糖檢測(cè)的項(xiàng)目，成為XDG最重要的項(xiàng)目之一。2019年時(shí)，蘋果手表的銷量超過了出現(xiàn)了百年的整個(gè)瑞士手表行業(yè)。與此同時(shí)，蘋果手表歷年來新功能的推出還帶動(dòng)了各類競(jìng)品的爭(zhēng)相模仿，如有心率檢測(cè)、ECG等功能的手環(huán)和智能手表。而未來蘋果手表上的無創(chuàng)、可持續(xù)檢測(cè)血糖功能，或許也會(huì)經(jīng)歷同樣的過程。
蘋果手表背后的“未來芯片”
在當(dāng)前的血糖監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，國(guó)際上更推薦的方法是CGM(Continuous Glucose Monitoring，連續(xù)血糖監(jiān)測(cè))，該方案通過通過植入皮下感應(yīng)器24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)葡萄糖水平，并將其中的數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦，以軟件分析患者的血糖狀況。
而早在2010年完成對(duì)RareLight的收購(gòu)后，蘋果就開始研究替代性的血糖監(jiān)控技術(shù)，采取的是完全區(qū)別于傳統(tǒng)采血測(cè)量的“光學(xué)吸收光譜”(Optical Absorption Spectroscopy)技術(shù)，“無創(chuàng)”更是依賴于蘋果設(shè)計(jì)的硅光芯片和傳感器。
如果未來真正可以將硅光芯片集成到蘋果手表當(dāng)中，這一應(yīng)用將成為硅光技術(shù)從工業(yè)市場(chǎng)“下沉”到消費(fèi)電子市場(chǎng)的成功案例，硅光技術(shù)也將實(shí)實(shí)在在融入到生活中的方方面面，在醫(yī)療健康、高性能計(jì)算、智慧生活等方面為社會(huì)發(fā)展提供助力。
相比于使用晶體管的傳統(tǒng)芯片來說，硅光芯片設(shè)計(jì)的核心是用“光”來代替“電”，利用硅光子技術(shù)將光電功能通過半導(dǎo)體工藝集成到硅基芯片中，當(dāng)電流流到轉(zhuǎn)換模塊時(shí)，通過光電效應(yīng)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，進(jìn)而發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細(xì)光纖中，當(dāng)光信號(hào)到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，提升芯片間的連接速度。與主要依賴于普通硅材料不同，硅光子技術(shù)采用的基礎(chǔ)材料是玻璃。由于光對(duì)于玻璃來說是透明的，不會(huì)發(fā)生干擾現(xiàn)象，理論上可以通過在玻璃中集成光波導(dǎo)通路來傳輸信號(hào)，很適合于計(jì)算機(jī)內(nèi)部和多核之間的大規(guī)模通信。
其實(shí)，“以光代電”的產(chǎn)品在日常生活中已經(jīng)很常見，例如光纖就是用光信號(hào)傳播取代早期的銅纜傳播電信號(hào)，極大提升了網(wǎng)絡(luò)的帶寬。不過，如果僅使用光信號(hào)來通信，會(huì)大大受限于光學(xué)設(shè)備的體積，很難把復(fù)雜的光電轉(zhuǎn)換模塊縮小到納米尺寸，在芯片級(jí)的尺度上使用。雖然在實(shí)驗(yàn)室中不斷有突破出現(xiàn)，但良率和成本始終無法達(dá)到量產(chǎn)的要求，同時(shí)，PCIe等總線技術(shù)的發(fā)展使得帶寬不斷提高，也讓這條技術(shù)路線淡出了大家的視線。
不過，隨著集成電路的制程已經(jīng)接近摩爾定律的極限，硅光子技術(shù)又重新走入了廠商的視線。硅光子技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于擁有相當(dāng)高的傳輸速率，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高。此外，用光代替電進(jìn)行信息傳輸，功耗也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方式，對(duì)散熱的要求大幅度降低。
從時(shí)間上來看，2019年后是硅光發(fā)展的起飛階段，各大廠商逐漸把過去幾十年的學(xué)術(shù)成果開始往產(chǎn)業(yè)上轉(zhuǎn)移，開啟了真正意義上硅光子技術(shù)的批量生產(chǎn)。根據(jù)英特爾的硅光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，硅光模塊產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期，而英特爾作為硅光子領(lǐng)域的“帶頭人”，他們的硅光產(chǎn)品也最早脫離實(shí)驗(yàn)室，以批量生產(chǎn)的方式交付給客戶。
從應(yīng)用的角度來看，除了可穿戴設(shè)備之外，硅光技術(shù)在未來的應(yīng)用主要還有以下幾個(gè)方面：
云計(jì)算
硅光技術(shù)不僅能大幅提高芯片互聯(lián)帶寬，還遠(yuǎn)比傳統(tǒng)電路節(jié)省能源和散熱需求，對(duì)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)意義重大。當(dāng)芯片間信號(hào)通路改用光路后，大量芯片的聯(lián)合計(jì)算性能會(huì)成倍增長(zhǎng)，同時(shí)總體能耗明顯下降，大大提高了服務(wù)器集群的效率。在云計(jì)算與大數(shù)據(jù)方面，400G、800G的高速光模塊也將持續(xù)推動(dòng)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心建設(shè)，滿足大量數(shù)據(jù)交換需求。
激光雷達(dá)
在自動(dòng)駕駛方面，硅光芯片的的應(yīng)用目前主要集中于激光雷達(dá)方向。車載激光雷達(dá)技術(shù)需要多路激光發(fā)射和接收，所以對(duì)于多路信號(hào)控制十分依賴，而這恰恰是硅光芯片的優(yōu)勢(shì)，高度集成性和電光效應(yīng)相位調(diào)諧能力使得它非常適宜在車載激光雷達(dá)上取代傳統(tǒng)芯片。
量子計(jì)算
在量子通信領(lǐng)域，硅光芯片則憑借其特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)糾纏態(tài)光子的操縱控制。2021年7月時(shí)，中國(guó)科大教授潘建偉、張軍等聯(lián)合浙江大學(xué)儲(chǔ)濤教授研究組，就通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實(shí)時(shí)后處理，實(shí)現(xiàn)了速率高達(dá)18.8Gbps的實(shí)時(shí)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。
5G
5G承載網(wǎng)絡(luò)一般分為城域接入層、城域匯聚層、城域核心層/省內(nèi)干線等，可以實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)的前傳、中傳和回傳功能，但實(shí)現(xiàn)不同的功能特性需要采用不同規(guī)格的光模塊和光芯片。光模塊不僅是5G網(wǎng)絡(luò)物理層的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，也是基站和傳輸設(shè)備中的核心部件，可以滿足5G時(shí)代針對(duì)無人駕駛、VR、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)νㄐ诺乃俾屎蜁r(shí)延的更高要求。
各國(guó)都在硅光芯片領(lǐng)域“備戰(zhàn)”
根據(jù)LightCounting的數(shù)據(jù)，2020年硅光模塊市場(chǎng)規(guī)模約為20億美元，預(yù)計(jì)到2026年時(shí)，硅光模塊市場(chǎng)規(guī)模將接近80億美元，硅光方案市場(chǎng)份額有望從25%提升至50%以上。2021年底，阿里巴巴達(dá)摩院將硅光芯片列入2022十大科技趨勢(shì)之一。
在達(dá)摩院看來，硅光子和硅電子芯片取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，將促使算力的持續(xù)提升。未來3年，隨著云計(jì)算與人工智能的大爆發(fā)，硅光芯片將迎來技術(shù)快速迭代與產(chǎn)業(yè)鏈高速發(fā)展，承載起絕大部分大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的高速信息傳輸;未來5-10年，以硅光芯片為基礎(chǔ)的光計(jì)算將逐步取代電子芯片的部分計(jì)算場(chǎng)景。
早在2014年，美國(guó)就建立了“國(guó)家光子計(jì)劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計(jì)劃開發(fā)，支持4大研究領(lǐng)域及3個(gè)應(yīng)用能力技術(shù)開發(fā)，并提出了每一項(xiàng)可開發(fā)領(lǐng)域的機(jī)會(huì)和目標(biāo)。2022年6月時(shí)，荷蘭決定投資11億歐元，以促進(jìn)新一代硅光子技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，為打造下一個(gè)阿斯麥做好準(zhǔn)備。荷蘭的此項(xiàng)投資是為了搶占未來半導(dǎo)體市場(chǎng)，發(fā)掘類似阿斯麥的新尖端企業(yè)的戰(zhàn)略。
2015-2016年時(shí)，伴隨摩擦加劇，英特爾和Acacia等廠商先后被禁止向國(guó)內(nèi)廠商供應(yīng)硅光芯片與模塊，我國(guó)自此也開始了加速硅光技術(shù)國(guó)產(chǎn)替代的進(jìn)程：
2017年時(shí)，上海市政府就將硅光子列入首批市級(jí)重大專項(xiàng)，面向硅光子全產(chǎn)業(yè)鏈，針對(duì)國(guó)內(nèi)發(fā)展硅光子最為短缺的工藝平臺(tái)、核心關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品研發(fā)精準(zhǔn)布局，開展激光雷達(dá)、人工智能計(jì)算芯片、大規(guī)模光開關(guān)、3D光電集成等具有巨大應(yīng)用潛力的前沿研究;
2018年，國(guó)內(nèi)首個(gè)硅光子平臺(tái)成立;
2018-2020年，NOEIC聯(lián)合產(chǎn)業(yè)力量先后推出100G硅光子芯片和4*200G硅光發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破;
今年2月23日，北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局、北京市財(cái)政局發(fā)布了《2023年北京市高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展資金實(shí)施指南(第一批)》征求意見稿。從原文件內(nèi)容來看，2023年將對(duì)開展新型智能計(jì)算芯片、新型存儲(chǔ)器、開源處理器、硅光芯片等前沿領(lǐng)域中的重點(diǎn)工程產(chǎn)品首輪流片(全掩膜)的企業(yè)，按不超過產(chǎn)品流片費(fèi)用的50%予以獎(jiǎng)勵(lì)，單個(gè)企業(yè)支持最高不超過 2000萬元。
寫在最后
可以這么說，在摩爾定律逼近極限的當(dāng)下，硅光技術(shù)已逐漸成為突破技術(shù)枷鎖的可實(shí)現(xiàn)方案。目前，國(guó)內(nèi)的硅光產(chǎn)業(yè)才剛剛起步，從可穿戴設(shè)備到高性能計(jì)算的各個(gè)領(lǐng)域都有望因此獲得性能的大幅提升，由此產(chǎn)生的“洗盤”效應(yīng)或許會(huì)給國(guó)內(nèi)企業(yè)帶來新的機(jī)會(huì)，在各種政策的支持下，硅光技術(shù)也將真正迎來它的黃金時(shí)代。
參考資料：
1.《蘋果的無創(chuàng)測(cè)血糖技術(shù)，不一定裝進(jìn)手表》，晚點(diǎn)
2.《蘋果神秘項(xiàng)目取得重大突破 智能手表有望獲無創(chuàng)測(cè)血糖“技能”》，華爾街見聞
3.《借助硅光子技術(shù)，蘋果Apple Watch或?qū)㈤_創(chuàng)新的歷史》，OFweek光通訊網(wǎng)
4.《上帝說：要有光!硅光子技術(shù)的前世今生》，雷鋒網(wǎng)
5.《喬布斯留給蘋果的“大殺器”：神秘XDG究竟在做些什么?》，財(cái)聯(lián)社
