隨著智能化技術的愈加完善和成熟、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展融合、國家利好政策的推動，未來家電智能化將成為家電產(chǎn)品的主要發(fā)展趨勢。2022年3月，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院發(fā)布的《2021年中國家電市場報告》顯示，品質(zhì)好貨成為當前家電市場的主流，人們的消費需求逐漸向“品質(zhì)型”轉變。多元化需求催生的新興家電、智能家電、健康家電中，越來越多的傳感器在產(chǎn)品迭代升級中發(fā)揮重要作用。
2022年9月24日，國家高端智能化家用電器創(chuàng)新中心聯(lián)合海爾HOPE開放創(chuàng)新平臺組織召開國家高端智能化家用電器創(chuàng)新中心傳感器產(chǎn)業(yè)應用研討會，邀請眾多行業(yè)、企業(yè)專家出席，立足行業(yè)前端，共同探討傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展新趨勢，拓展智能傳感器在家電產(chǎn)業(yè)應用場景，為企業(yè)發(fā)展注入核心競爭力。
作為家電智能化的重要支撐，國內(nèi)傳感器技術發(fā)展現(xiàn)狀如何？未來又將走向何方？本期HOPE知士專家平臺將為大家?guī)砼c傳感器相關的多個專家報告，從國內(nèi)傳感器發(fā)展歷程、傳感器技術發(fā)展瓶頸等方面解析智能傳感器技術的未來發(fā)展方向。
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特邀專家：劉沁|傳感器國家工程研究中心常務副主任
主題：硅基壓力傳感器發(fā)展及工業(yè)測控用高精度硅基壓力傳感器展望
主要研究方向：硅基壓力傳感器基礎工藝及裝備技術研究
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一、背景簡介
工業(yè)傳感器是多學科的高技術聚合物，是中國“強基工程”的核心關鍵部件之一，也是國內(nèi)實現(xiàn)制造業(yè)轉型升級、提高產(chǎn)品質(zhì)量、品質(zhì)、功能的重要基礎性技術。
“十二五”以來，密集的傳感器相關政策推動了我國傳感器行業(yè)飛躍發(fā)展。2017年工信部出臺《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年（2017—2019）行動指南》及《促進新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年（2018——2020）行動計劃》，從而直接催生了重大科學儀器及設備開發(fā)、制造基礎技術與關鍵部件研究兩大專項。2022年，“十四五”國家重點研發(fā)計劃“智能傳感器”重點專項2022年度項目申報指南對共計37個科研課題項目的研究內(nèi)容及考核指標作出了明確要求。
在一系列政策持續(xù)出臺的背景下，我國傳感器行業(yè)進入快速發(fā)展階段，形成了基本全覆蓋的產(chǎn)業(yè)布局，工業(yè)需求傳感器從自主到引進全產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋。中低檔產(chǎn)品在滿足自給自足的前提下實現(xiàn)出口，設計、研發(fā)、應用一條龍配套建設和水平普遍提升。
二、國內(nèi)傳感器發(fā)展現(xiàn)狀
（一）中國傳感器發(fā)展歷程
1、技術及產(chǎn)品發(fā)展之路。傳感器技術從MEMS技術發(fā)展到自診斷技術，產(chǎn)品也隨著傳感器技術的發(fā)展，從機械式儀表發(fā)展到智能儀表。
（可替換為專家報告中的無水印圖）
2、產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路。從國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程來看，1986年國家將傳感器技術列入國家重點攻關項目，到2000年傳感器技術體系和產(chǎn)業(yè)初步建立。2001年國家將新型傳感器列入重點研究開發(fā)項目，國產(chǎn)傳感器技術水平不斷進步，逐步縮短與發(fā)達國家的差距，到2015年已經(jīng)形成完備的產(chǎn)業(yè)鏈，自主產(chǎn)品達到6000種。2016年以來，國內(nèi)傳感器技術及產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，同時受國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等技術的推動，傳感器向著MEMS化、智能化、網(wǎng)絡化、系統(tǒng)化的方向持續(xù)發(fā)展。
（二）發(fā)展現(xiàn)狀
中國傳感器的發(fā)展走過了一段極不平坦之路：從無到有，從有到全，全而不強，機遇很多。對傳感器的認識上下基本趨于一致，轉變了“造船不如買船、買船不如租船”的思維模式，從“市場換技術”的迷霧中走出，正確理解“科技創(chuàng)新的主體在企業(yè)”這一觀點。經(jīng)過幾代傳感器人的努力，風雨同舟，一路艱辛，成績巨大，業(yè)績卓然，問題不少，前景光明。
三、傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展風險猶存
如上文所述，我國傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀仍問題突出，這也為傳感器的未來發(fā)展帶來了風險。在創(chuàng)新能力方面，我國傳感器技術原始創(chuàng)新能力弱，關鍵核心技術、共性關鍵技術未能突破，產(chǎn)業(yè)化難點未能解決；在應用市場方面，國內(nèi)高檔傳感器的應用市場幾乎被國外壟斷，國產(chǎn)傳感器缺少用戶信任和必要的應用迭代；在國際上，高端傳感器（核心敏感芯片）對中國明確禁運，中美科技技術脫鉤；在信息整合方面，工業(yè)傳感器產(chǎn)業(yè)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計、企業(yè)構成、應用問題凸顯。
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（三）對中國傳感器產(chǎn)業(yè)的4點思考
1、重組國家隊（培養(yǎng)培育產(chǎn)業(yè)、技術隱形冠軍），加強基礎研究，突出創(chuàng)新。傳感器如今發(fā)展己經(jīng)到新的階段，以硅基材料為主的MEMS傳感器，無論從工藝、裝備、性能都到“極限”，我國很難進行超越，即使要超越其代價也非常巨大，且國內(nèi)基礎研究薄弱，專業(yè)人才匱乏，跟在別人后面，受制于人是現(xiàn)如今必然的過程。
2、強化傳感器產(chǎn)業(yè)鏈的研究和建設。一方面通過“補鏈”、“固鏈”、“強鏈”，實現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)鏈.化，另一方面通過MEMS技術+IC技術的深度融合，實現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化。
3、用好、用活現(xiàn)有的MEMS傳感器芯片工藝線。傳感器芯片的研發(fā)是推動傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本。用好、用足現(xiàn)有的芯片工藝線，這需國家、政府牽線，企業(yè)協(xié)作、共盈，關鍵是要轉變觀點和思維方式，要打破行業(yè)壁壘、要實施聯(lián)合技術攻關，實現(xiàn)工藝線在全行業(yè)“低價格有償”共用;其次應將專用的工藝線進行適當組合構成柔性工藝線;規(guī)劃每條工藝線的專業(yè)分工和主業(yè)產(chǎn)品。這些需發(fā)揮中國特色的優(yōu)勢，發(fā)揮政府的作用。
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4、盡快解決工業(yè)基礎類傳感器中“有器無芯”問題。目前，國內(nèi)工業(yè)用壓力傳感器或變送器，包括硅基OEM產(chǎn)品，其核心部件芯片(芯體)97%以上均從國外進口，國外占據(jù)絕大部分國內(nèi)市場，技術始終在外方手里，我國變送器的生產(chǎn)只是零部件的裝配，無自主知識產(chǎn)權?！坝衅鳠o芯”這一問題必須解決，應該解決，而且只要處置得當，也能夠解決
工業(yè)傳感器發(fā)展展望
中國傳感器(技術、產(chǎn)業(yè))的發(fā)展，經(jīng)歷了近七十年的風風雨雨，一路走來:從無到有、從有到全、全而不大、多而不強;成績很大、問題不少、進步卓然、崎嶇不凡。但中國傳感器的技術和產(chǎn)業(yè)仍處世界第三梯隊。
隨著物聯(lián)網(wǎng)，智能制造，人工智能，云計算，大數(shù)據(jù)等等技術的蓬勃發(fā)展和廣泛應用，
中國傳感器(技術、產(chǎn)業(yè))風險猶存，必須從國家利益、國家安全著想，攻破技術壁壘、打破行業(yè)界線、突破人才禁區(qū)、解破產(chǎn)業(yè)難點。
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特邀專家：王懿|無錫麥姆斯咨詢有限公司CEO
主題：3D傳感及核心元器件發(fā)展之路
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一、3D傳感原理
（一）結構光
結構光（Structured Light）是通過紅外激光器，將具有一定結構特征的光線投射到被拍攝物體上，再由專門的紅外攝像頭進行采集反射的結構光圖案，根據(jù)三角測量原理進行深度信息的計算。
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結構光深度相機原理示意圖（注意E端發(fā)射的帶圖案的光源）
結構光法不依賴于物體本身的顏色和紋理，采用了主動投影已知圖案的方法來實現(xiàn)快速魯棒的匹配特征點，能夠達到較高的精度，也大大擴展了適用范圍?！敖Y構光的距離和深度以及安全適應都是最佳的，當然它的價位也是最高的，這也就是為何目前只有高端手機選擇結構光的原因?！辈贿^，結構光也有其缺點，比如室強光環(huán)境下基本不能使用，測量距離較近，容易受到光滑平面反光的影響等。
（二）雙目立體視覺
基于雙目立體視覺的深度相機類似人類的雙眼，和基于ToF、結構光原理的深度相機不同，它不對外主動投射光源，完全依靠拍攝的兩張圖片（彩色RGB或者灰度圖）來計算深度，因此有時候也被稱為被動雙目深度相機。
雙目立體視覺是基于視差，由三角法原理進行三維信息的獲取，即由兩個攝像機的圖像平面和被測物體之間構成一個三角形。已知兩個攝像機之間的位置關系，便可以獲得兩攝像機公共視場內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點的三維坐標。所以，雙目視覺系統(tǒng)一般由兩個攝像機構成。
雙目立體視覺三維測量原理
左攝像機像面上的任意一點只要能在右攝像機像面上找到對應的匹配點，就完全可以確定該點的三維坐標。這種方法是點對點的運算，像平面上所有點只要存在相應的匹配點，就可以參與上述運算，從而獲取對應的三維坐標。雙目視覺僅依靠圖像進行特征匹配，在使用雙目視覺相機前必須對雙目中兩個攝像頭的位置進行精確標定。
從目前來看，隨著機器視覺理論的發(fā)展，立體視覺在機器視覺研究中發(fā)回來看了越來越重要的作用?！爸鲃恿Ⅲw視覺比較適合覆蓋中等的距離，它的深度圖質(zhì)量也是比較優(yōu)良，但是精度沒有結構光好，由于比較簡單，價位比結構光更具有優(yōu)勢，所以其受到一些客戶的青睞?！?/p>
雙目立體視覺因為不需要像ToF和結構光那樣使用特殊的發(fā)射器和接收器，使用普通的消費級RGB相機即可。因此對相機硬件要求低，成本也低。另外，由于直接根據(jù)環(huán)境光采集圖像，所以雙目立體視覺在室內(nèi)、室外都能使用。當然雙目立體視覺也有其自身缺點，對環(huán)境光照非常敏感。雙目立體視覺法依賴環(huán)境中的自然光線采集圖像，而由于光照角度變化、光照強度變化等環(huán)境因素的影響，拍攝的兩張圖片亮度差別會比較大，這會對匹配算法提出很大的挑戰(zhàn)。
立體視覺（左）和結構光（右）深度相機拍攝的圖像和對應的深度圖
（三）ToF
ToF（Time of Flight，飛行時間）的基本原理是通過紅外發(fā)射器發(fā)射調(diào)制過的光脈沖，遇到物體反射后，用接收器接收反射回來的光脈沖，并根據(jù)光脈沖的往返時間計算與物體之間的距離。這種調(diào)制方式對發(fā)射器和接收器的要求較高，光速那么快，對于時間的測量有極高的精度要求。
ToF飛行時間法深度測量基本原理示意圖
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由于測量光的飛行時間需要非常高的頻率和精度，早期的ToF設備在體積上一直存在問題，成本也高，所以較多用于工業(yè)領域。ToF的小型化極大依賴于近年來集成電路與傳感器技術上的突破，使得在CMOS芯片上對光脈沖相位的測量逐漸變得可行。有芯片上的解決方案，才有小型化和低成本的產(chǎn)品出現(xiàn)。不過ToF方案比較適合中遠距離應用。
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二、核心元器件發(fā)展之路
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（一）集成3D傳感的手機發(fā)展之路
3D傳感是智能手機發(fā)展的必然趨勢，隨著AI技術的快速發(fā)展，AI 3D視覺技術開始大規(guī)模應用于智能手機，對比之前手機通過2D攝像頭以2D的方式感知世界，AI 3D視覺技術可賦予智能手機一雙“智慧之眼”，實現(xiàn)3D人臉識別、3D刷臉支付、3D掃描、AR交互等諸多功能。
（二）TOF在消費電子領域的商業(yè)化發(fā)展之路
ToF技術在消費電子產(chǎn)品中主要應用于光學測距以及3D感知，雖然這兩者本質(zhì)上是一樣的，但測距系統(tǒng)有時更簡單：例如距離傳感器、攝像頭激光對焦這類“單點”檢測ToF技術；3D感知則偏向針對整個場景的“多點”3D視覺、3D建模輔助、深度感知等技術。
（三）傳感應用的VCSEL技術發(fā)展趨勢
結構光和ToF方案都需要在寬泛的工作條件下（包括峰值光功率和脈沖參數(shù)等）利用VCSEL照射目標場景。優(yōu)化激光器輸出功率和效率、光束發(fā)散角等對于VCSEL性能至關重要。此外，VCSEL芯片設計，以及在用戶特定模塊中的高效集成也將成為VCSEL未來能否實現(xiàn)更多應用導入的關鍵。VCSEL通常被集成到包括光學元件和/或驅動器的模塊中，以創(chuàng)建所需要的照明配置。VCSEL設計和集成方面的創(chuàng)新可以優(yōu)化封裝，從而改善器件的占位面積和激光器性能。
（四）SPAD技術發(fā)展之路
由于近些年CMOS SPAD技術的巨大發(fā)展，更先進的SPAD陣列和圖像傳感器正在出現(xiàn)，不僅徹底改變了共聚焦顯微鏡，而且還改變了其它需要光子計數(shù)探測器提高空間和時間分辨率的應用領域。與此同時，SPAD陣列正在激發(fā)新的機遇——與VCSEL搭配使用以賦能激光雷達，可用于智能手機增強現(xiàn)實（AR）、汽車自動駕駛等領域。此外，SPAD圖像傳感器具有豐富高端圖像傳感器功能的發(fā)展?jié)摿?，前途無量。
（五）激光雷達發(fā)展之路
激光雷達的原理是通過發(fā)射激光來測量周圍事物的距離。發(fā)射的激光線束越多，感知的區(qū)域和細節(jié)就越多，而通過讓反射的激光轉動掃描，就可以得到一片區(qū)域的三維形態(tài)。
特邀專家：盧煜旻|上海矽杰微電子有限公司董事長
主題：毫米波雷達傳感器和智能家電
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一、傳感器技術提高建筑能效
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在國家雙碳目標的大背景下，能效的提高、領域耦合和可再生能源的利用都會減少化石類燃料的消耗。而建筑的能耗是大部分國家能耗的重要組成，提高建筑能效是實現(xiàn)可持續(xù)能源系統(tǒng)的關鍵。
據(jù)統(tǒng)計，電力至少占建筑物能耗的60％，但并非所有能源都得到了有效利用。例如，即使走廊和公共場所沒有人在場，這些區(qū)域也可能處于長時間照明的明亮狀態(tài)。辦公大樓的供暖、通風和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)通常占總能耗的40％左右，為了確保不浪費能源，需要大規(guī)模采用傳感器技術。
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二、毫米波雷達傳感器
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（一）毫米波雷達傳感器簡介
毫米波雷達傳感器使用毫米波（millimeterwave）。通常毫米波是指30～300GHz頻域(波長為1～10mm)的。其中24GHz雷達傳感器、77Ghz雷達傳感器主要用于汽車防撞。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優(yōu)點。同厘米波雷達相比，毫米波雷達具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點。與攝像頭、紅外、激光等光學傳感器相比，毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，抗干擾能力強，具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。由于雷達技術的發(fā)展與進步，毫米波雷達傳感器開始應用于汽車電子、安防、無人機、智能交通、智能家電等多個行業(yè)中。
（二）毫米波雷達傳感器原理
毫米波雷達基于多普勒效應原理。當發(fā)射的電磁波和被探測目標有相對移動、回波的頻率會和發(fā)射波的頻率不同。當目標向雷達天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射機頻率；反之，當目標遠離天線而去時，反射信號頻率將低于發(fā)射幾率。
多普勒效應所形成的頻率變化就被稱作多普勒頻移，它與相對速度V成正比，與振動的頻率成反比。如此，通過檢測這個頻率差，可以測得目標相對于雷達的移動速度，也就是目標與雷達的相對速度。
根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時間差，可以測出目標的距離。同時用頻率過濾方法檢測目標的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。所以脈沖多普勒雷達比普通雷達的抗雜波干擾能力強，能探測出隱蔽在背景中的活動目標。
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三、毫米波雷達傳感器應用
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（一）智能照明
智能照明是為人所熟知智能城市概念中的一環(huán)，它的應用范圍廣泛，包含學校、辦公樓、停車場公共照明設施等。其中燈聯(lián)網(wǎng)是近年來的新興概念，是指通過各種信息傳感元件和技術采集單盞燈具的各種數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)對單燈監(jiān)控和節(jié)能管理效益最大化。
智能照明傳感器其實由來已久，從20多年前普遍使用的聲控傳感器感應，再到紅外感應，射頻/雷達傳感器逐步發(fā)展至今，其主要目的就是節(jié)能，在一些公共場合無人時自動關燈或者降低亮度，以達到節(jié)能減排的作用。
但是紅外傳感器和低頻傳感器都存在著非常明顯的缺點，比如紅外傳感器不能被遮擋，且必須采用菲涅爾透鏡才能將感應范圍擴大；低頻射頻傳感器產(chǎn)品一致性較差，并且由于與wifi產(chǎn)生互相干擾，導致網(wǎng)速變慢或者雷達被干擾誤觸發(fā)，還容易導致穿墻感應，人在門外走廊經(jīng)過就觸發(fā)了室內(nèi)的燈。這些缺點在居家環(huán)境中尤為明顯。
毫米波雷達模塊可以有效的解決上述難題，由于其本身較高的工作頻率，基本沒有穿墻感應。而較高的載波頻率使得傳感器對一些微小動作和慢速動作的探測也非常的靈敏。例如在圖書館這類相對安靜且用戶動作輕微、洗手間這類用戶可能長時間只有微小動作的場合，毫米波雷達能夠靈活并準確地捕捉到這些微小動作，以確保燈不會關閉。
車庫節(jié)能模式
走廊節(jié)能模式
其他應用場景
（二）智能家電
人體存在感知是智能家電中極其重要的一項應用技術，智能家電設備通過精準地感知人體存在和狀態(tài)，做出相應的響應或互動。以往市場上常見的人體傳感器是PIR被動式熱釋電紅外傳感器，只能做人體移動的偵測，而無法準確判斷屋內(nèi)是否有人。在家居場景中，人體傳感器常常用來搭配智能開關實現(xiàn)燈光控制，但如果用戶在書房看書學習或者在客廳看電視等過程中長期保持一個相對固定的姿勢不變，人體傳感器則偵測不到人體移動，就會出現(xiàn)錯誤關燈等問題。雖然市面上很多智能攝像機也具備移動偵測和人形識別功能，但這類產(chǎn)品很容易帶來隱私問題。
毫米波雷達的入局，能夠徹底解決這個問題，毫米波雷達不僅克服了容易受到光線、溫度干擾影響性能表現(xiàn)的弱點，而且能夠在不侵犯用戶隱私的前提下準確判斷室內(nèi)是否有人，解決了靜態(tài)人體無法識別的行業(yè)痛點。在智能家電場景中，基于毫米波雷達技術的人體存在傳感器還能夠實時進行動靜、空間、方向和遠近等全方位的偵測，極大激發(fā)人、設備、空間三者之間的連接與融合，從而實現(xiàn)全屋智能聯(lián)動。
智能空調(diào)。毫米波雷達傳感器的智能空調(diào)可實時監(jiān)測人體移動，根據(jù)人與空調(diào)的遠近距離改變出風的方向與速度。毫米波雷達傳感器方案不受環(huán)境溫度影響，即使在炎炎夏日，環(huán)境溫度接近人體溫度時，也能準確識別人體，提供舒適送風。且毫米波雷達可穿透空調(diào)外殼，提升空調(diào)外形的美觀性。
智能洗衣機。搭配人體感應技術，無需觸摸，人到自動點亮屏幕、人走智能待機，真正做到無需電源按鈕。
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相信在不久的將來，毫米波傳感器技術會廣泛應用于智能家電乃至全屋智能家居行業(yè)，通過其精準的人體感應、可靠的抗干擾能力和大范圍監(jiān)測覆蓋，賦能全屋智能家電場景，讓你的家越來越智能，越來越安全。
特邀專家：孔繁曉|武漢聚芯微電子有限責任公司CMO
主題：TOF傳感器技術在智能家電中的應用
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一、TOF市場增長預測
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3D感測技術路線很多，不同技術的性能不同，適合的應用領域也不同。在消費電子應用領域，目前主流的3D感測技術有兩種：3D結構光（3D StructureLight）和時間飛行法(Time of Flight)。其中，TOF在遠距離、成本低、尺寸小、響應時間快等方面具有明顯優(yōu)勢。此外，TOF的測量誤差主要來自組裝系統(tǒng)，因而誤差恒定，TOF對算法要求較低使其響應更快。因此，TOF方案應用范圍更廣，可應用于如3D建模、游戲、導航、自動駕駛、手勢捕捉、AR等領域。
3D ToF市場的發(fā)展正呈現(xiàn)出飆高的趨勢，不僅市場規(guī)模在未來5年內(nèi)還將迅速擴張，而且供應鏈參與者近兩年正持續(xù)著十分活躍的市場動作，還有很多企業(yè)正準備入市。
二、TOF傳感器技術在智能門鎖中的應用
在智能門鎖領域，中國擁有全球最大的城市家庭市場，但智能門鎖的滲透率卻遠遠低于日韓等發(fā)達國家。在家電、家居智能化背景下，作為智能家居的第一級入口，擁有非常廣闊的市場，整體解決方案商都在布局各自的門鎖方案。
無接觸的人臉識別鎖在智能化、易用性、安全性上有著巨大優(yōu)勢，其中又以智能3D鎖安全等級最高。與其他三維面部識別技術相比，TOF面部識別技術擁有響應時間快、低光環(huán)境適應性好、功耗低、成本低、體積小等優(yōu)點。從這些優(yōu)勢可以看出，響應時間快及低光環(huán)境適應性強意味著TOF技術將為用戶帶來更快的解鎖體驗，且無需擔心光線影響解鎖；功耗低意味著TOF技術將智能門鎖帶來更好的續(xù)航能力；而成本低則意味著可為智能門鎖品牌上帶來成本更低的三維面部識別方案，從而打造高性價比的三維面部識別智能鎖產(chǎn)品。
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三、TOF傳感器技術在智能家居中的應用
智能家居的發(fā)展已經(jīng)勢不可擋，而智能家電在智能家居中的占比最高。家電的智能化要根據(jù)周圍環(huán)境自動做出適當響應，不需要人為干預。這種對周圍環(huán)境的自動感知，必然少不了傳感器的參與。TOF測距傳感器作為傳感器家族的一員，有著更廣泛的應用場景，可以應用于許多日常的家電中，進一步升級智能家居產(chǎn)業(yè)，助力家電的智能化。
在家電智能化應用中，相比于紅外感知監(jiān)測及毫米波雷達方案，ToF技術在個體姿態(tài)識別和精度上優(yōu)勢明顯，同時又確保不抓取彩色圖像，可以完美兼顧檢測與隱私、滿足多樣化場景剛需并快速落地。
1、掃地機器人。ToF在掃地機器人中用于機器人的導航、構建地圖、避障；近年掃地機器人隨著市場增長較快，更多的功能要求也推動了TOF模組行業(yè)往前發(fā)展。
2、AR/MR/VR。ToF相機是AR/MR的關鍵部件，可以帶來更自然的HML體驗。短期內(nèi)，AR頭顯將聚焦專業(yè)和工業(yè)市場。未來AR是否會在消費市場爆發(fā)取決于應用和生態(tài)系統(tǒng)。
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特邀專家：陳杰智|國家海外青年特聘專家，山東大學信息科學與工程學院副院長
主題：從存儲到感-存-算一體融合
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一、研究背景
隨著大數(shù)據(jù)和人工智能快速發(fā)展，現(xiàn)有芯片算力已難以滿足爆炸式增長的數(shù)據(jù)計算需求，存算一體是從根本上解決傳統(tǒng)馮諾伊曼架構算力瓶頸問題以改善計算性能的關鍵技術之一。
在過去二十年，處理器性能以每年大約55%的速度提升，內(nèi)存性能的提升速度每年只有10%左右。結果長期下來，不均衡的發(fā)展速度造成了當前的存儲速度嚴重滯后于處理器的計算速度。
在傳統(tǒng)計算機的設定里，存儲模塊是為計算服務的，因此設計上會考慮存儲與計算的分離與優(yōu)先級。但是如今，存儲和計算不得不整體考慮，以最佳的配合方式為數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理服務。這里面，存儲與計算的再分配過程就會面臨各種問題，而它們主要體現(xiàn)為存儲墻、帶寬墻和功耗墻問題。目前，存算一體工作大多集中在面向人工智能等應用的專用計算，如何設計面向通用型計算的存算一體架構仍然亟待解決。
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二、技術解析
（一）后摩爾時代的新架構——存算一體
所謂“存算一體”，是指將傳統(tǒng)以計算為中心的架構轉變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為中心的架構，直接利用存儲器進行數(shù)據(jù)處理，從而把數(shù)據(jù)存儲與計算融合在同一芯片中，極大提高計算并行度與能量效率，特別適用于深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡領域，如可穿戴設備、移動設備、智能家居等場景。
“存算一體”的關鍵在于突破了傳統(tǒng)的馮·諾依曼計算架構下，數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)處理相互分離，存儲器與處理器之間通過數(shù)據(jù)總線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎凸钠款i。速率方面，數(shù)據(jù)總線的有限帶寬嚴重制約處理器的性能與效率，AI運算需要1PB/s的運算速率，而作為緩存的SRAM速度僅有100TB/s，主存DRAM的速度更是僅有1TB/s，每一級存儲之間都形成了一道“存儲墻”，制約著系統(tǒng)整體的運算速率。功耗方面，數(shù)據(jù)在存儲器與處理器之間的頻繁遷移帶來嚴重的傳輸功耗問題。在摩爾定律時代，這一功耗尚可隨著晶體管尺寸的減小等比例地縮小，稱為“登納德微縮”。然而，當“后摩爾時代”芯片的特征尺寸進入7nm以后時，量子效應所導致的漏電使得單位功耗密度快速上升，由于數(shù)據(jù)傳輸所導致的靜態(tài)功耗越來越成為芯片發(fā)展的制約，形成“功耗墻”。芯片的設計無法再依靠尺寸微縮取得更好的性能和能效，“存算一體”架構開始顯現(xiàn)出其獨特優(yōu)勢。
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存算一體概念的提出最早可以追溯到上個世紀七十年代，斯坦福研究所的Kautz等人于1969年提出了存算一體的概念，期望直接利用內(nèi)存做一些簡單的計算功能，減小數(shù)據(jù)在處理器與存儲器之間的搬移。2010年以來，隨著數(shù)據(jù)量不斷增大以及3D內(nèi)存等技術的出現(xiàn)，存算一體的概念重新得到人們的廣泛關注，并開始應用于商業(yè)級DRAM主存當中。尤其從2015年開始，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等大數(shù)據(jù)應用的興起，存算一體得到國內(nèi)外學術界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛研究與應用。
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存算一體的性能功耗優(yōu)勢已經(jīng)被初步證明。三星公司在2021年2月22日舉行的國際固態(tài)電路會議（ISSCC）上首次發(fā)表了基于高帶寬內(nèi)存（HBM）技術的 HBM-PIM處理器。三星公司指出，當他們用現(xiàn)有的HBM2 Aquabolt系統(tǒng)測試新技術時，系統(tǒng)性能提高了一倍、能源消耗降低了70%。
（二）感存算一體技術
集傳感、儲存和運算為一體構建感存算一體架構，解決馮諾依曼架構的數(shù)據(jù)搬運的功耗瓶頸，同時與傳感結合提高整體效率。在傳感器自身包含的AI存算一體芯片上運算，來實現(xiàn)零延時和超低功耗的智能視覺處理能力。基于SRAM模數(shù)混合的視覺應用存內(nèi)計算神經(jīng)擬態(tài)芯片僅在檢測到有意義的時間才會進行處理，大幅降低能耗。
（三）閃存高精度存算設計與應用
（四）新型鉿基鐵電材料與器件可靠性
新型氧化鉿基鐵電材料因其極佳的微縮特性和CMOS工藝兼容性，近十年來一直是學術界和工業(yè)界最關心的研究熱點，也是未來存儲器三維集成技術研發(fā)的核心材料之一。陳杰智課題組與中科院微電子所合作，通過設計的新型脈沖測量技術對多晶鉿鋯氧鐵電薄膜極化翻轉過程進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，當器件尺寸微縮至3.89微米，翻轉時間可達納秒量級；當溫度低于161K或者當器件尺寸小于晶粒尺寸時，成核翻轉模型將過渡為傳統(tǒng)的疇壁移動模型。該研究工作指出，多晶鉿鋯氧鐵電薄膜在亞微米尺寸具備更快的讀寫速度，并且在低溫領域具有巨大的應用潛力。
（五）基于鐵電晶體管的RC儲備池神經(jīng)網(wǎng)絡
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三、感存算融合一體技術新應用
（一)芯片指紋
利用晶體缺陷設計芯片指紋，開發(fā)出可超百萬次讀寫的高可靠性新型芯片指紋系統(tǒng)。
（二）高速硬件數(shù)字檢索
全硬件數(shù)字檢索實現(xiàn)大容量閃存數(shù)據(jù)的高速檢索，同時可有效抑制噪聲串擾影響；單次讀操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速檢索，相對block數(shù)據(jù)讀取＋軟檢索方案，速度提升3個數(shù)量級。
如今我們提到家居、家電總是離不開“智能”二字。常規(guī)的固定式家電產(chǎn)品在智能化與萬物互聯(lián)的加持下能夠提供多樣化功能與更好的使用體驗，同時以“機器人”為核心概念，以自律移動為功能實現(xiàn)手段的掃地機器人等新式家電，也正以更大的覆蓋面解放我們的雙手。對美好生活的渴望總是成為家電智能化前進的動力，我們期待各類傳感器技術的進步和深度應用，能夠帶來更好的生活體驗。
聶教授
