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)測上取得了一個突破性進展，實現(xiàn)了無創(chuàng)血糖監(jiān)測，并且還實現(xiàn)了設(shè)備的初步小型化。
據(jù)國際權(quán)威數(shù)據(jù)，當前全球有超過5億成年人有糖尿病，需要注意飲食和運動，時刻關(guān)注血液中葡萄糖的含量，一旦血糖過高，這些患者就會出現(xiàn)健康問題，甚至危及生命。不過，以當前的醫(yī)療科技水平來說，長期監(jiān)測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，這個被稱作“E5”的項目希望在不刺破人體皮膚來取血的情況下連續(xù)測量體內(nèi)的葡萄糖含量，在數(shù)百人身上對比測試后，蘋果證明其無創(chuàng)檢測血糖的技術(shù)方向可行，而蘋果的最終目標是將血糖監(jiān)測系統(tǒng)添加到Apple Watch上。
2014年9月時，第一代Apple Watch正式對外公布。當時，Apple Watch還必須配合iPhone來使用，相當于iPhone的一個配件。如今，Apple Watch已經(jīng)發(fā)展到了第八代，可以配合eSIM當做獨立設(shè)備使用，而且ECG心電圖、心臟健康、血氧監(jiān)測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)測系統(tǒng)的最終目標能夠?qū)崿F(xiàn)，意味著蘋果手表將從讓你更時尚的“可選消費品”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)測系統(tǒng)主要依賴蘋果設(shè)計的硅光芯片和傳感器，利用光的反射來檢測血糖含量，具體來說：特定波長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)上會反射回來，而波長和強度根據(jù)遇到的物質(zhì)不同而不同，最后，傳感器收集光信號，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)測技術(shù)視為一種 “預防措施”，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、合理運動。至少從1975年開始，研究人員就一直在研究監(jiān)測血糖水平的方法。到現(xiàn)在為止，即使花費了數(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，能夠足夠準確地持續(xù)監(jiān)測血糖。而經(jīng)過超12年時間的秘密打造，蘋果研發(fā)的系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)進入了概念驗證階段，同時蘋果公司認為該技術(shù)是可行的，但實際大規(guī)模推廣使用需要縮小到更加實用的尺寸才行。如果功能和體積能得到進一步完善，這項突破將是糖尿病患者的福音，同時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)的部門是被譽為蘋果最隱蔽的團隊——探索性設(shè)計小組(XDG)，該小組隸屬于蘋果硬件技術(shù)團隊，與蘋果傳統(tǒng)部門不同的是，XDG被允許以更大的財務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，而是將驗證一個想法是否可行作為工作的目標。XDG中有數(shù)百名工程師，但在XDG內(nèi)從事一個項目的人員，卻不能和XDG內(nèi)另一個項目的員工交流工作。
與Alphabet旗下的“登月工廠”部門一樣，XDG負責許多頗具創(chuàng)意的項目。2015年，XDG開啟了無創(chuàng)血糖檢測的項目，成為XDG最重要的項目之一。2019年時，蘋果手表的銷量超過了出現(xiàn)了百年的整個瑞士手表行業(yè)。與此同時，蘋果手表歷年來新功能的推出還帶動了各類競品的爭相模仿，如有心率檢測、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)檢測血糖功能，或許也會經(jīng)歷同樣的過程。
蘋果手表背后的“未來芯片”
在當前的血糖監(jiān)測領(lǐng)域，國際上更推薦的方法是CGM(Continuous Glucose Monitoring，連續(xù)血糖監(jiān)測)，該方案通過通過植入皮下感應器24小時連續(xù)監(jiān)測葡萄糖水平，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RareLight的收購后，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)采血測量的“光學吸收光譜”(Optical Absorption Spectroscopy)技術(shù)，“無創(chuàng)”更是依賴于蘋果設(shè)計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中，這一應用將成為硅光技術(shù)從工業(yè)市場“下沉”到消費電子市場的成功案例，硅光技術(shù)也將實實在在融入到生活中的方方面面，在醫(yī)療健康、高性能計算、智慧生活等方面為社會發(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體工藝集成到硅基芯片中，當電流流到轉(zhuǎn)換模塊時，通過光電效應把電信號轉(zhuǎn)換為光信號，進而發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細光纖中，當光信號到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號，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。由于光對于玻璃來說是透明的，不會發(fā)生干擾現(xiàn)象，理論上可以通過在玻璃中集成光波導通路來傳輸信號，很適合于計算機內(nèi)部和多核之間的大規(guī)模通信。
其實，“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傳播取代早期的銅纜傳播電信號，極大提升了網(wǎng)絡(luò)的帶寬。不過，如果僅使用光信號來通信，會大大受限于光學設(shè)備的體積，很難把復雜的光電轉(zhuǎn)換模塊縮小到納米尺寸，在芯片級的尺度上使用。雖然在實驗室中不斷有突破出現(xiàn)，但良率和成本始終無法達到量產(chǎn)的要求，同時，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)勢在于擁有相當高的傳輸速率，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，用光代替電進行信息傳輸，功耗也遠低于傳統(tǒng)方式，對散熱的要求大幅度降低。
從時間上來看，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)品也最早脫離實驗室，以批量生產(chǎn)的方式交付給客戶。
從應用的角度來看，除了可穿戴設(shè)備之外，硅光技術(shù)在未來的應用主要還有以下幾個方面：
云計算
硅光技術(shù)不僅能大幅提高芯片互聯(lián)帶寬，還遠比傳統(tǒng)電路節(jié)省能源和散熱需求，對云計算產(chǎn)業(yè)意義重大。當芯片間信號通路改用光路后，大量芯片的聯(lián)合計算性能會成倍增長，同時總體能耗明顯下降，大大提高了服務器集群的效率。在云計算與大數(shù)據(jù)方面，400G、800G的高速光模塊也將持續(xù)推動云計算數(shù)據(jù)中心建設(shè)，滿足大量數(shù)據(jù)交換需求。
激光雷達
在自動駕駛方面，硅光芯片的的應用目前主要集中于激光雷達方向。車載激光雷達技術(shù)需要多路激光發(fā)射和接收，所以對于多路信號控制十分依賴，而這恰恰是硅光芯片的優(yōu)勢，高度集成性和電光效應相位調(diào)諧能力使得它非常適宜在車載激光雷達上取代傳統(tǒng)芯片。
量子計算
在量子通信領(lǐng)域，硅光芯片則憑借其特性實現(xiàn)了對糾纏態(tài)光子的操縱控制。2021年7月時，中國科大教授潘建偉、張軍等聯(lián)合浙江大學儲濤教授研究組，就通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實時后處理，實現(xiàn)了速率高達18.8Gbps的實時量子隨機數(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，可以實現(xiàn)5G業(yè)務的前傳、中傳和回傳功能，但實現(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時代針對無人駕駛、VR、遠程醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)νㄐ诺乃俾屎蜁r延的更高要求。
各國都在硅光芯片領(lǐng)域“備戰(zhàn)”
根據(jù)LightCounting的數(shù)據(jù)，2020年硅光模塊市場規(guī)模約為20億美元，預計到2026年時，硅光模塊市場規(guī)模將接近80億美元，硅光方案市場份額有望從25%提升至50%以上。2021年底，阿里巴巴達摩院將硅光芯片列入2022十大科技趨勢之一。
在達摩院看來，硅光子和硅電子芯片取長補短，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢，將促使算力的持續(xù)提升。未來3年，隨著云計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)的光計算將逐步取代電子芯片的部分計算場景。
早在2014年，美國就建立了“國家光子計劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光學與光子基礎(chǔ)研究與早期應用研究計劃開發(fā)，支持4大研究領(lǐng)域及3個應用能力技術(shù)開發(fā)，并提出了每一項可開發(fā)領(lǐng)域的機會和目標。2022年6月時，荷蘭決定投資11億歐元，以促進新一代硅光子技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，為打造下一個阿斯麥做好準備。荷蘭的此項投資是為了搶占未來半導體市場，發(fā)掘類似阿斯麥的新尖端企業(yè)的戰(zhàn)略。
2015-2016年時，伴隨摩擦加劇，英特爾和Acacia等廠商先后被禁止向國內(nèi)廠商供應硅光芯片與模塊，我國自此也開始了加速硅光技術(shù)國產(chǎn)替代的進程：
2017年時，上海市政府就將硅光子列入首批市級重大專項，面向硅光子全產(chǎn)業(yè)鏈，針對國內(nèi)發(fā)展硅光子最為短缺的工藝平臺、核心關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品研發(fā)精準布局，開展激光雷達、人工智能計算芯片、大規(guī)模光開關(guān)、3D光電集成等具有巨大應用潛力的前沿研究;
2018年，國內(nèi)首個硅光子平臺成立;
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，實現(xiàn)技術(shù)突破;
今年2月23日，北京市經(jīng)濟和信息化局、北京市財政局發(fā)布了《2023年北京市高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展資金實施指南(第一批)》征求意見稿。從原文件內(nèi)容來看，2023年將對開展新型智能計算芯片、新型存儲器、開源處理器、硅光芯片等前沿領(lǐng)域中的重點工程產(chǎn)品首輪流片(全掩膜)的企業(yè)，按不超過產(chǎn)品流片費用的50%予以獎勵，單個企業(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下，硅光技術(shù)已逐漸成為突破技術(shù)枷鎖的可實現(xiàn)方案。目前，國內(nèi)的硅光產(chǎn)業(yè)才剛剛起步，從可穿戴設(shè)備到高性能計算的各個領(lǐng)域都有望因此獲得性能的大幅提升，由此產(chǎn)生的“洗盤”效應或許會給國內(nèi)企業(yè)帶來新的機會，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代。
參考資料：
1.《蘋果的無創(chuàng)測血糖技術(shù)，不一定裝進手表》，晚點
2.《蘋果神秘項目取得重大突破 智能手表有望獲無創(chuàng)測血糖“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?》，財聯(lián)社
