智慧塵（Smart Dust）：萬有互聯的下一步
近兩年來，物聯網的發展有了長足的進步。物聯網模組已經進入了生活中的許多場景，例如智慧水錶，共享單車等等。隨著物聯網的下一步發展，我們預期會出現更多樣形態的模組，而智慧塵（smart dust）就是其中一種重要形態，可望幫助物聯網進入更多場景。
Gartner把智慧塵與機器學習、無人車一起列為未來重要趨勢
智慧塵的前世今生
“智慧塵”，顧名思義，是一種把智慧物聯網模組做到灰塵一樣的技術。“灰塵”的意思，一是表示尺寸特別小，二是表示無處不在。
智慧塵的概念是無線感測器網路（wireless sensor network）的自然延伸，最早由UC Berkeley的Kris Pister在本世紀初提出。美國的DARPA對於智慧塵特別感興趣，因為智慧塵可以大規模灑在需要監控的地方，等待智慧塵源源不斷地收集資訊。為了滿足這個場景的需求，智慧塵需要滿足幾個核心需求：
1.尺寸小，可以輕鬆部署到各種環境中，最好能做到米粒大小或更小；
2.免維護，最好做到灑完就不用管；
3.成本低，這樣可以做到大規模部署。
為了滿足以上需求，在設計上帶來了許多挑戰。對於尺寸的需求，首先意味著電池容量有限，其次需要能夠使用小尺寸天線做無線傳輸，最後要求模組整合度要高；免維護意味著不可能每過一陣就去更換電池，因此必須做超低功耗電路，甚至需要從環境中獲取能量。歸根到底，晶片技術上的挑戰還是超低功耗、能量獲取、小尺寸天線設計以及高整合度。
一旦物聯網模組能做到智慧塵的形態，就能進入許多新的應用場景。一個非常合適的例子就是監控環境，例如在智慧工廠等對於溫度、溼度等有要求的場合進行環境感測。此外，之前RFID的尺寸（常常平面面積在10平方釐米以上）對於一些應用（例如疫苗冷鏈、化學試劑等等）來說顯得過大而且通訊距離過近，因此限制了應用，而智慧塵就能進入這些領域。最後，對於人體植入式應用來說，尺寸非常關鍵，智慧塵也能成為關鍵技術。
部署在環境中的智慧塵
我們可以把一切不植入人體的智慧塵歸為部署在環境中的智慧塵。這類智慧塵模組通常包含了感測器、無線傳輸模組、處理器和電池／能量獲取單元。
部署在環境中的智慧塵最常見的能量來源是薄膜電池加上可以從陽光中獲取能量的太陽能電池，能支援的峰值功耗在10uW數量級，因此超低功耗電路設計是這類智慧塵的關鍵。在無線資料傳輸模組方面，因為對於功耗的限制，常見的WiFi，NB-IoT，藍芽等協議都不適用，而必須使用一套自創的通訊協議（當然中心hub路由器可以用WiFi等標準協議與外界傳遞資料）。此外，智慧塵與RFID的一個核心區別是智慧塵需要可以長距離通訊，因此智慧塵中常用喚醒式接收機等超低功耗架構。一個相關的設計挑戰在於天線：為了能維持10uW級別的功耗，無線系統無法工作在毫米波頻段而必須工作在900MHz／2.4GHz／5GHz的ISM頻段，然而如何把這些波段的天線做到毫米見方的智慧塵模組裡將是一個極大的挑戰。一般來說，為了能獲得合理的訊號採集效率，天線尺寸要和載波波長可比擬，而這幾個頻段的波長都在釐米級別，因此把天線做到毫米尺寸就意味著較大的訊號損失，這又進一步讓射頻電路的設計變得具有挑戰性。一個成功的智慧塵只有克服了這些問題才能真正投入實用。
在處理器方面，亞閾值設計成為必選項，而亞閾值設計的挑戰也是巨大的，首先如何建立基於亞閾值的單元庫就是並不容易的事，此外在亞閾值領域電路對於電壓、工藝和溫度較為敏感，如何保證電路在不同的情況下都能工作也不容易，往往需要專門的一些電路。最後，智慧塵的處理器為了節省功耗大部分時間是處於休眠狀態，但是定時器需要一直開啟以按時喚醒處理器。為了維持超低功耗，定時器的功耗往往需要在nW以下。
最後，為了滿足尺寸需求，在模組整合上也有講究。感測器、電池和處理器、無線模組通常無法在一塊晶片上實現；為了將多塊晶片整合在一起，用二維的方式會造成面積太大，所以一般需要用三維堆疊的方式。
一個部署在環境中的智慧塵的例子是有密歇根大學David Blaauw組設計的帶壓力感測器的智慧塵（如下圖）。在1.4mmx 2.8mm x 1.6mm的超小體積中，壓力感測器、電池、MCU和無線射頻模組以堆疊的形式整合在一起，其平均功耗僅為8nW，電池壽命可以長達一年以上。
植入人體的智慧塵
能植入人體的智慧塵將能極大地改善我們的醫療和保健，因此獲得了非常多關注。目前的植入式電子裝置，例如心臟起搏器，事實上是未來可植入式智慧塵的初級版本。可植入智慧塵一面可以作為感測器持續人體指標的持續監測，為一些慢性病管理提供精確化治療的依據；另一方面可以作為激勵器（stimulator）從而提供一些疾病（如癲癇等）的治療方案，可以說是革命性的技術，甚至連Elon Musk都在佈局植入大腦的neural dust技術，其重要性可見一斑。目前比較熱門的相關醫療領域包括：
-可植入式血液指標監測：可以實現連續性的血液指標監測（例如血糖），從而幫助慢性病病患者更好地實現疾病管理；
-可植入式神經記錄／激勵：可以實現神經訊號檢測，實現腦機介面，同時也可以治療癲癇、視力障礙、癱瘓等疾病；
-可植入式心血管監測：作為心臟起搏器的加強版本，可以在心血管事件發生時最短時間內進行干預從而降低風險；
-膠囊式腸胃鏡：可以將用在消化道疾病的診斷，患者可以通過吞下膠囊完成腸胃鏡而免去傳統腸胃鏡的痛苦過程。
植入人體的智慧塵與部署在環境中的智慧塵相比，在體積和超低功耗方面有類似的要求，在成本上可以接受更高的價格但是在可靠性和電池方面有更苛刻的要求。植入人體的裝置，其對於可靠性的要求無需贅述，而對於電池的新要求主要是無法使用傳統的太陽能電池，而必須使用其他方法來獲取能量，例如定期無線充電。
可植入式智慧塵的代表是Stanford大學的Amin Arbabian組的一系列工作。這些工作最特別的一點是使用超聲波作為能量的來源和無線資料傳遞機制。由於此類植入式智慧塵對於資料讀出和充電的距離要求並不高，因此使用超聲波可以完成相應任務。使用超聲波的好處是超聲波在進入人體組織時能量損耗較小，因此可以為人體較深處的智慧塵充電。此外，還有一些其他研究組使用近場電磁感應進行充電和資料交換的，使用的機制所有所不同但也有異曲同工之妙。
智慧塵的領跑者
目前智慧塵的概念在學界已經獲得了多年的研究，在業界也在獲得越來越多的認可認同。在學界，密歇根大學的David Blaauw，Dennis Sylvester和David Wentzloff毫無疑問是智慧塵的領軍人物，在超低功耗電路設計、能量獲取以及系統整合方面都做出了卓越的貢獻。此外維吉尼亞大學的Benton Calhoun的工作也獲得了學界的認可。David Blaauw等密歇根大學的教授的研究成果正在CubeWorks做商業化，而Calhoun則創辦了PsiKicks。目前，CubeWorks已經發布了多款超微型智慧塵，而Blaauw研究組包括超低功耗人工智慧加速器、微瓦級錄音晶片等技術預計也在商業化的過程中。在可植入式智慧塵領域，Stanford的Amin Arbabian、Cornell的AloyshaMolnar、UCLA的Wentai Liu等也都在癱瘓治療、光遺傳學、腸道監控等領域做出了漂亮的工作。
密歇根大學David Blaauw組做的搭載超微型計算機的智慧塵。左邊的白色物體是用做參照物的一顆米粒。
智慧塵領軍人物David Blaauw的初創公司CubeWorks宣佈有能力製造全球最小的計算機
在業界，IBM正在投入智慧塵的開發，今年三月釋出了號稱搭載了全球最小計算機的智慧塵。有意思的是，密歇根大學不能認同IBM的說法，於今年六月釋出新聞說Blaauw教授等人的研究才是全球最小的計算機。在可植入式智慧塵領域名氣最大的大概是Elon Musk的初創公司Neuralink了，不過其neural dust什麼時候能真正問世還不清楚。
結語
智慧塵技術可望在未來幾年內獲得更多認可，學界研究的繁榮也將會帶來一批由學界技術商業化而來的初創公司從而讓智慧塵在業界也獲得更多關注。讓我們拭目以待。