用“芯”守护健康，下一代医疗应用芯片如何设计

路科验证 2022-08-31 11:57

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据联合国预测，到2050年，全球超过65岁的人口比例将达1/6。老年人口增多，对及早诊断的需求因此不断攀升，实时患者数据可惠及所有年龄段的人群，因此医疗器械设计的创新成为必然趋势。

人工智能（AI）技术已在医院、可穿戴设备和常规寻医就诊方面取得成功。专业医务人员可使用利用AI和VR技术的器械进行诊断工作、支持机器人手术、培训外科医生，甚至治疗抑郁症。到2028年，全球AI医疗保健市场规模预计将达到1,200亿美元。

现在的医疗器械能够做到尺寸更小并支持多种新功能，这些创新都得益于半导体技术的不断发展。

为医疗应用设计芯片所需的规划与其他领域完全不同，甚至与自动驾驶汽车等任务关键型市场大相径庭。不过不论是何种类型的医疗器械，医疗芯片设计都将面临三大挑战：功耗、安全性和可靠性。

三种主要的医疗器械类型

“医疗器械”一词涵盖范围广泛，既可以指简单的邦迪创可贴，也可以是复杂的MRI机器。世界卫生组织（WHO）将医疗器械定义为“用于预防、诊断或治疗疾病，或是出于健康目的检测、测量、恢复、修正或调整机体结构或功能的设备、仪器、装置或机器。”

专家估计，市场上有超过200万不同品种的医疗器械，可分为7,000多个门类。在新思科技，我们通常将医疗器械主要分为三大类：

每种类型的医疗器械都有其特定要求和开发者须注意的考虑因素，但功耗、可靠性和安全性的分析是所有医疗器械开发都必须要有的，对于低功耗、使用时间预计超过10年的器械、则在保护隐私和和防止泄露医疗数据等方面提出了更高要求。

低功耗设计

在开发医疗保健领域所用的半导体时，开发者首先要确保医疗器械的低功耗，植入式器械对此的要求更为严苛，原因在于此类器械需要通过手术在体内放置和移除，功耗应当更低，一般而言，医生和患者希望植入式医疗器械能够持续使用10至20年，而不是每隔几年就要换个电池。

大多数非植入式医疗器械也需要超低功耗设计，因为此类器械多为电池供电（比如手腕上的健身追踪器）。开发者需考虑采用低漏电工艺、电压域和可切换电源域等技术，从而降低活动功耗和待机功耗。

可靠性设计

可靠性是在指定时间段内，芯片在特定环境中（人体内、手腕上等）良好执行所需功能的概率，这一情况会根据医疗器械的使用情况而存在差异。在下图中，可以看到可靠性“浴盆曲线”，显示了一定时间内（x轴）失效设备的比例（y轴）。

大多数失效发生在制造阶段或寿命即将终止时，具体原因会因产品的具体情况而各有不同。比如说，笔记本电脑或移动设备的寿命大约为3年。

寿命终止失效主要是由于晶体管老化和电迁移。老化是指随着时间的推移，晶体管性能逐渐下降，最终导致整个器械失效。电迁移，或原子因电流密度而出现的不必要的移动，是造成晶体管之间互连失效的重要原因。通过线路的电流密度越高，在短期内发生故障的几率就越大。

医疗行业尚不清楚老化对低几何结构的影响，因此其它创新应用中可能使用的低几何结构芯片技术并未用于医疗器械的芯片设计中，相反，开发者通常选择已普遍使用且经过广泛研究的成熟芯片工艺（28nm及以上），这对于目前安装了植入式器械以延长寿命的患者是绝对的利好。

医疗器械的正常运行至关重要，因此，在最开始的设计阶段和整个过程都需要确保可靠性。与此同时，减少生产阶段的变动同样必不可少。新思科技提供可一整套可靠性分析解决方案，通常称为PrimeSim™可靠性分析，其中包括电气规则检查、故障仿真、可变性分析、电迁移分析和晶体管老化分析。

安全性设计

安全性对医疗器械的芯片设计也至关重要，它的重要性主要体现在以下两个方面：

开发者需要确保医疗器械不易受到任何形式的破坏，比如不法分子可能会入侵起搏器伤害患者。由于新冠肺炎疫情，为减少与患者的接触风险，并且为了方便起见，医疗领域越来越多地使用联网器械。建立的远程连接越多，数据泄露和遭受其它网络攻击的可能性就越大。

医疗保健器械的安全运行以及器械通过无线或有线网络安全收集或传输数据非常重要。虽然没有适用于所有器械的安全性解决方案，但开发者仍需要在硬件和软件设计的早期阶段就把安全性考虑在内，将患者的安全放在首位。

从芯片设计工具的角度来看，医疗器械的芯片开发者与其他应用场景的芯片开发者们所使用的工具并无不同。EDA、IP核、可靠性分析工具等都是必不可少的。这些工具将帮助开发者有效进行规划，从而实现超低功耗芯片设计，增加可靠性，同时兼顾空间限制和安全因素，这对患者的健康、信息安全与生命安全十分重要。

医疗保健行业需要先进的EDA工具来应对当今不断变化的挑战。先进的EDA工具可提供各类解决方案，比如实现软硬件层面的实时数据处理功能、系统集成（将尽可能多的组件集成到单芯片平台中）、评估低功耗设计对散热和电池寿命的影响等。

医疗器械行业正在飞速发展，芯片开发者们正在设计并持续推动下一代植入式器械、医院医疗器械和医疗保健可穿戴设备的创新。

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路科验证专注于数字芯片验证的系统思想和前沿工程领域。路桑是Intel资深验证专家，主持验证架构规划和方法学研究，担任过亿门级通信芯片的验证经理角色。在工程领域之外，他在西安电子科技大学和西安交通大学客座讲授芯片验证课程。著有书籍《芯片验证漫游指南》。

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