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方兴东
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谁将是下一代爆炸性技术? 发表评论(0) 编辑词条

大趋势的出现都不是简单或孤立的。它们都是以能够完全改变现状的爆炸性技术为起始标志的,例如火药、飞机和微处理器。秘密在于如何提早发现潜在的爆炸性技术并预测出它们可能引领的趋势。

早 在1976年,我曾是Tektronix公司的职员,任务是重新培训示波器销售与维护工程师,销售Intel 8008微控制器销的微处理器开发系统。该任务的一大挑战就是指出潜在的应用方向。在经过多次碰壁之后,我告诉那些工程师,这些奇特的芯片可用于控制电梯或者洗衣机。

显然,那时我没能具体指出它们可能带来的影响。那么,到底有多少新技术同样有可能改变我们每天都会接触到的电子设备?

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可穿戴计算机编辑本段回目录

最近斯坦福大学举办的一次研讨会探讨了未来可能出现的一种大趋势。科罗拉多州大学计算机科学系工艺技术研究室的博士后Leah Buechley博士始终致力于“计算纺织品与普适计算的推广”课题的研究。她尤其希望非工艺技术学家能够参与微控制器在服装领域的创新应用。微控制器的作用可以是装饰性的,例如闪闪发光的珠宝,或艺术性的,用于实现一部分功能。

在其论文中,Buechley介绍了“一种可重构的服装,其中包括一个躯干部分和多种可以连接到躯干上的传感附件。附件中的传感器包括肌肉收缩传感器、加速计、弯曲传感器和接触传感器。传感器采集的数据通过躯干中内嵌的蓝牙模块传输到一台计算机上,用于控制或产生音乐、视频和其他多媒体信息。”

装配似乎相对简单。“这种服装采用了我的2.0版电子织物结构套件,非常合身且富有弹性,” Buechley在论文中谈到,“我们将其中使用的电子模块尽可能做得小巧,这样它们就不会干扰穿着这种服装的舞者。2007年5月在一场即兴演出活动中,有人曾使用这种服装控制一台自动钢琴。”

为了使这种服装设计更加实用,Buechley研究了可缝纫的导线并开发出了一种用于Arduino微控制器的织物接插口LilyPad(如图1所示)。Arduino是一种基于Atmel AVR微控制器和外设的开源平台。它能够运行Processing编程语言和集成开发环境。

 与Arduino 一样,Processing语言的目标是帮助电子艺术和可视化设计领域的人们克服“数学很难”的畏惧心理。其中的编程元素来源于一种与C/C++类似的语言Wiring。开发环境是基于Java的。Buechley选择Arduino的原因是因为它已经具有一定的用户基础和直接可用的硬件支持(有关信息可从www.arduino.cc网站上查阅)。

Buechley早在中学期间就亲自进行了服装设计方面的工作,她开发的LilyPad适用于布料、导线和电路的劳动密集型家庭手工业制作,也适用于服装的批量生产,目前正通过SparkFun电子公司的网站进行在线销售。

 包括主板、电源、三色LED、光敏元件、USB链路和迷你USB线以及导线盘在内的整套LilyPad套件的价格为86.65美元。由于该产品更适用于批量项目,大量订购将有价格优惠。

磁悬浮交通工具编辑本段回目录

四 月份,NASA举行了为纪念1961年4月12日第一次人类太空飞行的年度纪念活动——Yuri之夜庆祝活动。宇航员Yuri Gagarin在1968年的一次训练事故中不幸殉职,但是他勇于冒险的精神却被全世界所纪念。我在NASA的Ames研究中心参加了当地的纪念活动,这是一次为纪念Burning Man而举行的科学博览会。

NASA有很多绿色能源计划,Unimodal公司参与了其中一项研究计划。Unimodal的SkyTran项目设想了一个能够覆盖整个城市的高架式交通工具网络,该设想如果能够实现,将会引起独特的爆炸性效果(如图 3所示)。但是,在SkyTran项目之下,有一种可能会产生爆炸性效果的推力技术,它在硬件生产方面接近于实现。

 

SkyTran将提供“像轿车一样便捷的零排放公共交通工具,但是不需要政府投资构建和运行这种系统,” Unimodal说,“通过SkyTran项目,您将乘坐一种由电脑控制的小型磁悬浮汽车在市内通行。由太阳能导轨组成的高架交通网络将为您提供运行迅速、服务快捷、点到点的、不间断的个人快速运输服务。”

相比其他服务快捷的运输系统,例如西弗吉尼亚州摩根城的个人快速运输(PRT)项目,SkyTran具有更低的成本和更小的占地面积。这些特性易于实现全城系统集成,就像公交路线网络一样,同时能够提供迅速快捷的服务并保护个人隐私,但又不会引起交通拥挤和柴油机排烟问题。

“大规模运输面临的挑战是如何让人们下车。铁轨和单轨铁路的实际大小限制了它们无法到达人们生活、工作和娱乐的地点,”Unimodal说,“单轨铁路成本高、体积大,对于分列和集束实际上只能采取侵入式的支持方式,相比之下,SkyTran的设计更加轻便和灵活。SkyTran可以悬停在住宅的便道上,依靠在建筑物的外部,甚至直接通达机场终端的大门,或者贯穿购物商场和办公大楼的内部。”

那么这种系统是如何运转的呢?它是一种高架磁悬浮轨道,以网状结构架设在城市中。在这种轨道上悬停的成本很低,是一种双人座舱。你可以购票去往系统中的任何一个结点,中途利用处于等待状态的座舱进行中转,分路到你的目标结点。这种方式与包交换非常类似,乘客就是“报文”。

你甚至可以将其想像为数据拆分为报文的过程。假设你和你的爱人携带了很多行李准备去机场。你为行李买了一张票,并为你和你爱人另外买了一张票。你将行李放在第一个座舱中,你自己乘坐后面的一个座舱。系统就会将你输送到机场终端,而运送行李的座舱就会多停一站以便通过机场安检。

假设,只需很少量的工作就可以将包交换协议扩大到可以运输人的规模。那么,其中将涉及“少量”的编码工作,但是它基本上仍是一个缩放问题。此外,取代报文头的RFID标签和读出器都是成熟的技术。但是用什么作动力呢?如果SkyTran能够运营,它将需要一种具有爆炸意义的推进技术。如果仅仅是移动电缆和支架,那么它不过是一个空谈而已。

SkyTran项目提出的悬浮技术是一项新技术,它来源于劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究项目。参与这些项目的研究员Richard F. Post已经在这个实验室从事了几十年的磁悬浮研究。他只是间接参与了SkyTran项目,但是他最近的工作也是围绕同类问题的,研究对象是更常规的市内轨道交通技术。

“市内和城际磁悬浮系统可能是解决当前紧迫的运输需求的一种实用高能效方案,”Post说,“为了最大限度提高磁悬浮系统的能效,必须对悬浮方式和推进系统同时进行优化。一种可能的方案是Inductrack,即在移动的车厢上安装永磁体实现悬浮。”

Inductrack最初是由LLNL为高速列车而开发的一种磁悬浮技术。其中LLNL目前正开发的一种版本具有成为爆炸性技术的潜力。另外一种普通的城市用版本已经作为宾夕法尼亚州的公共运输系统正在研发之中,其初样设计当前正在运行(如图4所示)。 

“有很多理由相信磁悬浮列车相比传统的运输系统将更受欢迎。对于城际运输,磁悬浮列车相比轮轨式列车能够实现更快的速度,”Post说,其他优势包括“噪声低,乘客舒适性好,防止机械故障的安全性高,维护简便,驾驶舒适性好,能够爬更陡的坡,相比传统的城市运输系统具有更高的能效。”

对于长期运转,人们已经建造了两种不同类型的磁悬浮列车,事实证明这种列车能够达到500km/h的最高时速。电磁悬浮(EMS)、磁吸力系统采用安装在列车车厢上的伺服控制器,这种控制器向上吸附到钢制底盘轨道上。在电动力悬浮(EDS)、磁斥力系统中,低温冷却超导磁体安装在运动的车厢上。内嵌在车辆两边轨道中的线圈产生的电流感应产生的磁性能够排斥这些超磁体。

最著名的EMS系统,德国Trans-Rapid TR08试验列车,在30km长的测试轨道上实现了高达450km/h的运行时速。此外,日本的Yamanashi试验列车是一种EDS系统,它在18km长的测试轨道上实现了500km/h的时速。

在小规模的市内实现过程中,这些系统采用了线性同步电机(LSM)进行驱动,这是它们的一个主要缺陷。这种LSM采用逆变器驱动内嵌在轨道中的三相线圈内流过的大交流电流。为了尽量减少I2R能量损耗(导体中电流的阻力),必须限制这些线圈的“块长”,采用“块开关”的方式,这样就增大了系统成本和复杂性。

另 外一项LLNL研究计划旨在解决这些问题。连同NASA发起的一项关于磁悬浮发射火箭能力的研究课题,研究员Ed Cook开发出了一种模块式脉冲LSM驱动器,据称该驱动器的效率相比传统LSM驱动系统的效率要高得多。Cook的模块式脉冲LSM驱动系统采用了高成效的电容器和固态元件。通过控制脉冲的相位可以实现具有再生能量回收功能的加速或减速。

但是根据Post的观点,如果不达到500km/h的时速,磁悬浮列车的设计就变得简单了。例如,在日本的磁悬浮系统中,LLNL技术使用的是 EDS系统,其中没有采用低温冷却超导线圈和保持稳定悬浮的控制电路。实际上,Inductrack只是使用了永磁体阵列,而不是线圈。

就像直线感应电机是传统旋转式感应电机的“展平”一样,Inductrack是永磁体(PM)电机的“展平”。近来,旋转式PM电机成为人们热议的话题,因为在铜线价格大幅上涨之后,它们的价格并不比感应式电机高出很多。

Unimodal 公司计划在其SkyTran系统中采用Inductrack技术。其中有两部分组件:一个安装在车辆上的永磁体阵列(展开的转子)和缠绕在轨道上的线圈(展开的定子)。永磁体的排列结构称为Halbach阵列,这是为纪念劳伦斯伯克利国家实验室已退物理学家Klaus Halbach而命名的,他在粒子束流聚焦的问题上提出了创新见解。(粒子束流聚焦的基本现象是由另一个研究学者在1973年发现的。)

特别地,Halbach阵列是一种极性交替排列的永磁体阵列(如图5所示)。其磁场在底部增强,在顶部抵消。从理论上讲,每平方米磁铁阵列能够产生50吨的托举力,这远大于磁铁本身的重量——约50倍。 

我们每天基本上都能够遇到一种或几种形式的Halbach阵列,例如大家熟悉的平面式电冰箱的磁体。开个玩笑,拿两个电冰箱磁体,将它们侧面相对地“工作”。你会发现它们交替吸引和排斥。此外,通过了解LLNL实验室在轨道交通领域的研究成果,可以进一步认识Inductrack在SkyTran应用中的工作原理。

Inductrack有两种版本。第一种侧重于高速的城际运输系统。为了提高城际运行速度下的平稳性, Inductrack II减少了这些速度下的电磁牵引力。Inductrack II采用双Halbach阵列和一个悬臂式轨道,两个Halbach阵列分别在轨道的上方和下方。两个Halbach阵列磁场的水平分量相互叠加,而垂直分量则相互抵消。

通过调整下方阵列的磁体相对上方阵列磁体的厚度或宽度,可以获得一定悬浮重量和磁体重量下最佳的悬浮感应电流大小。磁体阵列可以配合绞合线“梯状轨道”或者带复合纤维加固的槽式叠片导轨来使用。

LLNL实验平台与其说是一种推力演示系统不如说是一种悬浮演示系统。因为它采用了列车车厢运行在轨道上,它是SkyTran方案的一种垂直镜像。

研究人员在车厢的底部安装了一个钕铁硼磁体阵列,它们的磁场在车厢下方的轨道线圈中产生感应电流,产生的浮力将车厢抬升起几个厘米并定位在中心。轨道内包含一个密排的短接线圈阵列。辅助车轮在列车暂停时支撑车厢。当低能辅助电源将列车的速度提升到高于最小速度之后,磁体阵列就会在轨道的感应线圈中产生足够的感应电流,从而悬浮起列车(如图6所示)。 

 

短距离通信编辑本段回目录

在今年Sun Microsystems公司举办的Sun Labs开放日上,Sun杰出工程师Hans Eberle演示了一种小规模、四端口开关的机械样品——一种基于Sun邻近通信技术的新型开关结构。这种组合技术实现了无线的片间通信。

在每个管芯上,第一层金属构成的金属焊盘形成了电容的极板,其中一个极板在一个管芯上,另一个极板在第二个管芯上,不需要键合线即可构成叠层式芯片模块。很多并行信号通过很薄的电介质实现了电容耦合(如图7所示)。简单地讲,该技术的关键部分在于驱动电路。

根据Sun的报告,“这种芯片必须包含用于驱动和放大信号的逻辑电路,接收电路必须比线式连接能够容忍更大的偏差。由于电压可能发生很宽的变化,因此邻近通信技术的设计实现必须能够兼容10倍的电压变化。”由于在机械上对不准是难以避免的,因此Sun公司采用了电路补偿以及动态处理振动和不均衡热膨胀之类问题的方法。 

该技术具有爆炸性发展潜力的要素在于,它在芯片密度、成本、速度、延迟和功耗需求等多个方面都有可能带来突破。Sun认为,通过压缩通信通路的互连长度,单位比特的传输功耗和成本都会降低。同样,利用这种技术还有可能在封装的超大规模集成(VLSI)芯片之间实现每秒数十万亿字节的传输带宽。

Sun 公司已经对邻近通信理论进行了多年的研究,但是Eberle的模型是该技术的第一次具体实现。尽管Sun最终的目标是实现10Tb/s的传输速度和几千个端口的集成密度,但是在Sun Labs开放日上演示的结果却比较保守,部分原因是由于使用了成熟的工艺技术来验证概念。

Eberle认为该技术今后有可能从根本上改变数据中心的计算方式。他认为,人们刚刚开始意识到数据搬移可能比数据的计算方式更加关键。

虚拟化本质上是一层抽象,让(数据中心的操作员)能够考虑集中资源——计算、存储器、存储——并在最需要它们的任何地方即刻进行分配。这些资源实际上处于哪个位置并没有关系。它们都是集中资源的组成部分,”Eberle说,“如果您增加一层抽象,您就需要额外的带宽去实现这一抽象。如果存储器突然位于另一个节点上,那么您必须传输数据。

更大、更快的开关都能够用于实现这一技术。“目前,最大的(单级)开关只有大约24个端口。我们很容易做出包含256个端口的开关并扩展到1000端口,”他说,“我们基本上可以将其看成是平面式开关。”

目前的大规模开关系统受限于单个芯片的I/O带宽,迫使人们采用常用的层次化设计。然而邻近通信技术实现的高片间带宽能够从根本上简化这类大规模开关的构成。我们可以在一个包含多个邻近通信芯片的封装内实现大规模的交叉开关结构,

提高数据的传输速度还能够确保更高的服务质量(QoS)。流视频应用具有实时性的约束。Eberle认为,利用他所设想的开关结构而不是多级开关,很容易实现这种服务水平。而且,不接触式互连在制造上也具有优势。与键合式多芯片模块不同的是,重新修改邻近通信模块是很容易的。

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标签: 下一代技术

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