三問腦機(jī)接口芯片
三問腦機(jī)接口芯片
作者：張心怡 來源：中國電子報(bào)、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)
芯片作為腦機(jī)接口的核心元器件，已經(jīng)成為腦機(jī)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)角力點(diǎn)。在腦機(jī)接口對腦電信號進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)化、控制、傳輸、解碼以及實(shí)際治療中的神經(jīng)刺激、神經(jīng)調(diào)控等環(huán)節(jié)，都離不開芯片的參與。今年以來，國內(nèi)外企業(yè)、高校在腦機(jī)接口芯片進(jìn)展不斷。《中國電子報(bào)》圍繞腦機(jī)接口需要哪些芯片、注重芯片的哪些能力、芯片下一步的迭代方向，三問腦機(jī)芯片。
腦機(jī)接口需要哪些芯片？
腦機(jī)接口是在大腦與外部環(huán)境之間建立的一種新型的信息交流與控制通道,通過對腦電信號的采集、處理、輸出、執(zhí)行，再將信號反饋給大腦，實(shí)現(xiàn)腦與外部設(shè)備之間的直接交互。
北京芯智達(dá)神經(jīng)技術(shù)有限公司研發(fā)總監(jiān)張壘向《中國電子報(bào)》表示，在腦機(jī)接口對腦電信號進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)化、控制、傳輸?shù)娜溌飞希夹枰酒膮⑴c。
“以輸出型腦機(jī)接口為例，首先是采集芯片對腦電信號進(jìn)行采集、調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)化，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。接下來，數(shù)字信號將傳輸給主控芯片，由主控芯片進(jìn)行管理和轉(zhuǎn)發(fā)。對于無線傳輸?shù)哪X機(jī)接口，主控芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給無線芯片。對于通過線纜與計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備連接的腦機(jī)接口，主控芯片會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給接口芯片。如果要控制外部設(shè)備，比如實(shí)現(xiàn)意念打字等，需要解碼芯片。此外，腦機(jī)接口的供電需要電源管理芯片?！睆垑菊f道。
而在輸入型腦機(jī)接口中，也需要芯片參與神經(jīng)活動(dòng)調(diào)控。比如，在深部腦刺激（DBS）等療法中，電極通過手術(shù)植入腦內(nèi)深層，通過電刺激特定腦結(jié)構(gòu)來緩解各類腦部疾病的癥狀。在這一過程中，需要神經(jīng)調(diào)控芯片或神經(jīng)刺激芯片來實(shí)現(xiàn)神經(jīng)刺激。
隨著雙環(huán)路、多模態(tài)等新的腦機(jī)接口方案持續(xù)涌現(xiàn)，能夠處理更多數(shù)據(jù)形態(tài)、集成更多功能的芯片品類也成為腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)的重要方向。四川省經(jīng)濟(jì)和信息化廳等8部門在5月12日印發(fā)的《四川省腦機(jī)接口及人機(jī)交互產(chǎn)業(yè)攻堅(jiān)突破行動(dòng)計(jì)劃（2025—2030年）》中，提出攻克低功耗腦機(jī)芯片、高靈敏高分辨智能傳感器、多模態(tài)感知融合芯片、自適應(yīng)能源管理單元等核心器件，并著力攻克類腦解碼芯片、雙向閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控芯片、多模態(tài)生物傳感器等新興器件軟件。
腦機(jī)芯片注重哪些性能指標(biāo)？
采集芯片是當(dāng)前腦機(jī)接口硬件領(lǐng)域的競爭焦點(diǎn)。張壘告訴記者，腦機(jī)接口對于采集芯片的電氣性能有著較高要求，包括輸入噪聲、共模抑制比、信號采集范圍等指標(biāo)。對于被歸類為有源植入式醫(yī)療器械的植入式腦機(jī)接口，還要充分考慮其芯片的體積、功耗、魯棒性和可靠性。
由于腦電信號屬于模擬信號，采集芯片需要對其進(jìn)行放大、濾波后再模數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，這就需要集成濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等組件，并對模擬電路設(shè)計(jì)、集成度、功耗提出了較高要求。因而許多企業(yè)在設(shè)計(jì)腦電信號采集芯片時(shí)，采用了ASIC（專用集成電路）架構(gòu)。
Neuralink腦機(jī)接口傳感器 （來源：馬斯克與Neuralink署名論文）
以馬斯克創(chuàng)立的腦機(jī)接口公司Neuralink為例，其腦機(jī)接口植入物N1 Chip試驗(yàn)版本的傳感器包含12個(gè)ASIC，每個(gè)ASIC包含256個(gè)獨(dú)立可編程放大器（Neuralink稱為“模擬像素”）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及外圍控制電路。神經(jīng)科技博主Neuronic發(fā)布于Medium的分析報(bào)告顯示，一個(gè)“模擬像素”由模擬電路、濾波器等組成。理想情況下，每個(gè)電極對應(yīng)一個(gè)模擬像素，以便獨(dú)立配置。N1 Chip試驗(yàn)版本的傳感器包含3072個(gè)模擬像素，這些模擬像素的性能決定了信號質(zhì)量和神經(jīng)接口特性。在設(shè)計(jì)模擬像素時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮三個(gè)因素：一是尺寸盡可能小，以便在芯片上集成更多像素；二是功耗盡可能低，減少發(fā)熱并延長電池續(xù)航；三是噪聲盡可能低，以確保所采集的信號質(zhì)量。
當(dāng)前，采集芯片往往也集成了神經(jīng)刺激功能。Neuralink的ASIC能夠在每個(gè)通道上進(jìn)行電刺激，以滿足調(diào)節(jié)神經(jīng)活動(dòng)需要。海南大學(xué)于今年5月公示完成科技成果轉(zhuǎn)化的高通量神經(jīng)信號采集刺激芯片8X-R128S4，能夠獨(dú)立完成神經(jīng)信號的采集和數(shù)字化輸出。該芯片集成128通道模擬放大電路、多通道選擇電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以同時(shí)采集128通道神經(jīng)信號，并提供多個(gè)刺激通道輸出。
海南大學(xué)自研腦機(jī)接口專用芯片亮相第五屆中國國際消費(fèi)品博覽會(huì)（來源：海南大學(xué)融媒體中心）
而神經(jīng)調(diào)控作為腦機(jī)臨窗應(yīng)用的重要方向，也帶動(dòng)了神經(jīng)調(diào)控相關(guān)芯片的持續(xù)創(chuàng)新。天津大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院教授孫彪撰文指出，刺激裝置的效率和安全性一直是神經(jīng)調(diào)控芯片首要考慮的問題。隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)，低功耗、高效能、安全性高的神經(jīng)調(diào)控芯片將為更多神經(jīng)疾病治療和增強(qiáng)領(lǐng)域帶來突破性的進(jìn)展。
我國近兩年在神經(jīng)調(diào)控芯片取得積極進(jìn)展。去年10月，天津大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、天津中醫(yī)藥大學(xué)、南方科技大學(xué)的研究人員合作設(shè)計(jì)出一款八通道高壓神經(jīng)刺激集成電路。該芯片主要包括波形發(fā)生器、電荷平衡器和高壓驅(qū)動(dòng)器，通過使用指數(shù)波形輸出代替?zhèn)鹘y(tǒng)的恒流刺激模式，在減少電能消耗的同時(shí)有效控制熱量散發(fā)，并基于雙相刺激電流配合主動(dòng)電荷平衡保證安全性，有效減少對組織的損傷。海南大學(xué)腦機(jī)芯片神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)研發(fā)的SX-S32高自由度神經(jīng)調(diào)控芯片支持32通道獨(dú)立設(shè)置刺激參數(shù)，可針對不同患者需求定制治療方案。
腦機(jī)芯片的下一步？
相對于大腦的860億神經(jīng)元，目前的腦機(jī)接口設(shè)備能夠采集的神經(jīng)元信號還在數(shù)百到數(shù)千的范圍，大規(guī)模的記錄和準(zhǔn)確解碼仍待攻克。
因而在技術(shù)能力上，腦機(jī)接口芯片需要向更高的通道密度、更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、更優(yōu)的能效表現(xiàn)以及高分辨率、低噪聲等方向持續(xù)迭代。
面向腦機(jī)接口的多功能、一體化趨勢，相關(guān)企業(yè)也在推出更加靈活的芯片架構(gòu)與更加緊湊的系統(tǒng)封裝。
比如，在芯片架構(gòu)方面，游戲玩家熟悉的“G胖”（Valve首席執(zhí)行官Gabe Newell）參與創(chuàng)建的腦機(jī)接口公司Starfish宣布，將于2025年年底交付定制化的微型超低功耗電生理芯片。該芯片以集成至無線、無電池植入體為目標(biāo)，采用能夠應(yīng)對多種功耗與數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，包括可以關(guān)閉放大器以省電，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和下采樣時(shí)，能夠跳過部分通道以節(jié)省帶寬等。
系統(tǒng)封裝方面，Neuralink開發(fā)了一種新型的對準(zhǔn)和倒裝芯片鍵合工藝，能夠?qū)?072個(gè)通道封裝在23×18.5平方毫米的面積。倒裝芯片鍵合工藝的使用，保持了線程的小橫截面積，以減少對大腦組織的影響。
在人工智能席卷各類終端的浪潮中，腦機(jī)接口廠商也在引入更多、更先進(jìn)的感知和算力平臺，推動(dòng)AIGC、大模型等賦能型技術(shù)落地腦機(jī)設(shè)備。今年1月，植入式腦機(jī)接口企業(yè)Synchron宣布與全球領(lǐng)軍GPU供應(yīng)商英偉達(dá)的Holoscan平臺合作，通過提升神經(jīng)信號處理技術(shù)和多AI推理技術(shù)，降低系統(tǒng)延遲、增強(qiáng)隱私保護(hù)，并為用戶提供更靈敏、直觀的BCI體驗(yàn)。英偉達(dá)將為Synchron提供多種AI模型、數(shù)據(jù)模態(tài)的統(tǒng)一框架和經(jīng)過優(yōu)化的應(yīng)用框架，涵蓋傳感器輸入/輸出集成、GPU直接數(shù)據(jù)攝取、加速計(jì)算、實(shí)時(shí)AI等環(huán)節(jié)。
作為神經(jīng)科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、芯片技術(shù)、機(jī)器人、算法等跨學(xué)科交融的“超級工程”， 腦機(jī)接口還需要跨學(xué)科的協(xié)同機(jī)制和復(fù)合型人才培養(yǎng)模式。在芯片領(lǐng)域，基于校企合作、跨校合作的研發(fā)模式正在開展。今年2月，清華大學(xué)集成電路學(xué)院與天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)出國際首個(gè)基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的“雙環(huán)路”無創(chuàng)演進(jìn)腦機(jī)接口系統(tǒng)。清華大學(xué)集成電路學(xué)院副院長唐建石在接受科協(xié)頻道采訪時(shí)表示，從材料、器件、工藝到電路、架構(gòu)設(shè)計(jì)，再到芯片測試和算法演示等，該項(xiàng)目的每個(gè)環(huán)節(jié)都體現(xiàn)了不同領(lǐng)域的技術(shù)專長。除了跨校合作，清華團(tuán)隊(duì)還包括近10位教師和上百位成員，每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員發(fā)揮各自的優(yōu)勢，齊心協(xié)力推進(jìn)成果的研發(fā)。
