2024年，最有趣的11个电子工程新创意
对电子工程师来说，不仅要关注芯片以及半导体本身，更要关注下游电子应用，毕竟芯片是为电子应用而服务。
IEEE Spectrum日前发布“2024年值得关注的11个工程里程碑“，列举了未来一年值得关注的科技技术。那么有哪些电子应用将在明年发光发热，其中又有哪些潜在的芯片应用将会爆发？
地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具备储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点。
更为重要的是，根据科学家计算，整个地球热量超过了1 × 10^19 TJ，这意味着，地球的热能足够人类使用620亿年，而地壳内煤储备量只够人类使用近200年。
为了释放地热能的“太瓦”潜力，麻省理工学院的初创公司Quaise Energy正在2024年测试一种深层钻机，这种钻机使用高功率毫米波，可以钻入地壳10到20千米。
要知道，地壳平均厚度为17千米，以往各种钻探深度都没有突破地壳的范围，只有Quaise Energy公司的20千米才算是达到了下一个层面。
Quaise Energy将从旧的油气钻探结构开始，通过从回旋管爆破辐射来蒸发下面的硬岩。钻探至地地下20千米时，此处地下温度可达500摄氏度，根据Quaise高管的说法，获得地热能可能是到2050年实现净零排放目标的关键。
内置电池的电磁炉：家用电器的储能系统
现在我们都在使用煤气来做饭，但国外消费者已经掀起转向基于电磁的炉灶和烤箱的风潮，以解决与燃气灶相关的环境问题和健康风险。
虽然这种电器非常节能，但大多数型号都需要改装电源插座，安装成本高达数百美元。Channing Street Copper和Impulse Labs这样的初创公司正在通过添加内置电池，来补充常规的墙上插座电源，使电磁炉和电烤箱更易于安装。Channing Street Copper计划在2024 年初推出电池增压设备。
简单解释下，如下图所示，国外许多家用电烤箱和电磁炉如下图所示，由于功率过大需要改装插座，而内置电池，也就是内置一个储能装置，就能提供足够功率，从而不再需要换线。
全自主分诊决策系统：无创传感收集数据
DARPA全称“国防先进研究计划局”，人称现实版“神盾局”，这家机构颇有一丝传奇色彩，研究的内容总是能够压中未来。
在大规模伤亡事件中，几分钟往往可以决定生死。2024年下半年，美国DARPA将会开展新一轮的挑战赛，一项开发传感器和算法以支持大规模伤亡事件期间分诊的竞赛。
根据DARPA去年2月的视频演示，该机构正在寻找新的方法来帮助处于两个治疗阶段的医务人员：在初级分诊期间，最需要护理的人将被远距离的传感器识别；然后，当患者病情稳定时，医务人员可以根据从无创传感器收集的数据来决定最佳治疗方案。三轮比赛将持续到2026年，奖金总额为700万美元。
简单解释一下，初步分诊由人类亲自评估，可能适合少数患者，但不适用于大规模伤亡事件。在二级分诊中，标准方法是定期检查生命体征，例如心率和呼吸频率、血氧饱和度和血压。这些方法可能会错过危及生命的伤害的早期迹象，DARPA分诊挑战旨在使医疗响应人员能够在大规模伤亡事件中挽救生命，方法是利用传感器快速自主地提供初级分诊所需的信息，并提供持续监测以预测二级分诊中救生干预的需求。
在空中套娃：用飞机发射无人机
新型导弹发射无人机将于2024年升空，它就像一个在空中套了三层的娃娃一样，装满导弹的无人机会在飞行时会从轰炸机的腹部释放出来。
LongShot是美国DARPA于2011财年开始研制的一种用于争夺未来战场制空权的新型无人战斗机，该机在作战过程中采用有人战机（战斗机、轰炸机等）空中投送方式，使用隐身气动外形和隐身涂料，能携带小型雷达和若干枚美军现役或在研的空空导弹（如AIM-120系列、“CUDA”等）对敌方多类空中飞行器进行攻击，具备人机协同作战能力。
这架无人驾驶飞机由通用原子航空系统公司是DARPA（美国国防高级计划研究局）开发，今年将进行飞行测试，以证明其在空基作战中的可行性。其目标是在引入新飞机的同时扩大空对空导弹和当前级别战斗机的射程和效力。
监测新冠后遗症：用APP预测症状的发生
长新冠（Long Covid，也就是新冠后遗症）是指新冠转阴后，仍然长期伴有很多身体不适的症状，去医院检查又检查不出来什么异常，包括恶心、头晕、疲劳、严重的心悸和胸痛。
长新冠治疗中经常使用的治疗方法称为起搏（Pacing），这种疗法注意保护受影响者的能量资源，避免可能使症状恶化的身体和精神或情绪过度劳累，但与之相悖的是，我们又很难察觉到长新冠对我们身体的影响，因此我们就更加难以调整自己的生活节奏以对抗长新冠。
这就是为什么一位患有长新冠的人Harry Leeming决定创建Visible，一款帮助用户监控活动并避免过度劳累的应用程序，Visible旨在帮助人们控制自己的活动。
Visible通过监测HRV（心率变异性）预测某人何时会感到疲倦，而这种传感通过光电体积描记法 (PPG) 技术，利用智能手机摄像头，记录用户肤色的微小变化，测量心率。
今年，根据Leeming的说法，Visible将推出使用专用心率监测器的高级版应用程序。Leeming 说，虽然大多数可穿戴设备用于辅助锻炼身体，但这些臂带监测器针对降低心率进行了优化，以帮助患有长新冠的人，该应用程序还将从同意的用户那里收集数据，以帮助研究这些情况。
耗资100亿美元，亚马逊进军卫星互联网
亚马逊预计将在2024年底前通过Project Kuiper“柯伊伯计划”开始提供卫星互联网服务。这个耗资100亿美元的项目旨在通过向近地轨道发射3000多颗卫星，将可靠的宽带互联网接入扩展到全球农村地区。
虽然该项目需要数年时间才能完全完成，但亚马逊将在今年晚些时候开始与客户进行beta测试。如果成功，Kuiper可以集成到Amazon Web Services套件中。与此同时，SpaceX的Starlink自2019年以来一直很活跃，已经有5000颗卫星在轨运行。
根据亚马逊（Amazon）及联合发射联盟公司（United Launch Alliance，ULA）官方信息，北京时间2023年10月7日2时06分，亚马逊提出的卫星互联网“柯伊伯计划”（Project Kuiper）的2颗原型卫星Kuipersat-1和Kuipersat-2搭乘联合发射联盟公司的宇宙神5型（Atlas V）运载火箭发射升空，部署在离地球表面约500公里的高度。亚马逊在其官方网站上称，这次发射标志着其"原型飞行"（Protoflight）任务的开始。
太阳电动汽车：明年上路
电动汽车到来之时，很多人就曾畅想过使用太阳能供电，而这将在明年成真。
潜在客户和众筹者期待已久的初创公司Aptera Motors制造的太阳能电动汽车（SEV） 将于 2024年上路。
2015年，Aptera Motors曾发布过一款太阳能电动车，之后公司便破产了，如今三位公司创始人已经重聚，重新量产全新的太阳能电动车。
值得一提的是，Aptera Motors制造的是三轮SEV，采用空气动力学设计，可减少阻力，整体外观看起来颇为新颖。
该车的最新版本将插电式功能与覆盖其车顶的太阳能电池板相结合，一次充电可行驶1600公里，每天使用太阳能发电可行驶65公里。Aptera表示，它的目标是在2024年开始早期生产，首批将交付2000辆汽车。
零信任架构：三分之二的信心
“信任但要验证”是现在美国网络安全政策中的一句谚语。
到2024财年末，即9月，所有美国政府机构都将被要求切换到零信任安全架构。所有用户都必须验证其身份和设备，即使他们已经连接到政府网络和虚拟专用网络。
零信任的最早雏形源于耶利哥论坛 。Forrester前分析师约翰·金德瓦格以“从不信任，始终验证”思想正式提出“零信任”这个术语，明确零信任架构的理念 ，改进了在耶利哥论坛上讨论的去边界化的概念，认为所有网络流量均不可信，应该对访问任何资源的所有请求实施安全控制。
而现在，零信任架构指的是一种端到端的网络安全体系，零信任是一种侧重于数据保护的体系结构方法，常基于业务场景的人、流程、访问、环境等多维因素进行相应的信任评估，通过信任级别动态地调整权限，构建动态自适应的安全闭环系统，其创新的安全思想符合新技术的特点，不断提高信息系统和网络的整体安全性。
根据2023年的一份报告，大约三分之二的联邦机构雇用的安全专业人员相信他们的部门将在网络安全的最后期限前完成。
薇拉·鲁宾第一缕曙光：解开黑暗宇宙之谜
暗物质和暗能量对研究人员来说，一直是巨大的挑战，尽管它们占宇宙总能量和物质含量的 95%（暗物质占 27%，暗能量占 68%），但它们对我们来说基本上不可见。这意味着构成恒星、行星和我们日常周围的一切（包括我们的身体）的物质仅占宇宙含量的 5%。
Vera C. Rubin（薇拉·鲁宾）天文台拥有有史以来最大的数码相机，预计将于2024年底首次向天空睁开眼睛。
该天文台配备了一个8.4米的宽视场望远镜，将在长达十年的时间里，扫描南半球的天空。它配备了一个3200百万像素的相机，每晚都会从智利山顶上拍摄40个满月大小的区域。这意味着它可以每三到四个晚上捕获整个可见天空。薇拉·鲁宾天文台投入使用后，将帮助天文学家清点太阳系，绘制银河系地图，并揭示暗物质和暗能量。
飞行汽车：在奥运会上叫一辆空中出租车
在今年的巴黎夏季奥运会上，参会者可以开始乘坐电动垂直起降飞行器（eVTOL，也被人称为飞行汽车）在城市中穿梭。
德国布鲁赫萨尔的航空初创企业Volocopter计划在比赛期间为体育爱好者和游客提供空中出租车服务，尽管Volocopter仍在等待欧盟航空安全局（European Union Aviation Safety Agency）的认证，但Volocopter计划提供三条往返城市各地区的航线，以及两条往返游客航线。Volocopter的空中出租车将使巴黎成为第一个提供eVTOL服务的欧洲城市。
虽然想法是好的，但走得路却不那么顺。2023年11月14日， Volocopter 空中出租车巴黎奥运会服务计划遭到了巴黎地方当局几乎一致的反对，市议会在审议该主题时公开强烈反对计划，部分与会者甚至称其是“荒谬的”和“生态失常”。
超音速飞机：比普通飞机快两倍
Boom Technology正在开发一种名为Overture的客机，其飞行速度超过音速。这家美国公司表示，它将在2024年完成其北卡罗来纳州“超级工厂”的建设。
Boom计划每年生产多达33架飞机，该公司声称这将是世界上最快的客机。Overture的设计速度是当今商用飞机的两倍，飞机飞行速度将为1.7马赫。也就是说，从旧金山到东京不再需要10个多小时，6个小时左右即可，从美联航位于新泽西州的枢纽到伦敦的飞行时间也会从6个多小时降到3个半小时。
Boom希望这架飞机由可持续航空燃料提供动力，不包含石油，与此同时，Boom已经从商业航空公司获得了订单，并计划到2027年首飞。
值得一提的是，Boom Technology是自协和式飞机（Concorde）以来最先研发超音速客机的公司。
参考文献
[1] IEEE Spectrum：2024 年值得关注的 11 个有趣的工程里程碑.2024.1.1.https://spectrum.ieee.org/technology-in-2024
[2] 科技直击：钻入地壳20千米！释放无限能源，美国公司的波钻，究竟什么技术？.2023.11.28.https://mp.weixin.qq.com/s/mIyTXkjHaDNz-tLsBq2zsg
[3] https://www.darpa.mil/news-events/2022-11-16
[4] DOLC：长新冠患者开发出长新冠监测应用.2023.1.13.https://mp.weixin.qq.com/s/TbG1-jBZwmZr2Im_VLTNvQ
[5] 普惠数码科技：什么是零信任安全架构？.2023.10.20.https://mp.weixin.qq.com/s/ntgEo_QN5_gfG4WSJTKpYA
[6] 星秘空间：鲁宾天文台可以解开黑暗宇宙之谜.2023.10.15.https://mp.weixin.qq.com/s/8NG-Ft4NFHWTglFsVnXL-Q
[7] 通航圈：Volocopter等eVTOL UAM或将梦碎巴黎奥运会，新加坡那边也不太顺利.2023.11.22.https://mp.weixin.qq.com/s/CnniLOuw-vyIQb6UNZMC2Q
[8] 民用航空网：初创公司Boom Technology计划让乘客重新体验超音速飞行.2021.7.1.https://mp.weixin.qq.com/s/X6Q0MpinId98eNd9jPwSMg
功率半导体，未来怎么卷
功率半导体是一个很卷的市场，现在，材料无疑是最大的赛点。
现在厂商都在不断向高功率密度、低静态电流、高定制以及高智能方向发展，而从过去到现在的功率半导体市场来看，无论是结构，还是集成程度，厂商都已做到极致，作为对制程敏感度更低的功率IC，材料成为成倍加强功率半导体的神兵利器。所以厂商才不遗余力地投入在SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）等第三代半导体和Ga2O3（氧化镓）、金刚石等第四代半导体上。
半导体的寒冬已经持续超过一年，无论从业绩上来看，还是从投资总额上来看，还能保持向上的领域屈指可数。而宽禁带半导体（WBG）就是这样的一个领域，无论市场如何动摇，都在持续看涨，它身上究竟埋藏了什么秘密？
作者丨付斌
出品丨电子工程世界
新材料，爬到哪了
首先，是老生常谈的问题，半导体新材料到底有多少种。
按照国内的主流分类，分为四代：第一代半导体以锗和硅为代表；第二代以20世纪80年代和90年代相继产业化的砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表；第三代以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表；第四代则是在2005年以后逐渐被重视的4eV以上的超宽禁带半导体材料，以氧化镓（Ga2O3）、氮化铝（AlN）和金刚石为代表。
二代半本身禁带宽度与硅相近，但电子迁移率更高，所以一般用在高频的射频应用中；三代半和四代半的禁带宽度更宽，用更通用的说法就是宽禁带（WBG）半导体，这就意味着有着更好的耐温耐压，也就更适合功率半导体体质，所以现在功率半导体领域一般讲的都是三代半或四代半。
时代冲刷下，许多功率半导体产品都逐渐淘汰，只有综合评估表现良好的器件成为了市场最终的宠儿。宽禁带半导体亦如此，带隙越宽，电子跃迁到导带所需能量越大，材料能承受的温度和电压也会越高，做出的功率半导体也就越强。
半导体的材料特性，图源丨科技导报
我们常用“Hype Cycle”曲线去描述一项技术的成熟度，复旦大学宁波研究院宽禁带半导体材料与器件研究所的最新分享显示，目前硅器件、SiC SBD已进入稳定应用期，SiC MOSFET、GaN HEMT处于我爬坡期，金刚石、氮化铝、氧化镓正在快速上升，垂直GaN则处在下降期。
功率半导体发展规律周期（Hyper Cycle），图源丨碳化硅功率器件现状及发展趋势
而从市场数据来看，现在我们的的确确地踩着Hyper Cycle的路径发展，与此同时，宽禁带半导体的巨大潜力，正在无视半导体周期下滑。
碳化硅爬坡，氮化镓增缓
8月28日，矢野研究所的数据显示，宽禁带半导体作为硅的替代材料，越来越多地用于功率半导体，2022年全球宽禁带半导体（基于制造商出货量）约为182.71亿日元，2023年则为268.85亿日元，同比增长47.1%。
从不同材料来看，碳化硅（SiC）市场预计为202.93亿日元（占比75.5%），氮化镓（GaN）为46.47亿日元（占比17.3%），氧化镓（Ga3O2）为5.31亿日元（占比2%），氮化铝（AlN）为10.8亿日元（占比4%），金刚石为3.35亿日元（占比1.2%）。
碳化硅已进入全面增长阶段，汽车应用的全面采用预计将成为3年起市场快速增长的关键；氮化镓目前主要用于LED和LD等照明应用以及高频功率器件应用上具备优异特性，而现在它的问题在于大容量的大规模供应，GaN-on-GaN器件正在高速发展；与碳化硅相比，氧化镓的性能和成本更具潜力，市场玩家数量正在激增，虽然短期研究结果相继发布，但它依然是后来者，并且在掺杂和制备上具有一定问题；氮化铝受深紫外LED、照明影响获得稳固需求提升；金刚石则在快速增长，日本相关厂商正通过IPO筹集资金以提高产能，虽然它是功率半导体的终极追求，但它在掺杂上拥有不小的问题，还在研究之中。
以上研判结论不难看出，碳化硅不仅是现在增长最为迅速的，也是当下产业化阶段走得最顺畅的那一个，市场一片欣欣向荣之势，而氮化镓虽然也在增加，但整体增速并不像碳化硅那样快。
全球款禁带半导体市场预测，图源丨矢野研究所
Yole在8月28日发布的报告也有着类似的趋势。
Yole报告显示，随着8英寸时代到来，受到200多亿美元的投资推动，碳化硅（SiC）功率器件市场将在2028年达到90亿美元。其中，汽车市场占比达到74%，其次则是工业、能源、运输、电信和消费，分别占比14%、8%、3%、0.3%、0.1%。
市场增长由三方面驱动：一是电动汽车（BEV）中800V电动汽车（EV）是碳化硅加速关键点；二是电动汽车直流充电（DC）与xEV（带有电动动力系统的车辆HEV与BEV）中，大功率模块化充电器会带来十亿美元的碳化硅市场；三是能源领域在2022年~2028年装机量不断攀升，价值数亿美元的市场即将形成。
2022年~2028年碳化硅功率半导体市场预测，图源丨Yole
GaN市场则在2028年达到20.8亿美元，消费领域本就拥有大量快充市场，2022年~2028年复合增长率保持44%；汽车和通信是GaN两大高速增长市场，汽车领域ADAS汽车LiDAR正在利用100V GaN器件，此外，在动力总成中采用氮化镓已经从可行性问题演变为时间问题，近十年来多数厂商一直专注于车载充电器（OBC）和DC/DC领域展开合作。
2022年~2028年氮化镓功率半导体市场预测，图源丨Yole
整体上来看，2022年，包括分立式器件和模块在内的功率半导体市场总规模可达209亿美元，预计2028年这一市场将增长到333亿美元。其中，分立式器件市场将从2022年的143亿美元，增长到2028年的185亿美元；模块市场也至2028年则会达到148亿美元。
Yole在报告中强调，他们发现一些在氮化镓方面发力的厂商放缓了研发的脚步，以待市场增长后再进一步加大投资。
2022年~2028年氮化镓功率半导体市场预测，图源丨Yole
以电子工程世界角度来看，首先，诸多厂商存在碳化硅长期供应协议，此外，碳化硅厂商整体布局较为激进，因此碳化硅整体增长趋势是必然的。
而氮化镓方面，虽然Yole报告中展现其放缓脚步的一面，但事实上，氮化镓正不断扩大其应用，并在近两年内有望不断突破。原因在两方面：一是氮化镓与原有硅代工路线极为相似，但氮化镓工厂产能扩充不是问题，二是碳化硅大功率优势氮化镓也可以通过多路串联解决，大量厂商也正推出相应的解决方案，用于汽车、PC服务器领域。
至于第四代半导体方面，氧化镓由三菱重工、丰田、日本电装、田村制造（与NICT合作成立NCT）、日本光波、Kyma公司、北京镓族科技、杭州富加镓业科技、北京铭镓半导体、深圳进化半导体等推进产业化，金刚石则由美国阿克汉（Akhan）公司、英国元素六（Element Six）公司、日本NTT公司、日本产业技术综合研究所（AIST）、日本物质材料研究所（NIMS）、美国地球物理实验室卡耐基研究院、美国阿贡国家实验室等力推产业化。距离产业化较远，但一级市场动作多，作为终极材料，谁先抢占高地，谁才能抢占先机。
从国产方面来看，国产在功率半导体市场相比国外虽有差距，在地缘政治摩擦频发背景下，替代正在加速。由于SiC和GaN整体成本仍与硅基功率半导体有差距，MOSFET、IGBT分立器件和模组仍然会是3~5年内的主流和增长亮点，不过在5G、新能源、智能化汽车拉动下，SiC和GaN市场前景极佳。
功率半导体是能滚雪球的赛道，持续精进便可占据一席之地，同时功率半导体的波动也符合大宗商品走势规律，4~5年行业波动吻合半导体周期规律，产品与全球GDP走势密切相关，而现在发，一个属于新材料的未来正在款款走来。
参考文献
[1] 郝跃. 宽禁带与超宽禁带半导体器件新进展[J]. 科技导报, 2019, 37(3): 58-61; doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2019.03.008
[2] 矢野经济研究所：ワイドバンドギャップ半導体単結晶世界市場に関する調査を実施（2023年）.2023.8.28.https://www.yano.co.jp/press-release/show/press_id/3328
[3] Yole：Power electronics industry is propelled by xEV and renewables.2023.8.23.https://www.yolegroup.com/press-release/power-electronics-industry-is-propelled-by-xev-and-renewables/
[4] Yole：YG PRESS NEWS – xEV drives Power SiC growth: unveiling the next billion-dollar market.2023.8.28.https://www.yolegroup.com/press-release/yg-press-news-xev-drives-power-sic-growth-unveiling-the-next-billion-dollar-market/
[5] Yole：YG PRESS NEWS – Power GaN industry: reshaping the ecosystem for enhanced solutions.2023.8.28.https://www.yolegroup.com/press-release/yg-press-news-power-gan-industry-reshaping-the-ecosystem-for-enhanced-solutions/
[6] 上海碳化硅功率器件工程技术研究中心、复旦大学宁波研究院宽禁带半导体材料与器件研究所雷光寅：碳化硅功率器件现状及发展趋势
相关问答
电子 信息 工程 专业 世界 QS排名比较好的大学有哪些? 申请方[回答]在出国申请选校之前大家都会比较关心院校的排名,现在比较认可的几种QS排名、美国USNewsGLOBAL排名、TIMES排名、ARWU排名等,如果同学已经确定了电...
中国 电子 系统建设第三有限公司是 世界 五百强企业吗?不是中国电子系统工程第三建设有限公司简称“中电三公司”,成立于1953年。1984年正式注册中电三公司,国家一级施工企业,注册资本8000万人民币,地址四川成都...
ucl 电子 电气 工程 专业 世界 排名?2021-2022年QS世界大学电子电气工程专业排名最新公布的榜单中,英国UCL(伦敦大学)电子电气工程学院,,排名居世界第49。UCL的电子电气工程系(EEE)成立于1885年...
电子 信息 工程 技术的名人?电子信息工程技术是一个涉及广泛的领域,涵盖了电子技术、通信技术、计算机技术等多个方面,因此涌现出了许多杰出的人物。以下是其中一些著名的电子信息工程技...
世界电子 信息专业排名?据2021年QS全球大学专业排名,世界前5的电子信息专业排名依次为:麻省理工学院电子和计算机工程、斯坦福大学电气工程、加州理工学院电气和计算机工程、华盛顿大...
黑龙江大学 电子工程 学院怎么样?设有哪些专业? 申请方[回答]~接下来我为大家简单介绍一下我们黑龙江大学的电子工程学院开设的专业以及研究情况专业设置:电子信息工程、通信工程专业、电子科学与技术、电子信...
香港大学 电子 电气 工程 值得读吗?值得香港大学工程学院成立于1912年,为香港大学创校学院之一,也是香港以至东南亚历史最悠久、最具规模及最全面的工程学院,学院下设五大学系:土木工程系、计...
鲁昂高等 工程 师学院 世界 排名?法国鲁昂高等工程师学院(ECOLESUPRIEURED'INGNIEURSENGNIEELECTRIQUEROUEN,简称“ESIGELEC”)建立于1901年,是一所由法国政府认...
中电二公司是什么公司?中国电子系统工程第二建设有限公司(简称“中电二公司”),始建于1953年,现隶属于世界500强---中国电子信息产业集团有限公司(CEC),是国内最早从事洁净工程、...
广西大学计算机与 电子信息学院 怎么样?设有哪些专业? 申请方[回答]~接下来我为大家简单介绍一下我们广西大学的计算机与电子信息学院开设的专业以及研究情况专业设置:信息技术创新英才实验班-本科、计算机与网络技术...
