芯片设计中的前沿技术研究

ＬＩＳＨＩＺＨＥＮ　ＭＥＤＩＣＩＮＥ　ＡＮＤ　ＭＡＴＥＲＩＡ　ＭＥＤＩＣＡ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　２０１３　ＶＯＬ．２４　ＮＯ．１０　时珍国医国药２０１３年第２４卷第１Ｏ期　◇文献综述◇　生物芯片技术在中医药研究中的应用　李书文　，张爱芹　，曾　鸣　，王　宁　，申刚义　（１．中央民族大学中国少数民族传统医学研究院，中国少数民族传统医学　国家民委一教育部重点实验室，北京１０００８１；　２．中央民族大学生命与环境科学学院，北京１０００８１）　摘要：生物芯片是根据生物分子间特异相互作用原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对ＤＮＡ、ＲＮＡ、多　肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。生物芯片广泛应用于生命科学、司法鉴定、食品及营养科学、环境科　学、农林科学、军事科学等多种领域。文章重点对其在中医药中的应用做一简要综述和发展前景进行展望，以期为在该　领域的进一步研究提供参考。　关键词：生物芯片；　中医药；应用　Ｄ０Ｉ标识：ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０８０５．２０１３．１０．０８５　中图分类号：Ｒ２—０３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８－０８０５（２０１３）１０—２４８９－０３　Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉｏｃｈｉｐ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｍｅｄｉｃｉｎｅ　ＬＩ　Ｓｈｕ－ｗｅｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ａｉ—ｑｉｎ　，ＺＥＮＧ　Ｍｉｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｎｉｎｇ　，ＳＨＥＮ　Ｇａｎｇ—ｙｌ‘　（１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｉｎｏｒｉｔｙ　Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，Ｓｔａｔｅ　Ｅｔｈｎｉｃ　Ａｆｆａｉｒｓ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｍｉｎｚｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｂｅ　ｎｇ　１０００８　１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｌｉｆｅ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｍｉｎｚｕ　Ｕｎｉｖｅ￣ｉｔｙ　ｏｆＣｈｉｎａ，Ｂｅｉ］ｉｎｇ　１０００８１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，ｂｉｏｃｈｉｐ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｈｉｇｈ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＤＮＡ，ＲＮＡ，ｐｏｌｙｐｅｐｔｉｄｅｓ，ｐｒｏｔｅｉｎｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｂｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈｉｐ　ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｌｉｆｅ　ｓｃｉｅｎｃｅｓ，ｊｕｄｉｃｉａｌ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｆｏｏｄ　ｓｃｉｅｎｃｅ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎ—　ｔａｌ　ｓｃｉｅｎｃｅ，ｓｃｉｅｎｃｅ，ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｄｏｉｎｇ　ａ　ｂｒｉｅｆ　ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｓｏｍｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎ—　ａｌ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｍｅｄｉｃｉｎｅ，ａｎｄ　ｍａｋｉｎｇ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｔ　ｉｓ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｍｅｄ－　ｉｃｉｎｅ　ｆｉｅｌｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｂｉｏｃｈｉｐ；　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｍｅｄｉｃｉｎｅ；　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　生物芯片技术已被广泛应用于生命科学、食品及营养科学、　环境科学、农林科学、军事科学等多种领域，尤其在现代医学领域　的疾病诊断、治疗与预防等方面发挥了重要作用，而其在中医药　的研究却少有综述报道。本文主要对其近年来在我国传统中医　药的研究作一系统评述。　１生物芯片概述　生物芯片（ｂｉｏｃｈｉｐ）是根据生物分子间特异相互作用的原　理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对ＤＮＡ、ＲＮＡ、多　肽、蛋白质以及其他生物物质的高通量快速检测。具体的讲生物　芯片是指通过生化固定技术将生物活性分子（寡核苷酸、ＤＮＡ、　多肽、抗体、抗原等）构筑于硅片、凝胶、膜等不同性能和形状的　载体上形成生物分子点阵，因此生物芯片技术又称微阵列（ｍｊ．　ｃｒｏａｒｒａｙ）技术…。生物芯片的最大特点是高通量并行分析。借　助微加工、微电子和生物信息技术，将分子生物学、免疫学、化学、　物理、计算机等多学科技术有机地融合，使多个单独割裂的研究　收稿日期：２０１２—１２—１９；修订日期：２０１３－０６－０４　基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．８１００１５９５）　作者简介：李书文（１９８８一），女（汉族），安徽宿州人，现为中央民族大学中　国少数民族传统医学研究院硕士研究生，学士学位，主要从事药物筛选与　分析方面的研究工作．　通讯作者简介：申刚义（１９７６－），男（汉族），山西长治人，现任中央民族　大学中国少数民族传统医学研究院副教授，博士学位，主要从事民族医药　分析新方法的研究工作．　集中在单位尺寸的芯片上，实现快速、准确、敏感、高效分析　Ｊ。　生物芯片技术分析检测的基本原理是利用生物分子之间的特异　性亲和反应如抗原抗体反应、分子杂交等，实现对基因、配体、抗　原等生物活性物质的检测分析　Ｊ。　生物芯片有很多类型　Ｊ，目前应用较多的是根据固定在载　体上的样品类型进行分类　Ｊ：　基因芯片（ｇｅｎｅ　ｃｈｉｐ）又称为寡核苷酸探针微阵列，是根据　核酸探针互补杂交原理研制的。基因芯片是生物芯片技术中发　展最早和最先实现商品化的产品，主要用来识别异常碱基及其产　物　引。　蛋白质芯片（ｐｒｏｔｅｉｎ　ｃｈｉｐ）蛋白质芯片是指将大量的蛋白质　分子作为固定物，利用蛋白质分子、蛋白质与核酸、酶与底物之间　的相互作用实现检测的目的。由于蛋白质比ＤＮＡ更难在固相支　持物表面合成，并且定位于固相支持物表面的蛋白质容易变性，　因此蛋白质芯片要比基因芯片复杂的多。然而，蛋白质是基因表　达的最终产物，更能反应生命活动的本质，因此具有更广阔的应　用前景　。　细胞芯片（ｃｅｌｌ　ｃｈｉｐ）细胞芯片是将细胞按照特定的方式固　定在载体上，用来检测细胞间相互影响或相互作用。　组织芯片（ｔｉｓｓｕｅ　ｃｈｉｐ）它是将许多不同个体小组织构筑与　载玻片上制成微缩组切片，从而进行同一指标（基因、蛋白）的原　位组织学的研究。科研人员可同时检测几百甚至上千种不同阶　段的自然病理和生理状态下的组织样本，并进行多个特定的基因　或相关基因表达产物的研究。　・２４８９・

芯片设计与制造工程的发展

随着科技的不断进步、人类生产力的飞速提高，越来越多的行业开始涉足技术领域的开发和创新。其中，芯片设计与制造工程是现代科技领域最为重要的工程之一。芯片是现代电子设备中的重要组成部分，它的尺寸越来越小、性能越来越强，推动着现代科技的发展。本文将从芯片设计与制造两个角度来探讨芯片领域的发展趋势。

一、芯片设计的发展

芯片设计从 1960 年代开始逐渐发展起来，如今，芯片设计已经成为信息产业中最重要的一环，影响着各行各业的发展。

1.1 芯片设计工具的发展

随着计算机技术的不断发展，芯片设计软件也在不断更新。从最早时的手工制图、板图设计，到后来的 CAD 工具、电路仿真等高级软件，再到如今的全自动化设计工具，如 OpenSTA、x-Wafer

等，芯片设计软件的普及化和更新换代已经成为一种趋势。

1.2 芯片设计芯片面积的缩小

芯片面积的缩小是现代芯片设计的重要发展趋势。以通用处理器为例，从 1971 年诞生的 Intel 4004 处理器到 2018 年的 Intel

Core i9 处理器，处理器的晶体管数量从 2，300 个增长到约 1 亿

80 万个，而芯片面积却从 12 平方毫米缩减至 182 平方毫米。小尺寸芯片的设计需要解决的问题更多，尤其是针对功耗和热量的控制，这是芯片设计工程师必须面对的一种新的挑战。

1.3 芯片设计的模块化设计

模块化设计是指将整个系统分成不同的模块进行开发，每一个模块都是拥有一定的独立性。不同模块可以同时工作，也可以同步工作，互不影响。模块化设计的优点在于降低了系统的开发难度和风险。芯片的模块化设计创意也是如此。

二、芯片制造的发展

芯片的制造工程是一项复杂并且精细的工作，涉及到了多种工艺技术和制造流程。芯片的制造技术发展到现在,不断创新，开创出了许多令人惊艳的工艺技术。下面将会从几个方面来探讨芯片制造的发展。

2.1 半导体材料的不断更新

超大规模集成电路设计技术的研究进展

超大规模集成电路（Very Large Scale Integration, VLSI）是指将数千个、数十万个的晶体管等元件集成在一起形成一个芯片的技术。随着人类对信息技术的不断追求和需要，芯片上集成的元件数量也在不断增加，同时封装面积也在不断减小。这个趋势促进了超大规模集成电路设计技术的研究进展，其意义深远。

超大规模集成电路设计技术的起源可以追溯到上世纪60年代。当时，人们开始认识到将多个晶体管集成在一起形成一个芯片可以大幅度提高电子产品的效能和性能，并大幅度降低成本。这个思想和技术创新催生了半导体行业的崛起。

随着半导体工艺技术的不断进步，极大提高了芯片上集成元器件的数量和功能。现如今，集成电路中集成元器件数量可以达到数亿，且单颗芯片上可以包含不同种类的处理器核、存储器、通信口等元件，从而实现高速、低功耗、低成本的先进应用。

过去的几十年里，高速处理器的发展一直是超大规模集成电路设计技术的核心，但随着人工智能算法和应用在日常生活中越来越重要，超大规模集成电路设计技术也开始关注神经网络和机器学习技术的研究。

一些研究人员专注于研究如何高效率地实现一些经典的深度学习算法（如卷积神经网络、循环神经网络），以提供更加优秀的性能和数据处理速度。同时，还有人力图通过新算法和系统设计实现更为高效的神经网络的训练、推断、优化，以及各种模型压缩、低精度运算等技术。

另外，超大规模集成电路设计技术的发展还得益于先进的芯片工艺技术。半导体芯片的制造是一项极其复杂的过程，包括建立图形、掩膜版的制作、晶圆刻蚀、沉积、光刻、清洗和测试等步骤。新一代的芯片工艺技术对于硅片的处理和光刻等过程有着更高的精度、分辨率和适用性，有利于提升集成电路的能力和生产效率。

另外，超大规模集成电路设计技术的领域中，还有不少研究人员在关注在芯片上集成光电子元器件集成电路，这是一个较为新的领域。这种结合了半导体工艺和光电子技术的芯片设计可以在所有的光学信号处理系统中发挥重要作用，包括光通信、场景感知、光学成像、激光雷达等等。

人工智能芯片前沿解读

芯片的概念：（半导体元件产品的统称）集成电路，作IC；或称微电路、微芯片、晶片/芯片，在中是一种把（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体表面上。

专业地讲就是：将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称（thin-film）集成电路。另有一种（thick-film）（hybrid integrated

circuit）是由独立半导体设备和被动组件，集成到衬底或线路板所构成的小型化。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）芯片的定义：从广义上讲只要能够运行人工智能算法的芯片都叫作 AI 芯片。但是通常意义上的

AI 芯片指的是针对人工智能算法做了特殊加速设计的芯片，现阶段，这些人工智能算法一般以深度学习算法为主，也可以包括其它机器学习算法。

AI芯片也被称为AI加速器或计算卡，即专门用于处理人工智能应用中的大量计算任务的模块（其他非计算任务仍由CPU负责）。当前，AI芯片主要分为。

1、通用芯片（GPU）。

GPU是单指令、多数据处理，采用数量众多的计算单元和超长的流水线，主要处理图像领域的运算加速。

GPU是不能单独使用的，它只是处理大数据计算时的能手，必须由CPU进行调用，下达指令才能工作。

但CPU可单独作用，处理复杂的逻辑运算和不同的数据类型，但当需要处理大数据计算时，则可调用GPU进行并行计算。 2、半定制化芯片（FPGA）。

FPGA适用于多指令，单数据流的分析，与GPU相反，因此常用于预测阶段，如云端。FPGA是用硬件实现软件算法,因此在实现复杂算法方面有一定的难度，缺点是价格比较高。与GPU不同，FPGA同时拥有硬件流水线并行和数据并行处理能力,适用于以硬件流水线方式处理一条数据，且整数运算性能更高，因此常用于深度学习算法中的推断阶段。不过FPGA通过硬件的配置实现软件算法，因此在实现复杂算法方面有一定的难度。将FPGA和CPU对比可以发现两个特点,一是FPGA没有内存和控制所带来的存储和读取部分速度更快,二是FPGA没有读取指令操作,所以功耗更低。劣势是价格比较高、编程复杂、整体运算能力不是很高。目前国内的AI芯片公司如深鉴科技就提供基于FPGA的解决方案。