情況介紹

受新冠病毒疫情影響，第68屆國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（International Solid-State Circuits Conference， ISSCC）于2021年2月13日至22日采取線(xiàn)上會(huì)議形式舉辦，也為這個(gè)集成電路領(lǐng)域的“國(guó)際奧林匹克盛會(huì)”帶來(lái)了不一樣的體驗(yàn)。本屆ISSCC大會(huì)上，北京大學(xué)黃如院士-葉樂(lè)副教授課題組發(fā)表了2篇論文，分別收錄于前瞻技術(shù)（TD， Technology Direction）和模擬電路（ANA， Analog）這兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域（ISSCC總共12個(gè)技術(shù)領(lǐng)域），且均被遴選為Highlight亮點(diǎn)論文，為這兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)首次且唯一的Highlight亮點(diǎn)論文，兩項(xiàng)成果均屬于超低功耗智能物聯(lián)網(wǎng)AIoT芯片范疇，表明北京大學(xué)在AIoT芯片領(lǐng)域已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

集成電路是現(xiàn)代信息社會(huì)的基石。近年來(lái)，新基建和5G等新政策和新技術(shù)的誕生，催生了可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互設(shè)備、智能家居、智慧城市、智慧交通、智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控等新一代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求，讓物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為既互聯(lián)網(wǎng)之后的下一個(gè)萬(wàn)億級(jí)規(guī)模的新興信息產(chǎn)業(yè)。這一廣闊應(yīng)用領(lǐng)域的核心問(wèn)題是對(duì)超低功耗智能物聯(lián)網(wǎng)芯片的迫切需求。

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案一般采用電池供電，輔以能量獲取技術(shù)，基于傳統(tǒng)芯片架構(gòu)的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合傳感信號(hào)采集電路完成對(duì)海量數(shù)據(jù)的獲取。然而，這一傳統(tǒng)解決方案存在以下幾個(gè)重大挑戰(zhàn)：

1）物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壽命嚴(yán)重受限于芯片的長(zhǎng)時(shí)平均功耗。傳統(tǒng)的周期性喚醒工作機(jī)制為了能夠探測(cè)到事件，存在頻繁的無(wú)效喚醒，從而浪費(fèi)了大量的電池電量。

2）大量無(wú)效數(shù)據(jù)的傳輸浪費(fèi)了能量與帶寬。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下，數(shù)據(jù)的有效性由基站或云端決定，而大量的無(wú)效信息依然需要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸給基站或云端，從而帶來(lái)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的功耗浪費(fèi)與網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。

3）需要高能效高精度的模擬傳感電路。人機(jī)交互、環(huán)境、生物/生理等物聯(lián)網(wǎng)傳感信號(hào)等通常較為微弱，而對(duì)于能量受限的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行高精度、高能效的采集。

4）物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用種類(lèi)繁雜，功能多樣，冗長(zhǎng)的研制周期難以跟上市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的速度。

北京大學(xué)黃如院士-葉樂(lè)副教授課題組，主要針對(duì)AIoT芯片存在的四大關(guān)鍵挑戰(zhàn)展開(kāi)研究，提出了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，于今年ISSCC發(fā)布了2項(xiàng)刷新世界紀(jì)錄的AIoT芯片研究成果：ISSCC 2021前瞻技術(shù)領(lǐng)域Session 12.1和模擬電路領(lǐng)域Session 5.1。

工作介紹

一、“異步事件驅(qū)動(dòng)型AIoT喚醒芯片”成果介紹

北京大學(xué)黃如院士-葉樂(lè)副教授課題組，與浙江省北大信息技術(shù)高等研究院、浙江大學(xué)、上海芯翼信息科技有限公司合作，面向智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）應(yīng)用場(chǎng)景，提出了國(guó)際首創(chuàng)的異步事件驅(qū)動(dòng)型AIoT芯片架構(gòu)，解決了在隨機(jī)稀疏應(yīng)用場(chǎng)景下長(zhǎng)時(shí)平均功耗高的問(wèn)題，顯著降低了AIoT節(jié)點(diǎn)設(shè)備的功耗；課題組同時(shí)提出了異步脈沖的信號(hào)特征提取方法，僅以幾十nW的極低功耗代價(jià)便實(shí)現(xiàn)了信號(hào)特征提??；不僅如此，基于“時(shí)域幀生成器”和“卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”智能推斷引擎的技術(shù)，結(jié)合重訓(xùn)練機(jī)制，在具備低功耗的同時(shí)，使物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景因噪聲而導(dǎo)致推斷精度低的問(wèn)題得以解決。未來(lái)可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、智能語(yǔ)音交互、人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)控、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。具有通用性、低功耗、智能識(shí)別三大特征。

基于上述創(chuàng)新技術(shù)，課題組研制了一顆國(guó)際上功耗最低的通用型AIoT喚醒芯片，長(zhǎng)時(shí)待命（on-call waiting for events）功耗僅148nW，可供5mm紐扣電池（2mAh）使用5年，芯片演示了復(fù)雜和簡(jiǎn)單兩類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景：語(yǔ)音關(guān)鍵詞識(shí)別率達(dá)94%，異常心電圖識(shí)別率達(dá)99%；為國(guó)際迄今為止首次且唯一的“異步事件驅(qū)動(dòng)型AIoT芯片”，該工作為未來(lái)實(shí)現(xiàn)基于全異步脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（A-SNN）的AIoT芯片奠定了基礎(chǔ)。

該工作以《基于異步脈沖特征提取和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的148nW通用事件驅(qū)動(dòng)AIoT智能喚醒芯片》（A 148nW General-Purpose Event-Driven Intelligent Wake-Up Chip for AIoT Devices Using Asynchronous Spike-Based Feature Extractor and Convolutional Neural Network）為題，在2021年2月17日于國(guó)際固態(tài)電路峰會(huì)ISSCC線(xiàn)上發(fā)表，為前瞻技術(shù)領(lǐng)域Session 12（Innovations in Low-power and Secure IoT）的第一篇文章，被被遴選為Highlight亮點(diǎn)論文，由文章第一作者北京大學(xué)微納電子學(xué)系博士生王志軒進(jìn)行宣講，受到了來(lái)自全世界芯片領(lǐng)域知名高校、公司和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。該論文為ISSCC前瞻技術(shù)領(lǐng)域（TD， Technology Direction）國(guó)內(nèi)首次且唯一的Highlight亮點(diǎn)論文，也是今年前瞻技術(shù)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)唯一發(fā)表論文。

相關(guān)研究工作得到了國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，以及浙江省北大信息技術(shù)高等研究院、浙江大學(xué)、上海芯翼信息科技有限公司等平臺(tái)的支持。

圖1. （a）異步事件驅(qū)動(dòng)型AIoT芯片架構(gòu)， （b）卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路架構(gòu)， （c）芯片顯微照片，（d）語(yǔ)音關(guān)鍵詞喚醒測(cè)試波形

二、“動(dòng)態(tài)電荷域CMOS濕度/電容傳感芯片”成果介紹

北京大學(xué)黃如院士-葉樂(lè)副教授課題組，與浙江大學(xué)、浙江省北大信息技術(shù)高等研究院合作，面向高能效、高精度的物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用，提出了國(guó)際領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)電荷域電容傳感技術(shù)，具有國(guó)際領(lǐng)先的傳感精度，在實(shí)現(xiàn)高精度的同時(shí)顯著降低了物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的功耗；課題組同時(shí)提出了基于動(dòng)態(tài)范圍自適應(yīng)滑動(dòng)技術(shù)（Adaptive Range-Shift， ARS）的縮放型（Zoom）電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Capacitance-to-Digital Converter， CDC），解決了Zoom架構(gòu)中冗余過(guò)大造成的精度損失和抗片外寄生/干擾能力差的問(wèn)題；還提出了基于功耗自感知技術(shù)（Power-Aware）的懸浮反相器型放大器陣列，解決了兼容不同傳感終端所帶來(lái)的能效損失問(wèn)題，顯著延長(zhǎng)了多應(yīng)用兼容傳感芯片的電池使用壽命。該芯片技術(shù)可廣泛應(yīng)用于濕度、觸摸、壓力、加速度計(jì)、陀螺儀、手勢(shì)識(shí)別等電容型傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，具備超低功耗、高精度、抗干擾三大特性。

基于上述創(chuàng)新技術(shù)，課題組研制了一顆國(guó)際上功耗最低的CMOS濕度傳感芯片，平均功耗僅1.5μW，可供8mm紐扣電池（42mAh）使用4年，濕度檢測(cè)分辨率高達(dá)0.0094%RH，電容檢測(cè)精度高達(dá)17.9aF，綜合性能指標(biāo)FoM高達(dá)0.135pJ?%RH2，與當(dāng)前世界最好水平相比，功耗降低了2倍，綜合性能指標(biāo)FoM提升了6倍。

該工作以《基于自適應(yīng)范圍滑動(dòng)的縮放型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器和功耗自感知懸浮反相器型放大器陣列的1.5μW和0.135pJ?%RH2的CMOS全集成濕度傳感器芯片》（A 1.5μW 0.135pJ?%RH2 CMOS Humidity Sensor Using Adaptive Range-Shift Zoom CDC and Power-Aware Floating Inverter Amplifier Array）為題，在2021年2月16日于國(guó)際固態(tài)電路峰會(huì)ISSCC線(xiàn)上發(fā)表，為模擬技術(shù)領(lǐng)域Session 5（Analog Interface）的第一篇文章，并被遴選為Highlight亮點(diǎn)論文，由文章第一作者北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)系博士生李和倚進(jìn)行宣講，并參與了Demo Session的演示系統(tǒng)展示，受到了來(lái)自全世界芯片領(lǐng)域知名高校、公司和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。該論文為ISSCC模擬電路領(lǐng)域（ANA， Analog）國(guó)內(nèi)首次且唯一的Highlight亮點(diǎn)論文，也是今年模擬電路領(lǐng)域國(guó)內(nèi)唯一發(fā)表論文。

相關(guān)研究工作得到了國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，以及浙江大學(xué)、浙江省北大信息技術(shù)高等研究院等平臺(tái)的支持。

圖2. （a）動(dòng)態(tài)電荷域電容傳感芯片架構(gòu)圖， （b）電路原理圖及工作時(shí)序圖， （c）芯片顯微照片，（d）晶圓不同位置處的芯片、濕度及其誤差測(cè)試曲線(xiàn)

圖3. （a）用于Demo的印刷電路板， （b）Demo視頻中的加濕器測(cè)試

ISSCC 2021全球及北京大學(xué)論文發(fā)表情況

今年ISSCC全球總計(jì)收錄201篇論文（含6篇受邀企業(yè)論文），共分為12個(gè)技術(shù)領(lǐng)域；其中66%來(lái)自于高校發(fā)表，3%來(lái)自于研究機(jī)構(gòu)發(fā)表，31%來(lái)自于企業(yè)界發(fā)表，以美國(guó)英特爾Intel（10篇）、美國(guó)IBM（3篇）、美國(guó)ADI（3篇）、美國(guó)德州儀器TI（2篇）、美國(guó)微軟Microsoft（1篇）、美國(guó)英偉達(dá)Nvidia（1篇）、美國(guó)高通Qualcom（1篇）、韓國(guó)三星Samsung（15篇）、韓國(guó)海力士Hynix（2篇）、日本索尼Sony（4篇）、日本瑞薩Renesas（1篇）、中國(guó)臺(tái)灣Media Tek（4篇）、中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)積電（2篇）、中國(guó)華為（加拿大研究所）（2篇）、中國(guó)百度（1篇）等國(guó)際科技巨頭企業(yè)紛紛在ISSCC上發(fā)布其最新的芯片科技成果。

按國(guó)家和地區(qū)來(lái)看，發(fā)文量最多的依然是美國(guó)，總共發(fā)表75篇，占比高達(dá)37%，這也表明了美國(guó)在集成電路科技領(lǐng)域依然占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位；其次是發(fā)表了30篇的韓國(guó)，占比15%；中國(guó)大陸（含港澳地區(qū)）則以23篇的成績(jī)躍居世界第三，占比11%；其次是均為12篇的日本和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，均占比6%；荷蘭、比利時(shí)、瑞士、德國(guó)、意大利、奧地利、法國(guó)等7個(gè)有論文發(fā)表的歐洲國(guó)家加起來(lái)共發(fā)表33篇，占比16%。

今年中國(guó)大陸（含港澳地區(qū)）在ISSCC上共發(fā)表23篇論文，在ISSCC 12個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中一共覆蓋了10個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。以北京大學(xué)為第一作者單位的文章共有4篇文章發(fā)表，在全球高校中排名第5（與Berkeley、佐治亞理工、密歇根、魯汶等高校并列），覆蓋了ISSCC的4個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，分別是模擬電路（ANA， Analog）、前瞻技術(shù)（TD， Technology Direction）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（DC， Data Converters）、射頻電路（RF， Radio Frequency），其中2篇文章被遴選為Highlight亮點(diǎn)論文（每年僅有前25%的ISSCC論文被優(yōu)中選優(yōu)），涉及的技術(shù)領(lǐng)域數(shù)及Highlight亮點(diǎn)論文數(shù)均位列中國(guó)高校之首（其中，涉及技術(shù)領(lǐng)域數(shù)與清華大學(xué)并列中國(guó)高校第一）。

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