北京大学在“超低功耗芯片”领域取得重要进展

情况介绍

受新冠病毒疫情影响，第68届国际固态电路会议（International Solid-State Circuits Conference， ISSCC）于2021年2月13日至22日采取线上会议形式举办，也为这个集成电路领域的“国际奥林匹克盛会”带来了不一样的体验。本届ISSCC大会上，北京大学黄如院士-叶乐副教授课题组发表了2篇论文，分别收录于前瞻技术（TD， Technology Direction）和模拟电路（ANA， Analog）这两个技术领域（ISSCC总共12个技术领域），且均被遴选为Highlight亮点论文，为这两个技术领域国内首次且唯一的Highlight亮点论文，两项成果均属于超低功耗智能物联网AIoT芯片范畴，表明北京大学在AIoT芯片领域已经处于国际领先水平。

集成电路是现代信息社会的基石。近年来，新基建和5G等新政策和新技术的诞生，催生了可穿戴设备、人机交互设备、智能家居、智慧城市、智慧交通、智能制造、智慧农业、环境监控等新一代物联网应用的需求，让物联网逐渐成为既互联网之后的下一个万亿级规模的新兴信息产业。这一广阔应用领域的核心问题是对超低功耗智能物联网芯片的迫切需求。

物联网节点的设计方案一般采用电池供电，辅以能量获取技术，基于传统芯片架构的无线节点，结合传感信号采集电路完成对海量数据的获取。然而，这一传统解决方案存在以下几个重大挑战：

1）物联网节点寿命严重受限于芯片的长时平均功耗。传统的周期性唤醒工作机制为了能够探测到事件，存在频繁的无效唤醒，从而浪费了大量的电池电量。

2）大量无效数据的传输浪费了能量与带宽。传统物联网架构下，数据的有效性由基站或云端决定，而大量的无效信息依然需要通过物联网节点传输给基站或云端，从而带来物联网节点的功耗浪费与网络带宽压力。

3）需要高能效高精度的模拟传感电路。人机交互、环境、生物/生理等物联网传感信号等通常较为微弱，而对于能量受限的物联网节点，需要对这些信号进行高精度、高能效的采集。

4）物联网节点应用种类繁杂，功能多样，冗长的研制周期难以跟上市场快速增长的速度。

北京大学黄如院士-叶乐副教授课题组，主要针对AIoT芯片存在的四大关键挑战展开研究，提出了多项创新技术，于今年ISSCC发布了2项刷新世界纪录的AIoT芯片研究成果：ISSCC 2021前瞻技术领域Session 12.1和模拟电路领域Session 5.1。

工作介绍

一、“异步事件驱动型AIoT唤醒芯片”成果介绍

北京大学黄如院士-叶乐副教授课题组，与浙江省北大信息技术高等研究院、浙江大学、上海芯翼信息科技有限公司合作，面向智能物联网（AIoT）应用场景，提出了国际首创的异步事件驱动型AIoT芯片架构，解决了在随机稀疏应用场景下长时平均功耗高的问题，显著降低了AIoT节点设备的功耗；课题组同时提出了异步脉冲的信号特征提取方法，仅以几十nW的极低功耗代价便实现了信号特征提取；不仅如此，基于“时域帧生成器”和“卷积神经网络”智能推断引擎的技术，结合重训练机制，在具备低功耗的同时，使物联网应用场景因噪声而导致推断精度低的问题得以解决。未来可应用于可穿戴设备、智能语音交互、人体生理信号监测、环境监控、智能家居等物联网场景。具有通用性、低功耗、智能识别三大特征。

基于上述创新技术，课题组研制了一颗国际上功耗最低的通用型AIoT唤醒芯片，长时待命（on-call waiting for events）功耗仅148nW，可供5mm纽扣电池（2mAh）使用5年，芯片演示了复杂和简单两类应用场景：语音关键词识别率达94%，异常心电图识别率达99%；为国际迄今为止首次且唯一的“异步事件驱动型AIoT芯片”，该工作为未来实现基于全异步脉冲神经网络（A-SNN）的AIoT芯片奠定了基础。

该工作以《基于异步脉冲特征提取和卷积神经网络的148nW通用事件驱动AIoT智能唤醒芯片》（A 148nW General-Purpose Event-Driven Intelligent Wake-Up Chip for AIoT Devices Using Asynchronous Spike-Based Feature Extractor and Convolutional Neural Network）为题，在2021年2月17日于国际固态电路峰会ISSCC线上发表，为前瞻技术领域Session 12（Innovations in Low-power and Secure IoT）的第一篇文章，被被遴选为Highlight亮点论文，由文章第一作者北京大学微纳电子学系博士生王志轩进行宣讲，受到了来自全世界芯片领域知名高校、公司和研究机构的广泛关注。该论文为ISSCC前瞻技术领域（TD， Technology Direction）国内首次且唯一的Highlight亮点论文，也是今年前瞻技术领域国内唯一发表论文。

相关研究工作得到了国家优秀青年科学基金、国家重点研发计划等项目的资助，以及浙江省北大信息技术高等研究院、浙江大学、上海芯翼信息科技有限公司等平台的支持。

图1. （a）异步事件驱动型AIoT芯片架构， （b）卷积神经网络电路架构， （c）芯片显微照片，（d）语音关键词唤醒测试波形

二、“动态电荷域CMOS湿度/电容传感芯片”成果介绍

北京大学黄如院士-叶乐副教授课题组，与浙江大学、浙江省北大信息技术高等研究院合作，面向高能效、高精度的物联网传感器应用，提出了国际领先的动态电荷域电容传感技术，具有国际领先的传感精度，在实现高精度的同时显著降低了物联网传感节点的功耗；课题组同时提出了基于动态范围自适应滑动技术（Adaptive Range-Shift， ARS）的缩放型（Zoom）电容数字转换器（Capacitance-to-Digital Converter， CDC），解决了Zoom架构中冗余过大造成的精度损失和抗片外寄生/干扰能力差的问题；还提出了基于功耗自感知技术（Power-Aware）的悬浮反相器型放大器阵列，解决了兼容不同传感终端所带来的能效损失问题，显著延长了多应用兼容传感芯片的电池使用寿命。该芯片技术可广泛应用于湿度、触摸、压力、加速度计、陀螺仪、手势识别等电容型传感器应用领域，具备超低功耗、高精度、抗干扰三大特性。

基于上述创新技术，课题组研制了一颗国际上功耗最低的CMOS湿度传感芯片，平均功耗仅1.5μW，可供8mm纽扣电池（42mAh）使用4年，湿度检测分辨率高达0.0094%RH，电容检测精度高达17.9aF，综合性能指标FoM高达0.135pJ·%RH2，与当前世界最好水平相比，功耗降低了2倍，综合性能指标FoM提升了6倍。

该工作以《基于自适应范围滑动的缩放型电容数字转换器和功耗自感知悬浮反相器型放大器阵列的1.5μW和0.135pJ·%RH2的CMOS全集成湿度传感器芯片》（A 1.5μW 0.135pJ·%RH2 CMOS Humidity Sensor Using Adaptive Range-Shift Zoom CDC and Power-Aware Floating Inverter Amplifier Array）为题，在2021年2月16日于国际固态电路峰会ISSCC线上发表，为模拟技术领域Session 5（Analog Interface）的第一篇文章，并被遴选为Highlight亮点论文，由文章第一作者北京大学信息科学技术学院微纳电子学系博士生李和倚进行宣讲，并参与了Demo Session的演示系统展示，受到了来自全世界芯片领域知名高校、公司和研究机构的广泛关注。该论文为ISSCC模拟电路领域（ANA， Analog）国内首次且唯一的Highlight亮点论文，也是今年模拟电路领域国内唯一发表论文。

相关研究工作得到了国家优秀青年科学基金、国家重点研发计划等项目的资助，以及浙江大学、浙江省北大信息技术高等研究院等平台的支持。

图2. （a）动态电荷域电容传感芯片架构图， （b）电路原理图及工作时序图， （c）芯片显微照片，（d）晶圆不同位置处的芯片、湿度及其误差测试曲线

图3. （a）用于Demo的印刷电路板， （b）Demo视频中的加湿器测试

ISSCC 2021全球及北京大学论文发表情况

今年ISSCC全球总计收录201篇论文（含6篇受邀企业论文），共分为12个技术领域；其中66%来自于高校发表，3%来自于研究机构发表，31%来自于企业界发表，以美国英特尔Intel（10篇）、美国IBM（3篇）、美国ADI（3篇）、美国德州仪器TI（2篇）、美国微软Microsoft（1篇）、美国英伟达Nvidia（1篇）、美国高通Qualcom（1篇）、韩国三星Samsung（15篇）、韩国海力士Hynix（2篇）、日本索尼Sony（4篇）、日本瑞萨Renesas（1篇）、中国台湾Media Tek（4篇）、中国台湾台积电（2篇）、中国华为（加拿大研究所）（2篇）、中国百度（1篇）等国际科技巨头企业纷纷在ISSCC上发布其最新的芯片科技成果。

按国家和地区来看，发文量最多的依然是美国，总共发表75篇，占比高达37%，这也表明了美国在集成电路科技领域依然占据着绝对优势地位；其次是发表了30篇的韩国，占比15%；中国大陆（含港澳地区）则以23篇的成绩跃居世界第三，占比11%；其次是均为12篇的日本和中国台湾地区，均占比6%；荷兰、比利时、瑞士、德国、意大利、奥地利、法国等7个有论文发表的欧洲国家加起来共发表33篇，占比16%。

今年中国大陆（含港澳地区）在ISSCC上共发表23篇论文，在ISSCC 12个技术领域中一共覆盖了10个技术领域。以北京大学为第一作者单位的文章共有4篇文章发表，在全球高校中排名第5（与Berkeley、佐治亚理工、密歇根、鲁汶等高校并列），覆盖了ISSCC的4个技术领域，分别是模拟电路（ANA， Analog）、前瞻技术（TD， Technology Direction）、数据转换器（DC， Data Converters）、射频电路（RF， Radio Frequency），其中2篇文章被遴选为Highlight亮点论文（每年仅有前25%的ISSCC论文被优中选优），涉及的技术领域数及Highlight亮点论文数均位列中国高校之首（其中，涉及技术领域数与清华大学并列中国高校第一）。

责任编辑：lq