中國首次！北京大學傳感器芯片論文斬獲ISSCC年度最佳論文獎
http://www.moduwu.com 2024-02-26 11:16
近日（2月18-22日），國際固態電路會議（International Solid-State Circuits Conference，ISSCC）在美國舊金山舉行。
ISSCC會議每年2月中旬舉行，是國際公認的規模最大、領域內最權威、水平最高的芯片設計領域學術會議，被業界譽為“集成電路設計國際奧林匹克盛會”，每年約有200項芯片實測成果入選，約四成左右的芯片成果來自于國際芯片巨頭公司，例如：英特爾、三星、臺積電、AMD、英偉達、高通、博通、ADI、TI、聯發科等，其余六成左右的芯片成果來自于高校和科研院所。
歷史上入選ISSCC的成果代表著當年度全球領先水平，展現出芯片技術和產業的發展趨勢，多項“芯片領域里程碑式發明”在ISSCC首次披露，如：世界上第一個集成模擬放大器芯片（1968年）、第一個8位微處理器芯片（1974年）和32位微處理器芯片（1981年）、第一個1Gb內存DRAM芯片（1995年）、第一個多核處理器芯片（2005年）等。
北京大學黃如院士-葉樂教授團隊的論文（Jihang Gao, Linxiao Shen*, Heyi Li, Siyuan, Ye, Jie Li, Xinhang Xu, Jiajia Cui, Yunhung Gao, Ru huang, and Le Ye*, “A 7.9fJ/Conversion-Step and 37.12aFrms Pipelined-SAR Capacitance-to-Digital Converter with kT/C Noise Cancellation and Incomplete-Settling-Based Correlated Level Shifting”, ISSCC 2023）獲得年度唯一最佳論文獎（Anantha P. Chandrakasan Award for Outstanding Distinguished-Technical Paper）。論文第一作者為博士生高繼航，通訊作者為沈林曉研究員和葉樂教授；論文也得到了浙江省北大信息技術高等研究院以及微納核芯公司的技術支持。
該獎項也是IEEE固態電路學會（Solid State Circuits Society）頂級會議最高獎，每年僅頒一項。這既是集成電路設計領域國際年度唯一最高學術榮譽，也是ISSCC自1953年創辦70年以來國內（含港澳地區）首次獲獎，表明我國科研團隊在集成電路設計領域的創新能力已經獲得全球最高學術榮譽的認可！
▲該論文主要作者
據介紹，當前物聯網傳感器應用對高速高精度電容數字轉換器需求不斷提升，因此團隊從架構和電路兩個層面提出解決方案。
在架構層面，本工作創新性地采用了流水線型逐次逼近型寄存器型電容傳感器架構，在實現高精度、高能效的同時，提升了轉換速度；在電路層面，該工作首次提出了可應用于電容傳感中的kT/C采樣噪聲消除技術，解決了小電容傳感中的精度瓶頸問題，突破了采樣熱噪聲導致的精度瓶頸問題。
此外，該工作首次提出的基于不完全建立的相關電平抬升技術，縮短了傳統增益提升技術的粗放大階段的時間，在減少功耗的同時，將等效開環增益顯著提升，提高了級間放大器的能量效率和精度。在提高轉換速率的同時，實現了高精度（1fFrms噪聲水平）電容傳感器的能量效率世界紀錄。
基于上述架構和電路層面的創新，課題組研制了一款基于22nm CMOS工藝的緊湊型高能效電容傳感器芯片，該電路在22nm工藝下實現了對0-5.16pF電容值測量，精度達到了37.12aF，在所有高精度（1fFrms噪聲水平）電容傳感器中具有最高的能效（7.9fJ/conv.-step），且達到了71.3dB的信噪比，相較前人的工作將能效提升了一倍。該電路具有高能效、高精度、小面積、高轉換速度等特點，可廣泛應用于面向電容傳感的各類物聯網傳感器和前端應用中，并且為電容傳感芯片的小型化提供了全新的解決方案。
▲高繼航博士報告現場照片
近年來，北京大學黃如院士-葉樂教授團隊在超低功耗智能物聯網AIoT芯片、模擬與數模混合芯片、以及SRAM存算一體AI芯片等方面取得了一系列國際領先的創新成果。在有著芯片設計奧林匹克之稱的ISSCC上，近5年發表了12篇論文，成為國內乃至國外在ISSCC上發表成果最多的課題組之一。不僅如此，團隊還成功孵化了芯片設計企業微納核芯，致力于打造“一流科研成果”與“一流產業應用”之間的產學研循環飛輪，將領先的科研成果轉化應用于產業。
在這樣的產學研機制下，葉樂教授-沈林曉課題組，斬獲了2024年度ISSCC最佳論文獎（Anantha P. Chandrakasan Award for Outstanding Distinguished-Technical Paper），這是芯片設計奧林匹克ISSCC年度唯一最佳論文，也是ISSCC自1953年創辦70年以來，國內（含港澳地區）首次獲獎，表明了我國在集成電路設計領域的創新能力已經獲得全球最高學術榮譽的認可！
據了解，電容傳感器主要應用于兩大類場景：第一類是應用于人機交互的觸控場景，從而可以取代機械按鍵，在便攜式電子產品、小家電、大家電、汽車等各種產品中，均有廣泛的應用場景；第二類是應用于各類型的電容型傳感器，例如電容型的壓力傳感器、電容型的濕度傳感器、電容型的加速度計等，從而可以獲得更高的精度和更低的功耗。
團隊孵化的芯片設計企業微納核芯，在電容傳感器方面目前主要推進兩個產品線的產業化：第一是隔空觸摸產品線，用戶手指無須接觸到電容焊盤也能實現高靈敏的觸控檢測。這對于提升用戶體驗、降低整機BOM和生產成本、提高整機調試效率、放寬整機生產和裝配公差等方面，都有顯著的提升。按照計劃，今年將推出隔空觸摸產品，首先將應用于小家電、大家電、便攜式電子設備等領域。下一步將提高可靠性設計，以應用于汽車隔空觸摸場景。
第二是電容型壓力傳感器產品線，與電阻型壓力傳感器相比，電容型壓力傳感器在精度和功耗方面具有顯著的優勢，是高端壓力傳感器市場的首選。由于其在MEMS和ASIC芯片方面均具有很大的挑戰，長期以來被歐美公司絕對壟斷。目前團隊跟國內MEMS頭部企業合作，在研超高精度、低功耗、高可靠的壓力傳感器產品線，計劃今年完成產品研發。
▲微納核芯官網
ADC技術是模擬信號鏈芯片領域十分重要的共性底座技術，類似的技術成果，我們也應用于新能源電池組檢測BMS AFE芯片產品線中，我們自主定制開發國產高精度高壓BCD工藝，開發對標國外最先進產品的高精度、低功耗、高可靠的BMS AFE芯片，應用于新能源儲能和汽車等領域，努力打造新能源BMS AFE芯片的“設計-工藝-標準”全鏈條本土制造，以解決新能源戰略產業中核心芯片的數據安全和供應鏈安全問題！
此外，團隊還積極推進 SRAM 存算一體技術攻關、及其與RISC-V異構融合的AI芯片研發攻關，致力于依托國產現有工藝通過SRAM存算一體和RISC-V異構融合的架構創新路線，來突破美國1017芯片禁運新規的算力密度禁運紅線，致力于突破美對我國高端AI芯片的禁運困局！
國際固態電路會議是展示固態電路和片上系統進展的全球性學術會議。每年吸引超過3000名來自世界各地工業界和學術界的參加者。2023年，ISSCC會議上，中國內地入選論文達到43篇，位列全球第一，2024年中國內地入選論文數量蟬聯全球第一。
對此，葉樂表示，這首先表明國內在集成電路設計方面的學術研究水平快速提升，我國在芯片設計創新能力方面得到長足進步。其次，我們依然需要看到，國內成果更多的屬于學術導向的研究，應用和需求牽引導向的研究成果仍然較少，這就導致研究成果與產業應用之間存在很大的鴻溝。而美國方面，雖然目前在文章數量上少于我國，但是有大量的巨頭芯片公司所主導的成果被發表。在產業需求主導的成果上，我國差距依然很大。第三，我們還看到，單純文章數量方面看，我國取得領先，但是主要集中在模擬、電源等小芯片方面，在先進處理器、AI大芯片等方面，我們仍然差距較大。
“當然，這里也有客觀因素，同樣是一篇成果，大芯片所需要的研發資源、資金、流片工藝水平、團隊規模等方面都要比小芯片要復雜的多，高校團隊很難在這些方面與國際巨頭芯片企業相抗衡。因此，我們依然要清醒的認識到差距，對未來前行的困難要做好充分的心理準備，才能更好更快的追趕上國際先進水平。”葉樂說。
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