被譽為集成電路領(lǐng)域“國際奧林匹克盛會”的國際固態(tài)電路會議（International Solid-State Circuits Conference， ISSCC）受新冠病毒疫情影響于2021年2月13日至22日以線上會議形式舉行，本次會議是該系列會議的第68屆。信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)系在“超低功耗智能物聯(lián)網(wǎng)芯片（AIoT）”“高性能雷達(dá)頻率源”等高端芯片領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)成果在ISSCC上報道。
異步事件驅(qū)動型AIoT喚醒芯片
面向智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）對低功耗喚醒芯片的迫切需求，北京大學(xué)黃如院士-葉樂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)、啟和科技合作，提出了國際首創(chuàng)的異步事件驅(qū)動型AIoT芯片架構(gòu)，解決了在隨機稀疏應(yīng)用場景下長時平均功耗高的問題，顯著降低了AIoT節(jié)點設(shè)備的功耗；課題組同時提出了異步脈沖的信號特征提取方法，僅以幾十nW的極低功耗代價便實現(xiàn)了信號特征提??；不僅如此電子芯片，基于“時域幀生成器”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)練機制，在具備低功耗的同時，使物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景因噪聲而導(dǎo)致推斷精度低的問題得以解決。
圖1.（a）異步事件驅(qū)動型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）語音關(guān)鍵詞喚醒測試波形
基于上述創(chuàng)新技術(shù)，課題組研制了一顆國際上功耗最低的通用型AIoT喚醒芯片，長時待命（on-call waiting for events）功耗僅148nW，可供5mm紐扣電池（2mAh）使用5年，芯片演示應(yīng)用結(jié)果顯示，語音關(guān)鍵詞識別率達(dá)94%、異常心電圖識別率達(dá)99%，為國際迄今為止首次且唯一的“異步事件驅(qū)動型AIoT芯片”。該工作為未來實現(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“A 148nW General-Purpose Event-Driven Intelligent Wake-Up Chip for AIoT Devices Using Asynchronous Spike-Based Feature Extractor and Convolutional Neural Network（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AIoT智能喚醒芯片）”為題，在2021年2月17日于國際固態(tài)電路峰會ISSCC線上發(fā)表，為前瞻技術(shù)領(lǐng)域Session 12（Innovationsin Low-power and Secure IoT）的第一篇文章，被遴選為Highlight亮點論文，也是ISSCC前瞻技術(shù)領(lǐng)域（TD，TechnologyDirection）國內(nèi)首次且唯一的Highlight亮點論文，也是今年前瞻技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)唯一發(fā)表論文。
相關(guān)研究工作得到了國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助，以及浙江省北大信息技術(shù)高等研究院、浙江大學(xué)、啟和科技等平臺的支持。
動態(tài)電荷域CMOS濕度/電容傳感芯片
面向高能效、高精度的物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用需求，北京大學(xué)黃如-葉樂課題組與浙江大學(xué)、浙江省北大信息技術(shù)高等研究院合作，提出了國際領(lǐng)先的動態(tài)電荷域電容傳感技術(shù)，具有國際領(lǐng)先的傳感精度，在實現(xiàn)高精度的同時顯著降低了物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點的功耗；課題組同時提出了基于動態(tài)范圍自適應(yīng)滑動技術(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)中冗余過大造成的精度損失和抗片外寄生/干擾能力差的問題；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的能效損失問題，顯著延長了多應(yīng)用兼容傳感芯片的電池使用壽命。
