情況介紹

受新冠病毒疫情影響，第68屆國際固態電路會議（International Solid-State Circuits Conference， ISSCC）于2021年2月13日至22日采取線上會議形式舉辦，也為這個集成電路領域的“國際奧林匹克盛會”帶來了不一樣的體驗。本屆ISSCC大會上，北京大學黃如院士-葉樂副教授課題組發表了2篇論文，分別收錄于前瞻技術（TD， Technology Direction）和模擬電路（ANA， Analog）這兩個技術領域（ISSCC總共12個技術領域），且均被遴選為Highlight亮點論文，為這兩個技術領域國內首次且唯一的Highlight亮點論文，兩項成果均屬于超低功耗智能物聯網AIoT芯片范疇，表明北京大學在AIoT芯片領域已經處于國際領先水平。

集成電路是現代信息社會的基石。近年來，新基建和5G等新政策和新技術的誕生，催生了可穿戴設備、人機交互設備、智能家居、智慧城市、智慧交通、智能制造、智慧農業、環境監控等新一代物聯網應用的需求，讓物聯網逐漸成為既互聯網之后的下一個萬億級規模的新興信息產業。這一廣闊應用領域的核心問題是對超低功耗智能物聯網芯片的迫切需求。

物聯網節點的設計方案一般采用電池供電，輔以能量獲取技術，基于傳統芯片架構的無線節點，結合傳感信號采集電路完成對海量數據的獲取。然而，這一傳統解決方案存在以下幾個重大挑戰：

1）物聯網節點壽命嚴重受限于芯片的長時平均功耗。傳統的周期性喚醒工作機制為了能夠探測到事件，存在頻繁的無效喚醒，從而浪費了大量的電池電量。

2）大量無效數據的傳輸浪費了能量與帶寬。傳統物聯網架構下，數據的有效性由基站或云端決定，而大量的無效信息依然需要通過物聯網節點傳輸給基站或云端，從而帶來物聯網節點的功耗浪費與網絡帶寬壓力。

3）需要高能效高精度的模擬傳感電路。人機交互、環境、生物/生理等物聯網傳感信號等通常較為微弱，而對于能量受限的物聯網節點，需要對這些信號進行高精度、高能效的采集。

4）物聯網節點應用種類繁雜，功能多樣，冗長的研制周期難以跟上市場快速增長的速度。

北京大學黃如院士-葉樂副教授課題組，主要針對AIoT芯片存在的四大關鍵挑戰展開研究，提出了多項創新技術，于今年ISSCC發布了2項刷新世界紀錄的AIoT芯片研究成果：ISSCC 2021前瞻技術領域Session 12.1和模擬電路領域Session 5.1。

工作介紹

一、“異步事件驅動型AIoT喚醒芯片”成果介紹

北京大學黃如院士-葉樂副教授課題組，與浙江省北大信息技術高等研究院、浙江大學、上海芯翼信息科技有限公司合作，面向智能物聯網（AIoT）應用場景，提出了國際首創的異步事件驅動型AIoT芯片架構，解決了在隨機稀疏應用場景下長時平均功耗高的問題，顯著降低了AIoT節點設備的功耗；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了信號特征提取；不僅如此，基于“時域幀生成器”和“卷積神經網絡”智能推斷引擎的技術，結合重訓練機制，在具備低功耗的同時，使物聯網應用場景因噪聲而導致推斷精度低的問題得以解決。未來可應用于可穿戴設備、智能語音交互、人體生理信號監測、環境監控、智能家居等物聯網場景。具有通用性、低功耗、智能識別三大特征。

基于上述創新技術，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，芯片演示了復雜和簡單兩類應用場景：語音關鍵詞識別率達94%，異常心電圖識別率達99%；為國際迄今為止首次且唯一的“異步事件驅動型AIoT芯片”，該工作為未來實現基于全異步脈沖神經網絡（A-SNN）的AIoT芯片奠定了基礎。

該工作以《基于異步脈沖特征提取和卷積神經網絡的148nW通用事件驅動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日于國際固態電路峰會ISSCC線上發表，為前瞻技術領域Session 12（Innovations in Low-power and Secure IoT）的第一篇文章，被被遴選為Highlight亮點論文，由文章第一作者北京大學微納電子學系博士生王志軒進行宣講，受到了來自全世界芯片領域知名高校、公司和研究機構的廣泛關注。該論文為ISSCC前瞻技術領域（TD， Technology Direction）國內首次且唯一的Highlight亮點論文，也是今年前瞻技術領域國內唯一發表論文。

相關研究工作得到了國家優秀青年科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助，以及浙江省北大信息技術高等研究院、浙江大學、上海芯翼信息科技有限公司等平臺的支持。

圖1. （a）異步事件驅動型AIoT芯片架構， （b）卷積神經網絡電路架構， （c）芯片顯微照片，（d）語音關鍵詞喚醒測試波形

二、“動態電荷域CMOS濕度/電容傳感芯片”成果介紹

北京大學黃如院士-葉樂副教授課題組，與浙江大學、浙江省北大信息技術高等研究院合作，面向高能效、高精度的物聯網傳感器應用，提出了國際領先的動態電荷域電容傳感技術，具有國際領先的傳感精度，在實現高精度的同時顯著降低了物聯網傳感節點的功耗；課題組同時提出了基于動態范圍自適應滑動技術（Adaptive Range-Shift， ARS）的縮放型（Zoom）電容數字轉換器（Capacitance-to-Digital Converter， CDC），解決了Zoom架構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（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，顯著延長了多應用兼容傳感芯片的電池使用壽命。該芯片技術可廣泛應用于濕度、觸摸、壓力、加速度計、陀螺儀、手勢識別等電容型傳感器應用領域，具備超低功耗、高精度、抗干擾三大特性。

基于上述創新技術，課題組研制了一顆國際上功耗最低的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，濕度檢測分辨率高達0.0094%RH，電容檢測精度高達17.9aF，綜合性能指標FoM高達0.135pJ?%RH2，與當前世界最好水平相比，功耗降低了2倍，綜合性能指標FoM提升了6倍。

該工作以《基于自適應范圍滑動的縮放型電容數字轉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日于國際固態電路峰會ISSCC線上發表，為模擬技術領域Session 5（Analog Interface）的第一篇文章，并被遴選為Highlight亮點論文，由文章第一作者北京大學信息科學技術學院微納電子學系博士生李和倚進行宣講，并參與了Demo Session的演示系統展示，受到了來自全世界芯片領域知名高校、公司和研究機構的廣泛關注。該論文為ISSCC模擬電路領域（ANA， Analog）國內首次且唯一的Highlight亮點論文，也是今年模擬電路領域國內唯一發表論文。

相關研究工作得到了國家優秀青年科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助，以及浙江大學、浙江省北大信息技術高等研究院等平臺的支持。

圖2. （a）動態電荷域電容傳感芯片架構圖， （b）電路原理圖及工作時序圖， （c）芯片顯微照片，（d）晶圓不同位置處的芯片、濕度及其誤差測試曲線

圖3. （a）用于Demo的印刷電路板， （b）Demo視頻中的加濕器測試

ISSCC 2021全球及北京大學論文發表情況

今年ISSCC全球總計收錄201篇論文（含6篇受邀企業論文），共分為12個技術領域；其中66%來自于高校發表，3%來自于研究機構發表，31%來自于企業界發表，以美國英特爾Intel（10篇）、美國IBM（3篇）、美國ADI（3篇）、美國德州儀器TI（2篇）、美國微軟Microsoft（1篇）、美國英偉達Nvidia（1篇）、美國高通Qualcom（1篇）、韓國三星Samsung（15篇）、韓國海力士Hynix（2篇）、日本索尼Sony（4篇）、日本瑞薩Renesas（1篇）、中國臺灣Media Tek（4篇）、中國臺灣臺積電（2篇）、中國華為（加拿大研究所）（2篇）、中國百度（1篇）等國際科技巨頭企業紛紛在ISSCC上發布其最新的芯片科技成果。

按國家和地區來看，發文量最多的依然是美國，總共發表75篇，占比高達37%，這也表明了美國在集成電路科技領域依然占據著絕對優勢地位；其次是發表了30篇的韓國，占比15%；中國大陸（含港澳地區）則以23篇的成績躍居世界第三，占比11%；其次是均為12篇的日本和中國臺灣地區，均占比6%；荷蘭、比利時、瑞士、德國、意大利、奧地利、法國等7個有論文發表的歐洲國家加起來共發表33篇，占比16%。

今年中國大陸（含港澳地區）在ISSCC上共發表23篇論文，在ISSCC 12個技術領域中一共覆蓋了10個技術領域。以北京大學為第一作者單位的文章共有4篇文章發表，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個技術領域，分別是模擬電路（ANA， Analog）、前瞻技術（TD， Technology Direction）、數據轉換器（DC， Data Converters）、射頻電路（RF， Radio Frequency），其中2篇文章被遴選為Highlight亮點論文（每年僅有前25%的ISSCC論文被優中選優），涉及的技術領域數及Highlight亮點論文數均位列中國高校之首（其中，涉及技術領域數與清華大學并列中國高校第一）。

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