近日（2月18-22日），國際固態(tài)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(rèn)的規(guī)模最大、領(lǐng)域內(nèi)最權(quán)威、水平最高的芯片設(shè)計領(lǐng)域?qū)W術(shù)會議，被業(yè)界譽為“集成電路設(shè)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(dá)、高通、博通、ADI、TI、聯(lián)發(fā)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(dāng)年度全球領(lǐng)先水平，展現(xiàn)出芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，多項“芯片領(lǐng)域里程碑式發(fā)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(nèi)存DRAM芯片（1995年）、第一個多核處理器芯片（2005年）等。
北京大學(xué)黃如院士-葉樂教授團(tuán)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(shù)高等研究院以及微納核芯公司的技術(shù)支持。
該獎項也是IEEE固態(tài)電路學(xué)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(shè)計領(lǐng)域國際年度唯一最高學(xué)術(shù)榮譽，也是ISSCC自1953年創(chuàng)辦70年以來國內(nèi)（含港澳地區(qū)）首次獲獎，表明我國科研團(tuán)隊在集成電路設(shè)計領(lǐng)域的創(chuàng)新能力已經(jīng)獲得全球最高學(xué)術(shù)榮譽的認(rèn)可！
據(jù)介紹，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用對高速高精度電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器需求不斷提升，因此團(tuán)隊從架構(gòu)和電路兩個層面提出解決方案。
在架構(gòu)層面，本工作創(chuàng)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(gòu)，在實現(xiàn)高精度、高能效的同時，提升了轉(zhuǎn)換速度；在電路層面，該工作首次提出了可應(yīng)用于電容傳感中的kT/C采樣噪聲消除技術(shù)，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(dǎo)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(guān)電平抬升技術(shù)，縮短了傳統(tǒng)增益提升技術(shù)的粗放大階段的時間，在減少功耗的同時，將等效開環(huán)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(zhuǎn)換速率的同時，實現(xiàn)了高精度（1fFrms噪聲水平）電容傳感器的能量效率世界紀(jì)錄。
基于上述架構(gòu)和電路層面的創(chuàng)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(xiàn)了對0-5.16pF電容值測量，精度達(dá)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(dá)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(zhuǎn)換速度等特點，可廣泛應(yīng)用于面向電容傳感的各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器和前端應(yīng)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。
近年來，北京大學(xué)黃如院士-葉樂教授團(tuán)隊在超低功耗智能物聯(lián)網(wǎng)AIoT芯片、模擬與數(shù)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(lǐng)先的創(chuàng)新成果。在有著芯片設(shè)計奧林匹克之稱的ISSCC上，近5年發(fā)表了12篇論文，成為國內(nèi)乃至國外在ISSCC上發(fā)表成果最多的課題組之一。不僅如此，團(tuán)隊還成功孵化了芯片設(shè)計企業(yè)微納核芯，致力于打造“一流科研成果”與“一流產(chǎn)業(yè)應(yīng)用”之間的產(chǎn)學(xué)研循環(huán)飛輪，將領(lǐng)先的科研成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)。
在這樣的產(chǎn)學(xué)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(shè)計奧林匹克ISSCC年度唯一最佳論文，也是ISSCC自1953年創(chuàng)辦70年以來，國內(nèi)（含港澳地區(qū)）首次獲獎，表明了我國在集成電路設(shè)計領(lǐng)域的創(chuàng)新能力已經(jīng)獲得全球最高學(xué)術(shù)榮譽的認(rèn)可！
據(jù)了解，電容傳感器主要應(yīng)用于兩大類場景：第一類是應(yīng)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(chǎn)品、小家電、大家電、汽車等各種產(chǎn)品中，均有廣泛的應(yīng)用場景；第二類是應(yīng)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(tuán)隊孵化的芯片設(shè)計企業(yè)微納核芯，在電容傳感器方面目前主要推進(jìn)兩個產(chǎn)品線的產(chǎn)業(yè)化：第一是隔空觸摸產(chǎn)品線，用戶手指無須接觸到電容焊盤也能實現(xiàn)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(chǎn)成本、提高整機調(diào)試效率、放寬整機生產(chǎn)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(chǎn)品，首先將應(yīng)用于小家電、大家電、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域。下一步將提高可靠性設(shè)計，以應(yīng)用于汽車隔空觸摸場景。
第二是電容型壓力傳感器產(chǎn)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(yōu)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(zhàn)，長期以來被歐美公司絕對壟斷。目前團(tuán)隊跟國內(nèi)MEMS頭部企業(yè)合作，在研超高精度、低功耗、高可靠的壓力傳感器產(chǎn)品線，計劃今年完成產(chǎn)品研發(fā)。
ADC技術(shù)是模擬信號鏈芯片領(lǐng)域十分重要的共性底座技術(shù)，類似的技術(shù)成果，我們也應(yīng)用于新能源電池組檢測BMS AFE芯片產(chǎn)品線中，我們自主定制開發(fā)國產(chǎn)高精度高壓BCD工藝，開發(fā)對標(biāo)國外最先進(jìn)產(chǎn)品的高精度、低功耗、高可靠的BMS AFE芯片，應(yīng)用于新能源儲能和汽車等領(lǐng)域，努力打造新能源BMS AFE芯片的“設(shè)計-工藝-標(biāo)準(zhǔn)”全鏈條本土制造，以解決新能源戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)中核心芯片的數(shù)據(jù)安全和供應(yīng)鏈安全問題！
此外，團(tuán)隊還積極推進(jìn) SRAM 存算一體技術(shù)攻關(guān)、及其與RISC-V異構(gòu)融合的AI芯片研發(fā)攻關(guān)，致力于依托國產(chǎn)現(xiàn)有工藝通過SRAM存算一體和RISC-V異構(gòu)融合的架構(gòu)創(chuàng)新路線，來突破美國1017芯片禁運新規(guī)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(tài)電路會議是展示固態(tài)電路和片上系統(tǒng)進(jìn)展的全球性學(xué)術(shù)會議。每年吸引超過3000名來自世界各地工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的參加者。2023年，ISSCC會議上，中國內(nèi)地入選論文達(dá)到43篇，位列全球第一，2024年中國內(nèi)地入選論文數(shù)量蟬聯(lián)全球第一。
對此，葉樂表示，這首先表明國內(nèi)在集成電路設(shè)計方面的學(xué)術(shù)研究水平快速提升，我國在芯片設(shè)計創(chuàng)新能力方面得到長足進(jìn)步。其次，我們依然需要看到，國內(nèi)成果更多的屬于學(xué)術(shù)導(dǎo)向的研究，應(yīng)用和需求牽引導(dǎo)向的研究成果仍然較少，這就導(dǎo)致研究成果與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用之間存在很大的鴻溝。而美國方面，雖然目前在文章數(shù)量上少于我國，但是有大量的巨頭芯片公司所主導(dǎo)的成果被發(fā)表。在產(chǎn)業(yè)需求主導(dǎo)的成果上，我國差距依然很大。第三，我們還看到，單純文章數(shù)量方面看，我國取得領(lǐng)先，但是主要集中在模擬、電源等小芯片方面，在先進(jìn)處理器、AI大芯片等方面，我們?nèi)匀徊罹噍^大。
“當(dāng)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(fā)資源、資金、流片工藝水平、團(tuán)隊規(guī)模等方面都要比小芯片要復(fù)雜的多，高校團(tuán)隊很難在這些方面與國際巨頭芯片企業(yè)相抗衡。因此，我們依然要清醒的認(rèn)識到差距，對未來前行的困難要做好充分的心理準(zhǔn)備，才能更好更快的追趕上國際先進(jìn)水平。”葉樂說。
