中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-042）——动态电荷域高能效电容感知芯片

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工作简介

         ——动态电荷域高能效电容感知芯片

以物联网为代表的数字经济产业是国家“十四五”规划和2035远景目标纲要中确定的重点发展方向，是我国实现半导体技术突围的重要机会，也是赋能传统产业转型升级，催生新产业新业态新模式，壮大经济发展的新引擎。智能物联网（AIoT）芯片是物联网的底层硬件载体，为万物智联提供了海量数据来源，AIoT芯片包括数据感知、数据处理（逻辑计算和AI计算）、数据存储、数据传输等四大环节。其中，数据感知环节通常面临两大关键问题：一是能量-信息转换效率低导致的能效瓶颈问题，从而显著降低了物联网设备的电池使用寿命；二是复杂工作环境导致的性能退化和可靠性问题，会导致感知精度下降甚至功能失效。研究高能效、高精度、高可靠性的先进感知芯片成为未来智能物联网AIoT芯片的一个重要方向。

近期，北京大学黄如院士-叶乐副教授研究团队提出了动态电荷域功耗自感知技术和动态范围自适应滑动技术，并成功研制了一款国际领先的动态电荷域电容感知芯片，具有国际领先的感知精度和能效，可显著降低物联网节点的功耗水平。该芯片不仅打破了国外在相关芯片领域保持的综合性能世界纪录，还填补了国内在高能效电容感知芯片领域的空白。电容型模拟传感芯片作为应用范围最广的一类感知芯片，被广泛应用于湿度、加速度计、陀螺仪、压力、触控、压感触控、硅麦克风、接近感应等场景，具有重大的产业应用价值。研究团队针对其能效瓶颈问题，提出动态电荷域功耗自感知技术，解决了能量-信息转换率过低的难题，大幅延长了感知芯片的电池使用寿命。不仅如此，针对传统感知芯片可靠性差的问题，研究组提出了动态范围自适应滑动技术，解决了芯片抗干扰能力差和设计冗余过大的问题，显著提高了芯片的可靠性，使得该芯片即使工作在苛刻环境下（例如苛刻高低温环境、苛刻高湿环境、复杂电磁干扰场景等），性能也基本不退化。基于上述创新技术，研究团队基于国产CMOS量产工艺平台，通过后道兼容工艺在8英寸晶圆上实现了集成湿度传感器的电容感知芯片，并对晶圆各区域的芯片进行了大量测试，均取得了很好的性能一致性。该芯片的平均功耗仅1.5 μW，可供8 mm纽扣电池（42 mAh）使用4年，感知精度高达17.9 aF，综合性能指标FoM高达0.135 pJ·%RH²；与当前国际同类工作相比，功耗降低了2倍，综合性能指标FoM提升了6倍。

图1. (a) 动态电荷域电容感知芯片系统架构；(b) 晶圆不同位置处芯片的测试曲线；(c) 芯片显微照片；(d) 功耗自感知技术和动态范围自适应滑动技术的测试结果。

变革性的研究思路是突破瓶颈问题的关键。研究团队从第一性原理出发，提炼物联网感知端数据采样、放大和量化的底层共性特征，提出“最大化信息链路能量流，最小化电源馈通能量流”的指导思想，依照“能量按需动态分配”的基本原则，提出了动态电荷域感知技术，大幅提升了能量-信息转换效率。作为智能物联网AIoT系统的数据来源，先进高效的数据感知前端将为未来的无人智慧系统的发展打下基石。研究团队将围绕智能物联网AIoT芯片关键问题，继续探索并突破先进感知芯片技术壁垒、性能极限和能效极限，并结合研究团队独有的异步事件驱动型芯片架构和新型存算融合电路，进一步推动感-存-算融合方向的探索，为高能效智能物联网AIoT芯片在未来的无人智慧系统中的应用与发展奠定基础。

图2. (a) 演示系统的电路板；(b) 湿度检测演示。

相关成果在2021年10月20日发表于集成电路芯片设计国际顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits （JSSC）和2021年“集成电路设计奥林匹克会议”International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)上，并被大会遴选为Highlight亮点论文。北京大学博士研究生李和倚为论文第一作者。北京大学叶乐副教授和黄如院士为论文共同通讯作者。该工作还与浙江大学、北京大学信息技术高等研究院紧密合作，并得到了国家重点研发计划项目的支持。

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作者简介

通讯作者

黄如，北京大学集成电路学院教授，博士生导师，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国电气电子工程师学会院士（IEEE Fellow）。

长期从事微电子科学与技术研究工作。在新型低功耗逻辑与存储器件、神经形态器件及类脑计算、边缘智能计算芯片、可靠性技术等方面取得系统创新成果，相关成果转移到国内外知名IC公司。主持973、863、国家科技重大专项以及自然基金委重大仪器项目、重点项目等多项国家级项目。已合作出版著作5本；迄今在领域标志性会议IEDM、VLSI和标志性期刊EDL、TED上发表100余篇论文（从2007年至今连续14年在IEDM上发表论文38篇），多项研究成果连续被列入5个版本的国际半导体技术发展路线图（ITRS），产生重要国际影响力；在“集成电路设计国际奥林匹克会议”ISSCC、“集成电路设计标志性期刊”JSSC、以及“电路与系统标志性期刊”TCAS-I上发表近20篇论文（其中ISSCC 2021两篇论文被遴选为Highlight亮点论文）；应邀做国际会议大会和特邀报告40余次；获260余项授权发明专利（其中授权美国专利49项）。曾获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖、北京市科学技术一等奖（2次）、教育部自然科学一等奖、教育部科技进步一等奖、中国青年科技奖、中国青年女科学家奖等多项国家和部委级奖励。现担任《中国科学：信息科学》副主编，《国家科学评论》评审组长(Section Editor)；国务院学位委员会评议组召集人，科技部基础研究战略咨询委员会委员，国家集成电路产业发展咨询委员会委员，科技部光电子微电子重点研发计划专家组副组长、纳米前沿重点研发计划专家组专家，第八届教育部科技委副主任委员，中国半导体行业协会战略咨询委员会副主任，中国仪器仪表学会副理事长；被选为IEEE EDS副主席（VP）、IEEE EDS Elected BOG 委员、“集成电路设计国际奥林匹克会议”ISSCC TPC委员等；迄今任国际会议主席20余次、国际会议TPC委员数十次。

通讯作者

叶乐，北京大学集成电路学院副教授，博士生导师，2017年国家优青获得者，2018年北京市科技新星计划获得者。

主要从事超低功耗芯片、智能物联网AIoT芯片、射频/毫米波芯片、模拟与数模混合芯片、存算/感存算融合芯片等领域的研究。在ISSCC、JSSC、TCAS-I、EDL、IMS、A-SSCC、ESSCIRC、ISCAS等国际期刊和会议上发表第一作者/通讯作者论文50余篇；其中，在“集成电路设计国际奥林匹克会议”ISSCC、“集成电路设计标志性期刊”JSSC、以及“电路与系统标志性期刊”TCAS-I上发表近20篇论文（其中ISSCC 2021两篇论文被遴选为Highlight亮点论文）；申请发明专利30余项，授权10余项。国家重点研发计划项目首席负责人，浙江省重点研发计划重点项目负责人。国家2035中长期规划和十四五规划信息领域微电子专家组成员，十四五国家重点研发计划微纳电子技术重点专项专家组成员，第六次国家技术预测信息领域微电子专家组成员。电路与系统顶刊IEEE TCAS-I的副编辑（AE, Associate Editor），《电子与信息学报》编委，《半导体学报》集成电路方向编委。中国电子学会电路与系统学会委员，中国网络空间内生安全技术与产业联盟（CCESS）软件定义芯片专委会委员，中国研究型医院学会移动医疗分会青委会副主席，中国医促会健康大数据和数字化医疗分会委员等。

第一作者

李和倚，北京大学集成电路学院博士生。

2017年本科毕业于四川大学，2020年硕士毕业于北京大学，现于黄如院士-叶乐副教授课题组攻读博士学位，主要研究方向为高能效感知芯片、高精度模拟集成电路等。目前已经在JSSC、ISSCC、TCAS-I、TCAS-II、A-SSCC、MWCL、ISCAS等学术期刊和会议上发表论文10余篇。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9582620

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

半导体学报公众号

微信号 : JournalOfSemicond

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