电子芯片 北京大学信息学院微纳电子学系在高端芯片领域取得重要进展

被誉为集成电路领域“国际奥林匹克盛会”的国际固态电路会议（International Solid-State Circuits Conference， ISSCC）受新冠病毒疫情影响于2021年2月13日至22日以线上会议形式举行，本次会议是该系列会议的第68届。信息科学技术学院微纳电子学系在“超低功耗智能物联网芯片（AIoT）”“高性能雷达频率源”等高端芯片领域取得重要进展，相关成果在ISSCC上报道。

异步事件驱动型AIoT唤醒芯片

面向智能物联网（AIoT）对低功耗唤醒芯片的迫切需求，北京大学黄如院士-叶乐副教授课题组与浙江省北大信息技术高等研究院、浙江大学、启和科技合作，提出了国际首创的异步事件驱动型AIoT芯片架构，解决了在随机稀疏应用场景下长时平均功耗高的问题，显著降低了AIoT节点设备的功耗；课题组同时提出了异步脉冲的信号特征提取方法，仅以几十nW的极低功耗代价便实现了信号特征提取；不仅如此电子芯片，基于“时域帧生成器”和“卷积神经网络”智能推断引擎的技术，结合重训练机制，在具备低功耗的同时，使物联网应用场景因噪声而导致推断精度低的问题得以解决。

图1.（a）异步事件驱动型AIoT芯片架构，（b）卷积神经网络电路架构，（c）芯片显微照片，（d）语音关键词唤醒测试波形

基于上述创新技术，课题组研制了一颗国际上功耗最低的通用型AIoT唤醒芯片，长时待命（on-call waiting for events）功耗仅148nW，可供5mm纽扣电池（2mAh）使用5年，芯片演示应用结果显示，语音关键词识别率达94%、异常心电图识别率达99%，为国际迄今为止首次且唯一的“异步事件驱动型AIoT芯片”。该工作为未来实现基于全异步脉冲神经网络（A-SNN）的AIoT芯片奠定了基础。

该工作以“A 148nW General-Purpose Event-Driven Intelligent Wake-Up Chip for AIoT Devices Using Asynchronous Spike-Based Feature Extractor and Convolutional Neural Network（基于异步脉冲特征提取和卷积神经网络的148nW通用事件驱动AIoT智能唤醒芯片）”为题，在2021年2月17日于国际固态电路峰会ISSCC线上发表，为前瞻技术领域Session 12（Innovationsin Low-power and Secure IoT）的第一篇文章，被遴选为Highlight亮点论文，也是ISSCC前瞻技术领域（TD，TechnologyDirection）国内首次且唯一的Highlight亮点论文，也是今年前瞻技术领域国内唯一发表论文。

相关研究工作得到了国家优秀青年科学基金、国家重点研发计划等项目的资助，以及浙江省北大信息技术高等研究院、浙江大学、启和科技等平台的支持。

动态电荷域CMOS湿度/电容传感芯片

面向高能效、高精度的物联网传感器应用需求，北京大学黄如-叶乐课题组与浙江大学、浙江省北大信息技术高等研究院合作，提出了国际领先的动态电荷域电容传感技术，具有国际领先的传感精度，在实现高精度的同时显著降低了物联网传感节点的功耗；课题组同时提出了基于动态范围自适应滑动技术（Adaptive Range-Shift， ARS）的缩放型（Zoom）电容数字转换器（Capacitance-to-Digital Converter，CDC），解决了Zoom架构中冗余过大造成的精度损失和抗片外寄生/干扰能力差的问题；还提出了基于功耗自感知技术（Power-Aware）的悬浮反相器型放大器阵列，解决了兼容不同传感终端所带来的能效损失问题，显著延长了多应用兼容传感芯片的电池使用寿命。