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。

详情请点击论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9582620

来源：半导体学报微信公众号