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            北京大學課題組在超低功耗物聯網芯片領域取得重要研究進展

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              作為新興信息產業的重要應用領域,物聯網的萬億級別市場正在逐步形成,超萬億級的設備和節點將通過物聯網技術實現萬物互聯和萬物智聯。受限於體積、重量和成本等因素,物聯網節點(如可穿戴設備、智能傢居節點、無線傳感器節點、環境監測節點等)需要在微型電池或能量收集技術進行供電的情況下,能夠持續工作數年乃至十年以上,這對芯片提出瞭苛刻的低功耗要求。目前,降低物聯網芯片功耗的主要研究方向是基於周期性工作模式的專用型喚醒芯片(例如:專用語音識別喚醒芯片),通過讓芯片處於周期性的“休眠-喚醒”的切換狀態,來實現降低功耗的目的;然而,物聯網節點通常工作在“隨機稀疏事件”場景下,為瞭避免丟失隨時可能發生的事件,通常需要“休眠-喚醒”的頻率遠高於事件的真實發生率,從而導致瞭嚴重的功耗浪費。

              北京大學信息科學技術學院微納電子學系的黃如院士-葉樂副教授課題組與浙江省北大信息技術高等研究院、上海芯翼信息科技有限公司合作,在國際上首次提出瞭多級流水異步事件驅動型芯片架構,將傳統的周期性工作模式轉變為異步事件驅動型工作模式,顯著降低瞭物聯網節點在“隨機稀疏事件”場景下的功耗。課題組同時提出瞭時域屏蔽型閾值交叉模數轉換器Level-CrossingADC(LC-ADC)技術,解決瞭“噪聲誤觸發導致功能錯誤和功耗上升”這一傳統LC-ADC所固有的難題;並設計瞭基於時域脈沖信號處理技術的多功能信號特征判決器電路,通過離線或在線軟件定義的方式實現瞭對幅度、斜率、時間間隔、波峰、波谷等信號特征的組合判決,滿足瞭物聯網喚醒芯片對通用性的需求;此外,該芯片無時鐘信號和時鐘網絡,去除瞭芯片在待機狀態下的主要功耗來源。

              基於上述創新技術,課題組研制瞭一顆極低功耗物聯網通用喚醒芯片,平均功耗僅為57納瓦,比當前國際同類工作的最好水平提升瞭30倍。該芯片演示瞭心率異常預警、心電T波異常預警、癲癇預警、語音關鍵詞包絡喚醒等典型物聯網應用場景,芯片與微控制器MCU芯片等高性能模塊配合,可以在保證極低功耗的前提下實現更多復雜的物聯網喚醒功能。該工作首次提出的異步流水線事件驅動型架構,為極低功耗物聯網芯片領域的研究提供瞭一種突破現有功耗瓶頸的研究思路和解決路徑。

            異步流水線事件觸發型芯片架構圖

              該工作以“A 57nW Software-Defined Always-On Wake-Up Chip for IoT Devices with Asynchronous Pipelined Event-Driven Architecture and Time-Shielding Level-Crossing ADC(面向物聯網應用的基於異步流水線事件驅動型架構和時域屏蔽LC-ADC技術的57nW軟件定義常開喚醒芯片)”為題,在2020年2月18日於美國舊金山舉行的國際固態電路峰會ISSCC(InternationalSolid-State Circuits Conference)上發表。由於受新冠疫情影響,文章由合作發表單位上海芯翼科技有限公司總經理、北京大學微納電子學系傑出校友肖建宏博士在現場進行宣講,受到瞭來自全世界的芯片領域知名高校、公司和研究機構的關註。

            ISSCC 2020會議論文宣講現場

              相關研究工作得到瞭國傢優秀青年科學基金、國傢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、上海芯翼信息科技有限公司等平臺的支持。

              背景介紹:

              ISSCC會議每年2月中旬在美國舊金山召開,是國際公認的規模最大、領域內最權威、水平最高的芯片設計領域學術會議,有著芯片設計領域國際奧林匹克大會的美譽。歷史上入選ISSCC的論文都代表著當前全球頂尖水平,展現出芯片技術和產業的發展趨勢,多項“芯片領域裡程碑式發明”均在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內存DRAM芯片(1995年)、第一個多核處理器芯片(2005年)等。在長達近70年的會議歷史中,中國大陸被錄用論文僅有48篇。本文報道的論文是其中之一,也是北京大學該年度唯一入選論文。

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