该工作针对面向高速高精度电容数字转换器需求,在架构和电路两个层面都提出了新的解决方案。在架构层面,该工作创新性地采用了流水线型逐次逼近型寄存器型电容传感器架构,在实现高精度、高能效的同时,提升了转换速度……

近日(2月18-22日),集成电路设计领域全球最高级别学术会议国际固态电路会议(International Solid-State Circuits Conference,ISSCC)在美国旧金山举行。

今年的ISSCC上,传来一则特大喜讯,北京大学集成电路学院黄如院士-叶乐教授(沈林晓研究员)团队荣获ISSCC 2023年度唯一最佳论文奖(杰出技术论文奖)(Anantha P. Chandrakasan Award for Outstanding Distinguished-Technical Paper),这既是集成电路设计领域国际年度唯一最高学术荣誉,也是ISSCC自1953年创办70年以来国内(含港澳地区)首次获奖,表明北京大学团队在集成电路设计领域已经获得国际最高创新水平的认可。

颁奖现场

该工作(JihangGao, 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)针对面向高速高精度电容数字转换器需求,在架构和电路两个层面都提出了新的解决方案。在架构层面,该工作创新性地采用了流水线型逐次逼近型寄存器型电容传感器架构,在实现高精度、高能效的同时,提升了转换速度;在电路层面,该工作首次提出了可应用于电容传感中的kT/C采样噪声消除技术,解决了小电容传感中的精度瓶颈问题,突破了采样热噪声导致的精度瓶颈问题。

此外,该工作首次提出的基于不完全建立的相关电平抬升技术,缩短了传统增益提升技术的粗放大阶段的时间,在减少功耗的同时,将等效开环增益显著提升,提高了级间放大器的能量效率和精度,在提高转换速率的同时,开创了高精度(1fFrms噪声水平)电容传感器的能量效率世界纪录,相较现有工作将能效提升了一倍。

基于上述架构和电路层面的创新,课题组研制了一款基于22nm CMOS工艺的紧凑型高能效电容传感器芯片,该电路在22nm工艺下实现了对0-5.16pF电容值测量,精度达到了37.12aF,在所有高精度(1fFrms噪声水平)电容传感器中具有最高的能效(7.9fJ/conv.-step),且达到了71.3dB的信噪比,相较前人的工作将能效提升了一倍。该电路具有高能效、高精度、小面积、高转换速度等特点,可广泛应用于面向电容传感的各类物联网传感器和前端应用中,并且为电容传感芯片的小型化提供了全新的解决方案。

高继航在ISSCC2023模拟传感器前端领域(Session23 Analog Sensor Interface)会场进行宣讲

该论文的第一作者是高继航,他目前是北京大学集成电路学院博士生二年级学生,该项工作也得到了李和倚、叶思源、李杰、许欣航、崔佳佳、高润雄等同学的技术支持,论文的通讯作者是沈林晓研究员和叶乐教授。

获奖介绍页

据了解,电容传感器主要应用于两大类场景:第一类是应用于人机交互的触控场景,从而可以取代机械按键,在便携式电子产品、小家电、大家电、汽车等各种产品中,均有广泛的应用场景;第二类是应用于各类型的电容型传感器,例如电容型的压力传感器、电容型的湿度传感器、电容型的加速度计等,从而可以获得更高的精度和更低的功耗。

该工作成果可广泛应用于各类电容型传感器领域,包括人机交互场景下的隔空触摸应用、各类电容型的传感器(压力、湿度、加速度计等),该工作核心ADC部分的共性技术成果也可应用于新能源电池组监测BMSAFE芯片。

面对美国对我国高端芯片严苛的禁运打压,团队同时致力于打造“一流科研成果”到“一流工程应用”的产学研循环飞轮,将领先的科研成果转化应用于产业,努力攻克隔空触摸、高端电容型压力传感器等芯片的自主可控;努力打造新能源电池组监测芯片领域“设计-工艺-通信-标准”全链条中国造,解决新能源储能和汽车电池组核心芯片的数据安全和供应链安全问题;积极推进SRAM存算一体AI芯片攻关及其与RISC-V异构融合的AI芯片研发攻关,致力于依托国产现有工艺“通过SRAM存算一体和RISC-V异构融合”的架构创新路线,来突破1017算力密度限制红线,支撑大模型等人工智能战略应用的算力需求。

芯片架构图、芯片照片及芯片测试结果

ISSCC全称为国际固态电路会议,是世界学术界和企业界公认的集成电路设计领域最高级别学术会议,被业界誉为“芯片设计国际奥林匹克会议”,自1953年以来已连续开办70余年,每年2月均在美国旧金山召开;每年有200余项芯片实测成果入选,四成左右的芯片成果来自于国际芯片巨头公司,例如:英特尔、三星、台积电、AMD、英伟达、高通、博通、ADI、TI、联发科等,其余六成左右的芯片成果来自于高校和科研院所;历史上入选ISSCC的成果代表着当年度全球领先水平,展现出芯片技术和产业的发展趋势,多项“芯片领域里程碑式发明”在ISSCC首次披露,如:世界上第一个集成模拟放大器芯片(1968年)、第一个8位微处理器芯片(1974年)和32位微处理器芯片(1981年)、第一个1Gb内存DRAM芯片(1995年)、第一个多核处理器芯片(2005年)等。

近年来,北京大学黄如院士-叶乐教授团队在超低功耗智能物联网AIoT芯片、模拟与数模混合芯片、以及SRAM存算一体AI芯片等方面取得了一系列国际领先的创新成果。在ISSCC上近5年发表了12篇论文,成为国内乃至国外在ISSCC上发表成果最多的课题组之一。不仅如此,团队还成功孵化了芯片设计企业微纳核芯,致力于打造“一流科研成果”与“一流产业应用”之间的产学研循环飞轮,将领先的科研成果转化应用于产业。

微纳核芯官网

微纳核芯在电容传感器方面目前主要推进两个产品线的产业化:

第一是隔空触摸产品线,用户手指无须接触到电容焊盘也能实现高灵敏的触控检测。这对于提升用户体验、降低整机BOM和生产成本、提高整机调试效率、放宽整机生产和装配公差等方面,都有显著的提升。按照计划,今年将推出隔空触摸产品,首先将应用于小家电、大家电、便携式电子设备等领域。下一步将提高可靠性设计,以应用于汽车隔空触摸场景。 

第二是电容型压力传感器产品线,与电阻型压力传感器相比,电容型压力传感器在精度和功耗方面具有显著的优势,是高端压力传感器市场的首选。由于其在MEMS和ASIC芯片方面均具有很大的挑战,长期以来被欧美公司绝对垄断。目前团队跟国内MEMS头部企业合作,在研超高精度、低功耗、高可靠的压力传感器产品线,计划今年完成产品研发。

ADC技术是模拟信号链芯片领域十分重要的共性底座技术,类似的技术成果,我们也应用于新能源电池组检测BMS AFE芯片产品线中,我们自主定制开发国产高精度高压BCD工艺,开发对标国外最先进产品的高精度、低功耗、高可靠的BMS AFE芯片,应用于新能源储能和汽车等领域,努力打造新能源BMS AFE芯片的“设计-工艺-标准”全链条本土制造,以解决新能源战略产业中核心芯片的数据安全和供应链安全问题! 此外,团队还积极推进 SRAM 存算一体技术攻关、及其与RISC-V异构融合的AI芯片研发攻关,致力于依托国产现有工艺通过SRAM存算一体和RISC-V异构融合的架构创新路线,来突破美国1017芯片禁运新规的算力密度禁运红线,致力于突破美对我国高端AI芯片的禁运困局!

最佳论文奖(年度杰出技术论文奖)(Anantha P. Chandrakasan Award for Outstanding Distinguished-Technical Paper)是ISSCC的最高级别年度奖励,由ISSCC技术评审委员会评审决定,每年全球仅颁发一项。

本文综合自北京大学新闻网、微纳核芯官网报道

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