近日（2月18-22日），国际固态电路会议（International Solid-State Circuits Conference，ISSCC）在美国旧金山举行。
ISSCC会议每年2月中旬举行，是国际公认的规模最大、领域内最权威、水平最高的芯片设计领域学术会议，被业界誉为“集成电路设计国际奥林匹克盛会”，每年约有200项芯片实测成果入选，约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。
北京大学黄如院士-叶乐教授团队的论文（Jihang Gao, 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）获得年度唯一最佳论文奖（Anantha P. Chandrakasan Award for Outstanding Distinguished-Technical Paper）。论文第一作者为博士生高继航，通讯作者为沈林晓研究员和叶乐教授；论文也得到了浙江省北大信息技术高等研究院以及微纳核芯公司的技术支持。
该奖项也是IEEE固态电路学会（Solid State Circuits Society）顶级会议最高奖，每年仅颁一项。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，表明我国科研团队在集成电路设计领域的创新能力已经获得全球最高学术荣誉的认可！
▲该论文主要作者
据介绍，当前物联网传感器应用对高速高精度电容数字转换器需求不断提升，因此团队从架构和电路两个层面提出解决方案。
在架构层面，本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，实现了高精度（1fFrms噪声水平）电容传感器的能量效率世界纪录。
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。
▲高继航博士报告现场照片
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。在有着芯片设计奥林匹克之称的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。
在这样的产学研机制下，叶乐教授-沈林晓课题组，斩获了2024年度ISSCC最佳论文奖（Anantha P. Chandrakasan Award for Outstanding Distinguished-Technical Paper），这是芯片设计奥林匹克ISSCC年度唯一最佳论文，也是ISSCC自1953年创办70年以来，国内（含港澳地区）首次获奖，表明了我国在集成电路设计领域的创新能力已经获得全球最高学术荣誉的认可！
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。
团队孵化的芯片设计企业微纳核芯，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。
▲微纳核芯官网
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！
国际固态电路会议是展示固态电路和片上系统进展的全球性学术会议。每年吸引超过3000名来自世界各地工业界和学术界的参加者。2023年，ISSCC会议上，中国内地入选论文达到43篇，位列全球第一，2024年中国内地入选论文数量蝉联全球第一。
对此，叶乐表示，这首先表明国内在集成电路设计方面的学术研究水平快速提升，我国在芯片设计创新能力方面得到长足进步。其次，我们依然需要看到，国内成果更多的属于学术导向的研究，应用和需求牵引导向的研究成果仍然较少，这就导致研究成果与产业应用之间存在很大的鸿沟。而美国方面，虽然目前在文章数量上少于我国，但是有大量的巨头芯片公司所主导的成果被发表。在产业需求主导的成果上，我国差距依然很大。第三，我们还看到，单纯文章数量方面看，我国取得领先，但是主要集中在模拟、电源等小芯片方面，在先进处理器、AI大芯片等方面，我们仍然差距较大。
“当然，这里也有客观因素，同样是一篇成果，大芯片所需要的研发资源、资金、流片工艺水平、团队规模等方面都要比小芯片要复杂的多，高校团队很难在这些方面与国际巨头芯片企业相抗衡。因此，我们依然要清醒的认识到差距，对未来前行的困难要做好充分的心理准备，才能更好更快的追赶上国际先进水平。”叶乐说。