北京大学集成电路学院6篇论文入选2023 ISSCC

集微网消息，近日，国际固态电路大会（ISSCC 2023）在美国旧金山举行。在本届ISSCC上，北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心共有6篇论文入选，研究成果覆盖“存算一体AI芯片、模拟与数字混合芯片、时钟芯片、高速互连芯片”等领域，涉及大会全部12大领域中的4个领域，论文数在国际高校里排名第5，在国际高校和企业里排名第9，这也是北京大学连续4年在ISSCC大会上发表论文，相关内容简介如下：

存算一体AI芯片

面向边缘AI场景，针对传统存内计算芯片冗余数据处理产生功耗浪费的问题，课题组提出基于差值求和计算方式的模拟存内计算拓扑，北京大学黄如院士-叶乐教授团队，提出了差值输入技术和差值矩阵乘法技术，通过将输入特征值由绝对量变为变化量的方式，降低了存内计算阵列计算功耗，并实现自适应的输出分布集中；此外，还提出了低位优先模数转换器，通过减少较小数据模数转化次数的方式，在不损失计算精度的情况下，显著降低了模拟存内计算中的模数转换功耗。

基于上述创新技术，研制了差值求和模拟存内计算芯片，在综合评估指标（=能量效率×面积效率）下，达到26.72 TOPS/W×TOPS/mm2，是世界最好的存内计算芯片的1.25倍。

该创新可应用于边缘端AI计算场景。该工作以《面向边缘AI处理的基于差值求和方式的21.38 TOPS/W的SRAM存内计算芯片》为题，发表于ISSCC。

高能效电容型感知芯片

面向物联网传感器应用，针对不断上升的高速高精度电容数字转换器需求，北京大学黄如院士-叶乐教授团队，从架构和电路两个层面提出解决方案。此外，首次提出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，减少了额外功耗，并将等效开环增益大幅提升，提供了极高的增益稳定性，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，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。

该工作以《基于采样热噪声消除和非完全建立相关电平抬升技术的7.9fJ/Conversion-Step，37.12aFrms噪声的流水线逐次逼近型寄存器架构电容-数字转换器芯片》为题，发表于ISSCC模拟传感器前端领域分会场。

极低功耗振荡器芯片

面向智能物联网AIoT芯片应用，针对需要周期唤醒的AIoT芯片，北京大学黄如院士-叶乐教授团队，提出了基于Gm-C的电流注入时间控制电路与振幅检测电路：该技术创新性地利用了Gm-C这一基础模拟电路模块，解决电荷注入式晶体振荡器的电流注入时间与大小控制的挑战。与此同时，由于模拟电路功耗主要取决于其偏置电流，在内置电流源的情况下，该电路较已发表的同类工作相比，实现了功耗对温度最低的敏感性。

基于上述创新理念与技术，课题组研制一款基于22nm CMOS工艺的超低功耗32kHz晶体振荡器芯片。该电路取得了已发表过的基于32kHz电流注入晶体振荡器中功耗最低的世界纪录。其在80˚C下的功耗仅为1.90nW，为低功耗晶体振荡器中的世界纪录。该晶体振荡器在长时工作下表现出了低至6ppb的Allan误差（Allan Deviation），取得了单电源晶体振荡器电路的长时稳定性世界纪录。该电路可广泛应用于面向环境应用的IoT芯片中，作为其中低功耗高精度实时时钟模块的核心。

该工作以《一款22nm CMOS工艺下利用基于Gm-C的电流注入控制电路实现的0.954nW 32kHz晶体振荡器》为题，发表于ISSCC。

超高速发送机芯片

目前超高速有线收发机的数据速率已达到100+Gb/s量级。为了提高频谱利用率，四电平脉冲幅度调制（PAM-4）在超高速链路中被广泛采用。然而PAM-4调制方式面临眼宽、眼高减小的挑战。

北京大学盖伟新教授团队从电路设计和均衡机制方面入手，提出可编程宽度的脉冲发生器，依靠脉冲宽度调节驱动器增益，从而实现最快信号翻转速度，减小信号边沿在码元宽度中占据的比例，改善眼宽；提出了基于码型的预加重均衡机制，通过检测电路对待发送的信号码型实时监测，在特定信号处以注入电流的方式加强信号，消除码间干扰的同时避免输出摆幅衰减。

基于上述创新设计，课题组研制了一款基于28nm CMOS工艺的超高速有线发送机芯片，并对芯片进行了性能测试与汇报。提出的可编程宽度脉冲发生器实现了13%的眼宽增长，且没有额外的功耗代价；相比传统前馈均衡，基于码型的预加重均衡机制使得眼图张开面积提高了约25%。该电路可广泛应用于数据中心、高性能计算等高通信需求的场景，为其提供高速率、高可靠的数据传输。

该工作以《A 128Gb/s PAM-4 Transmitter with Programmable-Width Pulse Generator and Pattern-Dependent Pre-Emphasis in 28nm CMOS》为题，发表于ISSCC。

超高速接收机前馈均衡器芯片

北京大学盖伟新-何燕冬教授团队提出基于延迟线与分布式抽头的前馈均衡技术：该技术利用无源延迟线在超高速场景下损耗小的天然优势，解决对模拟信号延时的功耗与噪声较大的问题，在实现200Gb/s超高速率均衡的同时，利用分布式结构降低了抽头负载电容引入的信号反射；此外，通过在抽头放大器中采用源极RC退化技术，赋予前馈均衡器灵活的低频均衡能力，避免仅靠增加抽头数量来消除长尾码间干扰，大幅降低电路功耗。

基于上述创新技术，课题组研制一款基于延迟线的200Gb/s接收机前馈均衡器芯片。该芯片均为接收机连续时间前馈均衡器的最优水平。该均衡器芯片可广泛用于数据中心、Chiplet等串行数据传输应用中，为未来短距200Gb/s接收机提供全新的低功耗解决方案。

该工作以《一款28nm工艺下,基于延迟线技术并支持低频均衡的0.43pJ/b, 200Gb/s，5抽头接收机前馈均衡器》为题，发表于ISSCC先进有线互连技术分会场。

高能效模数转换器芯片

面向语音识别、智慧医疗等多种物联网应用，针对其对中等带宽信号实现高精度、高能效采集的需求，本工作实现了一种在性能上国际领先且易于驱动和系统集成的增量型缩放式模数转换器，相比于其他同类型的缩放式模数转换器设计取得了最高的带宽和最低的驱动需求。本工作在缩放式模数转换器的架构和电路方面提出新设计方法，仅需要一个动态缓冲器即可实现高阶、高鲁棒性的环路滤波器，显著降低系统硬件开销和功耗。

基于上述创新技术，课题组研制了一款基于28nm CMOS工艺的增量型缩放式模数转换器芯片。该款芯片一次模数转换仅需要8次采样，在低频2.5kHz和中频20kHz的输入信号下分别达到了92.5dB和92.2dB的信噪失真比，系统功耗为160μW，在同类的缩放式模数转换器中具有最高的输入带宽（150kHz），且易于驱动，单次转换所需的输入驱动开销最小，整个系统达到了国际领先的模数转换器能效水平（182.2dB FoM）。该电路可广泛应用于多种物联网应用场景，并且为如缩放式模数转换器的多步模数转换器提供了新的实现和量化方法。

该工作以《A 150kHz-BW 15-ENOB Incremental Zoom ADC with Skipped Sampling and Single Buffer Embedded Noise-Shaping SAR Quantizer》为题，发表于ISSCC。

北京大学集成电路学院消息，以上论文相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科委、浙江省重点研发计划等项目的资助，及国家集成电路产教融合创新平台、微纳电子器件与集成技术全国重点实验室、微电子器件与电路教育部重点实验室、集成电路高精尖创新中心、集成电路科学与未来技术北京实验室等基地平台和浙江省北大信息技术高等研究院、杭州微纳核芯电子科技有限公司的支持。（校对/姜羽桐）