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isscc 2022 NAND 搭建芯片级“乐高”，更精确的实时健康监测，捕捉更真实的脑电波…… 复旦三项科研成果亮相“集成电路奥林匹克”ISSCC 2022

发布时间 : 2024-10-09

作者 : 小编

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搭建芯片级“乐高”、更精确的实时健康监测、捕捉更真实的脑电波…… 复旦三项科研成果亮相“集成电路奥林匹克”ISSCC 2022

今年2月，由复旦大学芯片与系统前沿技术研究院刘明团队、微电子学院徐佳伟团队和类脑芯片研究院史传进团队分别作出的三项科研成果在集成电路设计领域顶级国际学术会议国际固态电路会议（ISSCC 2022）上亮相，入选数量在大陆高校中列为第三。

研究团队

论文标题芯片与系统前沿技术研究院

刘明团队

COMB-MCM:Computing-on-Memory-Boundary NN Processor with Bipolar Bitwise Sparsity Optimization for Scalable Multi-Chiplet-Module Edge Machine Learning 微电子学院

徐佳伟团队

A 0.5mΩ/√Hz 106dB SNR 0.45cm2 Dry-Electrode Bio-Impedance Interface with Current Mismatch Cancellation and Boosted Input Impedance of 100MΩ at 50kHz 类脑芯片研究院

史传进团队

A 0.021mm2 65nm CMOS 2.5GHz Digital Injection-Locked Clock Multiplier with Injection Pulse Shaping Achieving -79dBc Reference Spur and 0.496mW/GHz Power Efficiency

搭建芯片级的“乐高”拓展算力

融合存储与计算降低能效

近年来，随着人工智能应用场景的爆发，人工智能算法对算力的需求增长已经显著超越了芯片摩尔定律，传统计算芯片的算力越来越无法满足人工智能高并行计算的需要。

同时，人工智能算力的实现，基于大数据平台、AI算法等组成的数据中心，随着碳达峰碳中和目标的提出，大型数据中心产生的能源消耗已引起广泛关注。

有没有一种解决方案，在提升芯片算力的同时实现低能耗？即，既让马儿跑得好，还让马儿不吃草？

复旦大学芯片与系统前沿技术研究院刘明院士团队提出的多芯粒的存算一体集成芯片——COMB-MCM（Computing-on-memory boundary – Multi-Chiplet-Module），或可达到“一箭双雕”的效果。

相关成果以COMB-MCM:Computing-on-Memory-Boundary NN Processor with Bipolar Bitwise Sparsity Optimization for Scalable Multi-Chiplet-Module Edge Machine Learning为题，在ISSCC 2022上发表并作长报告。

在系统层面，COMB-MCM搭建了可拓展的多芯粒集成（Multi-Chip-Module，MCM）系统。论文通讯作者、芯片与系统前沿技术研究院青年副研究员陈迟晓将这项多芯粒集成技术比喻为“搭乐高”，一个芯粒（chiplet）就是一块乐高，通过将不同数量的“乐高”通过先进封装技术拼接叠加成集成芯片，可以适应不同人工智能场景和算力的需求。

在陈迟晓看来，随着后摩尔时代的到来，单个芯片性能存在着可见的物理“天花板”，多芯粒集成技术有望成为支撑芯片发展的另一条技术路径。由于算力能以“搭乐高”的形式进行拓展，COMB-MCM还避免了“一系统一设计”的重复研发成本，也为未来单一封装内的异质异构集成提供了一个新的设计思路。

在架构层面，COMB-MCM提出了“存边计算型”存算一体架构（Computing-On-Memory-Boundary，COMB）。传统的冯诺伊曼架构以计算为中心，处理器与存储器分离，两者之间的大规模数据搬移产生了大量功耗，而存算一体架构通过将数据存储单元和并行计算单元合为一体，以大幅减少片内、片间的数据通信和搬移，达到降低功耗、提高系统算力的效果。

COMB-MCM分别采用65nm和28nm工艺制造，65nm工艺下通过2.5D封装的MCM系统验证了方案的可行性，并在28nm工艺下实现了更好的性能。

据陈迟晓介绍，以算力来看，28nm工艺下的COMB-MCM每秒可以完成5*10¹²的计算。如此算力可以达到什么效果？他举了一个例子，如果将该芯片应用于图像识别，每秒能自动识别30帧-50帧图像，当前主流摄像头的帧率为每秒24帧-30帧，这意味着，它可以做到实时识别目标。

从功耗而言，“目前1TOPS算力的GPU,采用传统计算芯片产生的功耗为几十瓦，多芯粒的存算一体集成芯片只消耗100毫瓦。”陈迟晓说。

算力可以拓展，能耗大大降低，在人工智能方兴未艾的今天，COMB-MCM应用前景广阔，有望在无人机、自动驾驶等智能终端和大型数据中心的超算上发挥作用。

团队合影

微电子学院曾晓洋教授团队、工程与应用技术研究院张立华教授团队等对此项工作也有贡献。

电极面积比成人小手指甲小

实现更精确和舒适的实时健康监测

在全民大健康观念逐渐普及的年代，人们对身体健康参数的关注度不断飙升，但是在传统印象中，对诸如体脂、心率、呼吸率等参数的检测需要在专业机构或使用专业仪器才能实现。

你是否能想象，将几个比指甲还小的电极放在身上就可以实现健康参数的实时监测？可穿戴生物阻抗检测设备正是你在生活中也许会需要的那个答案。

可穿戴，就是可以直接“穿”在身上的便携式设备，而生物阻抗检测是一种利用生物组织电特性及其变化规律提取与生理、病理状况相关信息的检测技术。

传统生物阻抗检测系统需要涂抹电极凝胶后贴于皮肤，检测时如同带着一张“需要保持紧密关系的面膜”。

“面膜”不能干，也不能掉，那么如何实现更舒适更精确的信号提取？

复旦大学微电子学院集成电路设计实验室(ICD)徐佳伟团队设计了更小尺寸、更适合长时间穿戴的干电极检测系统，与身体相连的干电极面积仅为0.45cm2，比成年人的小手指甲还要小。

该成果以A 0.5mΩ/√Hz 106dB SNR 0.45cm2 Dry-Electrode Bio-Impedance Interface with Current Mismatch Cancellation and Boosted Input Impedance of 100MΩ at 50kHz为题，被ISSCC 2022录用，并荣获该年的“丝绸之路奖项”(ISSCC Silk Road Award)。该课题由徐佳伟和洪志良教授作为指导老师，第一作者为直博生潘钦竞，并由瞿天翔、唐彪、单飞等学生协助完成。

团队合影

据介绍，小尺寸干电极虽然具有尺寸和使用上的优势，但同时会引入极高的皮肤/电极接触阻抗，传统设计有限的输入阻抗会导致信号衰减，严重时会降低系统的测量精度，也存在激励电流不匹配问题。面对难题，团队提出创新的全预充技术和安静斩波技术提升芯片的输入阻抗，经仿真测试终于打造出现阶段性能突出的干电极生物阻抗检测系统，与国内外的最新研究成果相比，该系统测量信噪比为最优水平106dB，并在50kHz的信号频率下，实现了100MΩ的超高输入阻抗。

从整体设计思路的提出，到反复仿真、流片、测试，因为部分生物信号本身就微弱的特性和非理想的寄生电容，团队在从灵感到实现的过程中经常遇到新问题，想法也不断优化，106dB、100MΩ这些看似简单罗列出来的数字背后，不仅是性能的提升，也是团队精益求精的科研氛围所在。

徐佳伟表示，由于无辐射、非侵入的特点，高精度的可穿戴生物阻抗测量设备身处大片蓝海市场，不仅在大健康、互联网医疗等领域具有广阔的应用前景，还可为其他高能效、小尺寸、用户友好的可穿戴生理信号测量设备提供有效的设计思路。

捕捉更真实、更准确的脑电波

芯片显微图

对癫痫患者而言，脑电波图是对病情走势与发病预测极有力的判断依据，尽快捕捉到脑电波异常，能使先前未确诊的患者及时得到治疗，也可作为发病征兆早做准备。若能采集到更精确的脑电波信号，医患双方都将拥有更强的防治应对能力。

信号的捕捉，则与一块小小的脑机接口芯片有关。

近期，复旦大学类脑芯片与片上智能系统研究院（iBiCAS）芯片设计团队一篇关于数字时钟生成电路的论文，在更真实准确地捕捉和记录脑电信号方面取得了重要突破。

通过将脑机接口芯片紧贴皮肤或植入脑中我们可以将脑电信号无线传输至接收器。为了将脑电信号准确转换为计算机看得懂的“语言”，并被接收器无损接收，就需依赖芯片内的核心部件——数字时钟发挥作用。

据团队成员介绍，从功能上看，数字时钟像是一部搭载脑电信号的列车，以形如秒针走动的方式，载着目标信号一同经过芯片内负责记录、转换、运算、放大的各模块，并尽量准确无误传达至接收器。但实际运行过程中，“秒针”每走一格，可能因各种非理想因素而无法达到精准的“一秒”，这种误差在专业术语中被称为“相位误差”，误差越大，时钟越不准，即导致信号失真越严重。

如何解决时钟不准的问题？

目前，基于环形振荡器的数字注入锁定时钟倍频器受到广泛应用，它会周期性用参考时钟边沿注入脉冲，对时钟进行相位调整。通俗地说，就是每隔一段时间就去拨动“秒针”位置，让它回到正轨重新行走。

然而，“重新计秒”未必就能消除误差，由于存在诸多影响注入性能的非理想因素，过程中往往会引入确定性相位误差，从而产生较高的参考时钟杂散，即出现周期性的延迟，影响原信号“上车”与“下车”的模样，导致信号失真加剧。也就是说，如果拨的时间不恰当，或没解决秒针走快/走慢的问题，时钟还是会不准。

所以，注入的时间与波形把握，就尤为关键。

为了尽可能降低杂散功率，徐荣金博士提出了一种注入脉冲整形技术，该设计利用脉冲宽度调节器矫正宽度误差，利用脉冲整形技术矫正频率和相位误差，通过使得注入脉冲本身趋近理想波形，而非对所有非理想因素做矫正，实现了-79dBc参考时钟杂散，比目前业界报道的最低杂散-72dBc还要低7dBc。

此外，该设计利用采样器将高频相位误差降到低频，以及用数字控制延迟线取代传统的数模转换器等方式，只用了0.021mm2 的面积以及1.23mW的功耗，实现了819fs时钟抖动，各项指标均达到国际领先水平。

从-72dBc到-79dBc，参考时钟杂散的大幅降低，意味着信号传递准确性提高，基本达到“上车什么样，下车就什么样”，且大大节省了“空间”和“油费”。

换言之，今后有望用尺寸更小的脑机接口芯片、以更少的功耗捕捉到更真实、更准确的脑电信号。

相关成果以A 0.021mm2 65nm CMOS 2.5GHz Digital Injection-Locked Clock Multiplier with Injection Pulse Shaping Achieving -79dBc Reference Spur and 0.496mW/GHz Power Efficiency为题发表在ISSCC 2022上。

目前，研究院在上海市脑科学与类脑人工智能重大专项的支持下，这一研究成果性能上已经可以投入实际应用。研究院拟将此款数字时钟用在1024通道脑机接口芯片上，将芯片植入小鼠或恒河猴脑中后，实时监测脑电波变化，并通过脑电信号解码，解读脑电波代表的实际信息，解析大脑工作机制。未来除诊治癫痫等脑部疾病外，精确监测还可能应用于瘫痪患者脑电信号的读取，辅助他们完成打字行走等功能。

来源

微电子学院、芯片与系统前沿技术研究院、类脑芯片研究院

组稿

融媒体中心

文字

丁思同、王越、冯俊婷

图片

受访者提供

责编

李斯嘉

编辑

丁辰琦

复旦2月科研成果一览来了！科研速递

农历新年的第一个月，复旦科研团队又取得了哪些进展呢？小编为你整理了复旦2022年2月科研成果速递，一起来看看吧！

化学、材料领域

1.彭慧胜教授团队两项成果分别获得2021年度“中国科学十大进展”和“中国半导体十大研究进展”

2月28日，第17届“中国科学十大进展”遴选结果揭晓，复旦大学彭慧胜团队的新型纤维聚合物锂离子电池工作入选。活动由科学技术部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）牵头举办，《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》和《科学通报》等5家编辑部参与推荐科学研究进展，邀请中国科学院院士、中国工程院院士、国家重点实验室主任、国家重点研发计划有关重点专项总体专家组成员和项目负责人、原973计划顾问组和咨询组专家及项目首席科学家等3500余位知名专家学者对30项候选科学进展进行网上投票，得票数排名前10位的入选“2021年度中国科学十大进展”。

此前，1月26日，《半导体学报》发布2021年度“中国半导体十大研究进展”，彭慧胜团队的全柔性织物显示系统工作入选。

新闻链接：重磅！| 2021年度中国科学十大进展揭晓

2.魏大程教授团队研发新型检测方法，未来即测即走或将成为可能

从采集到结果公布，最快需要2小时，这是目前通用的新冠病毒核酸检测需要的时间。日前，复旦大学高分子科学系魏大程团队研发出一种新型检测方法，只需4分钟，核酸检测就能出结果。未来核酸检测，即测即走或将成为可能。北京时间2月8日，这一成果以《在未扩增样本中快速、超灵敏机电检测离子、生物分子和新冠病毒RNA》（Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples）为题，发表在生物工程领域顶刊《自然生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）上。

新闻链接：4分钟内能检测到新冠病毒核酸！复旦大学魏大程团队研发新型检测方法，未来即测即走或将成为可能

3.张凡教授团队报道具有高亮度和长血液循环时间的近红外二区刷状大分子荧光探针用于肾脏疾病检测

近日，张凡教授研究团队构筑了一系列基于氮杂-氟硼荧（aza-BODIPY）的肾脏可清除的刷状大分子荧光探针（命名为FBP），其发射波长从725 nm到1025 nm之间可调节。优化筛选出的FBP 912探针，其亮度（波长> 1000 nm）是目前所报道的肾脏可清除的近红外二区有机探针的10倍左右，并且该探针在12 h内约65%能从肾脏中代谢，能够实现对肾脏缺血再灌注损伤的早期高灵敏度检测。FBP 912探针的血液循环时间达到6.1 h，在4T1肿瘤的被动靶向成像以及肾细胞癌主动靶向成像方面表现出优异的信噪比和较长的肿瘤保留时间。这一研究成果以“A Bright, Renal-Clearable NIR-II Brush Macromolecular Probe with Long Blood Circulation Time for Kidney Disease Bioimaging”为题在线发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202114273）。

新闻链接：张凡教授团队报道具有高亮度和长血液循环时间的近红外二区刷状大分子荧光探针用于肾脏疾病检测

集成电路

1. 微电子学院徐佳伟研究员团队高输入阻抗、高灵敏度生物阻抗测量芯片亮相ISSCC 2022

复旦大学微电子学院集成电路设计实验室(ICD)创新性地提出了一种适用于干电极应用的高输入阻抗、高灵敏度、无电流失配的生物阻抗测量系统，相关研究成果以论文《A 0.5mΩ/√Hz 106dB SNR 0.45cm2 Dry-Electrode Bio-Impedance Interface with Current Mismatch Cancellation and Boosted Input Impedance of 100MΩ at 50kHz》被集成电路设计领域顶级国际学术会议国际固态电路会议（ISSCC 2022）录用，并荣获该年的“丝绸之路奖项”(ISSCC Silk Road Award)。（DOI：10.1038/s41560-021-00951-1）。

新闻链接：干电极检测：微电子学院徐佳伟团队高输入阻抗、高灵敏度生物阻抗测量芯片亮相ISSCC2022

2.芯片与系统前沿技术研究院刘明院士团队的人工智能芯片亮相ISSCC 2022

复旦大学芯片与系统前沿技术研究院刘明院士团队提出了多芯粒的存算一体集成芯片——COMB-MCM（Computing-on-memory boundary – Multi-Chiplet-Module），相关研究成果以COMB-MCM: Computing-on-Memory-Boundary NN Processor with Bipolar Bitwise Sparsity Optimization for Scalable Multi-Chiplet-Module Edge Machine Learning为题，在被誉为“集成电路奥林匹克”的国际固态电路会议（ISSCC 2022）上发表并作长报告。

微电子学院曾晓洋教授团队、工程与应用技术研究院张立华教授团队等对此工作也有贡献。

3.类脑芯片研究院史传进团队关于数字时钟生成电路的研究成果亮相ISSCC 2022

复旦大学类脑芯片与片上智能系统研究院的徐荣金博士提出了一种注入脉冲整形技术，通过精确矫正脉冲注入的时间、相位、宽度，可同时抑制注入引起的RO输出波形的所有误差。该设计利用脉冲宽度调节器（WAPG）矫正宽度误差，利用脉冲整形技术（IPS）矫正频率和相位误差，通过使得注入脉冲本身趋近理想波形，而非对所有非理想因素做矫正，实现了参考时钟杂散的抑制。该方法避免了各矫正环路间的时序冲突，具有良好的PVT稳定性，实现了-79dBc参考时钟杂散，比目前业界报道的最低杂散-72dBc还要低7dBc。此外，该设计利用采样器将高频相位误差降到低频，以及用数字控制延迟线取代传统的数模转换器等方式，节省了功耗和面积，只用了0.021mm2 的面积以及1.23mW的功耗，实现了的819fs时钟抖动，各项指标均达到国际领先水平。相关论文以《A 0.021mm2 65nm CMOS 2.5GHz Digital Injection-Locked Clock Multiplier with Injection Pulse Shaping Achieving -79dBc Reference Spur and 0.496mW/GHz Power Efficiency》为题发表在2022国际固态电路会议（ISSCC 2022）上。

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生物医学

1.复旦大学附属肿瘤医院乳腺外科主任邵志敏教授、副主任江一舟教授领衔团队发现“最毒乳腺癌”疾病进展的调控机制

近日，复旦大学附属肿瘤医院乳腺外科邵志敏教授、江一舟教授领衔团队成功绘制出当前世界上最大规模的三阴性乳腺癌代谢物图谱，优化了既往分型标准，为三阴性乳腺癌的精准个体化治疗提供新方向；作为三阴性乳腺癌“复旦分型”研究的延续，研究团队还针对目前疗效最差的两个三阴性乳腺癌亚型，提出对代谢通路中的关键代谢物鞘氨醇-1-磷酸和N-乙酰-天冬-谷氨酸的合成进行抑制，有望成为此类乳腺癌的精准靶向治疗的潜在策略。国际权威期刊Cell Research于日前刊登了这项重要成果。

新闻链接：“高危”三阴性乳腺癌有望增添代谢治疗靶点，“复旦肿瘤”科学家绘制出最大三阴性乳腺癌代谢物图谱

2.王建新教授团队研发抑制三阴性乳腺癌肺转移的多功能人参皂苷纳米制剂

复旦大学药学院王建新课题组于2022年2月11日在《科学进展》（Science Advances）上发表了题为“Versatile ginsenoside Rg3 liposomes inhibit tumor metastasis by capturing circulating tumor cells and destroying metastatic niches”的研究成果，设计了一种简单高效的新型多功能人参皂苷脂质体，在靶向捕获CTC的同时破坏癌细胞转移微环境，从而达到了显著的抑制三阴性乳腺癌肺转移效果。

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3.复旦生物医学研究院沈宏杰/蓝斐教授团队等在《分子细胞》报道METTL3调控新生RNA转录合成的机制

2022年2月25日，复旦大学生物医学研究院研究员沈宏杰、蓝斐联合牛津大学Ludwig肿瘤研究所教授Yang Shi和哈佛医学院教授Karen Adelman合作研究成果，以“Dynamic Control of Chromatin-associated m6A Methylation Regulates Nascent RNA Synthesis”为题，在线发表于Molecular Cell杂志。该研究发现伴随转录产生的新生RNA m6A修饰可促进转录，该功能通过抑制Integrator复合物招募而实现，揭示了m6A修饰对于转录调控的重要作用。

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4. 医学分子病毒学重点实验室陆路/姜世勃团队与港大及中检院合作研发可高效抗击奥密克戎变异株的β-CoV-B通用候选疫苗

2022年2月24日复旦大学基础医学院姜世勃/陆路团队联合香港大学袁国勇院士和中检院王佑春团队在Cell Research杂志在线发表了题为“A pan-sarbecovirus vaccine induces highly potent and durable neutralizing antibody responses in non-human primates against SARS-CoV-2 Omicron variant”的研究论文，报道了基于新型STING激动剂CF501为佐剂和原始SARS-CoV-2 RBD-Fc蛋白的疫苗可在恒河猴动物模型上诱导出针对奥密克戎变异株的强效且持久的交叉中和抗体应答，进一步验证了该“以不变应万变”的研发广谱抗病毒疫苗策略。（https://www.nature.com/articles/s41422-022-00631-z）