創新智能可穿戴 賦能工業物聯網

武光磊

近年來芯片逐漸成為新聞報道中的熱門話題，從中興、華為等中國公司被禁運核心電路芯片到ASML光刻機進口受阻。怎樣利用國內整機廠商的巨大體量來帶動芯片產業設計制造領域核心技術研發，同時，如何創新產教融合方式，源源不斷為集成電路產業輸送一流人才，一直是科教界、產業界重點關注的問題。

在芯片禁運、“卡脖子”的大背景下，浙江大學微納電子學院于2020年年初以原微電子學院為基礎正式成立，并于9月搬入杭州國際科創中心，在這片熱土之上展開了嶄新的征程。響應母校的召喚，在歐洲校際微電子中心（Interuniversity Microelectronics Centre-IMEC）擔任資深研究員的宋爽于同年10月作為“百人計劃”研究員加入了闊別已久的微納電子學院超大規模集成電路設計研究所（簡稱“超大所”），在這里展開了自己科研人生新的一頁。

毅然接受全新挑戰

從杭州二中畢業之后，宋爽順利邁入了浙江大學的校門，起初就讀于浙江大學電氣工程及其自動化專業。作為一個對新鮮事物充滿無限好奇的同學，他發現當時集成電路領域國內發展相對較弱，也更具挑戰性，因而在大二時選擇轉入電子信息科學與技術專業，從此開始了在芯片領域的學習與研究。

本科畢業后，宋爽通過浙江大學、荷蘭埃因霍芬理工大學（Eindhoven University of Technology）及皇家飛利浦公司合作的腦橋計劃（Brain Bridge Program）赴荷蘭攻讀工程博士學位（Professional Doctorate in Engineering-PDEng）。該學位是為專門培養高層次工程師而設定，由TU Eindhoven和NXP半導體密切合作指導。對宋爽來說，這段經歷既幫助他在集成電路設計領域進一步打實了基礎知識，又極大地鍛煉了他解決工程實際問題的能力。在2010年獲得工程博士學位后，宋爽發現自己對模擬與數模混合電路拓撲結構、性能優化興趣濃厚，又進一步跟隨IEEE Fellow集成電路領域知名教授Eugenio Cantatore攻讀學術型博士學位（PhD）,由此打開了探索生物醫療芯片的大門。

當時，普通的成人可穿戴心電監測系統與芯片尚屬于前沿研究，而宋爽在博士期間展開了針對信號幅度更小，干擾信號更多的胎兒心電信號監測芯片的探索，這無疑是極具挑戰性的。他在該領域深入研究胎兒心電信號特征及其對前端電路性能的要求，提出了一整套用于可穿戴胎兒心電圖監測芯片的信號采集與處理技術，包括電極位置及優化布置策略，專用模擬前端、模數轉換與電源管理電路設計方法及胎兒心率提取算法。其中帶電荷泵的電流復用型放大器在2015年達到最佳功耗效率系數PEF。相關成果先發表在2013年度BioCAS及2014年度ISCAS會議，后受邀發表在2015年度生物芯片領域頂級期刊IEEE Transaction BioCAS上，麻省理工學院榮譽教授Anantha P. Chandrakasan在2017年引用這一文章，指出其開拓了放大器低功耗工作的新路徑,該工作引領了電流復用放大器領域新一輪研究與性能的提升。

宋爽在埃因霍芬理工大學攻讀博士期間進行芯片測試（2011年夏）

2015年年初，宋爽進入世界頂尖微電子集成電路領域科研機構IMEC工作,并繼續在該領域深入研究，主持了多通道胎兒心電監測芯片項目，組織領導了可行性研究、產學研結合課題申請、系統規劃、電路設計與驗證全過程工作。在新一代胎兒心電專用芯片研發中，提出了新型多通道分支復用技術，研發了世界上首款五通道胎兒心電監測芯片，各項性能達到綜合平衡最優化。該芯片在2019年獲產業應用，作為比利時可穿戴醫療初創公司Bloomlife的核心技術進入整機設備進行臨床試驗，成果能夠有效幫助孕婦在日常生活中識別早產、胎兒窘迫等問題，以及盡早采取措施降低胎兒死亡率。這一成果先后發表在2019年歐洲固態半導體ESSCIRC會議及IEEE Solid State Circuit Letters期刊上，由此他成為胎兒心電專用芯片領域全球資深專家。

矢志不渝創新探索

在21世紀10年代，隨著生理信號傳感技術的不斷發展，可穿戴設備從單一的心電信號采集逐漸發展為多傳感模式同時采集，為利用大數據和人工智能技術來實現智能診斷、遠程醫療打下了基礎。“將來人們在日常工作學習生活的同時，不知不覺中，輕薄、柔軟、舒適的可穿戴智能設備就能精準分析個體健康狀況，提供個性化的診斷與治療建議。”宋爽說。

在IMEC工作期間，宋爽在作為可穿戴設備核心的多模式生理信號采集與處理芯片領域展開了大量研究，包括參與第一代多模式生理信號采集與處理芯片項目，研發出全球首款能同時采集心電圖（ECG）、生物阻抗（Bio-Impedance）、皮膚電阻（GSR）、光體積描記（PPG）4種生理信號的系統芯片。該芯片成功應用于三星Simband智能腕表生理信號采集平臺，其中的可重構多模式讀出電路內容發表在2018年度IEEE Trans. BioCAS期刊上。

宋爽還領銜研發了使用深亞微米工藝的第二代多模式生理信號采集與處理芯片，增加了保障數據安全的加密模塊、藍牙通信IP和生理信號處理加速器。而在他最擅長的前端讀出電路方面，宋爽提出了一種全新的光體積描記信號讀出電路，將電流型輸入級與光電傳感器偏置電路巧妙融合，大幅降低了輸入寄生電容，從而以極低的功耗改善了電路響應速度，在信號質量不變的情況下將所需LED脈寬降低了約一半，大大減小了芯片功耗。應用該芯片的胸貼式健康監測系統可以進行片上信號處理，實時提供心率、心率變化率、呼吸率和血氧飽和度信息，在使用兩節CR203紐扣電池情況下可連續工作一周，解決了可穿戴設備關鍵的續航時間問題。該項成果發表在2019年度ISSCC會議，并獲當年度最佳論文獎（Anantha P. Chandrakasan Award for Outstanding Distinguished-Technical Paper），該獎項為IEEE固態電路學會（Solid State Circuits Society）頂級會議最高獎，每年僅頒一項。這種多模式生理信號感存算傳一體系統芯片的工作后受邀發表在2019年度IEEE Trans. BioCAS期刊上，該成果還申請了兩項美國及歐盟技術發明專利。

立足國情研發芯片

為了進一步加強產教融合、設計與制造融合，浙江大學微納電子學院正在建設全國唯一的以學校運營主體的55n m CMOS集成電路平臺，預計月產12寸晶圓3000片。學院研究覆蓋集成電路工藝模型驗證、EDA工具、模擬與混合信號電路及系統級芯片，可根據應用要求自主研發專用芯片，實現全產業鏈的自主可控。學院學科帶頭人吳漢明院士為國內集成電路制造領域的權威，嚴曉浪教授是集成電路設計領域知名專家。同時，學院還為青年教師回國展開工作提供了優越的條件。

回國以后，宋爽訪問了多家國內半導體企業與兄弟高校，并與超大所團隊老師緊密合作，逐步展開以國家發展重大戰略需求為牽引，以集成電路科學與工程一級學科建設為目標的智能物聯網節點芯片研究。他計劃發揮具有十余年學術界和產業界研究經歷，熟悉系統架構、電路拓撲和設計方法，且具有主持業界數模混合信號鏈芯片研發的優勢，突破集成電路設計研究領域高精度、高可靠性、低功耗及低成本等技術瓶頸，研發滿足醫療級、工業級標準的信息感知與處理系統芯片。最近，超大所嵌入式CPU團隊與南方電網聯合研制的電力物聯網主控芯片“伏羲”投入量產，這標志著我國電力工控領域核心芯片從“進口通用”向“自主專用”轉變。該團隊正在展開的重點研究方向，特別是圍繞嵌入式CPU及電力主控芯片研發低功耗電力物聯網節點系統芯片與宋爽多年來的前期研究工作十分吻合，將對他工作的展開起到良好的支撐作用。

在歐洲校際微電子中心（IMEC）工作期間團隊合影（2019年春）

同時，宋爽認為人才培養是大學教師最本職的工作，他也十分喜歡和年輕的研究生平等深入地交流，他覺得充分發揮出年輕人的主動性與創造力，將他們最活躍的創新思維導向國家最需要的重大戰略領域進行探索，為工業界提供優秀的先導性、可行性研究是目前學校研究助力產業發展最重要的抓手。在集成電路設計領域的高水平科研探索中，使用創新的思路解決工業界實際工程問題，促進新產品研發，提高國家戰略競爭力，也是他不斷努力的方向。

回顧過去、展望未來，作為新引進人才，宋爽決心在浙江大學微納電子學院的優秀平臺上展開教學與科研工作，培養大批具有先進創新思維與扎實工程實踐能力的高端人才，助力國家在集成電路領域掌握核心技術，解決高端工業芯片“卡脖子”問題。