創(chuàng)新智能可穿戴 賦能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

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(nèi)整機廠商的巨大體量來帶動芯片產(chǎn)業(yè)設(shè)計制造領(lǐng)域核心技術(shù)研發(fā)，同時，如何創(chuàng)新產(chǎn)教融合方式，源源不斷為集成電路產(chǎn)業(yè)輸送一流人才，一直是科教界、產(chǎn)業(yè)界重點關(guān)注的問題。

在芯片禁運、“卡脖子”的大背景下，浙江大學(xué)微納電子學(xué)院于2020年年初以原微電子學(xué)院為基礎(chǔ)正式成立，并于9月搬入杭州國際科創(chuàng)中心，在這片熱土之上展開了嶄新的征程。響應(yīng)母校的召喚，在歐洲校際微電子中心（Interuniversity Microelectronics Centre-IMEC）擔(dān)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(xué)院超大規(guī)模集成電路設(shè)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(zhàn)

從杭州二中畢業(yè)之后，宋爽順利邁入了浙江大學(xué)的校門，起初就讀于浙江大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)。作為一個對新鮮事物充滿無限好奇的同學(xué)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)時集成電路領(lǐng)域國內(nèi)發(fā)展相對較弱，也更具挑戰(zhàn)性，因而在大二時選擇轉(zhuǎn)入電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，從此開始了在芯片領(lǐng)域的學(xué)習(xí)與研究。

本科畢業(yè)后，宋爽通過浙江大學(xué)、荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)（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(xué)位（Professional Doctorate in Engineering-PDEng）。該學(xué)位是為專門培養(yǎng)高層次工程師而設(shè)定，由TU Eindhoven和NXP半導(dǎo)體密切合作指導(dǎo)。對宋爽來說，這段經(jīng)歷既幫助他在集成電路設(shè)計領(lǐng)域進一步打?qū)嵙嘶A(chǔ)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(xué)位后，宋爽發(fā)現(xiàn)自己對模擬與數(shù)?；旌想娐吠負浣Y(jié)構(gòu)、性能優(yōu)化興趣濃厚，又進一步跟隨IEEE Fellow集成電路領(lǐng)域知名教授Eugenio Cantatore攻讀學(xué)術(shù)型博士學(xué)位（PhD）,由此打開了探索生物醫(yī)療芯片的大門。

當(dāng)時，普通的成人可穿戴心電監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測芯片的探索，這無疑是極具挑戰(zhàn)性的。他在該領(lǐng)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(jiān)測芯片的信號采集與處理技術(shù)，包括電極位置及優(yōu)化布置策略，專用模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換與電源管理電路設(shè)計方法及胎兒心率提取算法。其中帶電荷泵的電流復(fù)用型放大器在2015年達到最佳功耗效率系數(shù)PEF。相關(guān)成果先發(fā)表在2013年度BioCAS及2014年度ISCAS會議，后受邀發(fā)表在2015年度生物芯片領(lǐng)域頂級期刊IEEE Transaction BioCAS上，麻省理工學(xué)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(lǐng)了電流復(fù)用放大器領(lǐng)域新一輪研究與性能的提升。

宋爽在埃因霍芬理工大學(xué)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(lǐng)域科研機構(gòu)IMEC工作,并繼續(xù)在該領(lǐng)域深入研究，主持了多通道胎兒心電監(jiān)測芯片項目，組織領(lǐng)導(dǎo)了可行性研究、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合課題申請、系統(tǒng)規(guī)劃、電路設(shè)計與驗證全過程工作。在新一代胎兒心電專用芯片研發(fā)中，提出了新型多通道分支復(fù)用技術(shù)，研發(fā)了世界上首款五通道胎兒心電監(jiān)測芯片，各項性能達到綜合平衡最優(yōu)化。該芯片在2019年獲產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，作為比利時可穿戴醫(yī)療初創(chuàng)公司Bloomlife的核心技術(shù)進入整機設(shè)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(chǎn)、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(fā)表在2019年歐洲固態(tài)半導(dǎo)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(lǐng)域全球資深專家。

矢志不渝創(chuàng)新探索

在21世紀(jì)10年代，隨著生理信號傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，可穿戴設(shè)備從單一的心電信號采集逐漸發(fā)展為多傳感模式同時采集，為利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)來實現(xiàn)智能診斷、遠程醫(yī)療打下了基礎(chǔ)?！皩砣藗冊谌粘９ぷ鲗W(xué)習(xí)生活的同時，不知不覺中，輕薄、柔軟、舒適的可穿戴智能設(shè)備就能精準(zhǔn)分析個體健康狀況，提供個性化的診斷與治療建議?！彼嗡f。

在IMEC工作期間，宋爽在作為可穿戴設(shè)備核心的多模式生理信號采集與處理芯片領(lǐng)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(fā)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(tǒng)芯片。該芯片成功應(yīng)用于三星Simband智能腕表生理信號采集平臺，其中的可重構(gòu)多模式讀出電路內(nèi)容發(fā)表在2018年度IEEE Trans. BioCAS期刊上。

宋爽還領(lǐng)銜研發(fā)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(shù)據(jù)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(yīng)速度，在信號質(zhì)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(yīng)用該芯片的胸貼式健康監(jiān)測系統(tǒng)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(jié)CR203紐扣電池情況下可連續(xù)工作一周，解決了可穿戴設(shè)備關(guān)鍵的續(xù)航時間問題。該項成果發(fā)表在2019年度ISSCC會議，并獲當(dāng)年度最佳論文獎（Anantha P. Chandrakasan Award for Outstanding Distinguished-Technical Paper），該獎項為IEEE固態(tài)電路學(xué)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(tǒng)芯片的工作后受邀發(fā)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(shù)發(fā)明專利。

立足國情研發(fā)芯片

為了進一步加強產(chǎn)教融合、設(shè)計與制造融合，浙江大學(xué)微納電子學(xué)院正在建設(shè)全國唯一的以學(xué)校運營主體的55n m CMOS集成電路平臺，預(yù)計月產(chǎn)12寸晶圓3000片。學(xué)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(tǒng)級芯片，可根據(jù)應(yīng)用要求自主研發(fā)專用芯片，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控。學(xué)院學(xué)科帶頭人吳漢明院士為國內(nèi)集成電路制造領(lǐng)域的權(quán)威，嚴(yán)曉浪教授是集成電路設(shè)計領(lǐng)域知名專家。同時，學(xué)院還為青年教師回國展開工作提供了優(yōu)越的條件。

回國以后，宋爽訪問了多家國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)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(fā)展重大戰(zhàn)略需求為牽引，以集成電路科學(xué)與工程一級學(xué)科建設(shè)為目標(biāo)的智能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點芯片研究。他計劃發(fā)揮具有十余年學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究經(jīng)歷，熟悉系統(tǒng)架構(gòu)、電路拓撲和設(shè)計方法，且具有主持業(yè)界數(shù)?；旌闲盘栨溞酒邪l(fā)的優(yōu)勢，突破集成電路設(shè)計研究領(lǐng)域高精度、高可靠性、低功耗及低成本等技術(shù)瓶頸，研發(fā)滿足醫(yī)療級、工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的信息感知與處理系統(tǒng)芯片。最近，超大所嵌入式CPU團隊與南方電網(wǎng)聯(lián)合研制的電力物聯(lián)網(wǎng)主控芯片“伏羲”投入量產(chǎn)，這標(biāo)志著我國電力工控領(lǐng)域核心芯片從“進口通用”向“自主專用”轉(zhuǎn)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(fā)低功耗電力物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)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(yǎng)是大學(xué)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(fā)揮出年輕人的主動性與創(chuàng)造力，將他們最活躍的創(chuàng)新思維導(dǎo)向國家最需要的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域進行探索，為工業(yè)界提供優(yōu)秀的先導(dǎo)性、可行性研究是目前學(xué)校研究助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展最重要的抓手。在集成電路設(shè)計領(lǐng)域的高水平科研探索中，使用創(chuàng)新的思路解決工業(yè)界實際工程問題，促進新產(chǎn)品研發(fā)，提高國家戰(zhàn)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(xué)微納電子學(xué)院的優(yōu)秀平臺上展開教學(xué)與科研工作，培養(yǎng)大批具有先進創(chuàng)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(lǐng)域掌握核心技術(shù)，解決高端工業(yè)芯片“卡脖子”問題。