創(chuàng)新持續(xù)感知 走向技術融合
——記清華大學電子工程系智能感知集成電路與系統(tǒng)科研團隊

馬夢珂

科學技術從來沒有像今天這樣深刻影響著國家前途命運和人民生活福祉。習近平總書記曾強調：科技界要共同努力，樹立強烈的創(chuàng)新自信，敢于質疑現(xiàn)有理論，勇于開拓新的方向，不斷在攻堅克難中追求卓越。數(shù)載以來，這些話一直在影響著一批又一批的科研工作者。

在清華大學電子工程系副研究員喬飛和其所在的智能感知集成電路與系統(tǒng)科研團隊（以下簡稱“科研團隊”）看來，在科技強國的戰(zhàn)略背景下，科技的自主創(chuàng)新至關重要。通過近二十年來腳踏實地的科研探索，研究團隊在低功耗集成電路設計、面向智能感知的新型高能效信號處理架構，以及智能感知集成電路和系統(tǒng)領域積累了深厚的基礎理論研究成果和關鍵芯片設計經驗。如今，科研團隊仍在全心致力于設計超低功耗集成智能感知芯片系統(tǒng)，將其面向未來機器人感知、穿戴式感知和環(huán)境信息感知等萬物互聯(lián)應用場景，并全力推動科研技術的落地生根。

從“分”到“合”，打破傳統(tǒng)智能感知系統(tǒng)瓶頸

智能物聯(lián)網是人工智能技術和物聯(lián)網技術快速發(fā)展下的必然產物，也是目前學術界和工業(yè)界共同聚焦的前沿方向。設計和實現(xiàn)具有持續(xù)智能感知能力的集成物聯(lián)網節(jié)點是實現(xiàn)各種終端設備智能化的必由之路，也是解決當前物聯(lián)網系統(tǒng)功耗、實時性和安全隱私難題的關鍵技術。

通過對研究團隊成員進行訪談，記者了解到：無論是生物體還是機器與外部環(huán)境進行交互，都需要感知系統(tǒng)來了解外部世界的相關信息。在民用領域，各種智能穿戴設備，以及手機里多種傳感器的持續(xù)運行，都會帶來一系列數(shù)據(jù)采集和能量效率的挑戰(zhàn)。在工業(yè)及特種應用領域，很多機器設備需要在野外部署，這時就更需要超低功耗的感知系統(tǒng)，去支持其長時間的運行。

隨著邊緣計算和人工智能技術的興起，傳統(tǒng)感知系統(tǒng)在向智能感知系統(tǒng)演化。復雜的處理任務和有限的能量供給之間的矛盾日益突出，無法完成持續(xù)的、不間斷的數(shù)據(jù)采集和智能處理任務，進而會導致設備的運行效率大大降低。在此趨勢下，研究團隊一直試圖從信號處理鏈路和感知信息提取架構角度來探索新的處理范式。

通過開展一系列研究，科研團隊發(fā)現(xiàn)：當前典型的智能感知系統(tǒng)的最大特點就是“分而治之”，即各個模塊獨立設計和優(yōu)化，忽略了系統(tǒng)整體優(yōu)化的潛力；對于某些事件驅動型感知應用，處理了大量無用數(shù)據(jù)，增加了設計難度和使用成本?！疤煜麓髣荩暇帽胤?，分久必合”。在當今技術發(fā)展對低功耗和高能效處理要求日益迫切的情況下，傳統(tǒng)智能感知系統(tǒng)的分立模塊設計所帶來的系統(tǒng)效率低下，早已不符合當今時代的需求。

通過對典型智能感知系統(tǒng)多年的研究、對比和分析，研究團隊提出智能感知集成系統(tǒng)領域設計的“第一性原理”，即“凡是接口，必為瓶頸”。智能感知系統(tǒng)中分立的模塊依賴各種接口連接，如果能夠消除接口的能耗和延時瓶頸，就有可能提高整個智能感知系統(tǒng)的效率。為了攻克相關科學問題和技術挑戰(zhàn)，早在2012年年底至2013年年初，研究團隊就提出了“模擬-信息轉換處理”的思路，首先嘗試解決智能感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉換接口瓶頸問題；并以此展開了一系列的“融合”研究。

清華大學電子工程系副研究員喬飛

探索攻關，形成完備的技術體系

積跬步以至千里，匯涓滴而成江海。在近十年的智能感知集成電路和系統(tǒng)方向的科研探索中，科研團隊從一次次科研實踐中，大膽試錯，開創(chuàng)性地提出了一系列成套技術方案。在相關研究基礎上，他們致力于形成更為完備的技術體系，為更多的算法和場景提供應用支撐，以更好地服務于社會發(fā)展的需求。

目前，學術界和產業(yè)界都在致力于深度學習加速器的研究和開發(fā)，主要集中在數(shù)字信號域的信息處理上，有些技術也已經應用到智能手機等領域。但是迄今為止，這些成果主要支持突發(fā)的、短時的智能處理，還無法滿足智能傳感終端對于超低功耗持續(xù)感知的需求。

研究團隊發(fā)明了一種面向神經網絡算法的模擬信號感知計算架構。這項發(fā)明技術與各種數(shù)字域加速器的研究可以相互補充，將持續(xù)感知任務前移到近傳感器端的模擬信號域，為后級的數(shù)字信號域加速器濾除冗余信息，可以顯著減少數(shù)字信號域加速器的處理時間和能量消耗。

受益于模擬信號處理的數(shù)據(jù)表示優(yōu)勢及計算能效優(yōu)勢，研究團隊還進一步挖掘標準CMOS工藝的強大處理潛力，在近傳感器端對原始圖像信息進行高效的智能化處理。與傳統(tǒng)的數(shù)字域神經網絡加速器相比，一方面借助模擬信號處理的高能效特性，大大降低了智能化處理部分的能量消耗，同時通過在近傳感器端直接對圖像傳感器的模擬信號輸出進行處理，減少了模數(shù)轉換和搬運的代價，進一步降低了智能視覺感知系統(tǒng)的能量消耗，為終端設備具備持續(xù)智能感知能力提供了可能性和無限的應用想象空間。

集成電路技術具有典型的應用引導特征。在相關芯片設計技術的基礎上，科研團隊首先開始尋求與機器人感知領域的交叉合作。特別是在國家自然科學基金委員會“共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃的支持下，致力于解決高效智能視覺感知芯片和系統(tǒng)應用技術。

面向機器人智能視覺感知任務，大量持續(xù)不斷工作的傳感器產生了海量傳感數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)中心的處理能力和網絡帶寬帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。在這一背景下，研究團隊設計了面向常開型智能視覺感知的終端芯片。在研究中，他們采用軟硬件聯(lián)合優(yōu)化方式，完善了能量供給和計算資源受限下的視覺信號處理電路設計方法，實現(xiàn)了“傳感+計算”一體化的常開型智能視覺感知節(jié)點上的微瓦級識別系統(tǒng)，完成了基于直接光電流計算方法的傳感內計算電路架構設計并進行流片驗證工作，芯片測試達到預期效果。在項目評估會議上，科研團隊的研究成果得到了與會專家的一致好評。

科研團隊持續(xù)推進研究工作，目前已經在視覺、聽覺、觸覺和多模態(tài)感知應用方向，以及系統(tǒng)應用、算法優(yōu)化、感知處理架構和電路設計等方面形成一套完整的智能感知集成電路系統(tǒng)技術體系和研究范式。

團隊成員進行電路設計交流

頂天立地，開拓團隊科研特色

“創(chuàng)新從來都是九死一生”，習近平總書記曾勉勵我國廣大科技工作者要有強烈的創(chuàng)新信心和決心，要有“亦余心之所善兮，雖九死其猶未悔”的豪情，勇于攻堅克難、追求卓越、贏得勝利，積極搶占科技競爭和未來發(fā)展制高點。

顛覆式的創(chuàng)新技術常常源于實踐環(huán)節(jié)中的深思熟慮和不經意的奇思妙想，也常常是非主流和挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的技術思路?？蒲袌F隊提出的采用模擬和混合信號的高能效智能感知集成電路處理架構思路，也正是源于一次靈感的碰撞。

大約在2012年年底，喬飛和他的合作伙伴進行日?？蒲薪涣鳌＝徽勚?，他們談到了各自從事研究工作的思考和困惑。在他們看來，面向真正的應用需求，并尋找到屬于自己的特色研究方向，才能讓自己的研究技術更具有生命力和應用價值。

面向感知問題，采用模擬信號對感知數(shù)據(jù)表示和處理是否有比主流的數(shù)字信號處理更高的效率？在不斷的交流與碰撞下，他們分析了生物體連續(xù)時間信號處理的特性，探討了各自從事的多媒體信號處理和模數(shù)轉換器技術特點后，突發(fā)奇想?！捌鋵嵲缭跀?shù)字電路出現(xiàn)之前，就有人用模擬電路做信號處理了。但那時候因為工藝不穩(wěn)定等問題，所以很快就被數(shù)字電路取代了。而隨著科技的進步，芯片制造工藝愈加可靠，更重要的是感知算法本身就有容錯特性，何不在相關領域做一些嘗試？”喬飛他們決定一起從解決智能感知任務的角度切入，進行模擬和混合信號的高能效感知集成電路處理架構思路探索。

模擬信號處理技術是早期被數(shù)字信號處理技術淘汰的所謂“落后”技術，因此在最開始從事相關領域研究時，科研團隊也遭遇了一系列技術挑戰(zhàn)和方案試錯。但即使困難重重，在智能感知“第一性原理”的指導下，科研團隊仔細分析技術發(fā)展歷史和現(xiàn)階段人工智能算法任務特點，大膽假設、小心求證，堅持信念并抓住技術發(fā)展的主要需求和矛盾，持續(xù)優(yōu)化技術方案。

功夫不負有心人，最終，他們采用“智能算法-高效硬件”聯(lián)合設計的方法突破了模擬信號人工智能感知處理的技術難題，取得了顯著的性能提升，用所研發(fā)的技術打造了屬于自己團隊的創(chuàng)新自信。念念不忘，必有回響。目前，相關工作已經得到學術界和工業(yè)界的廣泛關注和跟蹤模仿。“研究團隊所付出的一切努力都是值得的”。喬飛說。

科學研究不僅要“頂天”，還要“立地”。一路走來，研究團隊始終認為，集成電路設計本身是一個工程學科，應用性和實踐性都很強。因此，在相關技術的積累下，他們一直努力搭建體系化的應用平臺，以服務于技術的產業(yè)落地。

2020年4月，基于科研團隊技術孵化的每刻深思智能科技（北京）有限責任公司（“每刻深思MakeSens AI”）應運而生。之后，在每刻深思的配合下，研究團隊將與工程應用團隊合作搭建更多體系化技術平臺，著力于解決智能感知集成電路和系統(tǒng)的相關產業(yè)落地，讓團隊的科研技術離產業(yè)應用越來越近?！爸挥袑⑵脚_體系化之后，我們做一些前沿技術研發(fā)工作，才能又快、又好、又準，也能具有更好的技術先進性和影響力?！眴田w說。未來任重道遠，在將研究技術做到“頂天立地”的目標驅使下，他們仍在不斷探索、前行。

多年積累，打造團隊文化自信

世界上并沒有路，走的人多了，也便成了路。在喬飛看來，路是人走出來的。而作為一名科研工作者，更要勇于開拓創(chuàng)新?！半m然我們選擇的技術路線比較獨特，但現(xiàn)在看來，我們的堅持是對的。”喬飛說。近10年的蟄伏和創(chuàng)新，造就了一支技術堅實、信念堅定的技術團隊?；仡欉^往，喬飛更是對和自己一路走來并肩前行的團隊成員充滿著感恩之情。

智能感知集成電路與系統(tǒng)研究團隊組織首屆演示日

喬飛始終認為：“科學研究是對于自己天性的激發(fā)，每個人都有屬于自己的優(yōu)勢與特點?！痹谶@支科研團隊中，有著更加靈活的管理運行模式，團隊里的成員都是平等的關系，每個人都有發(fā)表不同技術觀點的權利。在日常的科研交流中，團隊鼓勵成員大膽思考，對于成員提出的新技術建議，研究團隊會共同探討，幫助每一個提出思路和建議的同學梳理可行性，并配給研究資源，鼓勵他們用結果來證明自己的科研想法。“我很佩服我的學生，他們都在堅持自己相信的東西，并努力實踐自己的想法?！眴田w驕傲地說。

除卻日常的科研工作之外，科研團隊還十分注重科學研究“走出去”，展開與外部科研團隊的廣泛交流與合作。特別是，研究團隊會設立演示日，邀請領域內的合作伙伴及行業(yè)專家來進行一些科研思想及科研技術的分享與探討。由此，讓團隊內外的研究人員在思想碰撞中，不斷發(fā)揮自己的主觀能動性，激發(fā)創(chuàng)新活力。

薪火相傳，生生不息。科研之路上，研究團隊遇到過很多和他們一起開拓前行的密切合作者，從校內到校外，從祖國各地到海外，在他們的幫助和共同努力下，多項合作成果紛紛涌現(xiàn)，極大推動了這一技術領域的發(fā)展。多年來，喬飛從眾多的師長身上學到了科研知識、科研品德，他也希望能夠悉數(shù)傳承給自己的學生，讓這些精神對一代又一代的科研學子產生正向的科研影響。

在攀登知識高峰中追求卓越，在肩負時代重任時行勝于言。未來，研究團隊還將肩負起清華人的擔當，在面向智能持續(xù)感知的“感算共融”體系架構和集成電路設計方法中持續(xù)開拓，將科研技術推廣應用，使之真正地扎根于社會之中。