创新智能可穿戴 赋能工业物联网

武光磊

近年来芯片逐渐成为新闻报道中的热门话题，从中兴、华为等中国公司被禁运核心电路芯片到ASML光刻机进口受阻。怎样利用国内整机厂商的巨大体量来带动芯片产业设计制造领域核心技术研发，同时，如何创新产教融合方式，源源不断为集成电路产业输送一流人才，一直是科教界、产业界重点关注的问题。

在芯片禁运、“卡脖子”的大背景下，浙江大学微纳电子学院于2020年年初以原微电子学院为基础正式成立，并于9月搬入杭州国际科创中心，在这片热土之上展开了崭新的征程。响应母校的召唤，在欧洲校际微电子中心（Interuniversity Microelectronics Centre-IMEC）担任资深研究员的宋爽于同年10月作为“百人计划”研究员加入了阔别已久的微纳电子学院超大规模集成电路设计研究所（简称“超大所”），在这里展开了自己科研人生新的一页。

毅然接受全新挑战

从杭州二中毕业之后，宋爽顺利迈入了浙江大学的校门，起初就读于浙江大学电气工程及其自动化专业。作为一个对新鲜事物充满无限好奇的同学，他发现当时集成电路领域国内发展相对较弱，也更具挑战性，因而在大二时选择转入电子信息科学与技术专业，从此开始了在芯片领域的学习与研究。

本科毕业后，宋爽通过浙江大学、荷兰埃因霍芬理工大学（Eindhoven University of Technology）及皇家飞利浦公司合作的脑桥计划（Brain Bridge Program）赴荷兰攻读工程博士学位（Professional Doctorate in Engineering-PDEng）。该学位是为专门培养高层次工程师而设定，由TU Eindhoven和NXP半导体密切合作指导。对宋爽来说，这段经历既帮助他在集成电路设计领域进一步打实了基础知识，又极大地锻炼了他解决工程实际问题的能力。在2010年获得工程博士学位后，宋爽发现自己对模拟与数模混合电路拓扑结构、性能优化兴趣浓厚，又进一步跟随IEEE Fellow集成电路领域知名教授Eugenio Cantatore攻读学术型博士学位（PhD）,由此打开了探索生物医疗芯片的大门。

当时，普通的成人可穿戴心电监测系统与芯片尚属于前沿研究，而宋爽在博士期间展开了针对信号幅度更小，干扰信号更多的胎儿心电信号监测芯片的探索，这无疑是极具挑战性的。他在该领域深入研究胎儿心电信号特征及其对前端电路性能的要求，提出了一整套用于可穿戴胎儿心电图监测芯片的信号采集与处理技术，包括电极位置及优化布置策略，专用模拟前端、模数转换与电源管理电路设计方法及胎儿心率提取算法。其中带电荷泵的电流复用型放大器在2015年达到最佳功耗效率系数PEF。相关成果先发表在2013年度BioCAS及2014年度ISCAS会议，后受邀发表在2015年度生物芯片领域顶级期刊IEEE Transaction BioCAS上，麻省理工学院荣誉教授Anantha P. Chandrakasan在2017年引用这一文章，指出其开拓了放大器低功耗工作的新路径,该工作引领了电流复用放大器领域新一轮研究与性能的提升。

宋爽在埃因霍芬理工大学攻读博士期间进行芯片测试（2011年夏）

2015年年初，宋爽进入世界顶尖微电子集成电路领域科研机构IMEC工作,并继续在该领域深入研究，主持了多通道胎儿心电监测芯片项目，组织领导了可行性研究、产学研结合课题申请、系统规划、电路设计与验证全过程工作。在新一代胎儿心电专用芯片研发中，提出了新型多通道分支复用技术，研发了世界上首款五通道胎儿心电监测芯片，各项性能达到综合平衡最优化。该芯片在2019年获产业应用，作为比利时可穿戴医疗初创公司Bloomlife的核心技术进入整机设备进行临床试验，成果能够有效帮助孕妇在日常生活中识别早产、胎儿窘迫等问题，以及尽早采取措施降低胎儿死亡率。这一成果先后发表在2019年欧洲固态半导体ESSCIRC会议及IEEE Solid State Circuit Letters期刊上，由此他成为胎儿心电专用芯片领域全球资深专家。

矢志不渝创新探索

在21世纪10年代，随着生理信号传感技术的不断发展，可穿戴设备从单一的心电信号采集逐渐发展为多传感模式同时采集，为利用大数据和人工智能技术来实现智能诊断、远程医疗打下了基础。“将来人们在日常工作学习生活的同时，不知不觉中，轻薄、柔软、舒适的可穿戴智能设备就能精准分析个体健康状况，提供个性化的诊断与治疗建议。”宋爽说。

在IMEC工作期间，宋爽在作为可穿戴设备核心的多模式生理信号采集与处理芯片领域展开了大量研究，包括参与第一代多模式生理信号采集与处理芯片项目，研发出全球首款能同时采集心电图（ECG）、生物阻抗（Bio-Impedance）、皮肤电阻（GSR）、光体积描记（PPG）4种生理信号的系统芯片。该芯片成功应用于三星Simband智能腕表生理信号采集平台，其中的可重构多模式读出电路内容发表在2018年度IEEE Trans. BioCAS期刊上。

宋爽还领衔研发了使用深亚微米工艺的第二代多模式生理信号采集与处理芯片，增加了保障数据安全的加密模块、蓝牙通信IP和生理信号处理加速器。而在他最擅长的前端读出电路方面，宋爽提出了一种全新的光体积描记信号读出电路，将电流型输入级与光电传感器偏置电路巧妙融合，大幅降低了输入寄生电容，从而以极低的功耗改善了电路响应速度，在信号质量不变的情况下将所需LED脉宽降低了约一半，大大减小了芯片功耗。应用该芯片的胸贴式健康监测系统可以进行片上信号处理，实时提供心率、心率变化率、呼吸率和血氧饱和度信息，在使用两节CR203纽扣电池情况下可连续工作一周，解决了可穿戴设备关键的续航时间问题。该项成果发表在2019年度ISSCC会议，并获当年度最佳论文奖（Anantha P. Chandrakasan Award for Outstanding Distinguished-Technical Paper），该奖项为IEEE固态电路学会（Solid State Circuits Society）顶级会议最高奖，每年仅颁一项。这种多模式生理信号感存算传一体系统芯片的工作后受邀发表在2019年度IEEE Trans. BioCAS期刊上，该成果还申请了两项美国及欧盟技术发明专利。

立足国情研发芯片

为了进一步加强产教融合、设计与制造融合，浙江大学微纳电子学院正在建设全国唯一的以学校运营主体的55n m CMOS集成电路平台，预计月产12寸晶圆3000片。学院研究覆盖集成电路工艺模型验证、EDA工具、模拟与混合信号电路及系统级芯片，可根据应用要求自主研发专用芯片，实现全产业链的自主可控。学院学科带头人吴汉明院士为国内集成电路制造领域的权威，严晓浪教授是集成电路设计领域知名专家。同时，学院还为青年教师回国展开工作提供了优越的条件。

回国以后，宋爽访问了多家国内半导体企业与兄弟高校，并与超大所团队老师紧密合作，逐步展开以国家发展重大战略需求为牵引，以集成电路科学与工程一级学科建设为目标的智能物联网节点芯片研究。他计划发挥具有十余年学术界和产业界研究经历，熟悉系统架构、电路拓扑和设计方法，且具有主持业界数模混合信号链芯片研发的优势，突破集成电路设计研究领域高精度、高可靠性、低功耗及低成本等技术瓶颈，研发满足医疗级、工业级标准的信息感知与处理系统芯片。最近，超大所嵌入式CPU团队与南方电网联合研制的电力物联网主控芯片“伏羲”投入量产，这标志着我国电力工控领域核心芯片从“进口通用”向“自主专用”转变。该团队正在展开的重点研究方向，特别是围绕嵌入式CPU及电力主控芯片研发低功耗电力物联网节点系统芯片与宋爽多年来的前期研究工作十分吻合，将对他工作的展开起到良好的支撑作用。

在欧洲校际微电子中心（IMEC）工作期间团队合影（2019年春）

同时，宋爽认为人才培养是大学教师最本职的工作，他也十分喜欢和年轻的研究生平等深入地交流，他觉得充分发挥出年轻人的主动性与创造力，将他们最活跃的创新思维导向国家最需要的重大战略领域进行探索，为工业界提供优秀的先导性、可行性研究是目前学校研究助力产业发展最重要的抓手。在集成电路设计领域的高水平科研探索中，使用创新的思路解决工业界实际工程问题，促进新产品研发，提高国家战略竞争力，也是他不断努力的方向。

回顾过去、展望未来，作为新引进人才，宋爽决心在浙江大学微纳电子学院的优秀平台上展开教学与科研工作，培养大批具有先进创新思维与扎实工程实践能力的高端人才，助力国家在集成电路领域掌握核心技术，解决高端工业芯片“卡脖子”问题。