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微電子所在超低功耗集成電路與人工智能領(lǐng)域取得新進(jìn)展

稿件來源：感知中心徐敏發(fā)布時間：2022-07-12

　　近日，微電子所感知中心低功耗智能技術(shù)與微系統(tǒng)團(tuán)隊在低功耗集成電路設(shè)計與人工智能領(lǐng)域取得新進(jìn)展，成功研發(fā)出基于亞閾值技術(shù)的超低功耗基礎(chǔ)電路單元以及超低功耗語音關(guān)鍵詞識別技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于低功耗智能芯片與微系統(tǒng)。

　　功耗已成為制約集成電路發(fā)展的重要瓶頸。亞閾值技術(shù)通過將芯片工作電壓降低到晶體管的閾值電壓附近，可大幅降低數(shù)字系統(tǒng)的功耗。團(tuán)隊研發(fā)出nW級高精度上電復(fù)位電路^[1]，有效拓寬了該上電復(fù)位電路的應(yīng)用領(lǐng)域。測試結(jié)果表明，該上電復(fù)位電路功耗低至32nW，溫度系數(shù)低至227μV/°C（如圖1所示）。為適應(yīng)自供電系統(tǒng)等極低功耗應(yīng)用場景，團(tuán)隊研發(fā)了pW級上電復(fù)位電路^[2]，可靈活配置復(fù)位閾值電壓。測試結(jié)果表明，該上電復(fù)位電路功耗低至365pW，在不同配置下上電復(fù)位閾值電壓分別為0.76V和0.46V，可廣泛應(yīng)用于極低功耗微系統(tǒng)（如圖2所示）。為適應(yīng)寬電壓范圍的極低功耗應(yīng)用場景，團(tuán)隊研發(fā)出pW級寬范圍電平轉(zhuǎn)換器^[3]，通過使用堆疊式上拉網(wǎng)絡(luò)（SPUN）和超關(guān)斷下拉網(wǎng)絡(luò)（SCPDN）改善了靜態(tài)漏電和翻轉(zhuǎn)能量（如圖3所示）。SPUN可將輸出低電平時的漏電流減少至1/2，SCPDN可將輸出高、低電平時的漏電流分別減少至1/7.6和1/18。測試結(jié)果顯示，該電平轉(zhuǎn)換器靜態(tài)功耗低至21.62 pW（如圖4所示）。

　　超低功耗語音關(guān)鍵詞識別是人工智能芯片的重要應(yīng)用領(lǐng)域。科研團(tuán)隊^[4]首次提出了基于誤差擴散的語音特征量化算法實現(xiàn)緊湊的二值化語音特征量化以降低語音喚醒模型運算復(fù)雜度。實驗結(jié)果表明，基于該算法的3bit語音特征在2關(guān)鍵詞任務(wù)下無精度損失，1bit下的精度損失僅1.5%（如圖5所示）。

　基于以上研究的成果近期先后發(fā)表于期刊《IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs》(DOI: 10.1109/TCSII.2022.3164454，第一作者：游恒博士，通信作者：喬樹山研究員）、期刊《AEU - International Journal of Electronics and Communications》 (DOI: 10.1016/j.aeue.2022.154154 ，第一作者：游恒博士，通信作者：喬樹山研究員）、期刊《AEU - International Journal of Electronics and Communications》( DOI: 10.1016/j.aeue.2021.154085，第一作者：博士研究生汪鵬，導(dǎo)師：周玉梅研究員）、期刊《IEEE Signal Processing Letters》（ DOI: 10.1109/LSP.2022.3179208，第一作者：博士研究生羅孟杰，導(dǎo)師：周玉梅研究員）。