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创“芯”大赛创芯之星团队专访:集成电路新力量,创“芯”正当时
日期:2021-06-27 13:37 点击量:

来源 与非网,作者 张慧娟

随着智能手机、移动互联网、云计算、大数据和移动通信的普及,集成电路已经从最初实现电路小型化的技术方法,演变为今天所有信息技术产业的核心,成为支撑我国经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。在我国集成电路产业发展进入黄金期的同时,人才严重短缺仍是主要瓶颈之一,因此,从数量和质量上培养出满足产业发展需求的创新人才,从根本上为“卡脖子”问题提供强有力的人才支撑,是当前发展的重中之重。目前,我国已将“集成电路科学与工程”设为一级学科,并且,由产业界和学术界共同推动的各类活动、赛事正在如火如荼地开展中,为全方位的人才培养目标贡献力量。“华为杯”中国研究生创“芯”大赛,是一项面向全国高等院校和科研院所在读研究生的团体性集成电路设计创意实践活动,旨在以竞赛和奖励的方式,创芯、选星、育芯,聚焦集成电路,选育高端人才。

在第三届创“芯”大赛中,来自于西安电子科技大学的“三年创芯梦”团队,以总分第一的优异成绩,从全国480支队伍中脱颖而出,问鼎大赛最高奖——创“芯”之星。“三年创芯梦”团队获奖项目实力几何?有哪些实用价值?他们登上领奖台的背后,经历了哪些曲折、付出了哪些努力?与非网深度对话团队指导老师刘帘曦教授、团队代表廖栩锋同学,揭开一个逐梦青春、创“芯”三年的拼搏故事。

 刘帘曦教授(左二)和三年创芯梦团队:廖栩锋(左一)、邢奕赫(右二)、贺磊(右一)

灵感迸发——看好能量获取自供电技术

在当前的物联网系统中,采用低功耗设计的电池供电系统是普遍的方向。一个不需要额外电池,从环境中就能获取热能实现供电的系统,听起来就很不可思议是不是?这正是三年创芯梦团队的获奖作品《一种面向自供电WSNs节点的TEG能量获取功率管理系统》所实现的。

西安电子科技大学刘帘曦教授表示,他从事环境能量获取和功率管理方面的研究已有近十年,这一选题的灵感迸发,最初源于他的一个国家自然科学基金项目——“基于无线体域网应用的自供电模拟前端设计关键技术”。 刘帘曦教授解释说,电池供电是电子设备传统的能量供给方式,但是随着物联网技术和可穿戴电子设备的蓬勃发展,这种供能方式由于容量和体积的限制,严重制约了微型电子设备,尤其是无线传感器网络节点的发展与普及,成为一个技术瓶颈。

而环境能量获取和能量处理技术,可以实现微型电子设备的无电池自供电应用。自供电(Self-Powered)技术——指的是从环境中自主地获取其它类型的能量(如太阳光能、温差热能、振动能量、风能和射频能量等)并将其转化为电能,替代电池给设备供电或补充电池能量,从而延长设备使用寿命,产生的能量可以提供给诸如信号计算、处理或者数据存储电路,维持其正常的工作状态。

从环境中获取能量并为微型电子设备自供电的技术,可以广泛应用于可穿戴式医疗设备、健康监测设备、军事遥感设备、工业监测以及智能家居等多个领域。它不仅对减小电子设备体积具有积极作用,更重要的是,在全球能源危机的背景下,为自然界能源高效利用提供了一个新的思路和方案。

谈及该领域的研究现状和发展前景,刘帘曦教授表示,“能量获取自供电技术符合节能减排需求,符合人类对资源的利用规律,未来一定会实现工程化或者产业化应用。并且,环境能量收集和管理技术对于无线传感器网络以及智慧医疗应用有巨大的应用价值和潜力。”

能源问题在全球受到高度关注,发展新能源、节能减排等都是当前的主要趋势——这也是该项目极具现实意义的“落地点”。刘帘曦教授表示,“这不仅仅是应用需求推动的技术,也是一种生存使命的需求。国内外已经有很多学者、研究机构以及企业意识到这个问题,也开展了大量深入的研究。我个人认为,这类技术要完全进入消费电子领域,还有很多工作要做,不仅仅是芯片电路的进步,需要材料、工艺等多方面的进一步深入研究和技术突破。”

团队协作——三年创“芯”,梦想实现

廖栩锋同学是“三年创芯梦”团队的项目负责人,他连续参加了三届创芯大赛。回顾三年参赛经历,廖栩锋说道,“不甘心、不言败正是竞赛的魅力所在。我参加了三年,每一年我都站在决赛路演的舞台,为大家讲解我们的作品,然而每一年的心态、感受都不同。第一年觉得创‘芯’之星遥不可及,只是抱着去拓宽视野的心态去参加。最后虽然只获得了一等奖,但是非常开心。第二年试着去冲击创‘芯’之星,但是失败了,内心其实是有一些落寞的。最后一年,我们为了这个比赛做了很多准备,最后终于如愿以偿。现在回头看,我发现那些看似遥不可及的目标其实并没有想象中遥远,坚持很重要,也要善于自我总结和反思,需要尽力做好一切准备。最终在我和团队成员邢奕赫和贺磊的共同努力下,三年创‘芯’梦终于成真。”

在组建团队的过程中,刘帘曦教授最看重兴趣和专业技能,他表示,“首要的是对这个项目或者课题有浓厚的兴趣,兴趣是最好的老师,团队成员不能是被动接受指导,而应该从兴趣出发,主动去探索;其次,混合信号集成电路设计涉及到半导体物理、工艺基础、电路基础以及信号与系统等相关的背景知识,需要团队成员具有扎实的基本功和专业技能。”

虽然只是一支三人的小团队,但是通过明确的分工协作,每个人都最大化地发挥出了自己的力量。在设计过程中遇到困难和问题时,也通常都是通过团队成员与导师集体讨论的方式进行解决,每个人根据自己查找的资料文献提出可能的解决方案,导师和其他成员一起对每个解决方案挑“刺”。在不断的质疑中,通过“需要什么结果-这种方案优劣势分别是什么-作品中是否适用-如何突破”的思路梳理,一步步形成了最终的方案。

对于团队成员在参赛过程中的表现,刘帘曦教授赞许地说,“我能由衷感受到这些年轻人对集成电路的激情和热爱。你只有对一件事情有兴趣,才能不断坚持下去。我觉得他们在比赛中表现出来的执着、不放弃、精益求精、力求最优的精神,是最值得肯定的。”

三年创芯梦(右一 团队)获得“创‘芯’之星”奖项

成果显著——向国际先进水平攀登

三年创芯梦团队的获奖方案中,核心电路设计包括了热电发电机、热电升压型转换器和功率管理电路。据了解,整个方案实施过程中有三大关键挑战:第一,能量获取容易受到环境因素的干扰和制约;第二,接口电路如何顺利启动并且高效率地工作;第三,如何为后续电路提供稳定的电源等。

通过不断地攻关设计,最终方案中的热电升压型转换器芯片,性能达到了国际先进水平,并且相关论文已经在Top期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I上发表。

具体的实现方法是什么?刘帘曦教授介绍,通过结合辅助启动和超低压启动,将转换器的启动电压做到10mV;通过自适应地融合多种环路控制模式,把转换器的峰值转换效率和平均转换效率都做到了现有文献报道中的最高。“值得一提的是,在选择低成本工艺实现的前提下,我们仅依靠电路设计就实现了性能提升,如果进一步选用先进工艺,理论上转换器的性能还可以进一步提高”,他表示。

面向自供电WSNs节点的TEG能量获取功率管理系统电路结构 

该方案未来的工程化/落地前景如何?刘帘曦教授表示,参赛项目主要是面向无线传感器网络节点应用的环境能量收集与管理芯片,但其中一些技术,例如超低电压启动技术和自适应控制模式选择技术等,是可以用在电源管理,电压转换等相关领域,这是一些共性技术。廖栩锋也说道,比赛结束后,团队对作品进行了进一步的优化,目前正在流片测试中。

赛后总结——大赛对学、研、产融合的意义和价值

如何看待这类设计大赛对于学、研、产的意义和价值?刘帘曦教授表示,创芯大赛是一项专业度较高、与学生结合非常紧密的国家级赛事,它是从研究生电子设计大赛集成电路专项赛演化而来的,它的独立,体现了国家层面对集成电路的重视。随着参赛队伍数量、规模逐年扩大,这项赛事正被越来越多的老师和学生认可。

参加这类专业竞赛,他认为可以极大调动学生对专业知识的学习积极性。此外,竞赛本身对学生的整体素质要求较高,要求学生对集成电路的研究有整体的、系统的了解,从面向具体的应用,到制造工艺的选择,再到电路设计与实现、物理版图设计,以及最后的封装测试,涵盖了集成电路设计的整个流程,这无疑对学生的整体素质和能力提升有很大促进,对研究工作的推动也是非常明显的。

此外,刘帘曦教授认为,这类赛事本身与产业结合紧密,很多企业参与竞赛出题,竞赛的内容和产业化也紧密相关,这不仅是学生与产业界接触的平台,对人才选拔和就业也是一种双赢。

廖栩锋和他的团队伙伴表示,通过此次比赛,每个人的视野都得到了拓展。他们认为,在校学生参加这类大赛,不仅可以磨炼意志、强化知识、增强个人能力,同时也提升了团队协作能力。“创‘芯’大赛对我而言,更像一个老朋友,它见证了我的成长,也给我带来了荣誉。我为这个比赛付出的努力和坚持都有收获,”廖栩锋说道,“希望大家不要放弃自己心中的梦想,要为它努力,我相信付出一定会有收获!

 

快问快答(一些参赛Tips)

1、参赛过程中是如何进行分工和执行的?

廖栩锋负责团队的分工安排。参赛初期,邢奕赫和贺磊主要负责作品文档的撰写,廖栩锋主要负责PPT制作和参赛视频录制。进入决赛后,第一天上机比赛时,廖栩锋和贺磊各负责一道设计题,邢奕赫负责文档撰写。在第二轮演讲和决赛路演时,廖栩锋负责PPT讲解,必要时另两位同学进行补充。

2、参赛过程中,团队曾遇到哪些重要挑战?是如何克服的? 

比赛前期准备还是挺顺利的,最大的考验就是决赛第一天的上机考试。上机笔试任务量大,时间短,半天的时间内要完成两个设计题和一个设计文档。而同样难度的设计题,平常通常需要一到两天时间,所以这个难度还是非常大的。

面临这个挑战,解决方法是团队合作。先一起集中讨论每一道设计题的思路,完成初步方案。然后,廖栩锋和贺磊每个人负责一道设计题,邢奕赫负责方案以及设计撰写。

3、要在这类比赛中取得胜利,需要具备哪些关键要素? 

首先,好的导师在取胜因素中占了很大的部分,导师平时的培养,帮助我们打下坚实的基础;第二,团队合作也很重要,合理的分工合作,帮助我们高效完成方案并赢得胜利;最后,作品的内容和方向也是关键因素,从而在最后的决赛路演中打动评委和观众。一个好的作品应该具有完整的设计、一定的规模、充足的验证结果以及处于国际先进水平的性能。 

4、又是一年高考发榜时,作为西电的优秀学生代表,你们对于广大考生有哪些想说的?

加油师弟师妹们!祝愿你们考上心仪的学校,同时也欢迎大家报考西安电子科技大学,更欢迎大家报考西安电子科技大学微电子学院!祖国的集成电路事业发展需要你们,期待与你们在西电的校园相遇!