中科院微电子所在超低功耗IC与AI领域取得新进展

近日，中科院微电子所感知中心低功耗智能技术与微系统团队在低功耗集成电路设计与人工智能领域取得新进展，成功研发出基于亚阈值技术的超低功耗基础电路单元以及超低功耗语音关键词识别技术，可广泛应用于低功耗智能芯片与微系统。  

　　功耗已成为制约集成电路发展的重要瓶颈。亚阈值技术通过将芯片工作电压降低到晶体管的阈值电压附近，可大幅降低数字系统的功耗。团队研发出nW级高精度上电复位电路^[1]，有效拓宽了该上电复位电路的应用领域。测试结果表明，该上电复位电路功耗低至32nW，温度系数低至227μV/°C（如图1所示）。为适应自供电系统等极低功耗应用场景，团队研发了pW级上电复位电路^[2]，可灵活配置复位阈值电压。测试结果表明，该上电复位电路功耗低至365pW，在不同配置下上电复位阈值电压分别为0.76V和0.46V，可广泛应用于极低功耗微系统（如图2所示）。为适应宽电压范围的极低功耗应用场景，团队研发出pW级宽范围电平转换器^[3]，通过使用堆叠式上拉网络（SPUN）和超关断下拉网络（SCPDN）改善了静态漏电和翻转能量（如图3所示）。SPUN可将输出低电平时的漏电流减少至1/2，SCPDN可将输出高、低电平时的漏电流分别减少至1/7.6和1/18。测试结果显示，该电平转换器静态功耗低至21.62 pW（如图4所示）。 

　　超低功耗语音关键词识别是人工智能芯片的重要应用领域。科研团队^[4]首次提出了基于误差扩散的语音特征量化算法实现紧凑的二值化语音特征量化以降低语音唤醒模型运算复杂度。实验结果表明，基于该算法的3bit语音特征在2关键词任务下无精度损失，1bit下的精度损失仅1.5%（如图5所示）。 

　  基于以上研究的成果近期先后发表于期刊《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：乔树山研究员）、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：乔树山研究员）、期刊《AEU - International Journal of Electronics and Communications》( DOI: 10.1016/j.aeue.2021.154085，第一作者：博士研究生汪鹏，导师：周玉梅研究员）、期刊《IEEE Signal Processing Letters》（ DOI: 10.1109/LSP.2022.3179208，第一作者：博士研究生罗孟杰，导师：周玉梅研究员）。  

　　该研究得到国家重点研发计划、中科院、所长基金、行业部门、中科南京智能技术研究院等项目资助。   

　　论文链接:  

　　[1] https://ieeexplore.ieee.org/document/9748884

　　[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1434841122000516

　　[3]  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1434841121004829

　　[4] https://ieeexplore.ieee.org/document/9785719/

图1（a）nW级上电复位电路测试芯片显微照片；（b）不同温度下上电复位阈值电压测试结果；（c）不同温度下掉电复位阈值电压测试结果。

图2 （a）pW级上电复位电路测试芯片显微照片；（b）配置为高复位阈值电压时测试波形图；（c）配置为低复位阈值电压时测试波形图。

图3 pW级宽范围电平转换器结构

图4  pW级宽范围电平转换器的瞬态电压电流波形

图5 英文单词"happy"在不同量化算法下的梅尔频谱图