在高度數(shù)字化的當下，集成電路技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為推動科技進步的核心動力之一。

集成電路按功能可分為模擬電路、數(shù)字電路以及混合信號集成電路。模擬電路側(cè)重處理連續(xù)變化的信號，可精準表征物理世界自然現(xiàn)象，比如聲音、圖像和溫度等；數(shù)字電路擅長處理離散、二進制形式的信息，易于傳輸、處理和存儲；混合信號集成電路則集兩者之所長，充分發(fā)揮模擬和數(shù)字電路各種的優(yōu)勢。

以大家手中的智能手機為例，其包含了三種類型的集成電路：模擬電路處理傳感器信號輸入、接收和發(fā)送無線信號，數(shù)字電路處理數(shù)據(jù)和用戶界面等功能，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）對兩種信號進行轉(zhuǎn)換等。

在無線通信領(lǐng)域，隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模普及商用以及即將到來的 6G 通信技術(shù)，業(yè)界對于集成電路的延遲、集成度、電力供應(yīng)等多個方面提出更高的要求。與此同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要體積小、低功耗的傳感器將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號等，離不開高效的模擬前端和智能數(shù)字處理能力。

圖｜澳門大學(xué)微電子研究院副院長、模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點實驗室主任麥沛然教授（來源：受訪者）

近日，「問芯」采訪了澳門大學(xué)模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點實驗室主任麥沛然教授，訪談中他圍繞實驗室現(xiàn)階段研究進展，集成電路面臨挑戰(zhàn)和突破思路，以及技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)等多個層面進行分享與解讀。

麥沛然在澳門大學(xué)取得學(xué)士和博士學(xué)位，目前他是澳門大學(xué)微電子研究院副院長、教授，模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點實驗室主任，同時他也是長江學(xué)者講座教授、中國科學(xué)院特聘海外評審專家，以及 IEEE Fellow、IET Fellow、RSC Fellow 等，并在今年入選葡萄牙里斯本科學(xué)院院士（外籍）。他和團隊專注于集成電路和跨學(xué)科系統(tǒng)研究，涵蓋模擬和射頻電路理論與設(shè)計、數(shù)字微流控技術(shù)與應(yīng)用、微型核磁共振和成像等多個領(lǐng)域。

麥沛然曾先后主持 10 余項國家重點實驗室項目、港澳科技成果來粵轉(zhuǎn)化項目、澳門科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金重點研發(fā)專項和國家科技部聯(lián)合項目等。2011 年，他獲國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎，自 2012 年起他已獲得 7 項澳門科技發(fā)明獎和特別獎，并在 2022 年獲澳門首個科學(xué)探索獎、2023 年獲 ISSCC 70 周年杰出貢獻者獎等。

截至目前，麥沛然和團隊已在 IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), IEEE Transactions 系列期刊上發(fā)表論文 150 余篇（含 JSSC 論文 50 余篇），已獲授權(quán)中國及美國發(fā)明專利 30 余項。

聚焦模擬和射頻集成電路設(shè)計解決痛點問題

圍繞模擬和射頻集成電路設(shè)計，麥沛然首先向「問芯」分享了他和團隊此前所取得的一系列科研成果?！靶畔⑾到y(tǒng)中信號鏈相關(guān)集成電路是電子信息技術(shù)的核心，其中模擬電路是構(gòu)成高效信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵?！彼赋?。

“模擬電路中的射頻收發(fā)器通過管理射頻信號的發(fā)送和接收在設(shè)備間實現(xiàn)了無線通信，模擬電路中的模擬采集界面對來自傳感器的模擬信號進行處理以便進行后續(xù)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理，這些組件共同構(gòu)建了信號鏈的主要組成部分，它們的效能直接決定著電子信息技術(shù)發(fā)展的核心競爭力?！丙溑嫒谎a充說。

據(jù)介紹，在高性能多頻段無線收發(fā)器電路協(xié)同融合方面，麥沛然團隊曾開發(fā)出一類增益型多路（N-path）開關(guān)電容前端電路設(shè)計方法，建立等效電路模型并綜合開關(guān)電容濾波器理論，設(shè)計出一系列融合濾波功能的收發(fā)器。

“我們提出的基于 N-path 開關(guān)電容濾波器的調(diào)節(jié)和設(shè)計方法已經(jīng)應(yīng)用在多頻 5G 無線通信 TDD 和 FDD 前端電路，克服了多頻覆蓋表面聲波（SAW）濾波器不靈活引起的問題，同時還減小 5G 通信系統(tǒng)成本，提高能效?！丙溑嫒唤榻B說。

圖｜麥沛然團隊開發(fā)出的 N-path 開關(guān)電容前端電路設(shè)計方法（來源：受訪者）

“在模擬信號采集界面和模擬計算協(xié)同融合方面，我們圍繞模擬信號采集界面和模擬電路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算單元開發(fā)出一種高效、全動態(tài)功率信號鏈芯片處理技術(shù)，解決了開銷與性能的權(quán)衡問題，提升信號處理的質(zhì)量，可廣泛應(yīng)用于便攜式噪聲活動檢測、關(guān)鍵詞識別，以及核磁共振系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域?！丙溑嫒唤榻B道。

此外，在超低功耗無線收發(fā)器電路協(xié)同融合方面，他和團隊針對功耗難題，提出了利用超低電壓及無源器件來提升效率的方法?！拔覀冄兄瞥龅母咝瞻l(fā)器能在有限電池供電條件下最大化的提升信號傳輸?shù)馁|(zhì)量與壽命，達到當前報道國際同類研究最好的能效指標，同時相關(guān)技術(shù)魯棒性高，可廣泛應(yīng)用于模擬及混合信號超低功耗集成電路，應(yīng)用前景廣闊?！丙溑嫒槐硎?。

圖｜麥沛然團隊開發(fā)的高效信號鏈芯片處理技術(shù)（來源：受訪者）

正如剛才所提到的“功耗”痛點，目前各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在為人們生活帶來便利的同時也伴隨一些“困擾”，其中以電池問題尤為突出，畢竟大部分物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都采用電池供電。

“我們團隊也在致力于解決一系列物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中對全能量采集無電池智能芯片的長期需求，讓芯片在具備一定計算能力和感知能力的同時進一步減少電量消耗。”麥沛然表示。

圍繞這一產(chǎn)業(yè)需求，他和團隊開發(fā)出一類“無電池智能電子芯片”，解決了大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)瓶頸 —— 電池更換和電池污染兩大難題。

“無電池智能電子芯片將成為人機 / 機機無縫互聯(lián)的關(guān)鍵硬件基礎(chǔ)?！丙溑嫒恢赋?，“各類型的手持和可穿戴設(shè)備必須取得更大的無線通訊和智能學(xué)習(xí)技術(shù)突破，以提高整體性能和能源效益，減少對電池的依賴，助力碳中和以及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展?！?/p>

值得一提的是，麥沛然憑借“無電池智能電子芯片”項目入選了 2022 年度“科學(xué)探索獎”，而他也成為這一獎項的澳門首位獲獎?wù)摺?/p>

圖｜麥沛然的“無電池智能電子芯片”項目入選 2022 年度“科學(xué)探索獎”（來源：受訪者）

談及未來幾年集成電路技術(shù)的發(fā)展，麥沛然表示，“當前，國際上信號鏈芯片大多采用傳統(tǒng)有源及高靜態(tài)功率架構(gòu)，這會影響可集成性及信號鏈芯片的能效，同時限制電池供電電子信息技術(shù)吞吐量和產(chǎn)品壽命；傳統(tǒng)模擬電路是獨立設(shè)計，缺乏系統(tǒng)級的協(xié)同設(shè)計與相互優(yōu)化，面臨性能提升與功耗和能效的矛盾?！?/p>

“在復(fù)雜的應(yīng)用場景中，提升芯片集成度和減少能耗實現(xiàn)設(shè)計融合，是破解上述應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵。”他說道。

聯(lián)合創(chuàng)立澳大首個“產(chǎn)學(xué)研”創(chuàng)業(yè)公司

從蒸汽機的發(fā)明開啟了工業(yè)革命，到互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變了信息傳播的方式，技術(shù)創(chuàng)新是推動社會進步的源動力。而衡量一項技術(shù)的價值很大程度上在于其實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的能力和對社會的貢獻。

產(chǎn)業(yè)層面，麥沛然和團隊聯(lián)合創(chuàng)立了澳門大學(xué)的第一家衍生企業(yè) —— 珠海市迪奇孚瑞生物科技有限公司（簡稱：迪奇生物）。

（來源：公司官網(wǎng)）

作為澳門大學(xué)首次通過技術(shù)轉(zhuǎn)移成功孵化的企業(yè)，迪奇生物成立于 2018 年，是一家專注于自動檢測的生物技術(shù)公司。

據(jù)了解，澳門大學(xué)在技術(shù)、資源等方面給予了迪奇生物大量支持，將模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點實驗室研發(fā)十余年的自動化核酸分析技術(shù)獨家授權(quán)給了迪奇生物。

技術(shù)層面，迪奇生物的核心技術(shù)主要源自麥沛然團隊研發(fā)的用于生物 / 化學(xué)診斷的新型智能數(shù)字微流控（iDMF）平臺。以數(shù)字微流控技術(shù)為核心，迪奇生物目前已經(jīng)開發(fā)出多種自動化核酸分析系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)精準自動化體外診斷，包括核酸診斷、細胞分析、微生物分析、綜合分子生物分析等，現(xiàn)階段的業(yè)務(wù)布局涵蓋醫(yī)療疾病診斷、動植物病害檢測、健康指標檢測、進出口檢驗檢疫和食品安全檢測等領(lǐng)域。

產(chǎn)品方面，據(jù)介紹，迪奇生物的主打產(chǎn)品“Virus Hunter”結(jié)合了模擬電路技術(shù)與數(shù)字微流控技術(shù)，單芯片可檢測超 6 種疾病，目前該設(shè)備已經(jīng)進入快速檢測和食品安全檢測市場。

“Virus Hunter 產(chǎn)品已獲得二類醫(yī)療器械證，設(shè)備體積小，成本低，攜帶方便，操作簡單，從取樣到出檢測結(jié)果只需要 30 分鐘，大幅提高檢測效率，解決了傳統(tǒng)核酸檢測需要復(fù)雜的人員操作和特殊的檢測部位等一系列挑戰(zhàn)?！丙溑嫒唤榻B道。

現(xiàn)階段，迪奇生物針對 Virus Hunter 已經(jīng)開發(fā)出升級版本“即時檢測一體機 Virus Hunter Plus”，該設(shè)備不受限于專業(yè)實驗環(huán)境，能夠滿足多場景檢測需求，核酸提取和擴增在同一張芯片上完成，反應(yīng)過程全在封閉的芯片內(nèi)完成，避免交叉污染，可廣泛用于醫(yī)療體外診斷、食品安全檢測、農(nóng)業(yè)病害檢測、寵物病原診斷等領(lǐng)域。

從 0 到 1 打造澳門集成電路產(chǎn)業(yè)的“人才高地”

長期以來，麥沛然致力于集成電路設(shè)計的普及和推廣。作為國際公認的集成電路領(lǐng)域的專家，他尤為重視人才的培養(yǎng)。

據(jù)介紹，截至目前，麥沛然已經(jīng)培養(yǎng)出一流水平研究生 60 余名，他們曾 7 次獲 IEEE 固態(tài)電路學(xué)會研究生成就獎，畢業(yè)后受聘于華為、高通、意法半導(dǎo)體、聯(lián)發(fā)科等公司，受聘的學(xué)術(shù)單位包括澳門大學(xué)、中山大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、新加坡科技研究局（A*STAR）等。

談及在培養(yǎng)年輕科研人才方面的心得，麥沛然表示，內(nèi)地青年和澳門青年的成長環(huán)境其實存在較大的差異?！耙陨虾槔?，孩子要上很好的幼兒園才有可能上很好的小學(xué)、很好的中學(xué)、很好的大學(xué)，人才競爭激烈，但在澳門相對沒有那么大的競爭壓力，在澳門成長的年輕人壓力會小一些，但是也可能因為壓力小一些所以競爭力會差一些?？傮w來說，還是希望兩者之間要有平衡，這是不容易的?！彼忉尩?。

在麥沛然看來，若是想要培養(yǎng)更多優(yōu)秀的青年在科學(xué)上發(fā)展，可能需要在中學(xué)期間就要給學(xué)生更大的挑選空間，給他們每天動手的機會?！叭绻麄儚男∶刻煊懻摰木褪强茖W(xué)研究和發(fā)展的話，顯然這會對他們的未來帶來很大影響。”他說道。

他進一步指出，“當你參加一個比賽的時候你肯定會努力爭第一，但我們要明白，國家在科學(xué)上要發(fā)展，要得到一個成果，可能要更多年輕人愿意投身科技行業(yè)，在這個過程中實現(xiàn)自我價值和更大的社會價值。”麥沛然表示，“我希望青年應(yīng)該能夠更主動地了解國家的發(fā)展，讓自己的職業(yè)生涯能夠發(fā)揮更大的價值，擁有這種由內(nèi)而外的拼搏精神，才能發(fā)展成為一個優(yōu)秀的人才?！?/p>

圖｜麥沛然與部分團隊成員合照（來源：受訪者）

目前，麥沛然在澳門大學(xué)帶領(lǐng)的由逾 20 人的教授團隊和近 300 名研究生組成的集成電路國家重點實驗室團隊，已經(jīng)成為業(yè)界公認的“人才高地”，獲得國際同行認可?！拔覀儓F隊與橫琴深合區(qū)的相關(guān)企業(yè)已開展了多個科研項目及短期課程，企業(yè)為澳大研究生及準畢業(yè)生提供了大量實習(xí)和就業(yè)崗位，通過大學(xué)高水平的研發(fā)實力和優(yōu)秀的研究生助力深合區(qū)集成電路產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展?！彼f道。

“推進‘政、產(chǎn)、學(xué)、研’深度融合，企業(yè)的發(fā)展壯大就會更加順暢，同時也能創(chuàng)造更多就業(yè)機會，吸引更多澳門人投身集成電路設(shè)計行業(yè)，形成互促互進的良性循環(huán)?！丙溑嫒槐硎?，“培育本地專才和科創(chuàng)企業(yè)能有效解決青年人就業(yè)問題，引領(lǐng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，利用數(shù)字化科技等技術(shù)降低成本，拓展更多商機?！?/p>

訪談接近尾聲，麥沛然坦言，“我在澳門土生土長四十余載，從大學(xué)求學(xué)到出任教職工作也已超過四分之一個世紀，深刻體會到國家對高質(zhì)量發(fā)展的決心和澳門特區(qū)政府在推動經(jīng)濟適度多元發(fā)展方面的決心，這定能為下一代青年創(chuàng)造更廣闊的發(fā)展空間?！彼偨Y(jié)道。

參考資料：

1.https://sites.google.com/view/elvispimak/home

2.https://www.fst.um.edu.mo/people/pimak/

3.https://digifluidic.com/cn/home

4.https://digifluidic.com/cn/staff

5.https://digifluidic.com/cn/services1

6.https://digifluidic.com/cn/services3