作為信息時代的基石，集成電路正以前所未有的速度改變人類生活。從電腦，到手機，再到大數據、物聯網、人工智能等一系列科技突破背后都離不開集成電路的加持。

以物聯網（IoT）為例，其通過連接多種電子設備，以及家電、車輛等實現數據收集與交換，提升生活便利性，在這一過程中，集成電路發(fā)揮著至關重要的作用，物聯網興起為集成電路發(fā)展開辟了新的應用場景。

集成度更高、功耗更低、性能更強的芯片是未來主流發(fā)展方向，然而，隨著摩爾定律逐漸接近物理極限，如何進一步提升集成電路的性能是擺在科學家面前的一道難題。

圍繞集成電路開發(fā)，近期「問芯」采訪了澳門大學微電子研究院李家明教授，訪談中他圍繞精密模擬集成電路設計，以及用于跨學科領域集成電路和系統(tǒng)研制方面的最新進展進行了分享與解讀。

圖｜澳門大學微電子研究院助理教授李家明博士（來源：受訪者）

李家明于 2012 年在澳門大學獲得電機及電子工程學士學位，同時他也是澳大榮譽學院的首屆畢業(yè)生，期間曾在美國羅徹斯特大學留學。本科畢業(yè)后被澳門大學錄取為博士研究生，研究方向主要圍繞用于定點診斷的 CMOS 核磁共振系統(tǒng)。博士畢業(yè)后，李家明獲聘為澳門大學濠江學者，三年任期期間曾赴哈佛大學從事博士后研究。從 2019 年起，他開始擔任澳門大學微電子研究院助理教授、博士生導師。

開發(fā)高速平行核磁共振技術降低檢測成本和時間

現階段，李家明和團隊的研究方向分別圍繞精密模擬集成電路設計，以及應用于跨學科研究的集成電路和系統(tǒng)研制。

其中一個研究課題是開發(fā)精密模擬基準 CMOS 集成電路，側重于物聯網設備的應用場景。“電壓 / 電流基準、振蕩器以及溫度傳感器等模擬基準電路，對于確保電子系統(tǒng)在各種電路（比如模數轉換、傳感器接口、功率管理和信號調節(jié)電路等）運行的準確性、穩(wěn)定性和可靠性至關重要。尤其是在物聯網電子應用場景，其對電路體積、電壓空間和功耗均有嚴格要求，而這給模擬精密基準的設計帶來了額外的挑戰(zhàn)和機遇。”他指出。

除此之外，將定制集成電路應用于跨學科領域也是他和團隊現階段的研究方向，圍繞這一方向現階段的一個課題是開發(fā)基于定制集成電路的微型核磁共振（NMR）/ 核磁共振成像（MRI）系統(tǒng)。

作為一種用于診斷和治療的關鍵技術，核磁共振成像儀是現代化醫(yī)院必備的診療設備，可用于診斷前交叉韌帶撕裂、炎癥，以及腫瘤等?！叭欢?，傳統(tǒng)商用核磁共振成像儀體積龐大而且昂貴，限制了它們的安裝數量及使用場合。因此，我們著手研發(fā)基于定制集成電路的核磁共振成像系統(tǒng)，其基于永久磁鐵產生用于磁化原子核的磁場，能夠讓儀器設備的體積大幅減小、價格大幅降低?！崩罴颐鞅硎?。

“除此之外，定制的集成電路可改良電路性能及令系統(tǒng)功能更為完善，還可有效擴展其應用場景?！彼a充說。

圖｜用于定點診斷的 CMOS 核磁共振系統(tǒng)（來源：澳門大學官網）

據介紹，他在哈佛大學從事博士后研究期間專注于開發(fā)高速平行核磁共振技術，通過增加可進行核磁共振實驗的位置及空間來加速采集數據的速度，進而減少實驗所需時間。

在這項研究中，他們通過并行化多個樣品的分析，使微型核磁共振儀實驗通量提高了 2-4 倍。這種并行化的方法通過兩種方式實現：一種是利用時間交錯的方法，在同一硅芯片上連接多個 NMR 線圈，并對多個樣品進行掃描；另一種是采用磁共振成像技術，同時測量多個樣品的松弛時間，不僅可以用于高分辨率的一維和二維光譜學，還可以用于多維弛豫成像。

這種微型核磁共振儀采用永久磁體和硅電子芯片相結合，能夠在不使用超導磁體的情況下實現高分辨率的多維核磁共振分析，具有高效、輕便、低功耗等特點，大幅提升核磁共振實驗的操作效率，可廣泛應用到生物檢測領域，比如血液、蛋白質的分析檢測等，并能大幅降低傳統(tǒng)生物檢測所需的成本和時間。目前，相關研究成果已經發(fā)表在 ACS Analytical Chemistry 上。

（來源：ACS Analytical Chemistry）

“市面上很多檢測方法大都需要借助大型儀器，并且涉及到大量人力和時間。我們開發(fā)的新型核磁共振技術大幅減小儀器的體積，同時也降低成本。未來隨著技術普及，無需在大型醫(yī)院，即使是較偏遠或落后地區(qū)的小型診所也能負擔得起，造福更多患者?！彼f道。

圍繞核磁共振成像系統(tǒng)，李家明和團隊開發(fā)了首個可用于微型多核核磁共振成像的定制芯片?！霸诙嗪撕舜殴舱竦膽弥校瑢π枰l(fā)送至原子的操控信號有更高要求，比如射頻信號的相位要達至 1° 的精度之下?；诖?，我們開發(fā)出了可達 0.7° 相位精度要求的信號發(fā)射器芯片，以適應微型多核核磁共振成像的應用。”他介紹說。

目前，相關研究成果已發(fā)表在 ISSCC 2024 上。ISSCC（International Solid-State Circuits Conference，國際固態(tài)電路會議）是學術界和工業(yè)界公認的全球集成電路設計領域最高級別會議，被稱為集成電路設計領域的“奧林匹克大會”。

已聯合企業(yè)進行技術轉化

圍繞集成電路設計，李家明表達了自己的一些理解和看法?！半娮觾x器可以說是現代社會不可或缺的資源，而集成電路則是所有電子儀器的核心，所以，集成電路行業(yè)的需求會持續(xù)增長?！彼f道。

“其中，行業(yè)未來發(fā)展的一個趨勢是自動化，工程師只需輸入特定的指令及條件，程序便會設計電路及進行初步布局，節(jié)省設計的時間。而作為學生，則需要對電路有更深刻的認識，以及了解不同電路的特性，如此才可以評價該在哪些情形使用特定架構的電路。”他補充說。

關于技術產業(yè)轉化方面，李家明團隊現階段正專注于“快速啟動晶體振動器”的設計與開發(fā)。

“傳統(tǒng)電子產品不需經常開機和關機，所以對電路啟動時間要求相對寬松。相較之下，物聯網電子的核心電路會周期性工作以降低整體功耗，所以對電路啟動時間及消耗能源要求較為苛刻。”他介紹道，“我們目前正在與企業(yè)合作開發(fā)可降低晶體振動器啟動時間的技術，以提升其性能?！?/p>

圖｜李家明和團隊發(fā)表在 ISSCC 2023 的一款快速啟動晶體振動器（來源：受訪者）

訪談最后，李家明結合自身成長經歷介紹了澳門大學在培養(yǎng)集成電路領域人才方面的一些特點。

“我早在中學時期開始對電子電路產生了興趣，所以選擇了電機及電子工程。而在讀本科時，有幸參與到模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點實驗室的研究，意識到微電子電路在跨學科應用及研究上的發(fā)展空間及機會，所以便選擇了集成電路方向作為日后的研究主題?！崩罴颐鹘榻B說，“與此同時，本科求學階段我認識了啟蒙老師、微電子領域專家麥沛然教授，他是我的良師益友，一直引導著我的成長。”

“在微電子集成電路領域，芯片設計最重要的驗證步驟是流片，把在電子程序里設計的電路轉化成實際的芯片，這樣才可以測試設計理念是否可行以及被領域的專家認可。然而，每次制造芯片的費用動輒數萬甚至數十萬元?！彼赋觥?/p>

“在這個方面，澳大的研究資源較為充裕，相對有更多流片的機會給到學生，此外，澳大也注重理論與實踐結合的教學模式，鼓勵學生參與科研項目以培養(yǎng)創(chuàng)新能力，實驗室會給予學生更大的研究自由度，這有助于把一些前瞻的研究主題或理念實現落地應用?！彼偨Y道。

參考資料：

1.https://ime.um.edu.mo/zh-hans/people-zh-hans/ka-meng-lei/

2.https://www.um.edu.mo/zh-hant/news-and-press-releases/campus-news/detail/42286/

3.https://ieeexplore.ieee.org/author/37078239100

4.https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10454322