對(duì)話澳門大學(xué)麥沛然：開(kāi)發(fā)“無(wú)電池智能電子芯片”，聚焦集成電路解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用痛點(diǎn)

在高度數(shù)字化的當(dāng)下，集成電路技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為推動(dòng)科技進(jìn)步的核心動(dòng)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(hào)集成電路。模擬電路側(cè)重處理連續(xù)變化的信號(hào)，可精準(zhǔn)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(zhǎng)處理離散、二進(jìn)制形式的信息，易于傳輸、處理和存儲(chǔ)；混合信號(hào)集成電路則集兩者之所長(zhǎng)，充分發(fā)揮模擬和數(shù)字電路各種的優(yōu)勢(shì)。

以大家手中的智能手機(jī)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(hào)輸入、接收和發(fā)送無(wú)線信號(hào)，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(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換等。

在無(wú)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(lái)的 6G 通信技術(shù)，業(yè)界對(duì)于集成電路的延遲、集成度、電力供應(yīng)等多個(gè)方面提出更高的要求。與此同時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)等，離不開(kāi)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(zhǎng)、模擬與混合信號(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任麥沛然教授（來(lái)源：受訪者）

近日，「問(wèn)芯」采訪了澳門大學(xué)模擬與混合信號(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任麥沛然教授，訪談中他圍繞實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)階段研究進(jìn)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(gè)層面進(jìn)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(zhǎng)、教授，模擬與混合信號(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，同時(shí)他也是長(zhǎng)江學(xué)者講座教授、中國(guó)科學(xué)院特聘海外評(píng)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(tuán)隊(duì)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(jì)、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(gè)領(lǐng)域。

麥沛然曾先后主持 10 余項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、港澳科技成果來(lái)粵轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、澳門科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)和國(guó)家科技部聯(lián)合項(xiàng)目等。2011 年，他獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，自 2012 年起他已獲得 7 項(xiàng)澳門科技發(fā)明獎(jiǎng)和特別獎(jiǎng)，并在 2022 年獲澳門首個(gè)科學(xué)探索獎(jiǎng)、2023 年獲 ISSCC 70 周年杰出貢獻(xiàn)者獎(jiǎng)等。

截至目前，麥沛然和團(tuán)隊(duì)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(guó)及美國(guó)發(fā)明專利 30 余項(xiàng)。

聚焦模擬和射頻集成電路設(shè)計(jì)解決痛點(diǎn)問(wèn)題

圍繞模擬和射頻集成電路設(shè)計(jì)，麥沛然首先向「問(wèn)芯」分享了他和團(tuán)隊(duì)此前所取得的一系列科研成果。“信息系統(tǒng)中信號(hào)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(hào)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵。”他指出。

“模擬電路中的射頻收發(fā)器通過(guò)管理射頻信號(hào)的發(fā)送和接收在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信，模擬電路中的模擬采集界面對(duì)來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)進(jìn)行處理以便進(jìn)行后續(xù)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理，這些組件共同構(gòu)建了信號(hào)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(jìng)爭(zhēng)力。”麥沛然補(bǔ)充說(shuō)。

據(jù)介紹，在高性能多頻段無(wú)線收發(fā)器電路協(xié)同融合方面，麥沛然團(tuán)隊(duì)曾開(kāi)發(fā)出一類增益型多路（N-path）開(kāi)關(guān)電容前端電路設(shè)計(jì)方法，建立等效電路模型并綜合開(kāi)關(guān)電容濾波器理論，設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)電容濾波器的調(diào)節(jié)和設(shè)計(jì)方法已經(jīng)應(yīng)用在多頻 5G 無(wú)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(wèn)題，同時(shí)還減小 5G 通信系統(tǒng)成本，提高能效。”麥沛然介紹說(shuō)。

圖｜麥沛然團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的 N-path 開(kāi)關(guān)電容前端電路設(shè)計(jì)方法（來(lái)源：受訪者）

“在模擬信號(hào)采集界面和模擬計(jì)算協(xié)同融合方面，我們圍繞模擬信號(hào)采集界面和模擬電路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算單元開(kāi)發(fā)出一種高效、全動(dòng)態(tài)功率信號(hào)鏈芯片處理技術(shù)，解決了開(kāi)銷與性能的權(quán)衡問(wèn)題，提升信號(hào)處理的質(zhì)量，可廣泛應(yīng)用于便攜式噪聲活動(dòng)檢測(cè)、關(guān)鍵詞識(shí)別，以及核磁共振系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。”麥沛然介紹道。

此外，在超低功耗無(wú)線收發(fā)器電路協(xié)同融合方面，他和團(tuán)隊(duì)針對(duì)功耗難題，提出了利用超低電壓及無(wú)源器件來(lái)提升效率的方法。“我們研制出的高效收發(fā)器能在有限電池供電條件下最大化的提升信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量與壽命，達(dá)到當(dāng)前報(bào)道國(guó)際同類研究最好的能效指標(biāo)，同時(shí)相關(guān)技術(shù)魯棒性高，可廣泛應(yīng)用于模擬及混合信號(hào)超低功耗集成電路，應(yīng)用前景廣闊。”麥沛然表示。

圖｜麥沛然團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的高效信號(hào)鏈芯片處理技術(shù)（來(lái)源：受訪者）

正如剛才所提到的“功耗”痛點(diǎn)，目前各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在為人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)也伴隨一些“困擾”，其中以電池問(wèn)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(tuán)隊(duì)也在致力于解決一系列物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中對(duì)全能量采集無(wú)電池智能芯片的長(zhǎng)期需求，讓芯片在具備一定計(jì)算能力和感知能力的同時(shí)進(jìn)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一類“無(wú)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(wú)電池智能電子芯片將成為人機(jī) / 機(jī)機(jī)無(wú)縫互聯(lián)的關(guān)鍵硬件基礎(chǔ)。”麥沛然指出，“各類型的手持和可穿戴設(shè)備必須取得更大的無(wú)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(duì)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。”

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

圖｜麥沛然的“無(wú)電池智能電子芯片”項(xiàng)目入選 2022 年度“科學(xué)探索獎(jiǎng)”（來(lái)源：受訪者）

談及未來(lái)幾年集成電路技術(shù)的發(fā)展，麥沛然表示，“當(dāng)前，國(guó)際上信號(hào)鏈芯片大多采用傳統(tǒng)有源及高靜態(tài)功率架構(gòu)，這會(huì)影響可集成性及信號(hào)鏈芯片的能效，同時(shí)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(dú)立設(shè)計(jì)，缺乏系統(tǒng)級(jí)的協(xié)同設(shè)計(jì)與相互優(yōu)化，面臨性能提升與功耗和能效的矛盾。”

“在復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景中，提升芯片集成度和減少能耗實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)融合，是破解上述應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵。”他說(shuō)道。

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

從蒸汽機(jī)的發(fā)明開(kāi)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(dòng)社會(huì)進(jìn)步的源動(dòng)力。而衡量一項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值很大程度上在于其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的能力和對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)。

產(chǎn)業(yè)層面，麥沛然和團(tuán)隊(duì)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(jiǎn)稱：迪奇生物）。

（來(lái)源：公司官網(wǎng)）

作為澳門大學(xué)首次通過(guò)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(dòng)檢測(cè)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(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)十余年的自動(dòng)化核酸分析技術(shù)獨(dú)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(tuán)隊(duì)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(tái)。以數(shù)字微流控技術(shù)為核心，迪奇生物目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種自動(dòng)化核酸分析系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)自動(dòng)化體外診斷，包括核酸診斷、細(xì)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(dòng)植物病害檢測(cè)、健康指標(biāo)檢測(cè)、進(jìn)出口檢驗(yàn)檢疫和食品安全檢測(cè)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(cè)超 6 種疾病，目前該設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入快速檢測(cè)和食品安全檢測(cè)市場(chǎng)。

“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(jiǎn)單，從取樣到出檢測(cè)結(jié)果只需要 30 分鐘，大幅提高檢測(cè)效率，解決了傳統(tǒng)核酸檢測(cè)需要復(fù)雜的人員操作和特殊的檢測(cè)部位等一系列挑戰(zhàn)。”麥沛然介紹道。

現(xiàn)階段，迪奇生物針對(duì) Virus Hunter 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出升級(jí)版本“即時(shí)檢測(cè)一體機(jī) Virus Hunter Plus”，該設(shè)備不受限于專業(yè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠滿足多場(chǎng)景檢測(cè)需求，核酸提取和擴(kuò)增在同一張芯片上完成，反應(yīng)過(guò)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(cè)、農(nóng)業(yè)病害檢測(cè)、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(zhǎng)期以來(lái)，麥沛然致力于集成電路設(shè)計(jì)的普及和推廣。作為國(guó)際公認(rèn)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?cè)?7 次獲 IEEE 固態(tài)電路學(xué)會(huì)研究生成就獎(jiǎng)，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(zhǎng)環(huán)境其實(shí)存在較大的差異。“以上海為例，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(jìng)爭(zhēng)激烈，但在澳門相對(duì)沒(méi)有那么大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，在澳門成長(zhǎng)的年輕人壓力會(huì)小一些，但是也可能因?yàn)閴毫π∫恍┧愿?jìng)爭(zhēng)力會(huì)差一些。總體來(lái)說(shuō)，還是希望兩者之間要有平衡，這是不容易的。”他解釋道。

在麥沛然看來(lái)，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(dòng)手的機(jī)會(huì)。“如果他們從小每天討論的就是科學(xué)研究和發(fā)展的話，顯然這會(huì)對(duì)他們的未來(lái)帶來(lái)很大影響。”他說(shuō)道。

他進(jìn)一步指出，“當(dāng)你參加一個(gè)比賽的時(shí)候你肯定會(huì)努力爭(zhēng)第一，但我們要明白，國(guó)家在科學(xué)上要發(fā)展，要得到一個(gè)成果，可能要更多年輕人愿意投身科技行業(yè)，在這個(gè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值和更大的社會(huì)價(jià)值。”麥沛然表示，“我希望青年應(yīng)該能夠更主動(dòng)地了解國(guó)家的發(fā)展，讓自己的職業(yè)生涯能夠發(fā)揮更大的價(jià)值，擁有這種由內(nèi)而外的拼搏精神，才能發(fā)展成為一個(gè)優(yōu)秀的人才。”

圖｜麥沛然與部分團(tuán)隊(duì)成員合照（來(lái)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(tuán)隊(duì)和近 300 名研究生組成的集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)成為業(yè)界公認(rèn)的“人才高地”，獲得國(guó)際同行認(rèn)可。“我們團(tuán)隊(duì)與橫琴深合區(qū)的相關(guān)企業(yè)已開(kāi)展了多個(gè)科研項(xiàng)目及短期課程，企業(yè)為澳大研究生及準(zhǔn)畢業(yè)生提供了大量實(shí)習(xí)和就業(yè)崗位，通過(guò)大學(xué)高水平的研發(fā)實(shí)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。”他說(shuō)道。

“推進(jìn)‘政、產(chǎn)、學(xué)、研’深度融合，企業(yè)的發(fā)展壯大就會(huì)更加順暢，同時(shí)也能創(chuàng)造更多就業(yè)機(jī)會(huì)，吸引更多澳門人投身集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)，形成互促互進(jìn)的良性循環(huán)。”麥沛然表示，“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(wèn)題，引領(lǐng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，利用數(shù)字化科技等技術(shù)降低成本，拓展更多商機(jī)。”

訪談接近尾聲，麥沛然坦言，“我在澳門土生土長(zhǎng)四十余載，從大學(xué)求學(xué)到出任教職工作也已超過(guò)四分之一個(gè)世紀(jì)，深刻體會(huì)到國(guó)家對(duì)高質(zhì)量發(fā)展的決心和澳門特區(qū)政府在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)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。”他總結(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

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