專訪澳大李家明：開(kāi)發(fā)首個(gè)用于「微型多核核磁共振成像」定制芯片，降低檢測(cè)成本及時(shí)間

作為信息時(shí)代的基石，集成電路正以前所未有的速度改變?nèi)祟惿?。從電腦，到手機(jī)，再到大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等一系列科技突破背后都離不開(kāi)集成電路的加持。

以物聯(lián)網(wǎng)（IoT）為例，其通過(guò)連接多種電子設(shè)備，以及家電、車輛等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與交換，提升生活便利性，在這一過(guò)程中，集成電路發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，物聯(lián)網(wǎng)興起為集成電路發(fā)展開(kāi)辟了新的應(yīng)用場(chǎng)景。

集成度更高、功耗更低、性能更強(qiáng)的芯片是未來(lái)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(jìn)一步提升集成電路的性能是擺在科學(xué)家面前的一道難題。

圍繞集成電路開(kāi)發(fā)，近期「問(wèn)芯」采訪了澳門大學(xué)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(shè)計(jì)，以及用于跨學(xué)科領(lǐng)域集成電路和系統(tǒng)研制方面的最新進(jìn)展進(jìn)行了分享與解讀。

圖｜澳門大學(xué)微電子研究院助理教授李家明博士（來(lái)源：受訪者）

李家明于 2012 年在澳門大學(xué)獲得電機(jī)及電子工程學(xué)士學(xué)位，同時(shí)他也是澳大榮譽(yù)學(xué)院的首屆畢業(yè)生，期間曾在美國(guó)羅徹斯特大學(xué)留學(xué)。本科畢業(yè)后被澳門大學(xué)錄取為博士研究生，研究方向主要圍繞用于定點(diǎn)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(xué)濠江學(xué)者，三年任期期間曾赴哈佛大學(xué)從事博士后研究。從 2019 年起，他開(kāi)始擔(dān)任澳門大學(xué)微電子研究院助理教授、博士生導(dǎo)師。

開(kāi)發(fā)高速平行核磁共振技術(shù)降低檢測(cè)成本和時(shí)間

現(xiàn)階段，李家明和團(tuán)隊(duì)的研究方向分別圍繞精密模擬集成電路設(shè)計(jì)，以及應(yīng)用于跨學(xué)科研究的集成電路和系統(tǒng)研制。

其中一個(gè)研究課題是開(kāi)發(fā)精密模擬基準(zhǔn) CMOS 集成電路，側(cè)重于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景?！半妷?/ 電流基準(zhǔn)、振蕩器以及溫度傳感器等模擬基準(zhǔn)電路，對(duì)于確保電子系統(tǒng)在各種電路（比如模數(shù)轉(zhuǎn)換、傳感器接口、功率管理和信號(hào)調(diào)節(jié)電路等）運(yùn)行的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。尤其是在物聯(lián)網(wǎng)電子應(yīng)用場(chǎng)景，其對(duì)電路體積、電壓空間和功耗均有嚴(yán)格要求，而這給模擬精密基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。”他指出。

除此之外，將定制集成電路應(yīng)用于跨學(xué)科領(lǐng)域也是他和團(tuán)隊(duì)現(xiàn)階段的研究方向，圍繞這一方向現(xiàn)階段的一個(gè)課題是開(kāi)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(guān)鍵技術(shù)，核磁共振成像儀是現(xiàn)代化醫(yī)院必備的診療設(shè)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(shù)量及使用場(chǎng)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(chǎn)生用于磁化原子核的磁場(chǎng)，能夠讓儀器設(shè)備的體積大幅減小、價(jià)格大幅降低?！崩罴颐鞅硎尽?/p>

“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(kuò)展其應(yīng)用場(chǎng)景?！彼a(bǔ)充說(shuō)。

圖｜用于定點(diǎn)診斷的 CMOS 核磁共振系統(tǒng)（來(lái)源：澳門大學(xué)官網(wǎng)）

據(jù)介紹，他在哈佛大學(xué)從事博士后研究期間專注于開(kāi)發(fā)高速平行核磁共振技術(shù)，通過(guò)增加可進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)的位置及空間來(lái)加速采集數(shù)據(jù)的速度，進(jìn)而減少實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間。

在這項(xiàng)研究中，他們通過(guò)并行化多個(gè)樣品的分析，使微型核磁共振儀實(shí)驗(yàn)通量提高了 2-4 倍。這種并行化的方法通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：一種是利用時(shí)間交錯(cuò)的方法，在同一硅芯片上連接多個(gè) NMR 線圈，并對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行掃描；另一種是采用磁共振成像技術(shù)，同時(shí)測(cè)量多個(gè)樣品的松弛時(shí)間，不僅可以用于高分辨率的一維和二維光譜學(xué)，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(jié)合，能夠在不使用超導(dǎo)磁體的情況下實(shí)現(xiàn)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(diǎn)，大幅提升核磁共振實(shí)驗(yàn)的操作效率，可廣泛應(yīng)用到生物檢測(cè)領(lǐng)域，比如血液、蛋白質(zhì)的分析檢測(cè)等，并能大幅降低傳統(tǒng)生物檢測(cè)所需的成本和時(shí)間。目前，相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在 ACS Analytical Chemistry 上。

（來(lái)源：ACS Analytical Chemistry）

“市面上很多檢測(cè)方法大都需要借助大型儀器，并且涉及到大量人力和時(shí)間。我們開(kāi)發(fā)的新型核磁共振技術(shù)大幅減小儀器的體積，同時(shí)也降低成本。未來(lái)隨著技術(shù)普及，無(wú)需在大型醫(yī)院，即使是較偏遠(yuǎn)或落后地區(qū)的小型診所也能負(fù)擔(dān)得起，造福更多患者?！彼f(shuō)道。

圍繞核磁共振成像系統(tǒng)，李家明和團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了首個(gè)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?yīng)用中，對(duì)需要發(fā)送至原子的操控信號(hào)有更高要求，比如射頻信號(hào)的相位要達(dá)至 1° 的精度之下?；诖?，我們開(kāi)發(fā)出了可達(dá) 0.7° 相位精度要求的信號(hào)發(fā)射器芯片，以適應(yīng)微型多核核磁共振成像的應(yīng)用?！彼榻B說(shuō)。

目前，相關(guān)研究成果已發(fā)表在 ISSCC 2024 上。ISSCC（International Solid-State Circuits Conference，國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議）是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界公認(rèn)的全球集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域最高級(jí)別會(huì)議，被稱為集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的“奧林匹克大會(huì)”。

已聯(lián)合企業(yè)進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)化

圍繞集成電路設(shè)計(jì)，李家明表達(dá)了自己的一些理解和看法?！半娮觾x器可以說(shuō)是現(xiàn)代社會(huì)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(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。”他說(shuō)道。

“其中，行業(yè)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)是自動(dòng)化，工程師只需輸入特定的指令及條件，程序便會(huì)設(shè)計(jì)電路及進(jìn)行初步布局，節(jié)省設(shè)計(jì)的時(shí)間。而作為學(xué)生，則需要對(duì)電路有更深刻的認(rèn)識(shí)，以及了解不同電路的特性，如此才可以評(píng)價(jià)該在哪些情形使用特定架構(gòu)的電路?！彼a(bǔ)充說(shuō)。

關(guān)于技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化方面，李家明團(tuán)隊(duì)現(xiàn)階段正專注于“快速啟動(dòng)晶體振動(dòng)器”的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

“傳統(tǒng)電子產(chǎn)品不需經(jīng)常開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)，所以對(duì)電路啟動(dòng)時(shí)間要求相對(duì)寬松。相較之下，物聯(lián)網(wǎng)電子的核心電路會(huì)周期性工作以降低整體功耗，所以對(duì)電路啟動(dòng)時(shí)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(kāi)發(fā)可降低晶體振動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)間的技術(shù)，以提升其性能。”

圖｜李家明和團(tuán)隊(duì)發(fā)表在 ISSCC 2023 的一款快速啟動(dòng)晶體振動(dòng)器（來(lái)源：受訪者）

訪談最后，李家明結(jié)合自身成長(zhǎng)經(jīng)歷介紹了澳門大學(xué)在培養(yǎng)集成電路領(lǐng)域人才方面的一些特點(diǎn)。

“我早在中學(xué)時(shí)期開(kāi)始對(duì)電子電路產(chǎn)生了興趣，所以選擇了電機(jī)及電子工程。而在讀本科時(shí)，有幸參與到模擬與混合信號(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究，意識(shí)到微電子電路在跨學(xué)科應(yīng)用及研究上的發(fā)展空間及機(jī)會(huì)，所以便選擇了集成電路方向作為日后的研究主題。”李家明介紹說(shuō)，“與此同時(shí)，本科求學(xué)階段我認(rèn)識(shí)了啟蒙老師、微電子領(lǐng)域?qū)＜饮溑嫒唤淌冢俏业牧紟熞嬗?，一直引?dǎo)著我的成長(zhǎng)?！?/p>

“在微電子集成電路領(lǐng)域，芯片設(shè)計(jì)最重要的驗(yàn)證步驟是流片，把在電子程序里設(shè)計(jì)的電路轉(zhuǎn)化成實(shí)際的芯片，這樣才可以測(cè)試設(shè)計(jì)理念是否可行以及被領(lǐng)域的專家認(rèn)可。然而，每次制造芯片的費(fèi)用動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)元。”他指出。

“在這個(gè)方面，澳大的研究資源較為充裕，相對(duì)有更多流片的機(jī)會(huì)給到學(xué)生，此外，澳大也注重理論與實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)模式，鼓勵(lì)學(xué)生參與科研項(xiàng)目以培養(yǎng)創(chuàng)新能力，實(shí)驗(yàn)室會(huì)給予學(xué)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(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。”他總結(jié)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