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【进展】北大王玮教授团队在芯片热管理领域取得进展

来源:乐鱼平台赞助的大巴黎    发布时间:2024-07-08 14:27:01

  随着GaN为代表的新一代宽禁带半导体材料的广泛应用,功率器件的性能大幅度提升。然而受限于器件热管理性能,目前GaN功率器件仅能发挥其理论性能的20%~30%。嵌入式微流体冷却技术将微流体集成在器件内部,避免了近乎所有的外部热阻,利用流体的直接对流换热完成热量的高效运输,因而具有强大的散热能力,被认为是未来最有可能突破热管理瓶颈的关键技术之一。然而,实际电子器件的器件结构多为两层以上的复合结构,发热模式也呈现出多尺寸趋势,这对于散热器的设计与制备提出了很大的挑战,在热设计时需要系统分析实际器件散热路径中的热阻构成,降低关键热阻。

  针对这一核心问题,北京大学集成电路学院、微米纳米加工技术全国重点实验室、集成电路高精尖创新中心王玮教授团队提出了一种双“H”歧管型嵌入式微通道散热方案,同时在该微通道散热器上集成了尺度可调的发热阵列,在不同工作模式下测试了微通道散热器对于不一样的尺寸热源的散热性能。经过实测,该微通道散热器针对500 × 500 μm2热源的散热热流密度达到1200 W/cm2以上,平均温升小于60 ℃,对流换热系数达到1.5×105 W/(m2∙K)。此外,该工作还基于实验数据构建了热流耦合仿真与理论模型,系统总结了在多场景下电子器件典型结构中的热汇热阻、一维传导热阻和扩散热阻的变化规律。研究之后发现,在基底尺寸固定的情况下,热点的尺寸从小到大的变化会导致器件中的主要热阻从扩散热阻转变至热汇热阻,因此针对点热源和面热源应该要依据其主要热阻的转变趋势采用不同的散热手段。

  该研究进一步深入探索了不一样的尺寸热源热管理的关键手段,当热源为点热源形式时(如高电子迁移率晶体管(HEMT)),主要热阻为扩散热阻,此时在热源近结区集成高导热材料是降低热阻的重要方式。在特定热点尺寸下,近结集成诸如单晶金刚石等高导热材料,较于氧化硅等低导热材料,总热阻能够更好的降低两个数量级。当热源为面热源形式时(如高性能AI计算芯片),主要热阻为热汇热阻,此时增强器件基底的对流换热能力是提升该类器件散热性能的重要方式,如通过优化微通道结构,增强热汇换热能力可以大大降低此类器件的热阻。该工作通过实验和理论计算解析了典型电子器件中的热阻构成并提出了相应的处理方法,为下一代具有复杂发热模式的芯片与集成芯片系统的热设计带来新的理解和思路。(来源: 北京大学集成电路学院)

  6月16日至6月20日,超大规模集成电路研讨会(Symposium on VLSI Technology and Circuits,简称VLSI)在美国夏威夷成功举办。本次大会,学院部分师生参会展示成果,并在会上与各国顶尖学者进行了充分的交流。在本届VLSI大会上,北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心有3篇高水平论文入选,向国际同行展示了相关方向的最新研究成果。上述3篇论文内容涉及新型超微缩倒装堆叠集成技术、异构领域定制AI SoC芯片、超高速大摆幅收发机芯片等前沿领域。论文的详细内容如下:

  集成电路先进制造技术正在向多层面的三维集成加速演进。在器件层面,CFET等堆叠晶体管技术(stacked transistor technology)被广泛讨论;在互连层面,晶圆背部互连正逐步被业界采纳。然而,当前CFET器件技术受制于大深宽比工艺和复杂制造流程,实际应用面临巨大挑战。针对上述技术难点和发展的新趋势,黄如院士团队的吴恒研究员等人等提出了一种新型超微缩倒装堆叠晶体管技术(Flip FET),其充分的利用晶圆背部进行晶体管级三维堆叠,有效地融合了晶圆背部互连和堆叠晶体管集成方法,可以极大提升芯片集成密度和电路设计灵活度。同时,制造流程可复用FinFET和当前主流的背部互连工艺,并且可有效克服当前CFET技术面临的大深宽比工艺和分离栅(Split Gate)实现难点,为超越下一代堆叠器件提供了新思路。

  异构SoC通常包括微处理器CPU和多个领域专用加速器(DSA),例如深度学习加速器。多样化的机器学习工作负载和异构架构对低功耗管理提出了挑战,即如何智能地在异构块中分配能耗,以端到端的角度获得系统级最小能量点。

  针对以上问题,黄如院士-叶乐教授、贾天宇研究员团队等提出了一种具有端到端能耗-事件-性能感知的系统级电源管理的异构TinyML SoC,实现了最低3.5µW和30000倍的峰值到空闲功耗比。这种端到端性能感知管理利用各种完全可综合的监视器来了解异构块的运作时的状态,并使用层次化的电压调节进行系统级的最小能量点搜索,相比于单一块的最小能量点,能节省超过28%的能耗。团队还开发了一种基于存内计算的两阶事件驱动唤醒方案,以减少超过87%的常开能耗。

  人工智能,大数据运算等技术的加快速度进行发展对以太网通信所需的光模块产品提出更高的要求。传统光模块依赖基于SiGe工艺的独立驱动器芯片将数字基带信号放大至激光调制器所需的大摆幅,但引入了较大的功耗,同时限制了数据传输速率的提升和光模块的进一步集成化。

  针对该问题,盖伟新教授团队研制了一款基于CMOS工艺的超高速大摆幅发送机芯片,研究并提出了一种新型驱动级电路,提高电路耐压范围的同时减小负载,提升驱动级电路带宽;同时,设计了一种低抖动脉冲发生器电路,将脉冲信号边沿抖动压缩至类似工作的十分之一以内。此外,团队还研制了一种高精度正交时钟产生电路,能够检测和校准多种超高速多相时钟所面临的相位误差。基于以上技术,团队采用12nm CMOS工艺完成了流片验证,并进行了性能测试和汇报。发送机芯片数据速率达到200Gb/s,驱动摆幅达到1.6Vppd,与已有的200G CMOS发送机相比实现了最大的驱动摆幅,驱动级电路功耗与SiGe驱动器芯片相比仅为15%,达到了国际领先水平。

  2005年,身兼复旦大学集成电路与系统国家重点实验室主任和华虹集成电路有限公司总经理的闵昊,已经跑赢了许多人,如果在这条跑道上继续下去……

  可惜没有如果。在内心将科研成果产业化的梦想感召下,他毅然决定从华虹离职,开启了并不平坦的创业之路。六位创始人,一栋租来的小别墅,坤锐电子——上海坤锐电子科技有限公司就这样成立了。从2005年到2023年,坤锐已经走过了波澜起伏的18个年头,正来到登陆长期资金市场的一个转折点。在本次访谈中,我们邀请到坤锐董事长闵昊、副总经理兼董秘杨林丽、副总经理(分管技术)李强和副总经理(分管运营)陆峰,他们不仅是公司的创始人或高管,而且也共同拥着复旦人的身份,让我们一起走进他们的求学从业经历和心路历程吧!

  提及自己从小学一直到出国访学的求学经历,闵昊强调了“兴趣”和“争取”两个关键词。乡村小镇的生活并未让闵昊感到苍白匮乏,相反他在不断拆卸组装的动手活动中找到了自己未来求学和奋斗的方向。“中学的时候,我们校办工厂里有一位员工喜欢修无线电设备,在他的带动下,我也对此产生了强烈的兴趣。我们会把家里的电子器件拆开来对着零件一番摆弄,会自己组装大喇叭音响,会从元器件采购开始尝试组装收音机。”也正是这样的年少经历,让闵昊在考入复旦大学时果断选择了无线电电子学专业,也由此开启了他与无线电、与集成电路行业、与RFID芯片的不解之缘。

  如果说“兴趣”让闵昊找到了求学的方向和愿意为之奋斗一生的事业,那“争取”则帮助他把握住了人生路上的每一个宝贵机会。“有时候一个机会看上去并不是你的,但如果你积极争取,转换思维方法,展现自己的优势,它也可能是独属于你的机会”,这是闵昊向自己学生传授的法宝,也是他在人生旅途中一直秉持的态度。从江苏昆山的乡镇高中考入人才济济的复旦大学,闵昊在开学见面会上就积极做出响应指导员的号召,踊跃表达了自己对于未来大学生活的憧憬和建议。正是这次大胆的发言,让他在指导员心里留下了深刻的印象,也让他获得了成为班级团支部书记的宝贵机会。此后的大学时光里,从班级团支书到院学生会副主席,到校学生会常委,再到校学生开发中心,每当机会在前方招手,闵昊总是积极主动地上前抓住。四年的学生工作经历让他锻炼了自己综合素质,接触到很多资源和机会,也为他之后走上创业之路奠定了一定的人脉基础。

  博士毕业之后,闵昊前往斯坦福大学公费访学。抵达目的地后才发现,国家每月650美元的资助可谓杯水车薪,连房租都无法覆盖,更遑论正常的学习和生活,他开始发挥主观能动性努力寻找“开源节流”的方法。在节流方面,他不仅通过斯坦福大学的低价租房平台找到了租金低廉、位置便捷的心仪房屋,而且凭借极具道理的理由,“租给夫妻更安全”说服房东放弃了“只租给单身女性”的要求,有了他夫人的陪伴和照料,房东老太太不仅免去了他们的房租,还补助了他夫人来美部分机票的费用。在开源方面,他主动向教授争取资助,通过教授的介绍获得了实习机会,每月超过1000美元的收入让他在美国的日常生活从容自如,可以毫无后顾之忧地畅游在科研的海洋中。

  访学结束之后,闵昊成为国家重点实验室的主任。恰逢国内909工程如火如荼地进行,复旦大学、华虹集团和中科院冶金所(现微系统所)合作成立了上海华虹集成电路有限责任公司,他因为过往出色的经历被华虹集团推荐为集成电路公司的总经理。在当时,同时担任实验室主任和公司CEO在理论上是不被允许的,但闵昊并没有被这些规矩所束缚,他抓住杨福家校长给予的15分钟宝贵时间,以“让科研所做的内容真正服务于企业,也让企业的运营收益给科研更多支持”的观点说服了杨校长,最终获得了学校的支持。

  海外访学及在华虹的工作经历让闵昊接触到丰富的前沿技术和业界资源,为日后坤锐电子的落地和发展积累了宝贵的经验。

  “芯片是一个很专业的东西,需要耐得住寂寞,用时间去积累和沉淀;也需要经得住风波,在艰苦的环境中还能坚定不移地做下去”,谈及坤锐的成长史,公司高管都表示并非一帆风顺。“这一路走来其实颇多坎坷,我们遭受过金融危机的打击,经历过整个半导体行业的衰落,也曾走到现金流紧缺的境地,幸好闵总拿自己的家底补进公司才有机会挺过来”,公司副总经理(分管市场营销及人事行政)兼董秘杨林丽不无感慨地说道。

  坤锐经历的第一道关卡是金融危机。2007年年初公司投入大笔资金做出了产品,2008年年初产品拿到了国际认证,正准备在国际市场上大展拳脚,可惜波及全球的金融危机让这一切成为泡影。在产品端,金融危机带来的连锁反应就像亚马逊河流域热带雨林中扇动翅膀的蝴蝶,波及包括RFID芯片在内的诸多实体产业。低迷的市场造成了公司产品的积压,不仅无法通过销售获得现金流为公司经营注入血液,原本巨额的产品研制和生产投入也打了水漂;在融资端,金融行业的不景气使得投资活动大幅度减少,所有有钱的投资人都不再投资新公司,而是专注于把正在投资的老公司维护好,坤锐一时面临着前无资金、后有负债的窘境。所幸当时坤锐的一名投资人出于对其长期价值的认可,借给公司200万美金,表示等可以有效的进行新一轮融资之后再归还,如果没有融到资金也可以换成股权。正是这200万美金,让公司渡过了金融危机的艰难岁月,得以继续成长壮大。

  2010年左右,坤锐又碰到了一个“好机会”。当时中国移动想要通过芯片开发实现银行卡的手机支付,与坤锐达成了合作。经过精益求精的研发和紧锣密鼓的生产,坤锐的产品已经全部通过了中国移动的测试,双方也正式签署了批量的集采合同。一旦合同产品顺利交付,公司将有数千万元的现金流入,可以极大地改善当时的生产经营状况。可命运有时就如此捉弄人,一场突如其来的变动,让原定的合同成了一纸空文。一番努力付诸东流,坤锐的管理层和员工们却并未气馁,而是重整旗鼓继续融资,寻找新的机会、做出新的产品、开辟新的市场。

  2012年,坤锐开始在公安部的指导下研发汽车电子标签,成为公安部认定的三家供应商之一。2016年,坤锐生产的第一张电子标签被拿到公安部试点,取得了不错的效果。当时电子标签的安装还属于自愿行为,可以在购买汽车后选择自行安装在挡风玻璃上,但公安部一直尝试着通过立法程序推动其成为每辆车必备的身份标识。该项法律一旦通过,坤锐作为主要供应商将拥抱广阔的市场。也正是基于这种判断,公司又进行了一轮融资。可惜2020年一场新冠疫情席卷中国,此后又恰逢人大换届,很多立法进程都缓了下来,关于汽车身份标识的相关法规一直未能落地。

  “其实我们每一次差点死掉,都和我们快要成功有关”,回首18年来的波澜起伏,闵昊认为这是每一个科技创业企业没办法回避的挑战。“坤锐所做的并不是现有产品的替代,而是在一个全新的、前沿的领域,从无到有地研发生产,因此我们必然面临全新的、不成熟的市场,有很多起伏和变化是在所难免的,由此产生探索失败的成本也是正常的。尽管有三次坤锐差点死掉了,但我们都抱着再多撑一撑的心态挺过来了。疫情之后,消费者对于多场景无人工无接触的需求持续不断的增加,坤锐的电子标签产品也迎来了市场的春天。2022年我们的销售增长高达40%,2023年在经济大环境并不景气的情况下,我们也依然能轻松实现不错的增长”,展望未来,闵昊踌躇满志,颇有一种轻舟已过万重山的从容。

  “一个公司要想拥有持续不断的生命力,它的产品要有吃在碗里的、煮在锅里的和种在田里的”,坤锐基于对未来市场的预测,积极从智慧零售、资产管理和6G通讯等方面做着从低端到中高端的全方位产品布局。

  “智慧零售是一个在疫情之后蒸蒸日上的领域。我们现在去优衣库等服装店购物,已不再需要人工扫描条码结账,而是当衣服放入购物框的时候,就能自动计算出准确的金额,在这一过程中发挥作用的就是RFID芯片,未来这些芯片还可能运用于快递等其他零售市场”,闵昊介绍道。零售的标签价格低,但是需求量非常大,因为这种芯片都是用于流通的一次性产品。根据2022年的统计数据,全球对于这种芯片的需求量大概是400亿颗,2023年预计的需求量在480—500亿颗,而未来随着时下人们消费水平的提升,需求量预期也会一直增长,这对坤锐而言意味着巨大的市场机会。随着数字中国口号的提出,很多工厂开始了数字孪生的探索,基于云端同步的资产管理也成为坤锐未来的又一发力点。资产管理类芯片追求的是防伪和可靠性,它的需求量不像流通类标签那么大,但是价格相对也更贵一些,单价从几毛钱到几十块不等,综合下来也是一笔可观的收入。“在资产管理方面,坤锐已经和中国移动、铁塔公司、国家电网、南方电网等优质客户建立了合作。目前很多银行也开始使用电子标签进行抵押资产的管理,以便随便什么时候都可以了解抵押物的状态,这也为我们未来开辟市场提供了新的方向”,闵昊如是说。而面向5.5G和6G下的新通讯协议开发的无源通信产品,正是所谓“种在田里的产品”。据介绍,这些项目已经投入了3年之久了,未来也可能还要经历2年的时间才能迎来销售和收益。坤锐正在努力将产品纳入国际标准,争取在标准确定的时候就能推出相应的产品,由此抢占市场先机。

  在产品布局以外,提起坤锐的近期目标,管理层们一致认为是上市。“上市对公司的内控和流程规范性都提出了更高的要求,为此我们专门成立了ERP小组,推动各项历史资料的系统化整合”,坤锐的运营副总陆峰告诉我们。对坤锐而言,长期资金市场只是手段而并非目的,“我们并不是谋求退出,而是希望借助长期资金市场配置资源的功能,融入更多资源,以便在更多领域做出存在竞争力的产品”。而在更长远的未来,“我们大家都希望成为细分领域的国际一流企业,在技术前沿性、产品性价比、市场竞争力、业界认可度和行业影响力方面都达到非常高的水准”,分管研发的副总李强这样描述着公司的愿景和追求。

  坤锐是一家含“旦”量极高的公司,所有高管都有着在复旦求学的经历。对闵昊而言,复旦占据了他从本科到博士的所有求学时光。在这里他结识了良师益友,获得了深厚的理论和实践积淀,复旦也是他一直以来传道授业的地方,从事教育工作三十余载,可谓桃李满天下;对李强而言,复旦的硕博经历让他有幸师从闵昊在RFID芯片领域纵深探索,跟着老师一路从学术界迈入产业界,他凭借自身过硬的专业素养为坤锐的成长把好技术关;对杨林丽而言,复旦的MBA学习让她吸收了市场、财务、运营等管理类知识,帮助她将工作内容从单一的行政及人力资源拓展到市场营销、投融资等公司前后台的多个领域;而陆峰则是通过复旦的平台阴差阳错之下加入坤锐,在为公司产品化工作赋能的过程中实现了人生新的价值。

  共同的复旦基因奠定了坤锐与复旦深厚的渊源,坤锐也正通过产学研合作、开放实习机会等途径,努力推动着半导体领域学术和产业界的繁荣发展。“产学研并不是一句空话,而是基于精确分工的合作”,作为很早开始就一直践行产学研合作的人,闵昊在这方面颇有感触。合作的本质是成本的交易,以实现双方价值的最大化。对高校而言,想要做一件满足市场需求的产品成本很高,但做研究的成本却相比来说较低,因为在高校一个研究即使失败也是成功的,毕竟它证明了一件事的可行性,找到了其成立与否的边界。而对公司而言则恰恰相反,一个项目的失败就是绝对意义上的失败,就会使公司蒙受经营亏损、市场萎缩、口碑下降等诸多损失。因此在闵昊看来,高校要做的是尚未明确的技术探索和研究,通过不断地探索和试错找到真正可行的技术方案,而公司则需依托高校基本成熟的研究成果生产符合市场和客户的真实需求的产品,如此在研究和生产销售方面有机结合起来,方能形成产学研的最佳组合。

  2023年,坤锐和复旦在内的多所高校合作研发低功耗物联网芯片关键技术。在这次学界和业界的深度合作中,多所高校联合负责做前沿的技术探索,努力把技术做到最好最先进;而坤锐则需将高校的研究成果集成在一起,落地成符合市场需求、具有应用价值的产品;最终的产品会先进行实验和示范应用,实验通过后则可以在市场上全面推出,服务千千万万的企业。如此,一次分工明确而又联系紧密的产学研合作就这样达成了。

  从一个十来人的小公司到如今细分行业的独角兽,从参与国际标准的制定到瞄准未来6G的广阔前景提前布局,18年时间里坤锐熬过了许多濒临死亡的关卡,终于成长为无源物联网领域的领军企业。回望过去,坤锐数十载扎根RFID芯片领域,用坚持化解危机、以耐心沉淀技术,用质量积累口碑;展望未来,坤锐也不曾放低过追求,一直以全球一流公司的规定要求自己。正如闵昊所说,“成事在天,但谋事在人,有为才可能成功”,相信在经验比较丰富、追求卓越的高管团队的带领下,相信在不远的未来,坤锐一定能达成目标,以更多更好的产品进一步实现企业价值,带动整个行业持续不断的发展。(来源: 复旦大学微电子学院)

  6月27日,上海交通大学无锡光子芯片研究院与香港大学香港量子研究院签约仪式举行,在先进光子学和量子学及相关领域搭建研究合作桥梁。

  上海交大无锡光子芯片研究院消息显示,香港大学物理学讲座教授、香港量子研究院院长、香港物理学会理事会主席汪子丹介绍了香港大学的基本情况和香港量子研究院的成立初衷、研究方向及规划展望。他说,香港量子研究院长期专注于量子科学和技术的前沿研究,在量子信息、量子材料、量子人工智能及其应用领域取得了显著进展,为香港大学提供了跨学科的科研平台。

  上海交通大学无锡光子芯片研究院院长金贤敏在详细的介绍签约项目情况后表示,上海交通大学无锡光子芯片研究院与香港大学在合作交流上长期保持密切沟通,积极拓展应用场景;在平台建设上,慢慢地增加资源和信息共享,推动量子科学技术创新和产业创新融合发展。

  此次签约标志着上海交通大学无锡光子芯片研究院与香港大学香港量子研究院在量子科技领域的合作迈出了实质性的一步。双方将共同致力于推动量子科技的发展和应用,为未来的科学技术进步和产业变革做出更大的贡献。

  上海交通大学无锡光子芯片研究院(CHIPX)于2021年12月份在无锡市与上海交通大学深化全面合作的框架下正式成立,研究院由无锡市滨湖区人民政府、上海交通大学、蠡园经济开发区三方共同参与建设。CHIPX率先在无锡布局国内首条光子芯片中试线,以高端光子芯片的研发为核心,聚焦新一代信息技术和产业化应用,推动量子计算机、通用光子处理器、三维光互连芯片和高精密飞秒激光直写机等变革性技术在无锡市落地转化。并围绕光子芯片中试线平台的基础设施和研发支撑,建设核心技术和产业形态聚焦的“光子芯谷”,打造以光子芯片底层技术为驱动,面向量子计算、人工智能、光通信、光互连、激光雷达、成像与显示、智能传感的新一代光子科技产业集群。

  6月13日下午,杰理创芯发展基金捐赠仪式在中山大学珠海校区公共实验楼A209成功举行。中山大学微电子科学与技术学院党委书记王克,副院长李云初教授,党委副书记王昕,柯晴青教授,珠海市杰理科技股份有限公司副总经理黄海涛,杰理科技IC中心副总经理温治晓,人力资源总监,人力资源主管冉启旭出席仪式,微电子科学与技术学院2022级研究生代表25人参加。学院党委副书记王昕主持仪式。

  杰理科技副总经理黄海涛首先发表致辞。他表示,杰理科技始终秉持着积极履行社会责任的原则,主动回馈社会。此次捐赠,是自2021年双方达成广泛合作意向以来的又一见证。同时,作为学院的校外导师,他期待以此次捐赠作为双方合作的新起点,继续校企协同推动科研创新,助力高新人才教育培训,实现更好的社会效益。

  学院党委书记王克随后致答谢辞。在讲话中,王克书记首先对今年4月杰理科技出资20万元设立“杰理创芯发展基金”并冠名支持微电子科学与技术学院学科竞赛的行动表示诚挚的感谢,并以此鼓励同学们继续增强努力学习的信心、报效祖国的决心,以及树立为民族复兴而奋斗的远大理想。随后他回顾了发展基金的设立过程,并表达了学院对与杰理科技在未来开展更多双边合作,推动学院核心事业发展、加强人才强院战略建设的期待。

  在双方致辞后,学院副院长李云初教授与杰理科技IC中心温治晓副总经理互赠支票板、纪念品;学院柯晴青教授向杰理科技总监颁发鸣谢证书,双方合影留念。

  捐赠仪式后,杰理科技和学院领导一同与学院2022级研究生座谈交流。黄海涛经理向同学们介绍了行业及公司最新发展状况,勉励同学们努力成为厚基础、重能力、求创新、强应用的杰出人才。学生代表则表示,将继续在学科学习、科学技术创新的道路上砥砺前行,努力不负企业的支持和时代的重托。

  “杰理创芯发展基金”是由珠海市杰理科技股份有限公司于2024年4月出资设立的,旨在奖励在学科竞赛中取得优秀成绩的微电子科学与技术学院学生。微电子科学与技术学院格外的重视人才教育培训工作,大力鼓励并支持学生参加学科竞赛,提升学生的创新思维、动手实践能力及团队协作精神,培养具备创造新兴事物的能力的集成电路设计人才。学院将充分的利用好此次善款,继续鼓励创新,推动人才教育培训和学术科研的逐渐完备,推动学生德智体美劳全面发展。(来源: 中山大学微电子科学与技术学院)