作为信息时代的基石，集成电路正以前所未有的速度改变人类生活。从电脑，到手机，再到大数据、物联网、人工智能等一系列科技突破背后都离不开集成电路的加持。
以物联网（IoT）为例，其通过连接多种电子设备，以及家电、车辆等实现数据收集与交换，提升生活便利性，在这一过程中，集成电路发挥着至关重要的作用，物联网兴起为集成电路发展开辟了新的应用场景。
集成度更高、功耗更低、性能更强的芯片是未来主流发展方向，然而，随着摩尔定律逐渐接近物理极限，如何进一步提升集成电路的性能是摆在科学家面前的一道难题。
围绕集成电路开发，近期「问芯」采访了澳门大学微电子研究院李家明教授，访谈中他围绕精密模拟集成电路设计，以及用于跨学科领域集成电路和系统研制方面的最新进展进行了分享与解读。
图｜澳门大学微电子研究院助理教授李家明博士（来源：受访者）
李家明于 2012 年在澳门大学获得电机及电子工程学士学位，同时他也是澳大荣誉学院的首届毕业生，期间曾在美国罗彻斯特大学留学。本科毕业后被澳门大学录取为博士研究生，研究方向主要围绕用于定点诊断的 CMOS 核磁共振系统。博士毕业后，李家明获聘为澳门大学濠江学者，三年任期期间曾赴哈佛大学从事博士后研究。从 2019 年起，他开始担任澳门大学微电子研究院助理教授、博士生导师。
开发高速平行核磁共振技术降低检测成本和时间
现阶段，李家明和团队的研究方向分别围绕精密模拟集成电路设计，以及应用于跨学科研究的集成电路和系统研制。
其中一个研究课题是开发精密模拟基准 CMOS 集成电路，侧重于物联网设备的应用场景。“电压 / 电流基准、振荡器以及温度传感器等模拟基准电路，对于确保电子系统在各种电路（比如模数转换、传感器接口、功率管理和信号调节电路等）运行的准确性、稳定性和可靠性至关重要。尤其是在物联网电子应用场景，其对电路体积、电压空间和功耗均有严格要求，而这给模拟精密基准的设计带来了额外的挑战和机遇。”他指出。
除此之外，将定制集成电路应用于跨学科领域也是他和团队现阶段的研究方向，围绕这一方向现阶段的一个课题是开发基于定制集成电路的微型核磁共振（NMR）/ 核磁共振成像（MRI）系统。
作为一种用于诊断和治疗的关键技术，核磁共振成像仪是现代化医院必备的诊疗设备，可用于诊断前交叉韧带撕裂、炎症，以及肿瘤等。“然而，传统商用核磁共振成像仪体积庞大而且昂贵，限制了它们的安装数量及使用场合。因此，我们着手研发基于定制集成电路的核磁共振成像系统，其基于永久磁铁产生用于磁化原子核的磁场，能够让仪器设备的体积大幅减小、价格大幅降低。”李家明表示。
“除此之外，定制的集成电路可改良电路性能及令系统功能更为完善，还可有效扩展其应用场景。”他补充说。
图｜用于定点诊断的 CMOS 核磁共振系统（来源：澳门大学官网）
据介绍，他在哈佛大学从事博士后研究期间专注于开发高速平行核磁共振技术，通过增加可进行核磁共振实验的位置及空间来加速采集数据的速度，进而减少实验所需时间。
在这项研究中，他们通过并行化多个样品的分析，使微型核磁共振仪实验通量提高了 2-4 倍。这种并行化的方法通过两种方式实现：一种是利用时间交错的方法，在同一硅芯片上连接多个 NMR 线圈，并对多个样品进行扫描；另一种是采用磁共振成像技术，同时测量多个样品的松弛时间，不仅可以用于高分辨率的一维和二维光谱学，还可以用于多维弛豫成像。
这种微型核磁共振仪采用永久磁体和硅电子芯片相结合，能够在不使用超导磁体的情况下实现高分辨率的多维核磁共振分析，具有高效、轻便、低功耗等特点，大幅提升核磁共振实验的操作效率，可广泛应用到生物检测领域，比如血液、蛋白质的分析检测等，并能大幅降低传统生物检测所需的成本和时间。目前，相关研究成果已经发表在 ACS Analytical Chemistry 上。
（来源：ACS Analytical Chemistry）
“市面上很多检测方法大都需要借助大型仪器，并且涉及到大量人力和时间。我们开发的新型核磁共振技术大幅减小仪器的体积，同时也降低成本。未来随着技术普及，无需在大型医院，即使是较偏远或落后地区的小型诊所也能负担得起，造福更多患者。”他说道。
围绕核磁共振成像系统，李家明和团队开发了首个可用于微型多核核磁共振成像的定制芯片。“在多核核磁共振的应用中，对需要发送至原子的操控信号有更高要求，比如射频信号的相位要达至 1° 的精度之下。基于此，我们开发出了可达 0.7° 相位精度要求的信号发射器芯片，以适应微型多核核磁共振成像的应用。”他介绍说。
目前，相关研究成果已发表在 ISSCC 2024 上。ISSCC（International Solid-State Circuits Conference，国际固态电路会议）是学术界和工业界公认的全球集成电路设计领域最高级别会议，被称为集成电路设计领域的“奥林匹克大会”。
已联合企业进行技术转化
围绕集成电路设计，李家明表达了自己的一些理解和看法。“电子仪器可以说是现代社会不可或缺的资源，而集成电路则是所有电子仪器的核心，所以，集成电路行业的需求会持续增长。”他说道。
“其中，行业未来发展的一个趋势是自动化，工程师只需输入特定的指令及条件，程序便会设计电路及进行初步布局，节省设计的时间。而作为学生，则需要对电路有更深刻的认识，以及了解不同电路的特性，如此才可以评价该在哪些情形使用特定架构的电路。”他补充说。
关于技术产业转化方面，李家明团队现阶段正专注于“快速启动晶体振动器”的设计与开发。
“传统电子产品不需经常开机和关机，所以对电路启动时间要求相对宽松。相较之下，物联网电子的核心电路会周期性工作以降低整体功耗，所以对电路启动时间及消耗能源要求较为苛刻。”他介绍道，“我们目前正在与企业合作开发可降低晶体振动器启动时间的技术，以提升其性能。”
图｜李家明和团队发表在 ISSCC 2023 的一款快速启动晶体振动器（来源：受访者）
访谈最后，李家明结合自身成长经历介绍了澳门大学在培养集成电路领域人才方面的一些特点。
“我早在中学时期开始对电子电路产生了兴趣，所以选择了电机及电子工程。而在读本科时，有幸参与到模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室的研究，意识到微电子电路在跨学科应用及研究上的发展空间及机会，所以便选择了集成电路方向作为日后的研究主题。”李家明介绍说，“与此同时，本科求学阶段我认识了启蒙老师、微电子领域专家麦沛然教授，他是我的良师益友，一直引导着我的成长。”
“在微电子集成电路领域，芯片设计最重要的验证步骤是流片，把在电子程序里设计的电路转化成实际的芯片，这样才可以测试设计理念是否可行以及被领域的专家认可。然而，每次制造芯片的费用动辄数万甚至数十万元。”他指出。
“在这个方面，澳大的研究资源较为充裕，相对有更多流片的机会给到学生，此外，澳大也注重理论与实践结合的教学模式，鼓励学生参与科研项目以培养创新能力，实验室会给予学生更大的研究自由度，这有助于把一些前瞻的研究主题或理念实现落地应用。”他总结道。
参考资料：
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
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