新型二维半导体：从集成电路工艺到芯片制造，微电子学院包文中课题组最新研究进展
人工智能和可移动终端的迅猛发展，导致对芯片高算力和低能耗的要求越来越高。而目前集成电路最先进的晶体管沟道长度和厚度开始逐步接近原子尺度，而传统半导体材料已经接近性能极限。最新的国际器件与系统发展路线（IRDS）就指出，具有原子厚度的二维半导体在未来大规模集成电路中有着巨大的潜力。所以，发展基于二维半导体的新型芯片具有极其重要的战略意义。当前国际上大面积二维半导体的生长已经有诸多报道，但是其集成电路应用仍在探索的初期。这主要是因为原子级厚度的二维半导体对工艺环境极端敏感，所以传统半导体CMOS集成工艺不能直接用来照搬。这就需要工业界和学术界共同投入大量的精力来开发基于二维半导体的新型集成电路工艺。
近年来，复旦大学微电子学院的包文中研究员课题组和周鹏教授团队通过长期合作，在二维半导体材料晶圆级生长、工艺集成、电路设计等集成电路应用方向开展了系统深入的研究。10月12日，《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表了该课题组的研究论文《基于机器学习辅助工艺优化二维半导体晶圆级电路制作》（“Wafer-Scale Functional Circuits Based on Two Dimensional Semiconductors with Fabrication Optimized by Machine Learning”）。此工作中，课题组利用机器学习策略辅助优化了二维半导体增强型顶栅晶体管的制备工艺，并采用工业标准设计流程和工艺进行了晶圆级器件与电路的制造和测试（图1）。该工作提出了一种适合学术界探索的二维半导体集成电路工艺优化路线，从而展示了二维材料体系未来的芯片应用前景。微电子学院解玉凤教授、博士生陈新宇和硕士生盛耀晨、唐宏伟为共同第一作者，微电子学院包文中研究员、周鹏教授和信息学院万景研究员为该工作的共同通讯作者。
图1. 二维半导体的算法辅助工艺优化，顶栅工艺结构，以及晶圆级流片结果
这项研究工作的核心内容是利用已经积累的较大实验数据样本集，采用机器学习算法进行数据训练，从而识别具有优良器件指标的器件工艺特征。这样通过算法就可以高效地对所有可能的工艺组合进行评估，再辅以工艺专家的经验结合人为设计实验验证，从而进一步提升算法准确率并最终得到最优的工艺组合。简单来说，就是利用机器学习的高效性来辅助科研人员进行巨量组合的筛选，极大程度地减小科研人员的工作量。而且本工作所采用的机器学习策略具有通用性，其他新型材料也可以利用此策略缩短其器件工艺探究与应用进程，提高科研效率。
图2. 利用优化的二维半导体顶栅工艺制作的各种常见集成电路单元
通过算法优化后的晶圆级二维半导体工艺，可以得到兼容性强的增强型顶栅晶体管，并基于此工艺成功演示了各种数字、模拟、存储、光电探测等集成电路单元（图2）。进一步，研究团队充分利用二维半导体超薄厚度、可调带隙等优势，构建了包含突触权重存储单元、乘加卷积运算单元以及激活函数单元的全二维人工神经网络芯片（图3），“一站式”地突破了二维半导体从器件工艺到芯片制造的困难。10月5日，工作进展以《基于二维半导体的人工神经网络芯片》（“An Artificial Neutral Network Chip Based on Two-Dimensional Semiconductor”）为题发表于国内期刊《科学通报》（Science Bulletin）。学院青年副研究员马顺利，博士生吴天祥、陈新宇为本文的共同第一作者；包文中研究员、任俊彦教授和周鹏教授为该工作的共同通讯作者。
在这项工作中，研究团队利用level-62 SPICE模型构建晶体管仿真模型，从而对人工神经网络中的模拟电路进行仿真和优化。最终构建了一个可用于未来智能传感应用的人工神经网络芯片。此芯片突破了冯诺依曼架构的限制，与生物神经元类似，具有多个感知“突触”，收集来自传感器的信号。每个突触可以存储和改变感知信号的相应权重，并实现感知信号与权重的乘加运算，然后输入到激活函数电路进行映射与归一化。最后，该芯片结合片外软件演示了未来基于MoS2人工神经网络芯片可实现的触觉盲文分类器，经过权重值优化后的盲文字母识别率达到97%以上。
图3. 利用二维半导体制作的人工神经网络芯片
虽然目前芯片主流舞台依旧属于硅半导体，但在某些特殊应用场景已经有诸如氧化物半导体、有机半导体材料等新型材料的身影。因此，利用新材料的优点来提高芯片的整体性能，往速度更快、尺寸更小、功耗更低、计算存储密度更高的方向发展，是未来芯片发展的必由之路。拥有独特优势二维半导体发展前景不可小觑。团队未来将继续聚焦于新型二维半导体，深挖其特有属性，往新计算范式、三维集成应用方向探索，进一步推动其在集成电路产业中的实际应用。
该系列工作得到了科技部重点研发计划纳米科技专项、国家自然科学基金杰出青年科学基金、应急重点项目、上海市教委科研创新重大项目、上海市集成电路重点专项等项目的资助，以及教育部创新平台和专用集成电路与系统国家重点实验室的支持。同时还得到了上海市微系统所，香港理工大学，新加坡国立大学，苏州大学等兄弟院校的合作支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26230-x
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927321006459
作者：王敏
来源：微电子学院
责编：章佩林
编辑：冯雅雯
苹果带飞的“防丢”盛宴：解密UWB技术，如何改写定位游戏规则？
智东西（公众号：zhidxcom）
作者 | 程茜
编辑 | 心缘
小偷不可怕，就怕小偷有文化。
2021年4月，苹果在春季发布会上推出一款“防丢神器”AirTag，只要把这个小小的圆片塞在任意物品处，它的定位就能被手机实时追踪。
苹果的AirTag
AirTag火速蹿红，乃至衍生出一些完全对立的用途。比如有盗贼把AirTag藏在目标车辆或车主身上，伺机而动把车偷走；车主也能利用AirTag锁定汽车位置，帮警察抓住罪犯。
在各种追踪与反追踪戏码的背后，UWB技术是关键的秘密武器。这个原本小众的无线通信技术突然成为热门概念，开始红遍科技圈。
UWB全名超带宽（Ultra Wide Band），被用在近距离无线通讯和追踪定位等领域。随着苹果AirTag引爆UWB消费级市场，谷歌、小米、三星、OPPO等手机厂商，宝马、大众、特斯拉等汽车厂商都引入了这项技术。
基于UWB技术，手机或手表可以轻松控制灯、锁等其他智能家居设备，还能让手机变身车钥匙，只需走到车旁边就可以解锁、启动，轻松实现“无钥匙”、“无密码”……
一方面，消费者们对这款便利的“防丢”黑科技赞不绝口，资本亦开始涌向UWB赛道；另一方面，怎样避免这项技术沦为犯罪工具、确保公众的隐私安全，正日益成为热议的话题。
如此受科技巨头青睐的UWB技术，发展潜力到底如何？当追踪网络遍及大街小巷，人们会不会将活在一个被实时监控生活轨迹的世界？
一、室内空间感知，实现厘米级定位
说到定位，我们首先想到的就是百度地图、谷歌地图等全球定位系统，这些系统能够导航路线或者实时查看位置坐标。
不过与现在常用的定位技术不同，UWB技术是一种高精度定位技术，可以用于室内位置跟踪，实现厘米级精确的位置感知，并识别空间感知和精准短程位置的追踪。
与Wi-Fi、蓝牙和5G蜂窝标准一样，该技术并不是某个科技巨头的专有，它更像是一个基本的通信基础设施。除去苹果、三星等互联网巨头，国内精位科技、易百德、瀚巍微电子等少数玩家也推出了基于这项技术的产品。
UWB技术是一种新型的无线通信技术，可以对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。反映到性能上，UWB技术具有强抗干扰性、高传输速率（几十到几百Mbps）、更大系统容量、更短通信距离等优点。
从定位方式来看，这项技术有双向测距、三角定位、多点定位三种定位方式。利用该技术定位前，会先设置信标，通过测量无线电波在设备和信标之间传播所需的时间来对物体的位置进行识别。
UWB技术定位实现原理（图片来源为Tirich Labs）
UWB技术定位需要在智能手机内部的芯片和另一个UWB设备之间进行双向对话，这有点像谷歌地图中采用的全球定位系统GPS，但GPS定位中采用的是从卫星到地球上收听接收器的单向传输。
在定位过程中设置的信标很小，例如AirTag大约有四个半美元硬币放在一起那么大，并且安装一块电池上就可持续使用数年。不过该技术实现定位需要附近安装数个这样的信标，才能准确地传输位置信息。
二、手机变钥匙、门禁卡，汽车可远程启动
虽然UWB技术还处于早期发展阶段，但很多应用已经层出不穷。
2019年发布的iPhone 11、2020年发布的Apple Watch Series 6以及之后的系列机型均配备苹果自研U1超宽带芯片，以及谷歌、三星、小米、OPPO等公司推出的新款手机，都采用微芯片或其他形式实现了这一功能。
基于UWB技术的智能手机可以代替钱包直接支付，还可以代替门禁卡。
配备这项技术的笔记本电脑还可以通过收听智能手机或智能手表的信号来识别用户正坐在它面前。全球超宽带技术标准制定联盟FiRa成员、Facebook母公司Meta现实实验室（Reality Labs）研究人员阿达万·特拉尼（Ardavan Tehrani）说：“它可以自动登录到用户被授权使用的任何服务，在密码棺材上又钉上了一颗钉子。”
除了手机厂商，汽车厂商也试图终结“钥匙时代”。
宝马无线工程师兼汽车联机联盟（Car Connectivity Consortium，CCC）主席丹尼尔·克诺布洛赫（Daniel Knobloch）称，与UWB技术兼容的芯片可以确定一厘米以内的物体位置。该组织已将这项技术纳入其2021年5月确定的标准中，通过智能手机就可以启动汽车。
宝马是采用UWB技术的公司之一，该技术允许驾驶员将智能手机用作车钥匙。
许多较新的汽车都有无钥匙进入系统，但基于UWB技术的功能还处于发展初期。汽车联机联盟的新标准允许基于UWB芯片的智能手机解锁汽车，并且用户拿着手机在距离汽车一定范围内走动就可以解锁。
由于完全通过智能手机访问汽车，这项功能也可以转移到其他手机中。这样的话，多个用户就可以更方便地使用同一台车，只需点击电子邮件中的链接或其他文本，就可以把另一部手机也变成“钥匙”，真正实现“无钥匙”用车。
UWB技术另一个潜在的应用是，让智能家居使用起来更简单，德国iOS开发者巴斯蒂安·安第列夫斯基（Bastian Andelefski）已经展示了它的潜力。2021年11月，安第列夫斯基在YouTube上发布了一段视频，在视频中他将iPhone对准家中的智能灯泡，轻轻一按即可打开或关闭它们，而不需要打开对应的应用程序再选择灯泡。
安第列夫斯基说：“完成这项工作既昂贵又复杂。如果越来越多的公司能够安装信标，UWB技术能更早地应用于消费者的生活中。”
诚然，UWB技术的应用都要体现在智能设备中。加州大学圣地亚哥分校的助理教授迪内什·巴拉迪亚（Dinesh Bharadia）领导的研究团队，2021年9月宣布了一项研究，该项研究研发了一种新型信标，可以让这个定位技术的识别速度提高大约10倍，消耗的电量也会相应减少。
并且，由此产生的改进只需要对使用UWB的现有智能手机进行软件更新，不需要额外购买新设备。这项研究研发的新型信标每毫秒就能定位一个物体，这也进一步扩大了其应用场景。在未来，这项技术的定位或许可以实时跟踪VR和AR设备、机器人和其他自动化设备、宠物和牲畜、仓库中的箱子，以及允许连接UWB设备的任何其他东西。
三、实时“广播”位置更新，用户隐私如何保护？
UWB技术的应用场景如此丰富，但巴拉迪亚警告说：“这并不意味着它一定会被使用。”
巴拉迪亚举了一个例子，曾经有一个应用程序声称可以为用户提供室内导航或找到超市中商品的正确位置，但并没有成功。这有两个原因，但都和技术没有关系。首先，室内地图制作的利润率较低；其次，超市里已经有足够多的标签，用户可能会认为看标签比打开手机去看地图更方便。
UWB技术可以帮助用户导航到博物馆、商店或其他室内的特定目的地。
此外，室内定位技术可能失败的第三个原因是隐私。
安第列夫斯基发现，在使用苹果自己的UWB技术时，iPhone的软件和硬件会通过多种方式限制开发人员的访问，他认为苹果的这项做法是为了维护用户隐私、保护用户的位置数据。
苹果发言人说：“隐私是苹果基于UWB的技术如何工作以及开发人员如何使用它的‘关键考虑因素’。”为了维护用户隐私，苹果采取了只能在解锁后才能使用基于这项技术的定位功能、应用程序无法在后台跟踪用户的位置等措施。
即便如此，最近也有报道称有人利用AirTag在偷车之前对车和车主进行跟踪。
全球超宽带技术标准制定联盟FiRa成员、美国半导体公司Qorvo业务发展总监迈克尔·维奥特（Mickael Viot）表示：“UWB正在实现更准确的位置数据，如何保护数据取决于苹果、谷歌和其他公司。”
结语：UWB技术或使元宇宙定位技术更精准
实时远距离通信、复杂的摄影功能、实时健康监测、高帧率的游戏画面等高科技功能层出不穷，与这些相比，UWB技术可能有些微不足道，但UWB的潜力在于它与其他技术的连接方式。就像无法预测3G通信和前置摄像头会催生社交程序Snapchat、智能手机会改变我们的社交方式一样，很难说这种技术会给我们的生活带来多少改变。
现在我们能看到的它的应用只是作为汽车钥匙和密码的替代品，但在元宇宙概念大火的当下，这项技术很可能成为其中的重要一部分，例如帮助智能眼镜识别我们在现实生活中的位置等。
UWB技术的应用场景在未来可能进一步丰富，不过，这些不断广播我们位置的设备将如何保护隐私同样重要。
来源：华尔街邮报
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