融信息感知、存储、处理于一身，摒弃冗余的模块组合和数据转换传输，对运动物体的探测与识别一步到位……你可曾设想过视网膜形态的一体化运动探测器件？而今，经周鹏团队科研攻关，这一想象不再停留于脑海中。
复旦大学微电子学院教授周鹏团队与中科院上海技术物理研究所胡伟达研究员通力合作，在智能运动探测领域取得了原创性进展，巧妙地运用新型神经网络概念打造出了动态感存算一体化、可实现人类视觉完整功能的“全在一”器件，首次得以在时间尺度上进行图像处理，实现运动探测与识别。11月8日，相关研究成果以《面向运动探测识别的全在一二维视网膜硬件器件》（All-in-one two- for and ）为题在线发表于《自然-纳米技术》（ ）。
全在一视网膜形态器件基本特性
全在一视网膜形态器件实现运动探测演示，运动图像为作者在复旦大学光华楼前跑步
周鹏团队16年来深耕集成电路新型器件和系统研究领域，成果丰硕，仅2021年5月以来，已有六项成果接连于《自然-电子学》（ ）、《自然-纳米技术》（ ）、《自然-通讯》（ ）等《自然》子刊发表。
探索学科前沿发展趋势，聚力突破“卡脖子”难题，不断攀登科研高峰，周鹏团队正在创“芯”报国的道路上步履不停。
“风洞”实验：为“硅”探路和拓展
累累硕果的背后，是长达数十年的深耕与持续探索。2005年从复旦大学博士毕业后，周鹏即留校任教，多年来潜心扎根于集成电路新材料、新器件和新工艺的研究。“科研道路上，迷茫、困顿是常态，不能心急，在经历不断的尝试、摸索后，终有开花结果的时候。”
硅是目前集成电路的主要载体，然而，过于昂贵的工艺流程限制了创造性器件的设计与研发，且常规的硅器件结构及系统已无法满足智能时代产生的新需求。周鹏团队便将目光投向了物性更丰富、性质更多元的二维材料以构筑新器件，为硅找寻尝试解决当前集成密度与能耗难题的方案。
“我们的二维原子晶体就像扮演了航空技术中‘风洞’的角色，为硅探路。”周鹏解释道。团队牢牢把握两条主线，即从器件基本原理出发和从材料的本质特性出发，两条线交叉融汇而得出新思路、新观点，获得一般规律，进而在硅上重现，探索引入新技术的可能性。
为突破制约硅基闪存技术的原理瓶颈，周鹏团队从源头出发，首次发现了双三角隧穿势垒超快电荷存储机理，并基于此原理建立了通用器件模型，设计并制备出同时具备三大要素的范德华异质结闪存，为在硅体系中开展应用指出了原则性的研发路径。
针对硅红外探测的困难，团队独辟蹊径，开创性地构筑了范德瓦尔斯单极势垒探测器得以看到“黑暗中的红光”，构建天然屏障以阻挡“有害的”噪声暗电流成分，同时又保障“有益的”信号光电流畅通无阻，在不削弱光响应的情况下有效抑制暗电流，提高探测器信噪比。
在发掘材料本质、拓展功能方面，基于晶圆级二维半导体材料，团队创新地构建了可用于乘法累加运算的新型架构，具有用于低功耗和高计算力的存算融合系统的巨大潜力；在电路晶圆级集成方面，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，展示了二维材料体系未来芯片的应用前景；针对具有重大需求的类脑神经形态技术，团队利用二维原子晶体的双极性固有特征，实现了单晶体管基非线性逻辑运算，为高性能低功耗智能系统的发展提供了新的技术途径，有望构建真正意义上的“电子大脑”。
传递薪火：科研书写报国情
除科研工作者的身份外，教师是周鹏最为看重的角色之一，为集成电路领域培养储备人才是他的初心。
周鹏教授
在学生的印象中，这位2021年“钟扬式”好老师“总是笑眯眯的”。微电子学院2017级直博生王水源说：“有问题，总是能得到周老师及时的指点与帮助，很安心。”
“在我看来，每位学生就像是一颗种子，教师要提供良好的土壤环境，根据学生的特质制定培养方案，也要适当‘放手’，让他们的主观能动性被充分激发。”在周鹏的悉心培育下，多名学生获国家奖学金、“复旦大学学术之星”等荣誉，多篇学生一作论文在核心刊物上发表。微电子学院2016级直博生陈华威毕业后入职华为从事新型芯片研发，对导师五年来的教诲仍印象深刻：“周老师鼓励我打破思维局限，充分尝试不同的可能性，他所展现出的严谨治学态度、逻辑思维方式让我受益匪浅。”
“周老师对我的影响是巨大的。”周鹏所招收首届学生刘春森说：“周老师常提到，硅在传统技术上积累了太多技术壁垒专利，我们要聚焦前沿独辟蹊径，采用新材料去实现技术突破，使得我国在集成电路基础制造上不用受制于人。这也促使我坚持在‘卡脖子’领域的研究道路上走下去，再走下去。”如今，刘春森在复旦大学芯片与系统前沿技术研究院任青年研究员，将这份学术报国“芯”接力传承。
“有理想、有情怀”是学生们提及周鹏时用的最多的词。“周老师常把‘为国科研’挂在嘴边，也以实际行动践行，通过言传身教，引导我们不断加深对这四个字的认识。”王水源说：“他指导我们，科研工作者更应该在技术最前端的黑暗中到不同方向去点燃微光，对接国家战略需求，为产业的前路铺设上温暖的灯塔和可靠的补给站。”秉持着这样的思路，他带领着团队不断拓展集成电路技术的无限空间。
周鹏课题组合影
创“芯”不止：大平台上写就大文章
立足集成电路领域，复旦大学是国内最早从事研究和发展微电子技术的单位之一。近些年来，根植于复旦的创新“基因”又在传承中不断深化、激活，2014年获批建立“国家集成电路人才国际培训（上海）基地”，2015年成为国家9所示范性微电子学院之一，2018年牵头组建的“国家集成电路创新中心”揭牌成立，2019年承担了“国家集成电路产教融合创新平台”项目，建设教育部创新大平台，2020年率先试点设立“集成电路科学与工程”一级学科……复旦大学集成电路学科持续集聚力量，不断增强硬实力，迈向新高度。
源头有了，创新的泉就“活”起来了。
“我们科研人员所要解决的，并不是渴了才去考虑用哪个杯子装水的问题，而是需要在喝完这杯水前，就着手筹谋下一杯水从哪里来。”以大平台为基石，以体制机制的升级为引擎，周鹏团队取得了一系列成果。“现在有了这么好的平台，这么好的资源，我们更应该抓住科研新机遇，把眼光放长远，力争做前沿集成电路技术从‘0’到‘1’的原始创新，为我国在科技强创新领域取得领先作出复旦贡献。”
论文链接：
《电子工程专辑》分析师团队基于美国半导体行业协会(SIA)与半导体研究公司（SRC）联合发布的《半导体10年计划》报告，挑选出下一个十年的五大半导体前沿技术研究方向，汇编为《2030半导体前沿技术研究系列》专题。本文聚焦于模拟电子设计和智能传感技术，主要分为如下部分：
下一个十年半导体技术挑战和研究方向
现代信息和通信技术 (ICT)系统的软硬件 (HW-SW)协同使得计算无处不在，这得益于企业、大学和科研机构的不断创新，涉及半导体材料、结构和器件的研究；电路设计和系统架构；算法、软件和应用的协同优化。半导体技术是一种跨学科领域的研究和创新，涉及电气工程、机械工程、计算机工程和科学、神经科学、物理、化学、生物和材料科学等。
进入21世纪的第二个十年，ICT和半导体行业面临着前所未有的挑战，主要在于很多沿袭多年的半导体技术接近极限，硅材料、CMOS工艺、物理传感器，以及摩尔定律等。长期可持续的 ICT行业发展将依赖于半导体技术的颠覆性突破，以解决系统、架构、电路、器件结构及相关半导体材料和制造工艺所面临的各种瓶颈问题。为此，美国半导体行业协会(SIA)与半导体研究公司（SRC）联合发布了《半导体10年计划》报告，识别出五大半导体技术研究方向，分别是：
模拟：模拟硬件的根本性突破以实现物理世界与机器交互的智能感知、认知和处理。存储：创新的数据存储和处理方案来满足指数级增长的海量数据处理需求。通信：始终联网的通信需要新的技术研究方向来解决通信容量与数据增长不匹配的问题。安全：高度依赖的互联系统和人工智能需要硬件层面的安全保障。能效：不断增长的计算应用需要高效能的功率器件和电源管理技术。
模拟电子基础
我们所处的物理世界是模拟的，比如通过视觉、听觉、嗅觉和触觉来感知世界。模拟电路是涉及连续函数形式模拟信号的电子电路，与之相对的是数字电路（通常只关注0和1两个逻辑电平）。“模拟”二字主要指电压（或电流）对于真实信号成比例的再现，模拟电路可以对模拟信号执行放大、滤波、限幅等操作。模拟电子包括物理世界感应和交互、计算、控制、数据转换、通信、供电和测量等环节。
与数字电路相比，模拟电路有如下劣势和挑战：
噪声。在模拟电路中，由于信号几乎完全将真实信号按比例表现为电压或电流的形式，它对噪声比数字电路更加敏感，信号的微小偏差都会表现为相当显著，造成信息损失。而对信息进行量化的数字电路对于噪声的抵御能力比模拟电路要强，只要偏差不大于某一规定值，信息就不会损失。
精度。有很多因素会影响信号的精度，其中最主要的是原始信号中的噪声以及信号处理过程中混入的噪声。模拟信号的分辨率受到器件物理层面限度（例如散粒噪声）的制约。在数字电路中，可以采用增加信号的位数（例如8位分辨率的模数转换器能够将其量程分为8段，其中每一段作为最小分度进行转换）来提高数字信号的分辨率，转换位数是模数转换器（ADC）的一项关键参数。
设计的难度。模拟电路的设计通常比数字电路更为困难，对设计人员的技术水平要求更高。模拟电路通常需要更多的手工操作，其设计过程的自动化程度低于数字电路。然而，数字电子设备要在真实物理世界中得到应用，就必须具有模拟接口，因为自然界的大多数实际信号是模拟的。
针对模拟电子的技术挑战和未来突破方向，SRC邀请来自ADI、TI、NXP、斯坦福大学、加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）和太平洋西北国家实验室的技术专家进行了在线圆桌讨论。笔者通过ZOOM参加了这场技术论坛，现汇总出来供感兴趣的朋友了解和学习。
在模拟电子领域，有五个研究方向值得我们关注，下面我们逐一介绍。
模拟ICT系统
2016年，传感器采集的数据量已经超过人类能够消耗和处理的数据量。预计到2032年全世界将有45万亿个传感器，采集数据量约为10^20 bit/s，而全部人类可以感应的数据量约为10^17 bit/s。我们的大脑对数据的消化和处理速度只有，专家认为传感器采集的数据需要100,000:1的压缩率才能被人类大脑认知和推理，并从中获取有价值的信息。
一个根本性问题是，模拟电子的创新如何能够帮助当今先进的计算和信息处理系统。这不但要求优良的器件性能、高效的信号处理和电路结构，而且要保持能耗与高增益和低噪声等高精度性能指标的优化平衡。
模拟ICT系统的未来应用研究方向包括：为6G无线网络、数据中心和远程医疗提供更高的带宽；需要更快模数转换器的宽带雷达波束形成器等。例如，未来的模拟设计迭代将在三个方面进行。首先是更好的模数转换，它可以采用过采样和量化技术绕过带宽受限的模拟信号问题。二是通过压缩采样(CS)将稀疏模拟信号中的信息转换为数字数据。三是在机器学习的帮助下，对模拟信号进行特征提取。
对更高存储密度和能效的存储器的应用需求驱动着超大规模系统集成（VLSI）中3D结构的发展。下图示出了存储器晶体管结构从向GAA结构的转变。
77GHz毫米波雷达在汽车应用中越来越普及，基于DRM的汽车雷达系统需要GHz级别的ADC进行超高速信号处理，而目前主流的DRM收发器采用28nm工艺制造，其性能受到工艺技术的限制。如果能够采用更先进的16nm工艺来生产，就可以获得所期望的ADC性能。目前这一细分领域的研究大都是针对具体应用领域，难以达到大规模生产的经济效益。
电子设备的普及对功率器件和电源管理技术也提出了更高要求，增加功率密度和降低损耗一直是这一领域的技术研究方向。氮化镓 (GaN) 器件具有低栅极电容和低导通电阻，从而可以减少栅极能量损耗。在无线通信传输和自动驾驶应用中，利用氮化镓器件和包络跟踪技术可以提高电源转换器的效率、减少散热，从而降低能源浪费。现在，通过各种集成和封装技术，可以让GaN 器件的集成度更高，比如单片栅极驱动器和开关、片上电源系统（），以及封装电源系统 () 等。
智能传感器：从感应到行动
大部分传感器都是从物理世界接收模拟输入信号，要将这些信号数字化就会产生大量原始数据。要解决的问题在于如何、何时与何地处理这些数据，以获取有用信息、识别模式、做出决策，并采取行动。
针对这些海量数据，需要考虑两个关键问题：1. 消化和有效利用这些来自传感器的数据以用于智能社会；2. 有效地处理数据以便采取适当的行动。要生成可行的输出结果，就需要系统知识，而且要为所有系统组件添加智能元素，从传感器本身到模拟信号处理，以及可能的模拟和数字域神经处理。
来自UC 的Jan 认为我们可以借鉴人体的互联网络和计算模型来构建分布式智能，比如 of 。本地和分布式处理具有低延迟、高能效、安全/隐私保护、稳固，以及高度自治等优势。这种模式类似人体模型和其它生物形态系统，虽然是分层式的，但却通过多种反馈路径与控制系统紧密相连。这种感应模式的关键是只传输必要的信息，尽可能慢地发送，而且尽量在本地处理。因为通信成本很高，这样在本地处理就可以大大降低处理成本。
来自高通的 Attar展示了一个高度集成的物联网SoC设计示意图，这是针对可穿戴设备的设计，对尺寸和功耗都有很严格的要求。这种集成的视觉传感器和处理器需要“ on”，可以分担主处理器的负载任务，从而可以节省能效。该设计所需要的关键技术包括专为低功耗和目标检测而定制的ML加速器，以及NVM和存内计算等。
从感应到行动的系统流程示意图如下所示，所面临的挑战包括：
万亿级的传感器会产生大量冗余和无用的数据；云端平台不是解决办法，因为通信是瓶颈，没有足够的电能来处理这些冗余数据，对于本地控制和行动来说延迟太长；智能传感器需要本地驱动和及时行动。
课题组隶属集成光电子学国家重点联合实验室，主要致力于半导体技术与生物医学研究及应用的结合，研究方向包括半导体微纳光电器件集成、神经接口和脑机接口技术等。根据工作需要，拟招聘博士后2名、助理研究员或研究助理2名。
电子工程、自动化、计算机科学、生物医学工程或材料科学等专业的国内外优秀博士毕业生；优先考虑具有如下专长的申请者：
1)具有脑机接口相关研究背景
2)或具有神经接口或微纳加工及操作经验
3）具有独立科研能力和严谨的学风，富有高度的责任心和团队协作精神；
1、博士后相关待遇
1)对符合申请条件的优秀全职在站博士后纳入“中科院特别研究助理“的管理
2)享受全国博管会关于博士后的相关优惠政策
3）具体待遇面议
2、助理研究员应聘条件及相关待遇
1）研究方向贴近课题组的总体方向，在国内外获得生物医学工程或计算机、自动化相关的博士或硕士学位，具有生理或生化传感器研究经历者优先，有工作经历者优先；
2）具有较强的研究能力，做事认真，执行力强，对科研工作有热情，能够阅读和撰写中英文科研论文；
3）待遇：本岗位属于中国科学院半导体研究所项目聘用，按照中科院半导体所相关规定办理五险一金，具体待遇面议。