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北京大学课题组在超低功耗物联网芯片领域取得重要研究进展

2021.10.20 17:05:29  来源: 北京大学   作者: 管理员   字体:【
【导读】作为新兴信息产业的重要应用领域,物联网的万亿级别市场正在逐步形成,超万亿级的设备和节点将通过物联网技术实现万物互联和万物智联。

作为新兴信息产业的重要应用领域,物联网的万亿级别市场正在逐步形成,超万亿级的设备和节点将通过物联网技术实现万物互联和万物智联。受限于体积、重量和成本等因素,物联网节点(如可穿戴设备、智能家居节点、无线传感器节点、环境监测节点等)需要在微型电池或能量收集技术进行供电的情况下,能够持续工作数年乃至十年以上,这对芯片提出了苛刻的低功耗要求。目前,降低物联网芯片功耗的主要研究方向是基于周期性工作模式的专用型唤醒芯片(例如:专用语音识别唤醒芯片),通过让芯片处于周期性的“休眠-唤醒”的切换状态,来实现降低功耗的目的;然而,物联网节点通常工作在“随机稀疏事件”场景下,为了避免丢失随时可能发生的事件,通常需要“休眠-唤醒”的频率远高于事件的真实发生率,从而导致了严重的功耗浪费。


  北京大学信息科学技术学院微纳电子学系的黄如院士-叶乐副教授课题组与浙江省北大信息技术高等研究院、上海芯翼信息科技有限公司合作,在国际上首次提出了多级流水异步事件驱动型芯片架构,将传统的周期性工作模式转变为异步事件驱动型工作模式,显著降低了物联网节点在“随机稀疏事件”场景下的功耗。课题组同时提出了时域屏蔽型阈值交叉模数转换器Level-CrossingADC(LC-ADC)技术,解决了“噪声误触发导致功能错误和功耗上升”这一传统LC-ADC所固有的难题;并设计了基于时域脉冲信号处理技术的多功能信号特征判决器电路,通过离线或在线软件定义的方式实现了对幅度、斜率、时间间隔、波峰、波谷等信号特征的组合判决,满足了物联网唤醒芯片对通用性的需求;此外,该芯片无时钟信号和时钟网络,去除了芯片在待机状态下的主要功耗来源。


  基于上述创新技术,课题组研制了一颗极低功耗物联网通用唤醒芯片,平均功耗仅为57纳瓦,比当前国际同类工作的最好水平提升了30倍。该芯片演示了心率异常预警、心电T波异常预警、癫痫预警、语音关键词包络唤醒等典型物联网应用场景,芯片与微控制器MCU芯片等高性能模块配合,可以在保证极低功耗的前提下实现更多复杂的物联网唤醒功能。该工作首次提出的异步流水线事件驱动型架构,为极低功耗物联网芯片领域的研究提供了一种突破现有功耗瓶颈的研究思路和解决路径。


央广网佛山10月17日(记者 夏燕)“家电是物联网时代的主角之一,家电是不是一台电脑?有没有自己的操作系统?能不能提供丰富的应用?答案是yes!”在10月14日举办的美的智能化大会上,美的集团IoT副总裁兼CTO向江旭这样描绘智能家居的未来。


在当天大会上,美的IoT发布了四大物联网平台。其中,美的物联网操作系统1.0是智能家居行业内首个基于OpenHarmony2.0(开源鸿蒙2.0系统)开发的分布式操作系统。


近年来,美的持续加快向全球化科技集团转型,并在智能化领域深耕多年。如今发布这一操作系统,是否意味着家电行业的万物互联即将成为现实?


物联网的“安卓”


“我们非常渴望打造家居行业的‘安卓’!这也是为什么我们基于开源鸿蒙2.0系统来做自己的操作系统。”向江旭说。


智能家居经过十多年的发展,市场上已经出现了各种智能产品,但是智能产品之间的互联互通一直未能解决。



美的集团IoT副总裁兼CTO向江旭在演讲。(央广网发 美的集团供图)


在向江旭看来,要实现“家电即电脑,设备即入口”,统一的操作系统很关键。“如果每一台家电都使用同样的开源操作系统,就不需要第三方的入口设备作为控制器,用户能够做到即插即用。”


早在2014年,美的就开始探索智能家电行业的生态,以开放的心态开展对外合作。如今,美的已经与小度、华为、天猫精灵等语音设备打通,并与苹果、OPPO、vivo、荣耀等手机厂商开展入口级合作。


“我们不能够去限制用户的选择,也不能够帮用户选择,而是以更加开放的心态让用户来选择。”美的集团副总裁兼CIO张小懿表示。


央广网记者了解到,此次发布的美的物联网操作系统1.0,可以为多产品多品牌互联互通、设备间自主协同、云端一体化、AI交付等问题提供全新的解决方案。


与此同时,针对中台数据和服务能力不足、家电AI语音对话能力弱、跨领域无法互联互通等行业痛点,美的IoT还发布了美的物联网中台1.0、美的AI对话开发平台1.0、美的物联网开放平台1.0。


“通过物理连接层、OS操作系统层、中台以及应用层来打造一个开放的物联网平台,从而支持我们的智能家居、智慧楼宇、智能制造、智慧物流和智慧医疗。”向江旭说。


接下来,美的IoT还将全面开放生态合作。其中,今年美的IoT与华为鸿蒙的合作进一步深化,基于全屋智能场景,实现了从单品合作到全屋智能、互联互通的跨越。截至目前,美的鸿蒙产品已经完成全品类200+SKU覆盖,预计可实现逾400万台投产计划。


“元家居”的未来


“家电从被动响应到主动服务,整个家庭环境从中心化环境布局转变为分布式智能网络布局。”向江旭指出,这是未来行业发展的趋势。


“智能家电驱动家电行业快速增长,整体增速高于传统家电。”GFK中国家电事业部总经理张存分析, 2021年上半年,智能产品在全球家电占比大约为22%。以大家电为例,今年上半年,中国智能大家电的渗透率为33%,增长率为64%,未来还有很大的增长空间。



美的集团副总裁兼CIO张小懿在演讲。(央广网发 美的集团供图)


作为家电行业的头部企业,美的早有预感。2020年年末,美的调整商业板块,用“智能家居事业群”取代了原来的“消费电器”商业板块,提出面向C端用户提供智能化、场景化的全屋智能家居。


“我们以前更多做数字化和技术的应用,但是后来意识到要进入一些先行研究领域。”张小懿透露,2020年美的还在上海成立了AI创新中心,从事AI算法、AI工程、家庭服务机器人等研发工作,为智能家电提供支持。


当天大会上,美的IoT还推出首个家电分级标准,将家电分为无智能L0(需要用户过度干预)、基础智能L1(单品智能控制)、辅助智能L2(可实现多品类场景联动)、高级智能L3(AI场景联动,主动服务)、完全智能L4(完全自主服务)等五个等级。


目前,美的大部分家电处在能被控制的L1级别,有一部分家电达到能进行场景联动的L2级别,有些已经达到L3级别。“比如空气云管家和热水器云管家加在一起,已经达到了L3级别。”向江旭说。


如果达到L4级别,会是怎么样居家环境?


在向江旭看来,这将达到一个“元家居”的状态。“我们希望把物理空间、虚拟空间、外部的互联网世界三个世界融合在一起,让用户享受三个空间带来的不同体验。”


据悉,新一代美的智慧家全屋智能解决方案依托开发中的数字化平台工具,已经改造了全国220家场景体验店,升级了1万多家门店。张小懿透露,预计明年六月之前,美的将在线下打造100家智慧生活体验标杆门店。


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异步流水线事件触发型芯片架构图


  该工作以“A 57nW Software-Defined Always-On Wake-Up Chip for IoT Devices with Asynchronous Pipelined Event-Driven Architecture and Time-Shielding Level-Crossing ADC(面向物联网应用的基于异步流水线事件驱动型架构和时域屏蔽LC-ADC技术的57nW软件定义常开唤醒芯片)”为题,在2020年2月18日于美国旧金山举行的国际固态电路峰会ISSCC(InternationalSolid-State Circuits Conference)上发表。由于受新冠疫情影响,文章由合作发表单位上海芯翼科技有限公司总经理、北京大学微纳电子学系杰出校友肖建宏博士在现场进行宣讲,受到了来自全世界的芯片领域知名高校、公司和研究机构的关注。


相关研究工作得到了国家优秀青年科学基金、国家重点研发计划等项目的资助,以及浙江省北大信息技术高等研究院、上海芯翼信息科技有限公司等平台的支持。


  背景介绍:


  ISSCC会议每年2月中旬在美国旧金山召开,是国际公认的规模最大、领域内最权威、水平最高的芯片设计领域学术会议,有着芯片设计领域国际奥林匹克大会的美誉。历史上入选ISSCC的论文都代表着当前全球顶尖水平,展现出芯片技术和产业的发展趋势,多项“芯片领域里程碑式发明”均在ISSCC首次披露,如:世界上第一个集成模拟放大器芯片(1968年)、第一个8位微处理器芯片(1974年)和32位微处理器芯片(1981年)、第一个1Gb内存DRAM芯片(1995年)、第一个多核处理器芯片(2005年)等。在长达近70年的会议历史中,中国大陆被录用论文仅有48篇。本文报道的论文是其中之一,也是北京大学该年度唯一入选论文。

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