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“乐”此不疲探索在微电子领域

发布时间：2023-03-04 16:53:42 来源：文档文库

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“乐”此不疲探索在微电子领域
作者：本刊记者李明丽
来源：《科学中国人》2018年第2期

本刊记者李明丽
1948年，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出了一种点接触型锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。到了20世纪70年代，微型计算机的发明标志着微电子技术的发展达到了前所未有的高度。
改革开放以来，我国的微电子技术也有了很大的发展。现如今，微电子技术已经渗透到诸如现代通信、计算机技术、医疗卫生、交通、军事等各个方面，成为一种既代表国家现代化水平又与人民生活息息相关的高新技术。
对于北京大学微纳电子学研究院副教授叶乐来说，微电子领域一直都有一种独特的魅力在吸引着他，深入其中以后，他更能深刻体味到其蕴含的巨大研究价值。多年来，他在微电子研究中奋力创新，不断获得新成果。如今，他仍像一位具有巨大好奇心与探索欲望的行者，在这一领域中大步前进着！兴趣使然，与微电子领域结缘
叶乐的性子里有科学家的认真严谨，也有骨子里自带的开朗与热情。
在他的介绍中，记者了解到，从小，叶乐就对科技非常感兴趣，特别是对集成电路这方面印象尤深。纵观科技发展史，大规模集成电路、超级计算机的发明，无一不让叶乐感知到科技的神奇。当时在上高中的他，就深知这些都与物理有着千丝万缕的联系。于是，本科阶段，叶乐便选择南京大学就读物理系。
深入到物理领域进行研究时，他却发现这与自己的想象并不完全一致。现如今的物理学研究更多的集中在凝聚态领域上，但这方面的研究却不是叶乐的兴趣所在，所以，本科毕业后，叶乐毅然决然地将进一步深造的方向转向了自己更感兴趣的微电子领域，并以保送研究生的资格，来到了北京大学。他说，虽然是半路出家．但是从事这一领域的研究更符合自己内心最初的愿望，更能让他在兴趣中收获成长。而如今其在科研方面所取得的成果，更加证实了他当初的选择是正确的。
其实，叶乐与科研的结缘，是偶然．也是必然。原本他只是想按部就班读完研究生就参加工作，最终却选择了和同学们一起继续读博，在博士阶段开始进行集成电路设计的研究工作，并前往德国进行研究学习。回国时，他在集成电路领域内的顶级期刊发表了一篇学术文章．是北京大学微电子研究院在该期刊所发表的首篇文章，这也给叶乐今后的科研之路奠定了一定的基础。明确领域发展趋势，潜心开展科学研究
微纳电子学，顾名思义，首先它的特征就是小，从而对集成度的要求也会相应较高。曾经，微电子学最辉煌的一个标志是摩尔定律，即集成电路上可容纳的元器件数目约每隔18个月增加一倍．性能将提升一倍。然而，近年来微电子领域却逐渐面临摩尔定律可能失效的压力，并有很多人以此来定义微电子领域的兴衰。对此，叶乐也有自己的看法，他认为：与其说摩尔定律是一项科技定律，不如说摩尔定律更像是一项经济学定律。随着集成电路器件尺寸越做越小，但小到一定程度时，技术上面临的问题越来越严峻，解决这些问题所付出的代价和成本也就越来越高，如果当这些成本的提升已经超过器件尺寸继续做小所带来的经济价值提升时，那么其商业价值就将面临着巨大挑战。这其中的关键问题并非科学家不能将微电子器件进一步做小，而在于将其继续做小后是否还会延续商业价值方面的提升。所以，叶乐认为，在过去的发展历程中，微电子主要是一项成本驱动型的技术。

然而，对于其未来的发展．他则认为，低功耗是未来的发展方向之一，以手机为例，用户可以忍受手机慢一点，但绝不能忍受手机电源快速耗尽。对于未来的物联网终端、可穿戴式设备、植入式设备，低功耗的要求就更为苛刻了。其次，微电子领域一定要回归到它的本源——小，特别是在医疗行业内，如果想要在人体内植入医用芯片等物体，“小”，必须是第一要素。因此，叶乐预测，微电子领域未来的发展会从成本驱动型转变成低功耗驱动和微小体积驱动，以此为信息科学、医学等领域做出更多的贡献。而叶乐的研究方向——物联网微纳集成系统以及植入式医疗微纳集成系统，就是根据这一发展趋势而形成的。
与互联网是人与网络之间的联系而产生大量的数据不同，物联网不仅要实现网络与人的连接还要实现物与物的连接，其联网的终端数至少多了3个数量级以上，从而产生的大数据体量也会更多。那这些数据怎么体现价值?这就需要微电子技术来感知、处理并传输这些数据，从而支撑其发挥巨大的价值。微电子技术的成本驱动、低功耗、微小体积的特性，正是其发展的基础所在。
在叶乐的另一研究方向——植入式医疗器械领域，因为其与医学高度交叉，所以叶乐在进行研究时，会先和医生进行充分交流，共同寻找通过植入式医疗器械治疗该疾病的潜在可行方案，以此设定研究路线。以白内障为例，传统的人工晶体无法变焦，从而使得患者术后视力有限，要想解决这一问题，如何自适应变焦是关键。叶乐在人工晶体里加入了一些空腔，空腔旁边设置微型马达及储水装置，通过马达向空腔中打水、抽水的过程来实现人工晶体的变焦。患者配戴的眼镜可实现向植入式人工变焦晶体进行无线供电，从而解决植入体的供电问题。眼镜上的微型摄像头可以捕捉眼球的运动，而两个眼球的眼轴延长线交点就是人想要看的东西，以此就可以根据眼动来自适应调节植人体马达的工作，来实现人工晶体的自适应变焦．最终有望解决白内障患者的问题。此外，植入式医疗维纳集成系统还有很多优势，在治疗疼痛方面，通过释放一些电信号把神经疼痛信号给综合掉，还能达到缓解疼痛的目的；通过在脑瘫患者的脑中植入信号，还能达到意念控制的作用。虽然这一研究领域，亟待解决的问题还有很多，但叶乐认为植入式医疗微纳集成系统不仅可以进行生理指标检测还可以起到治疗作用，这项研究对人类社会的意义重大．所以他愿意投身其中进行科学研究。
不忘初心，继续进行深入探索
2017年，叶乐又迎来了崭新的开始。其所研究的项目“面向无线传输芯片的射频与模拟集成电路设计”正式获得了2017年国家自然科学基金优秀青年基金项目的支持。
无线传输芯片是电子终端及未来智能终端的核心部件，射频与模拟集成电路设计技术则是无线传输芯片中最为关键的核心技术，一直是集成电路设计领域的研究热点方向。随着5G移动通信、可穿戴设备、物联网、植入式医疗微纳集成系统、自供能系统、毫米波超高速无线传输等新兴领域的发展．无线传输芯片对射频与模拟集成电路提出了更高的要求和挑战；同时，还面临着超低功耗、多模、多频系统的通用性、收发同频干扰、CMOS毫米波集成电路设计等一系列的科学问题。
围绕上述几个科学问题，叶乐及其研究团队开展了“面向无线传输芯片的射频与模拟集成电路设计”的研究工作，不仅在超低功耗、高度可配置模拟基带电路设计研究中，显著降低了功耗水平；在超高频射频识别读写器芯片设计研究中，解决了“收发同频干扰”问题；还在CMOS毫米波频率综合器芯片设计研究中，显著降低了功耗和带内相噪声，且上述工作均取得了国际领先水平。
根据这一研究成果，他们还将进一步开展“自供能芯片关键射频与模拟集成电路设计”研究，并将研究内容集中在无线能量获取电路技术、基于背散射机制的多元调／多元调相信号的

调制发射电路技术、以及某一特定应用的自供能系统集成芯片的设计研究工作中，为物联网、可穿戴设备、植入式医疗微纳集成系统等未来新兴应用领域贡献力量。
叶乐明白，在未来研究中所面临的困境还很多，特别是对植入式医疗微纳集成系统的研究，不仅涉及到交叉学科，其在植入人体后需要考虑的情况也有很多。虽然困难重重，但他认为一切都值得，如果今后自己所做出的科研成果，能够真正地造福于人类的身体健康，那将是他最大的欣慰！

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/a03d3c05b868a98271fe910ef12d2af90242a880.html