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【走进实验室】跃动的“芯”世界——信息工程学院集成微系统科学工程与应用重点实验室
日期:2021-04-26 08:31:10 南燕新闻社 点击:

【编者按】

2021年,南国燕园已正式步入二十载。二十年间,北京大学深圳研究生院科研创新平台建设稳步推进,科研创新能力持续提升,目前已建和在建的各类实验室共计30多个。回顾过去,一项项亮眼的科研成绩充分彰显了北大深圳的办学质量和办学成果;立足当下,深研院紧贴时代脉络,深耕人才培养和科研创新;展望未来,深研院将依托科研平台持续发力,在深圳、在中国发出更加坚定的“北大声音”。不同学科方向、各具专业特色的实验室充分彰显了深研院“前沿领域、交叉学科、应用学术、国际标准”的办学方针,是深研院面向深圳、服务广东、辐射华南、为地方经济发展服务的强力助推器。

说起实验室,首先映入你脑海的,是庞大的设备、精密的仪器、刺鼻的药水,还是整齐划一的工位、屏息凝神的面容、伏案疾书的身影?

作为科研产出的依托平台和成果转化的连通媒介,实验室承载的不仅仅是一个个基金重点项目、一篇篇高影响因子论文和一项项重大科研成果,更是一位位奠基者的呕心沥血、一个个科研人员的精益求精和一份份深思熟虑后的精准抉择。

透过实验室,每个学院以自己独一无二的学科特色在南国燕园大放异彩;立足实验室,北京大学深圳研究生院坚定地踏出勇毅的步伐,在深圳速度的时代幕布上画下一笔笔浓墨重彩的奇迹。

现在,让我们跟随南燕新闻社记者的脚步,揭开实验室的神秘面纱,一窥他后面的人和事吧!


“滴——”,随着指纹识别门禁系统清脆的响声,信息工程学院集成微系统科学工程与应用重点实验室老师和学生们忙碌的一天开始了。

实验室内景

在这里,每天有几十名师生共同奋战在科研一线。仪器设备高速运转,数据波形跳跃变化,一行行代码翻滚涌动,一幅幅版图精妙入微......这里不断在迸发创新与智慧的火花。自成立以来,集成微实验室走过了15个年头。如今,它已成为深研院最具代表性的科研平台之一。

实验室命名:细微之处见真章

2005年,深圳市政府决定,支持深圳大学城建设9个重点实验室,并为每个实验室提供3000万元资金。在王阳元院士、杨芙清院士以及其他老师们的努力下在北大深研院成立了集成微系统科学工程与应用重点实验室,王新安教授担任实验室常务副主任。草创之初,单单在实验室命名的问题上,参与创建的老师们就下了一番大功夫。

“为实验室名称我们开过两次正式的会议,每次都是两三个小时。”王教授回忆道,“另外还有不少次非正式的讨论。”王院士认为实验室的名字既要能够体现实验室的学科定位、研究方向和人才培养目标,又要高瞻远瞩,使得在未来相当长的一个时期内符合科学研究和产业发展的大方向。

实验室规划会议

第一届学术委员会会议

实验室立足于深圳,要重点推动集成电路设计研究,促进微电子学与固体电子学学科建设;另一方面深圳系统厂商多于集成电路设计和制造厂商,因此同时兼顾与他们的合作。此外着眼于深圳市的产业环境,立足于北大的科研积淀,实验室不仅要重视科学研究,也要突出工程技术,而工程技术一定要与实际应用相衔接。因此,最终取名为“集成微系统科学工程与应用”重点实验室。

“‘集成微系统’并不是一个专业词汇,而是由王院士等几位学术大家共同商定的。同样,在国内,将‘科学’,‘工程’和‘应用’糅合在一起的也不多。”王新安教授说,“这是一个很有创新性和前瞻性的名字,完全是由于我们实验室的命名而首创。”正所谓“寻常之处见功力,细微之处见真章。”看似无足轻重的命名工作,展现的是院士、教授们独具匠心的创新精神,以及高瞻远瞩的气魄。凝结了大量心血的名字,便不再只是代表实验室的文字符号,而成为了实验室的发展宗旨与精神内核。

(集成微系统科学工程与应用重点实验室)

紧跟时代步伐,为集成电路行业输送紧缺设计人才

确如其名,实验室诞生伊始,便紧跟时代的步伐,将其自身的定位与深圳市的产业环境和市场需求紧密地结合在一起。实验室成立的2005年前后,正是我国集成电路设计方面的人才极度匮乏之时。王教授回忆说:“当时人才匮乏到连我们在读的研究生,都非常受企业青睐。早期学院老师少、学生多,因此不少学生要到企业去实习开展研发工作。这些学生通常都被企业当作其技术骨干来培养。比如我们的一位学生实习去了敦泰科技,毕业之后也留在了企业工作,他负责研发的芯片成为支持敦泰科技上市的核心产品。”

实验室部分03、04级学生

在这样的背景下,实验室以“面向产业、面向国际、面向核心竞争力”为指导,将自身研究定位划分为“系统芯片SOC”、“IP模块”、“微纳电子器件与集成技术”三个层次,重点培养学生的研发能力,为我国集成电路行业输送集成电路设计领域的紧缺人才。这便是实验室成立后的前十年间,实验室的主要发展方向。

实验室定位

建立从电路”到“系统”的集成微系统体系

2015年,结合外部市场环境的变化和自身的情况,实验室的发展目标与工作重心做了一些调整。此时,随着集成电路产业的发展变化,市场对于设计方面人才的需求也已不像之前那般迫切。就实验室自身而言,经过十年的发展,实验室的规模逐渐壮大,在实验室工作的一些老师和科研人员也先后申请到了自己独立的实验室。实验室具备了开展从芯片到系统、再从系统到芯片的全流程研发条件,也具备了面向挑战问题开展创新研究的条件。因此,从2015年开始,实验室就把包括“传感、电路、软硬件系统、算法、云平台、智能分析”的集成微系统作为实验室的又一个重要发展方向。

2015年实验室第二届学术委员会会议

“集成微系统”指的是具有感知、采集、通讯、存储、处理、分析等一系列完整功能的电子设备。我们日常生活中使用的智能手机、智能手表等都属于“集成微系统”的范畴。围绕集成微系统为目标的科研工作由许多不同的环节构成,不同环节的工作分别由不同的项目组来承担。这不仅考验着每个项目组的科研攻关能力,更考验着不同项目组之间协调配合的能力。

从芯片到系统的流程

为了完成共同的大课题,不同项目组之间需要密切地沟通与配合。林信南副教授介绍说:“我们不同的课题组有时会共同申请一个大课题,这个大课题会有若干个方向。每个老师尽管在自己的方向上保持着一定的独立性,但也离不开其他老师的支持。我的学生就经常会找别的老师询问其领域的相关问题。”林教授自2007年于香港科技大学获得博士学位后,便回到深研院任教。实验室本身就是一个庞大而精密的系统,它的高效运转依赖于在其中工作的每一位老师、科研人员和学生。这样的运转模式对于人才的培养是有益的。“我们希望我们的学生在精于自己的方向的同时,对集成电路产业的其他环节也有所了解。”

创新人才培养,挑战世界难题

进入实验室的大门,首先映入眼帘的是陈列着实验室科研成果的展览柜。从这些成果展览中,我们可以窥探到实验室从最初筚路蓝缕到如今逐步发展壮大的历程,也可以感受到实验室本身鲜明的时代印记。进门左手边,挂在墙上的一块50英寸显示屏格外引人注目,屏幕上的曲线不断地跳动变化着。这里显示的是川滇实验场、首都圈、西藏、广东、台湾等全国各地各个AETA多分量地震监测预测台站发回的实时监测数据。AETA多分量地震监测预测系统,经过数届师生的不懈努力,现在已经成为了实验室的名片。

多分量地震监测预测系统实时数据

“这个项目的目标是实现对地震的临震预测。这个选题,也是考虑到实验室对求解挑战性问题的创新人才培养需求。”王教授介绍说。

王教授认为,人才培养应当是实验室科研平台的首要任务。人才是促进产业发展和技术进步的中流砥柱和不竭动力。而人才的培养工作,也应顺应时代之需而不断地调整方向。2015年以后,我国集成电路行业对人才的需求从设计领域人才转为创新型人才。相应地,实验室对学生的培养目标也调整为以求解挑战性问题为牵引,培养学生的创新能力。王教授要求学生“所研究的课题必须具有足够的挑战性”。

实验室学生进行实验测试

当前在全球范围内,地震预测都是一个悬而未决的难题,此项研究无疑具有很大的挑战性。“我们就是要敢于涉足未知的领域,利用自身学科背景和优势,去解决具有挑战性的,面向民生健康的科学问题,促进科学发展同时,也服务人民。”参与地震项目研究的雍珊珊老师如是说。

雍珊珊老师从2008开始,便一直在实验室学习和开展研究工作。雍老师说在地震监测预测研究中,从传感到电路,到软件,到系统,再到云服务以及智能分析等等,这一系列环节与集成微系统研究的整个链条相契合,与实验室的研究定位完美匹配。

地震项目组同学研讨

对于我国而言,地震预测研究具有重大的意义。我国是世界上陆地地震发生率最高的国家。而由于我国的人口密度大,地震也成为对人民生命威胁最严重的自然灾害。加强房屋防震等级等措施,治标不治本,因为在地震的中心区域,再坚固的建筑物也无法保全。降低地震对国民生命安全威胁的最有效方法,就是地震预测。

王教授团队的地震预测方案监测地声和电磁扰动这两个物理量,基于监测到的数据,通过数据分析和模型构建,对未来一周地震的有无以及在有震时的地点和震级进行预测。经过研究团队的努力,多分量地震监测预测系统AETA早已完成研制并开展布设。“我们现在已经在全国范围内布设了300多个观测点,主要集中在川滇地区和首都圈。国外一些地方也布设了观测点,已经积累了近四年约38TB的观测数据。”王教授说。

AETA台站在全国布设图

一套完整的AETA系统包括一个电磁传感探头、一个地声传感探头和一个数据处理终端。这些设备可以把观测到的数据通过网络实时回传到云服务器,供研究的人员进行数据处理和分析。

AETA多分量地震监测预测系统

项目研究是各种不确定性和风险的集合体,这也正是参与其中的学生需要去面对、解决并借以提升自身的问题。地震预测无疑是一个交叉学科的课题,除电子领域外,还会牵涉到地质学、物理学等学科的内容。当遇到跨学科的问题时,实验室会选择与相关机构合作,如地震项目研究团队与地震局的工作人员合作等。但是这些帮助是有限的,主要还是要靠学生通过自主学习和实践来解决。雍珊珊老师说:“我们希望学生们具备自主解决跨学科领域问题的能力。无论是在现阶段还是在未来的工作中,这样的能力都是必备的。”在研究课题、方案等的选择上,实验室给了学生很大的自主权。只要不超出课题组研究内容的框架,老师不会干预学生的选择,而仅仅扮演把关者的角色。

2020年10月18日,由王教授团队主持举办的首届AETA地震预测AI算法大赛圆满结束。这项比赛要求参赛团队利用AETA系统所采集到的地声及电磁扰动数据对未来一周内地震三要素进行预测。其中一支获奖的参赛团队对于有震无震预测的准确率达到了100%,另一支获奖团队有震预测的地点、震级准确率达到66%。“也就是说,从这次大赛和我们实验室学术的预测结果来看,我们可以自信地下结论,地震是可以预测的。”王教授说道。但项目组的理想并不止步于此。未来,他们还将继续提高地震预测的准确度。同时,将建立地震监测数据库,与全世界其他科研机构实现资源共享,为全球地震预测工作贡献力量。

(各获奖团队及颁奖嘉宾大合影)

“新硅谷”与“芯世界”

集成微系统科学工程与应用重点实验室作为肩负着培养创新人才、产出创新成果服务社会双重任务的科研平台,坐落在深圳这个中国最具创新能力的城市,两者的结合可谓相得益彰。集成电路学科属于工科,这意味着它的发展离不开与产业的密切结合。数年前,一批来自美国硅谷的学者访问深圳。他们非常看好深圳的发展,并给予了深圳极高的期许:深圳应成为未来世界的“新硅谷”,能够服务于新的高科技技术以及创新创业的成长。

从宏观上看,深圳集成电路产业的发展蒸蒸日上,为集成电路科学的发展提供了沃土,这是实验室得天独厚的优势。具体来看,实验室具有强的科研创新能力,而企业可以敏锐地捕捉到产业界的前沿需求,并可以在工程技术方面对实验室进行支持,两者可以形成优势互补。另一方面,实验室培养的学生,大部分都进入了企业服务社会,企业中的技术人员,绝大多数来自高校,来自实验室,企业可以推动实验室科研成果的转化。王新安教授说:“当前制约科研成果转化的一个主要因素是科研成果的成熟度。许多科研成果未达到适合转化的成熟度,科研机构却因主客观原因而放弃继续研究。如果企业能够参与到此过程中来,以产业牵引研究,或许可以推动科研走向成熟并完成成果转化。”目前,实验室正在积极探索实现高效率的产学结合、成果转化的合作模式。

实验室科研成果

实验室就像一条纽带,连接着北大与深圳,连接着老师与学生,连接着过去与未来。今年恰逢深圳经济特区成立40周年,明年又将迎来深研院成立20周年。对深研院每一位师生而言,这都是具有重大意义的时间节点。“在这样宏大的背景下,实验室作为一个小群体,将会以此为契机,积极发展,努力将实验室的本职工作做得更好。”王新安教授说道。

纪录片《城市24小时》深圳一集中有这样一句话:“比飞得高看得远更激动人心的是什么?是飞得更高,看得更远。”随着时代潮流滚滚向前,在高瞻远瞩的精心规划,深圳市的大力举托之下,集成微系统科学工程与应用重点实验室必将创造出更加独特而精彩的“芯”世界。

南燕新闻社“走进实验室”专题报道组出品

策划:邬紫荆

记者:乔锦源

摄影:刘程程

实验室联络:何春舅

指导老师:王可佳