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【香港到內地物流】躍動的“芯”世界——信息工程學院集成微系統科學工程與應用重點實驗室
日期:2021-04-26 08:31:10 南燕新聞社 點擊:

【香港到內地物流】

2021年,南國燕園已正式步入二十載。二十年間,北京大學深圳研究生院科研創新平台建設穩步推進,科研創新能力持續提升,目前已建和在建的各類實驗室共計30多個。回顧過去,一項項亮眼的科研成績充分彰顯了北大深圳的辦學質量和辦學成果;立足當下,深研院緊貼時代脈絡,深耕人才培養和科研創新;展望未來,深研院將依託科研平台持續發力,在深圳、在中國發出更加堅定的“北大聲音”。不同學科方向、各具專業特色的實驗室充分彰顯了深研院“前沿領域、交叉學科、應用學術、國際標準”的辦學方針,是深研院面向深圳、服務廣東、輻射華南、為地方經濟發展服務的強力助推器。

説起實驗室,首先映入你腦海的,是龐大的設備、精密的儀器、刺鼻的藥水,還是整齊劃一的工位、屏息凝神的面容、伏案疾書的身影?

作為科研產出的依託平台和成果轉化的連通媒介,實驗室承載的不僅僅是一個個基金重點項目、一篇篇高影響因子論文和一項項重大科研成果,更是一位位奠基者的嘔心瀝血、一個個科研人員的精益求精和一份份深思熟慮後的精準抉擇。

透過實驗室,每個學院以自己獨一無二的學科特色在南國燕園大放異彩;立足實驗室,北京大學深圳研究生院堅定地踏出勇毅的步伐,在深圳速度的時代幕布上畫下一筆筆濃墨重彩的奇蹟。

現在,讓我們跟隨南燕新聞社記者的腳步,揭開實驗室的神祕面紗,一窺他後面的人和事吧!


“滴——”,隨着指紋識別門禁系統清脆的響聲,信息工程學院集成微系統科學工程與應用重點實驗室老師和學生們忙碌的一天開始了。

實驗室內景

在這裏,每天有幾十名師生共同奮戰在科研一線。儀器設備高速運轉,數據波形跳躍變化,一行行代碼翻滾湧動,一幅幅版圖精妙入微......這裏不斷在迸發創新與智慧的火花。自成立以來,集成微實驗室走過了15個年頭。如今,它已成為深研院最具代表性的科研平台之一。

實驗室命名:細微之處見真章

2005年,深圳市政府決定,支持深圳大學城建設9個重點實驗室,併為每個實驗室提供3000萬元資金。在王陽元院士、楊芙清院士以及其他老師們的努力下在北大深研院成立了集成微系統科學工程與應用重點實驗室,王新安教授擔任實驗室常務副主任。草創之初,單單在實驗室命名的問題上,參與創建的老師們就下了一番大功夫。

“為實驗室名稱我們開過兩次正式的會議,每次都是兩三個小時。”王教授回憶道,“另外還有不少次非正式的討論。”王院士認為實驗室的名字既要能夠體現實驗室的學科定位、研究方向和人才培養目標,又要高瞻遠矚,使得在未來相當長的一個時期內符合科學研究和產業發展的大方向。

實驗室規劃會議

第一屆學術委員會會議

實驗室立足於深圳,要重點推動集成電路設計研究,促進微電子學與固體電子學學科建設;另一方面深圳系統廠商多於集成電路設計和製造廠商,因此同時兼顧與他們的合作。此外着眼於深圳市的產業環境,立足於北大的科研積澱,實驗室不僅要重視科學研究,也要突出工程技術,而工程技術一定要與實際應用相銜接。因此,最終取名為“集成微系統科學工程與應用”重點實驗室。

“‘集成微系統’並不是一個專業詞彙,而是由王院士等幾位學術大家共同商定的。同樣,在國內,將‘科學’,‘工程’和‘應用’糅合在一起的也不多。”王新安教授説,“這是一個很有創新性和前瞻性的名字,完全是由於我們實驗室的命名而首創。”正所謂“尋常之處見功力,細微之處見真章。”看似無足輕重的命名工作,展現的是院士、教授們獨具匠心的創新精神,以及高瞻遠矚的氣魄。凝結了大量心血的名字,便不再只是代表實驗室的文字符號,而成為了實驗室的發展宗旨與精神內核。

(集成微系統科學工程與應用重點實驗室)

緊跟時代步伐,為集成電路行業輸送緊缺設計人才

確如其名,實驗室誕生伊始,便緊跟時代的步伐,將其自身的定位與深圳市的產業環境和市場需求緊密地結合在一起。實驗室成立的2005年前後,正是我國集成電路設計方面的人才極度匱乏之時。王教授回憶説:“當時人才匱乏到連我們在讀的研究生,都非常受企業青睞。早期學院老師少、學生多,因此不少學生要到企業去實習開展研發工作。這些學生通常都被企業當作其技術骨幹來培養。比如我們的一位學生實習去了敦泰科技,畢業之後也留在了企業工作,他負責研發的芯片成為支持敦泰科技上市的核心產品。”

實驗室部分03、04級學生

在這樣的背景下,實驗室以“面向產業、面向國際、面向核心競爭力”為指導,將自身研究定位劃分為“系統芯片SOC”、“IP模塊”、“微納電子器件與集成技術”三個層次,重點培養學生的研發能力,為我國集成電路行業輸送集成電路設計領域的緊缺人才。這便是實驗室成立後的前十年間,實驗室的主要發展方向。

實驗室定位

建立從電路”到“系統”的集成微系統體系

2015年,結合外部市場環境的變化和自身的情況,實驗室的發展目標與工作重心做了一些調整。此時,隨着集成電路產業的發展變化,市場對於設計方面人才的需求也已不像之前那般迫切。就實驗室自身而言,經過十年的發展,實驗室的規模逐漸壯大,在實驗室工作的一些老師和科研人員也先後申請到了自己獨立的實驗室。實驗室具備了開展從芯片到系統、再從系統到芯片的全流程研發條件,也具備了面向挑戰問題開展創新研究的條件。因此,從2015年開始,實驗室就把包括“傳感、電路、軟硬件系統、算法、雲平台、智能分析”的集成微系統作為實驗室的又一個重要發展方向。

2015年實驗室第二屆學術委員會會議

“集成微系統”指的是具有感知、採集、通訊、存儲、處理、分析等一系列完整功能的電子設備。我們日常生活中使用的智能手機、智能手錶等都屬於“集成微系統”的範疇。圍繞集成微系統為目標的科研工作由許多不同的環節構成,不同環節的工作分別由不同的項目組來承擔。這不僅考驗着每個項目組的科研攻關能力,更考驗着不同項目組之間協調配合的能力。

從芯片到系統的流程

為了完成共同的大課題,不同項目組之間需要密切地溝通與配合。林信南副教授介紹説:“我們不同的課題組有時會共同申請一個大課題,這個大課題會有若干個方向。每個老師儘管在自己的方向上保持着一定的獨立性,但也離不開其他老師的支持。我的學生就經常會找別的老師詢問其領域的相關問題。”林教授自2007年於香港科技大學獲得博士學位後,便回到深研院任教。實驗室本身就是一個龐大而精密的系統,它的高效運轉依賴於在其中工作的每一位老師、科研人員和學生。這樣的運轉模式對於人才的培養是有益的。“我們希望我們的學生在精於自己的方向的同時,對集成電路產業的其他環節也有所瞭解。”

創新人才培養,挑戰世界難題

進入實驗室的大門,首先映入眼簾的是陳列着實驗室科研成果的展覽櫃。從這些成果展覽中,我們可以窺探到實驗室從最初篳路藍縷到如今逐步發展壯大的歷程,也可以感受到實驗室本身鮮明的時代印記。進門左手邊,掛在牆上的一塊50英寸顯示屏格外引人注目,屏幕上的曲線不斷地跳動變化着。這裏顯示的是川滇實驗場、首都圈、西藏、廣東、台灣等全國各地各個AETA多分量地震監測預測台站發回的實時監測數據。AETA多分量地震監測預測系統,經過數屆師生的不懈努力,現在已經成為了實驗室的名片。

多分量地震監測預測系統實時數據

“這個項目的目標是實現對地震的臨震預測。這個選題,也是考慮到實驗室對求解挑戰性問題的創新人才培養需求。”王教授介紹説。

王教授認為,人才培養應當是實驗室科研平台的首要任務。人才是促進產業發展和技術進步的中流砥柱和不竭動力。而人才的培養工作,也應順應時代之需而不斷地調整方向。2015年以後,我國集成電路行業對人才的需求從設計領域人才轉為創新型人才。相應地,實驗室對學生的培養目標也調整為以求解挑戰性問題為牽引,培養學生的創新能力。王教授要求學生“所研究的課題必須具有足夠的挑戰性”。

實驗室學生進行實驗測試

當前在全球範圍內,地震預測都是一個懸而未決的難題,此項研究無疑具有很大的挑戰性。“我們就是要敢於涉足未知的領域,利用自身學科背景和優勢,去解決具有挑戰性的,面向民生健康的科學問題,促進科學發展同時,也服務人民。”參與地震項目研究的雍珊珊老師如是説。

雍珊珊老師從2008開始,便一直在實驗室學習和開展研究工作。雍老師説在地震監測預測研究中,從傳感到電路,到軟件,到系統,再到雲服務以及智能分析等等,這一系列環節與集成微系統研究的整個鏈條相契合,與實驗室的研究定位完美匹配。

地震項目組同學研討

對於我國而言,地震預測研究具有重大的意義。我國是世界上陸地地震發生率最高的國家。而由於我國的人口密度大,地震也成為對人民生命威脅最嚴重的自然災害。加強房屋防震等級等措施,治標不治本,因為在地震的中心區域,再堅固的建築物也無法保全。降低地震對國民生命安全威脅的最有效方法,就是地震預測。

王教授團隊的地震預測方案監測地聲和電磁擾動這兩個物理量,基於監測到的數據,通過數據分析和模型構建,對未來一週地震的有無以及在有震時的地點和震級進行預測。經過研究團隊的努力,多分量地震監測預測系統AETA早已完成研製並開展布設。“我們現在已經在全國範圍內佈設了300多個觀測點,主要集中在川滇地區和首都圈。國外一些地方也佈設了觀測點,已經積累了近四年約38TB的觀測數據。”王教授説。

AETA台站在全國佈設圖

一套完整的AETA系統包括一個電磁傳感探頭、一個地聲傳感探頭和一個數據處理終端。這些設備可以把觀測到的數據通過網絡實時回傳到雲服務器,供研究的人員進行數據處理和分析。

AETA多分量地震監測預測系統

項目研究是各種不確定性和風險的集合體,這也正是參與其中的學生需要去面對、解決並藉以提升自身的問題。地震預測無疑是一個交叉學科的課題,除電子領域外,還會牽涉到地質學、物理學等學科的內容。當遇到跨學科的問題時,實驗室會選擇與相關機構合作,如地震項目研究團隊與地震局的工作人員合作等。但是這些幫助是有限的,主要還是要靠學生通過自主學習和實踐來解決。雍珊珊老師説:“我們希望學生們具備自主解決跨學科領域問題的能力。無論是在現階段還是在未來的工作中,這樣的能力都是必備的。”在研究課題、方案等的選擇上,實驗室給了學生很大的自主權。只要不超出課題組研究內容的框架,老師不會干預學生的選擇,而僅僅扮演把關者的角色。

2020年10月18日,由王教授團隊主持舉辦的首屆AETA地震預測AI算法大賽圓滿結束。這項比賽要求參賽團隊利用AETA系統所採集到的地聲及電磁擾動數據對未來一週內地震三要素進行預測。其中一支獲獎的參賽團隊對於有震無震預測的準確率達到了100%,另一支獲獎團隊有震預測的地點、震級準確率達到66%。“也就是説,從這次大賽和我們實驗室學術的預測結果來看,我們可以自信地下結論,地震是可以預測的。”王教授説道。但項目組的理想並不止步於此。未來,他們還將繼續提高地震預測的準確度。同時,將建立地震監測數據庫,與全世界其他科研機構實現資源共享,為全球地震預測工作貢獻力量。

(各獲獎團隊及頒獎嘉賓大合影)

“新硅谷”與“芯世界”

集成微系統科學工程與應用重點實驗室作為肩負着培養創新人才、產出創新成果服務社會雙重任務的科研平台,坐落在深圳這個中國最具創新能力的城市,兩者的結合可謂相得益彰。集成電路學科屬於工科,這意味着它的發展離不開與產業的密切結合。數年前,一批來自美國硅谷的學者訪問深圳。他們非常看好深圳的發展,並給予了深圳極高的期許:深圳應成為未來世界的“新硅谷”,能夠服務於新的高科技技術以及創新創業的成長。

從宏觀上看,深圳集成電路產業的發展蒸蒸日上,為集成電路科學的發展提供了沃土,這是實驗室得天獨厚的優勢。具體來看,實驗室具有強的科研創新能力,而企業可以敏鋭地捕捉到產業界的前沿需求,並可以在工程技術方面對實驗室進行支持,兩者可以形成優勢互補。另一方面,實驗室培養的學生,大部分都進入了企業服務社會,企業中的技術人員,絕大多數來自高校,來自實驗室,企業可以推動實驗室科研成果的轉化。王新安教授説:“當前制約科研成果轉化的一個主要因素是科研成果的成熟度。許多科研成果未達到適合轉化的成熟度,科研機構卻因主客觀原因而放棄繼續研究。如果企業能夠參與到此過程中來,以產業牽引研究,或許可以推動科研走向成熟並完成成果轉化。”目前,實驗室正在積極探索實現高效率的產學結合、成果轉化的合作模式。

實驗室科研成果

實驗室就像一條紐帶,連接着北大與深圳,連接着老師與學生,連接着過去與未來。今年恰逢深圳經濟特區成立40週年,明年又將迎來深研院成立20週年。對深研院每一位師生而言,這都是具有重大意義的時間節點。“在這樣宏大的背景下,實驗室作為一個小羣體,將會以此為契機,積極發展,努力將實驗室的本職工作做得更好。”王新安教授説道。

紀錄片《城市24小時》深圳一集中有這樣一句話:“比飛得高看得遠更激動人心的是什麼?是飛得更高,看得更遠。”隨着時代潮流滾滾向前,在高瞻遠矚的精心規劃,深圳市的大力舉託之下,集成微系統科學工程與應用重點實驗室必將創造出更加獨特而精彩的“芯”世界。

南燕新聞社“走進實驗室”專題報道組出品

策劃:鄔紫荊

記者:喬錦源

攝影:劉程程

實驗室聯絡:何春舅

指導老師:王可佳

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