臺灣大學獲選2012年四篇IC設計界龍頭

臺灣大學電機資訊學院又傳捷報！電子工程研究所陳良基、汪重光、劉深淵、陳中平等四位教授分別指導的研究論文，共有四篇入選「國際固態電路研討會」（International Solid-State Circuits Conference，ISSCC ），占我國獲選論文數量近五成，不僅穩居國內晶片設計領域的龍頭地位，研發實力與創新能力也更上一層樓。

IEEE固態電路學會（IEEE Solid-State Circuits Society，IEEE SSCS）自1953年起逐年舉辦ISSCC，是全球先進固態電路領域研發趨勢的重要指標，各個技術領域僅有少數論文可獲得入選的殊榮，被IC領域視為技術發表的最高殿堂，堪稱是IC設計界的奧林匹克運動會。明年的ISSCC將在2月19日至23日舉行，全球共選入203篇論文，此次臺灣共有9篇論文獲得前往美國舊金山發表的榮耀，。除了台大獲選4篇之外，清華大學與聯發科技（MediaTek）各入選2篇，交通大學則獲選1篇。

陳良基教授－結合神經科學的新皮質運算晶片對於矽晶片與電腦來說，目前唯一尚未克服的應用挑戰或許是「辨識」問題。由於現有的矽晶片和電腦的架構與人類大腦的架構有相當大的差異，因此至今若要求矽晶片與電腦辨認照片中的人物或貓狗，往往效果有限或是難以達成，而且辨識人物和動物的晶片無法通用，必須分別開發。

然而，陳良基教授領導的DSPIC設計實驗室所研發的「新皮質運算晶片」已克服辨識的問題。「新皮質運算晶片」並未依賴傳統的電腦架構，而是跨領域結合神經科學，將神經科學轉化為電子晶片設計的概念，乃是世界首次嘗試在矽晶片的運算及互連的面向上，完整採用創新之「大腦啟發架構」。「做出來的晶片辨識度高，」電子所博士班學生蔡雋永表示，「目前是全球第一個結合神經科學而被ISSCC接受的論文。」

蔡雋永指出，「新皮質運算晶片」模仿大腦的腦皮質單元架構、腦皮質網路架構、腦神經運作模式、視覺階層網路架構等面向的特性，細微且廣泛地將大腦架構移至矽晶片上，讓矽晶片也能具有大腦的辨識功能。

在應用性方面，「新皮質運算晶片」具有極高的通用性，不僅可以辨識人物或動物，也可支援辨識物品、地點和動作，未來可望應用在自動車輛駕駛、機器人視覺、智慧型安全監控等。蔡雋永舉例，有些人在某個場合裡遇到曾經見過的人，卻無法在當下想起對方的名字和職業時，往往會尷尬得不知如何是好，恨不得當場找個地洞鑽進去，就好似電影《穿著PRADA的惡魔》裡的情節。但是這種情形在未來或許將不復存在。蔡雋永進一步指出，「新皮質運算晶片」具有「臉部辨識」與學習功能，可以安裝在「智慧友人提示系統」中，「未來可能一個小小的隨身裝置就能隨時告知我們對方的姓名和職業，彷彿身邊有隨身助理，」蔡雋永強調，「幫助我們永遠不會在重要時刻忘記重要人物的大名。」

「這本書從工程的角度詮釋大腦，我覺得很有趣。」蔡雋永透露，由於受到《創智慧－理解人腦運作，打造智慧機器》一書的影響，因此投身研究結合神經科學的晶片設計。《創智慧－理解人腦運作，打造智慧機器》是由奔邁電腦（Palm）發明人霍金斯（Jeff Hawkins）所著，霍金斯在書中述說他認為電腦沒有智慧的原因，解釋人類大腦的運作方式，並進一步深入探討人類應該如何建構出真正具有智慧的電腦或機器。

電子跨領域結合神經科學的難度較大，挑戰性也較高，願意嘗試的人也因此較少。蔡雋永表示，正由於難度較高，所以他自2007年起，花了大約四年的時間和大量心力，方才成功設計出「新皮質運算晶片」。「但這個作品只是『原型』（prototype）而已。」蔡雋永認為「新皮質運算晶片」是充當開路先鋒的角色，「未來還有很多可以繼續努力的空間。」

汪重光教授－高效率的功率放大器在無線傳輸前端電路中，功率放大器（Power Amplifier，PA）會影響訊號的傳送距離，卻也占據三分之一以上的能量消耗，功率放大器的操作效率便因此顯得非常重要。超大型積體電路系統實驗室的王崑印在汪重光教授的指導下，研發出具有高效率的放大器，可適用於E-頻帶（60-90GHz）中的車用雷達系統以及無線點對點寬頻傳輸網路，在消耗相同能量的情況下，與同頻段、傳統的方式相比，能夠增加近一倍的輸出功率。

電子所碩士班王崑印的功率放大器使用一個創新的功率結合器（Power Combiner），突破了以往結合器在毫米波頻段容易產生「不匹配」（miss-match）的瓶頸，可在輸出端將各組輸出的訊號順利疊加成一組後，再傳送至天線，因此比其他頻帶的功率放大器有更高的效率。

王崑印表示，他原本是研發小功率的功率放大器，後來約花費一年半的時間改進而有今日的研發成果。「過程中比較困難的部分主要在於模型建構（modeling）。」王崑印透露，由於與該計畫合作的台積電（TSMC）並沒有提供較高頻寬的modeling資訊，因此必須自製測試元件，再加上學長過去請台積電協助下線電路的經驗，逐一測試、修正，才能設計出最適用的功率放大器。

王崑印指出，這台高效率的功率放大器應用在車用雷達系統時，車用雷達的水平角度大約增為兩倍或是增加40%的輸出距離，使偵測範圍可以更廣或更遠，原本可增測100公尺遠的車輛，將可增測到140公尺的距離。「以時速100公里的相對速度來說，可以增加40公尺的煞車距離和1.4秒的煞車反應時間。」而大樓間的無線傳輸則是無線點對點寬頻傳輸網路之應用，傳輸距離可長達1至2公里，「希望可以取代大樓間的光纖網路。」王崑印補充道。

陳中平教授－寬頻全數位鎖相迴路晶片超大型積體電路系統晶片電腦輔助設計實驗室陳中平教授、電子電路實驗室的劉深淵教授及電子所謝旻翰、陳良信設計的「寬頻全數位延遲鎖相迴路晶片」。

延遲鎖相迴路可提供同步時脈訊號，確保訊號可同步處理，使晶片間的資料傳遞能夠透過同步處理來擷取正確的資料，維持電子產品中的資料正確性。電子所博士班三年級的謝旻翰表示，「寬頻全數位延遲鎖相迴路晶片」以相位追蹤器（phase-tracing unit）取代由許多延遲單元（delay unit）所組成的延遲線（delay line），除了可配合不同速度的系統操作之外，還能較現今產品大幅節省10倍以上的晶片面積，並且降低消耗功率，達到節能、省電的目的。

謝旻翰指出，寬頻全數位延遲鎖相迴路晶片在架構上透過全數位電路來實現傳統類比電路，將使系統更加穩定，也更容易整合，因此和同類型產品相比，不僅消耗較低的電能，還可以和CPU、DRAM、GPU等數位晶片一同設計，減少整體產品的體積，各個晶片之間也可以互相連結。

寬頻全數位延遲鎖相迴路晶片的另一項特色則是當使用者使用電子產品時，可依使用者不同的速度需求而改變系統的操作頻率，最高和最低頻率的範圍可達100倍以上。謝旻翰表示，從晶片設計的角度來看，若能設計一個適用於不同速度的晶片，可讓晶片的使用模式更加多元。因此，當電子產品使用者只需要一定程度的速度時，可以自行降低系統的操作頻率，而提供同步時脈訊號的延遲鎖相迴路也同時變更其操作頻率，「不僅能夠降低電能的消耗，」謝旻翰說道，「還可以增加可攜式產品的使用時間。」

劉深淵教授－2.4GHz低相位雜訊鎖相迴路低相位雜訊鎖相迴路可運用於時脈產生器與類比至數位轉換器等用途，透過次諧波注入(sub-harmonically injection-locked) 的技巧來壓抑振盪器(oscillator）的相位雜訊，但注入時間點的正確與否會嚴重引影響壓抑相位雜訊的效果，這是因為注入時間點受製程變異與電源電壓的影響。劉深淵教授與電子所碩士班二年級黃逸傑提出了一個注入時間點校正的技巧，用來對齊振盪器的最佳注入點，以穩定諧波鎖相迴路系統。

黃逸傑指出，此次研發的低相位雜訊鎖相迴路乃是採用0.18微米製程技術，消耗的功率為12.6mW，量測到的相位雜訊可以從原本的-114dBc/Hz降低至-129dBc/Hz，偏移頻率為1MHz，而方均根抖動則可從原本的317fs改善至145fs。

(尹智剛撰文)