关键词： 无人自动行车控制系统   高并发   低延迟   负载均衡   动态多线程算法  

摘要： 宝钢股份2 030冷轧机组成品库的生产作业涵盖机组上料、机组产出、吊装卸车、库内倒垛等，主要作业对象是机组产出和车辆入库的钢卷，生产物流全部由行车实施完成。针对冶金行业行车的作业特点，通过基于动态多线程算法模型设计的无人自动行车控制系统，满足了项目的高并发、低延迟、负载均衡的要求，达成了库区内多台行车无人自动作业的目标。项目运行多年，行车作业自动化率达标，完全满足生产现场钢卷物流作业的要求。

关键词： 二维半导体材料   非平面结构   能耗   隧穿   增益   电流密度   亚阈值摆幅   异质集成  

摘要： 在集成电路产业发展的半个多世纪中,晶体管的特征尺寸持续微缩不仅增大了晶体管的集成密度,而且提高了器件和最终芯片的整体性能。然而,晶体管的特征尺寸进入纳米尺寸后,短沟道效应、量子效应导致了晶体管的漏电流增大、阈值电压下跌以及亚阈值斜率衰退等问题,引起了晶体管能耗增大。根本的原因在于:1、晶体管特征尺寸持续微缩使得它的性能不断提高,也减小了晶体管的Supply Voltage(V)和阈值电压(V),而且要求保持较高的驱动因子(V-V);2、传统硅基器件的载流子能态在源/漏极的玻尔兹曼分布限制了亚阈值斜率不能小于60 m V/decade。因此,在2020年国际器件和设备路线图(IRDS)提出降低器件功耗的两种互补方法:一种是引入新型高性能材料,比如:锗、碳纳米管、二维半导体材料以及Ⅲ-Ⅴ族复合半导体材料,这些新型高性能材料以高于硅基沟道材料的载流子迁移率和注入速度使器件在更低的工作电压下具有更高的频率和输出电流;另外一种是引入新原理器件,比如:隧穿晶体管、狄拉克源晶体管、负电容晶体管、忆阻栅晶体管,这些晶体管通过改变其体因子或者热因子的方式获得陡峭的亚阈值斜率。晶体管的特征尺寸缩小到原子尺寸后,要求沟道厚度小于沟道长度的三分之一才能对沟道体进行有效调控,三维体材料由于表面悬挂键、晶格不匹配等因素导致生长厚度小于5纳米、表面连续和厚度均匀的高质量薄膜变得越来越困难,而且表面悬挂键、粗糙度和厚度起伏等因素导致载流子迁移率随厚度的6次方衰退。二维半导体材料具有原子级的厚度,而且表面不存在悬挂键,可以克服三维体材料的缺点且保持高的迁移率,是替代硅基材料的理想选择。本论文以非平面栅极结构器件和新原理器件为切入点,二维半导体材料作为器件的沟道材料,设计和制备出非平面栅极结构晶体管和新原理器件,获得了超低的亚阈值斜率和高电流的输出,实现器件电学性能的提高。同时,构建了基本逻辑器件,探索它们在大电流、低功耗逻辑电路中的应用。本论文的主要研究内容和创新点如下:1.利用了范德瓦尔异质集成技术,以氧化铝包裹的氧化镓纳米线作为模板,首次构建了非平面准Ω栅极结构的二硫化钼晶体管,并系统研究了它的基本电学性质。非平面结构栅极能够通过局域电场耦合作用增强沟道体的局域电场,从而提高非平面栅极的栅控能力。因此,非平面Ω型顶栅Mo S晶体管获得了高的电流密度890μA/μm和高的跨导32.7μS/μm。基于这些优异的电学性能,在单块二硫化钼薄片上构建了基本逻辑电路:“非门”和“与非门”逻辑电路,获得了理想的噪声容限值(89%)和高的电压增益(26.6)。该工作为大电流、低功耗逻辑器件的发展提供了新思路。2.忆阻栅结构由银电极/黑磷氧化物/黑磷/金电极组成,在电场的作用下,导电丝(由氧空位组成)在氧化物中形成或者断开,从而实现了忆阻栅结构阻态的突变。利用范德瓦尔异质集成技术,集成忆阻栅结构到二硫化钼器件的顶栅,构建了忆阻栅二硫化钼器件。忆阻栅结构阻态的突变引起忆阻栅器件栅极电容的非线性变化,从而导致忆阻栅器件源漏电流突变,使得忆阻栅器件获得了超陡峭的亚阈值斜率(SS<1.0 m V/decade)。忆阻栅器件突破了载流子的能态在源漏极玻尔兹曼分布的限制,同时展现出了良好的重复性和稳定性。基于忆阻栅器件构建的简单逻辑器件有超高的电压增益～2000和纳瓦级的功耗。因此,忆阻栅器件为低功耗晶体管的研究提供了新思路。3.利用范德瓦尔异质集成技术,自下而上异质集成二维半导体材料(Mo S/Hf O/Hf S/Hf O/Ge Se),构建具有两个原子层厚度的超薄基区二维半导体材料热电子隧穿晶体管,获得了超高的电流增益24104和接近极限的收集效率。这些优异性能的获得可以归结于:1、原位氧化硫化铪获得了原子级平坦的氧化铪,提高了2D异质结的界面质量;2、2D/2D异质结降低了热电子隧穿结前后的动量不匹配度;3、合理的能带设计使得热电子隧穿晶体管具有从发射极到集电极递减的能带台阶,提高了热电子的注入能量。该工作为高增益、低功耗放大器的研究提供了新思路。

关键词： 超声波测风   时差法   小型化   低功耗   倾斜角误差补偿  

摘要： 风是最为常见的自然现象之一,风速也是一项极其重要的气象参数。尤其是在航海航运领域,海面风速是观测海洋气象变化的重要参数。目前市场上常用的风速测量装置主要是在陆地环境下进行风速测量,而当风速仪工作在海洋环境中,例如安装在海洋浮标、船舶上时,目前市场上的风速测量装置均没有考虑到海洋环境和设备处于非平稳状态时对风速测量精度的影响。针对该场景,本论文设计了一款超声波风速仪,并在小型化、低功耗、倾斜角补偿三个方面进行了针对设计。首先,使用COMSOL软件建立了风速仪初步模型并对模型周围风场进行数值仿真,确认了风速仪结构的可行性并进行了尺寸优化,研究了换能器间距对风场的影响,之后制作了简易模型验证了仿真结果,选取了合适的换能器间距来减小风速仪的体积,并设计出最终的风速仪三维模型。对风向角变化和风速测量误差之间的关系进行了分析研究,通过最小二乘法得出了误差与风向角之间的拟合曲线,由此对小型化设计造成的测量误差进行补偿。经测试,补偿后在0～20m/s风速范围内的平均误差小于0.3m/s。其次,设计了风速仪的硬件电路,包括微处理电路、超声波换能器驱动电路、信号处理电路、惯性测量单元电路等,并对硬件电路的主要功耗来源做了分析,研究了方波产生电路对功耗的影响以及微处理器低功耗模式的应用。经测试,风速仪在工作模式下功耗约为0.88W,休眠模式下功耗约为0.51W,平均功耗约为0.63W最后,当风速仪安装在海洋浮标或者船体上时,由于受到到海浪、风暴等因素的影响,风速仪会随着载体发生倾斜,针对该问题搭建了测量平台测量了不同风向角和倾斜角下的风速数据,通过对实验数据的统计分析,使用基于多变量非线性拟合和高斯拟合的补偿算法对误差较大的部分进行补偿。经测试,补偿后在风速为10m/s时的最大平均误差为0.28m/s,在风速为15m/s时的最大平均误差为0.2m/s。

摘要： 物联网(IoT)能量收集无线技术的全球领导者Atmosic宣布推出ATM33系列蓝牙5.3高性能片上系统(SoC)产品，该产品系列将Atmosic已获专利的先进能量收集及超低功耗技术推进到更高的水平。为减少各种物联网产品高昂的电池更换成本，以及降低对环境的危害，Atmosic扩充旗下生态友好型SoC产品组合，研发并推出了ATM33系列产品。新产品可支持迄今最长的电池使用寿命及无电池运行。ATM33系列SoC拥有一流的无线功率性能，

关键词： 单光子探测   高精度   低功耗   D-TOF   TDC   GRO  

摘要： 基于直接光子飞行时间(Direct Time-of-Flight,D-TOF)测量的3D成像技术,因其检测速度快、灵敏度高、抗干扰能力强等优点,被广泛应用于航空航天、生物医学、精确制导、地形勘测等领域。时间数字转换器(Time to Digital Converter,TDC)是一种实现DTOF测量的专用集成电路系统,能够完成TOF量化和传输。近年来,随着3D成像技术的不断发展,对测量性能的要求越来越高,使得TDC的研究也在向着高精度、宽量程、大规模和低功耗等方向不断发展。针对高精度TOF量化的应用要求,在归纳总结TDC阵列系统架构、高精度TDC像素结构及其工作原理的基础上,本文设计了一种基于TDC全内置型架构的GRO-TDC电路结构。在该结构中,驱动TDC工作的高频分相时钟信号由像素内置的门控环形振荡器(Gated Ring Oscillator,GRO)提供,避免了外部高频输入分相时钟因在大规模阵列中长距离走线而引起的串扰现象,减小了因时钟性能退化而引起的系统精度损失。GRO采用一种基于改进型伪差分延迟单元的四级环振结构,可以输出1.25GHz的时钟信号,结合两段式TDC结构,其中高段为7bit计数型TDC,低段为4bit插值型TDC,实现100ps的时间分辨率要求。利用电荷泵锁相环(Charge Pump Phase Lock Loop,CP-PLL)为像素内置的GRO提供控制电压,完成对GRO的闭环控制,以抑制输出时钟频率漂移,消除振荡频率的PVT敏感度。基于系统功耗分析,针对稀疏光子事件检测的应用背景,采用事件检测驱动与倒置量化时序策略,有效降低了系统功耗。通过时序控制电路、输出接口电路、同步信号产生电路等数据读出相关模块,控制数据量化与数据传输模式之间的转换,确保每帧检测数据及时并正确读出。本文采用TSMC 0.18μm标准CMOS工艺,并基于Cadence电路设计平台,完成了1×16 TDC线阵系统的电路设计、版图设计和仿真验证。系统版图的总面积为2645.00μm×1552.50μm,在27℃、1.8V电源电压、25MHz参考时钟、50 MHz传输时钟、200k Hz帧频条件下,系统及各模块电路功能正常,PLL输出的时钟频率可达1.25GHz,TDC阵列时间分辨率为100ps,量程为102.4ns,微分非线性|DNL|≤0.40LSB,积分非线性|INL|≤1.40LSB,系统功耗小于155.97m W,满足设计指标要求。

关键词： 非简并光学参量振荡器   非平衡Mach-Zehnder干涉仪   高频窄带量子噪声探测器   压缩  

摘要： 当今科学发展迅速,量子力学技术的发展成为世界文明的一个重要基础。量子力学中的一个重要概念就是量子纠缠,经典物理不能完成的工作人们可以通过对量子纠缠的应用来实现。近年来人们利用量子纠缠在量子信息领域完成了许多重要实验,如量子密钥分发、量子离物传态、量子计算、量子模拟等。量子信息技术高速发展的同时,人们也在大力发展和完善量子信息技术的核心,即量子纠缠光源。实际应用要求设计更好的纠缠光束产生装置和实现对纠缠光束的高效测量。利用非线性效应中的参量下转换过程来制备量子纠缠光束,重点是非线性效应中的二阶非线性效应。常用的非线性晶体材料有KDP(磷酸二氢钾)、BBO(偏硼酸钡)、PPLN(周期性极化铌酸锂)、PPKTP(周期性极化磷酸氧钛钾)等。本文使用的非线性晶体材料为KTP(磷酸氧钛钾)。纠缠光束的产生可以通过阈值以下的NOPA(非简并光学参量放大器)产生,但是产生的纠缠光束功率较低,低功率的纠缠光束不利于长距离传输。人们还可以通过构造运转于阈值以上的非简并光学参量振荡器(NOPO)来产生量子纠缠光束,NOPO腔产生的纠缠光束可以达到几毫瓦、几十毫瓦、甚至更高功率。本文设计了阈值以上对泵浦光精细度较高的NOPO腔,可以在低泵浦功率下产生纠缠光束。而且构建了一对短光程差的非平衡Mach-Zehnder干涉仪,设计了高频量子噪声探测器,使得连续变量纠缠光束的产生和测量更加简单高效。主要内容如下:(1)分析了运转于阈值以上的高精细度NOPO腔输出的纠缠光场的经典和量子特性分析,设计了低泵浦功率的NOPO腔。(2)设计了高频窄带量子噪声探测器。本文设计出一种高频窄带量子噪声探测器,为了解决量子噪声探测器在高频处增益不足的问题,采用窄带放大的设计,设计出中心频率在83.1 MHz处的高频窄带量子噪声探测器。(3)介绍了阈值以上NOPO产生的纠缠光场的测量方法,搭建了分析频率为83.1 MHz的非平衡Mach-Zehnder干涉仪,在分析频率处测得了NOPO的强度差噪声谱和位相和噪声谱。在本文所做的这些工作中,所体现出的创新如下:(1)设计运转于阈值以上的高绿光精细度NOPO腔,在较低的泵浦功率下产生纠缠光束。(2)设计出高频窄带量子噪声探测器,克服了以往的宽带平衡零拍探测器,在高频处受到增益带宽积的影响而导致增益较低甚至不能探测的问题,分析频率在83.1 MHz处达到很好的增益。(3)构建了分析频率在高频处的非平衡Mach-Zehnder干涉仪,分析测量了运转于阈值以上的NOPO腔在高频处产生纠缠光场的噪声特性。

关键词： 红外激光测距成像   低功耗   光子飞行时间   TDC  

摘要： 基于单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)的红外传感测距成像技术通过主动发射红外激光,测算出从激光发射到SPAD接收到待测目标反射光子的光子飞行时间(Time-of-Flight,TOF),最终实现待测目标的三维成像。这种主动测距成像的红外单光子探测技术被广泛应用于医学成像、人脸识别和激光雷达等领域,并不断向着大阵列规模方向发展,对与其配套的读出电路性能要求越来越高,导致功耗问题成为限制探测器阵列规模扩展的主要原因之一。因此,本文将低功耗阵列读出电路的设计作为研究重点。本文基于红外激光成像技术的弱光应用场景以及大阵列检测的低功耗需求,在经典数字计时读出电路(Read-Out Integrated Circuit,ROIC)的基础上,对读出电路的时间量化和数据传输两个工作阶段的功耗来源进行分析,最终完成基于倒置计数型量化时序的低功耗阵列读出电路设计。本文的量化时序为倒置计数型,像素内部的时间数字转换器(Time-to-Digital Converter,TDC)会量化与TOF互补的时间间隔,即将像素检测到光子这一事件作为触发像素内部TDC启动的条件;相较于经典ROIC系统的量化时序,本文中的量化时序可以通过降低阵列中TDC工作的个数降低ROIC系统的量化功耗;由于光子到达探测器的时间通常是分散的,在本文中的量化时序下,阵列内部TDC会分时启动,可以在一定程度上减小系统的瞬态功耗。本文同时设计了与量化时序相匹配的伪三段式单像素TDC电路,从降低高频时钟驱动的TDC位数出发,进一步降低单像素TDC的量化功耗。此外,本文针对经典ROIC系统中数据传输量过大的问题,设计了一种仅传输有效量化数据的电路方案,大大减少了系统的数据传输量,缓解了大阵列数据传输的压力;针对该方案产生的数据无法定位的问题,采用每像素增加1位辅助编码数据以确定当前数据的阵列位置,可以以较小的数据代价实现有效量化数据的精确定位。基于TSMC 0.18μm 1P6M标准CMOS工艺条件,完成了本文提出的低功耗8×8阵列读出电路系统的原理图和版图设计,对所设计的电路模块进行仿真验证,并进行了流片工作,最终系统的版图面积为2500μm×1925μm。仿真结果表明,在1.8V/5V电源电压、27℃工作温度、100k Hz帧频、50MHz低频数据传输时钟、250MHz四相高频量化参考时钟的条件下,阵列ROIC系统功能正常,可以实现每行像素最多有4个像素完成光子检测、时间量化和量化数据传输的完整流程;阵列ROIC系统的时间量化功能正常,可以实现500ps的时间分辨率和2μs的计时量程;时间量化的最大微分非线性误差为0.356LSB,最大积分非线性误差为0.908LSB;在满量程下,系统平均功耗为14.83m W,仿真结果表明,所设计的电路系统基本满足设计指标要求。

关键词： 异步电路   Link-Joint自定时系统   RTC   低功耗   万年历  

摘要： 在芯片设计中,如何降低芯片功耗的同时确保芯片其它性能的可靠性,成为当前集成电路研发中一个重要的课题。实时时钟(real time clock,RTC)芯片广泛应用于一切需要微功耗及提供时基的系统中,在实际应用中通常要求低功耗。目前,大部分RTC芯片都采用同步电路设计。随着电路的规模越来越大,采用同步电路设计的芯片存在一些问题,比如不可避免地导致时钟偏移以及功耗增加等。另一方面,异步电路则具有低功耗、低噪声、速度快和良好的鲁棒性等特性,且不存在时钟分配问题。因此,我将基于异步电路的研究对RTC芯片进行设计。本论文采用中芯国际55nm工艺设计了一款具有低功耗性质的数字RTC芯片。首先,概述了异步电路的基本理论和异步电路设计方法(Link-Joint自定时系统);基于解同步的思想,提出了一种使用主流的EDA工具来进行异步电路设计的流程。然后,按照RTC系统功能设计了RTC的总体架构,并分模块来完成各部分的电路设计,且对其万年历模块进行了全异步设计。各部分模块设计完成后,对异步RTC依次进行了RTL级仿真、逻辑综合和自动布局布线。为了方便比较,还采用相同工艺实现了一个具有相同功能的同步RTC。最后,通过对异步RTC和同步RTC在功耗和面积上的对比和分析,发现异步RTC相对于同步RTC虽然面积增大了8.2%,但是功耗降低了9.2%左右。通过进一步对比全异步万年历和同步万年历,可以发现前者相较于后者功耗降低了53.2%,面积仅增大了17.6%。这些结果表明,本文中提出的基于异步电路的RTC芯片具有潜在的应用价值。

关键词： 加速度传感器   监测   机械能量   低功耗   压电  

摘要： 随着电路集成能力的提升,微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)得到不断发展,同时各种传感器设备应运而生,其中加速度传感器是一种可广泛应用于室外、野外监测和分布式传感的倾角测量传感器,但使用传统电池/有线电源作为供电系统的局限性大大限制了其应用领域,尤其对工作在室外/无稳定电源供给环境中的传感器设备来说,更是直接增加了人力物力成本且大大降低了这些设备的使用范围。基于机械能量收集的传感器系统利用现场机械振动装置收集当地能量并驱动低功耗传感器工作,可有效克服传统电池/有线电源能量供给的局限性,成为目前分布式监测领域亟需解决的关键技术问题。通过对现有的能量收集与传感驱动技术进行研究和对比,本文选择以机械能量为收集对象,以压电效应(Piezoelectric Effect)为能量转化方式,以检测静态基础建筑设施倾角为应用场景,研究MEMS加速度传感器的感测模式与驱动检测能量耗散模式,设计了一套能收集并利用机械能量的低功耗加速度传感系统,并从能量管理技术和分布式加速度参量感测软硬件设计两大方面,实现无电池电源供给下的自供电倾角参数分布式监测功能。本文内容具体为:对机械能量收集技术进行简述并深入研究了加速度传感器工作原理和传感驱动机理,并建立了振动能量收集模型,同时研究了压电能量收集技术,在压电理论的基础上建立了机电转换的等效电路模型;将锆钛酸铅压电陶瓷制成压电振子并搭建起悬臂梁换能装置,对制备的压电换能装置的输出性能和基于LTC3588的低功耗电源管理电路进行了测试,测得稳定输出3.3 V直流电压,实现储能介质充电时间为4 min;并对设计的低功耗加速度传感系统的测量精度进行了优化,测试结果表明优化后的加速度传感系统能够实现长期稳定输出,且能获得高精度加速度数据;测得系统发送数据的功耗约94.35 m W,接收时功耗约52 m W;最后对系统整体进行12小时测试,验证了系统在每5 min间歇工作模式下能采集精度为0.01 g的加速度值。所完成工作对物联网检测平台及分布式监测系统研制提供了理论基础和应用方案。

关键词： 氧化钼   低功耗   衬底温度   纳米晶态  

摘要： 随着5G通信、物联网、汽车电子、智能家居和航天航空等领域的迅速发展,诸如NOR Flash、NAND Flash等传统存储器因较大操作电压、较高功耗、工艺制程落后等短板而面临被淘汰的窘境,只有具备更快的响应速度、更小的单元尺寸、更低功耗性能的存储器件才能满足这种快速发展的需求。阻变存储器因兼备以上优点且与传统CMOS工艺兼容而被界内广泛关注。已有二元金属氧化物在阻变存储器领域取得优异的性能,但同为二元金属氧化物的氧化钼材料却鲜有报道。在已取得进展中,氧化钼基存储器存在阻态转换不稳定、阻变机理不明晰、功耗较大等问题,因此本论文主要以氧化钼（MoOx）薄膜作为阻变存储器功能层,通过使用调控工艺参数、电极工程以及快退火工艺等手段,对器件稳定性及低功耗特性进行集中优化,并对其阻变机理进行解释。首先通过控制MoOx薄膜的沉积温度和厚度,成功实现了 Ta/MoOx/Pt结构器件的优异电阻开关性能。X射线衍射和X射线光电子能谱的结果证实,沉积温度对MoOx的结晶状态和氧空位含量有很大的影响,在400℃加热生长的条件下,薄膜出现了纳米晶颗粒。400℃溅射50 nm厚度的MoOx薄膜制备的Ta/MoOx/Pt器件,显示出超低的RS电流（10μA）、高的写入/擦除循环性能（108次）和85℃高温条件下稳定的数据存储寿命（＞10年）,并对器件机理进行了简要解释。而后通过电极工程将Ta/MoOx/Pt换为Al/MoOx/Pt结构,再经过快退火工艺对MoOx薄膜退火后得到了更低功耗（Icc=10 μA,Vset=0.4V,Vreset=-0.3 V）且稳定（Endurance＞104次）的器件,并简要解释了器件低功耗机理及器件出现正负向偏压皆可Set现象的原因。通过一系列的实验及表征,本论文实现了兼具稳定性和低功耗特性的阻变存储器。Ta/MoOx/Pt结构器件在较低功耗下实现了 108次循环。Al/MoOx/Pt结构器件限制电流控制在 10 μA,Pset 和 Preset＜5μW,Pread=1 μW,Endurance 循环次数＞104。