摘要： 翠展微电子推出一款针对人体被动红外(PIR)应用的超低功耗数字芯片M9401。该方案通过热释电红外传感器以非接触方式检测出人体辐射的信号,并将该信号转换成电信号输入到芯片中进行信号处理。该芯片的工作电流极低,典型的功耗只有4.5μA,并且在正常工作模式下具有1.4～3.6 V的宽电压工作范围。目前该芯片已经处于量产阶段,

关键词： 液晶材料   电光性能   碳纳米管   温度传感器   线性关系   低功耗  

摘要： 液晶材料广泛应用于显示领域,其电光性能的好坏直接影响了显示画面的品质。提高液晶材料的电光性能是目前显示领域急需解决的问题。相比于开发合成新型的液晶材料,通过掺杂的手段改进其电光性能不乏成为一种捷径。碳纳米管具有较大的长径比以及各向异性等特点,与液晶分子非常相像。在显示方面本文探究了该材料掺杂对液晶体系电光性能的影响。此外,在非显示领域由于液晶材料具有优异的热学性质其还可广泛应用于温度传感器领域,考虑到碳纳米管又具有一定导热性能,又研究了其对液晶温度传感器灵敏度与响应时间的影响。首先,配比出不同掺杂质量分数的碳纳米管与液晶材料RDP-09T-100的混合溶液,探究其对于扭曲向列相液晶显示模式电光性能的影响,实验结果表明掺杂浓度分别为0.01wt%、0.02wt%和0.03wt%时其阈值电压分别降低了2.4%、4.5%和8.7%,饱和电压降低了2.4%、4.2%和7.4%,响应时间减少了3.1%、9.7%和16.2%。该实验结果有效地改善了液晶显示器件的动态响应,降低驱动电压的同时又加快了响应速度,在一定程度上可改善液晶显示画面所谓的“重影”现象,为开发新型液晶显示器件奠定了一定的理论与实验基础。其次,在非显示领域利用液晶材料所特有的热效应,可开发出新型电容式液晶温度传感器。实验结果表明将液晶材料RDP-09T-100灌注到液晶盒以后,在固定电压固定频率下其电容变化率会随着外界温度的变化而发生线性改变,该线性关系的斜率会随着外加电压的增加而增加,也就是说外加电压越大该线性关系越明显,且该关系与液晶材料有很大关系,但是与所用液晶盒盒厚大小无关。另外,经过恢复性和稳定性等一系列测试表明该类型温度传感器的传感性能极佳。同时,经过一系列环境反应测试以及4*4阵列测试,该类型传感器也可以对不同温度做出相应的反应。当掺杂碳纳米管以后对该类型温度传感器的响应时间与灵敏度均有不同程度的改善,掺杂浓度为0.00wt%、0.01wt%、0.02wt%和0.03wt%时,其响应时间分别为0.115s/(p F·°C)、0.113s/(p F·°C)、0.111s/(p F·°C)和0.11s/(p F·°C),灵敏度分别为0.94p F/℃、1.02p F/℃、1.06p F/℃和1.1p F/℃。在实验中还发现该类型温度传感器在外加电压为0.1V时,其线性关系依然存在。以上实验结果表明这一发现在拓宽液晶相使用范围的同时又为当代低功耗电子器件的研制提供了强有力的实验基础。

关键词： 海上宽带通信   无线自组网   多媒体通信   多线程  

摘要： 海上经济的快速发展,海洋活动的日益频繁以及我国得天独厚的领海条件,促使着我国研究人员对于海上通信技术的研究。传统的海上通信存在带宽窄、速率低、成本高等问题。随着海上民用通信、军用通信、应急通信的发展,设计一个支持宽带、高速率且低成本的海上无线通信系统具有重要现实意义。本文结合海上环境的特殊性和海上用户分布特点,将Ad Hoc网络技术引入海上宽带无线通信网络架构中,基于海上无线自组网通信实验平台,完成了海上无线自组网应用软件的设计与实现。本文选用基于软件无线电通过嵌入式软件开发的宽带网络通信节点(Wideband Network Communication Node,WNCN)搭建海上无线自组网,实现船舶之间以及船上用户之间的数据传输。应用软件的设计包括网络接入点和用户终端的应用软件。网络接入点通过网线利用Socket技术与配套WNCN建立连接。用户终端是基于Android系统的移动设备。终端通过连接网络接入点的移动热点接入搭建的海上无线自组网。同一个网络接入点的终端之间可以通过Wi Fi直接建立通信。不同网络接入点的终端之间,则需将数据上传给网络接入点,然后将数据交给其配套的WNCN,通过海上无线自组网进行数据传输。本文的主要工作内容如下:(1)研究并分析了目前海上宽带无线通信网络技术的研究现状,选择Ad Hoc网络技术用于网络设计,选用基于软件无线电平台通过嵌入式软件开发的WNCN搭建海上无线自组网。介绍了WNCN的物理层协议、媒体接入控制协议和路由协议。(2)完成了网络接入点应用软件的设计与实现。本文定义了网络接入点与WNCN的接口协议,给出了数据帧的标准格式。网络接入点通过配套WNCN进行数据转发,实现了不同接入点之间的文本和视频数据,以及终端上传数据的传输。为满足不同链路的最大传输单元的限制,本文给出了数据分组和重组规则。软件对AIS数据的应用,实现了传统AIS系统和宽带通信系统的结合。同时,软件利用My SQL数据库为数据传输过程提供支持。(3)完成了用户终端应用软件的设计与实现。用户终端应用软件实现了终端之间的文本、图片、语音文件和实时音/视频数据传输。其中,语音文件的传递解决了现有的基于VHF对讲机的语音广播存在的易干扰和安全性的问题。以无人船为通信设备载体,通过在水上通信环境下的实验测试,验证了所设计的海上无线自组网应用软件的功能,对构建新型海上无线通信网络有积极参考作用。

关键词： 无线传感器网络   路由器   低功耗   同步休眠  

摘要： ZigBee协议中规定,路由器负责实现维持ZigBee网络特性,协助电池供电子设备的消息传递,同时扩展网络的覆盖范围。路由器为保证及时通讯,让电池供电子设备迅速进入休眠状态,路由器需电源供电,无休眠。本文提出了路由低功耗优化的解决方案,采用时间同步的方式,在少量增加终端能耗和运算的情况下,显著降低了路由器能耗,实现了路由器电池供电的目的。

关键词： 忆阻器   氧化钽   二维材料   神经突触仿生   低功耗  

摘要： 忆阻器既能满足高密度信息存储和高性能计算对下一代电子存储器的需求,还具有非易失性逻辑运算和类脑神经形态计算的功能。因此,自提出以来,忆阻器就取得了巨大的研究进展。然而,基于传统的单层氧化物材料或者金属电极制备的忆阻器件,在开关电压分布、低功耗和高速度方面出现了较大的瓶颈,急需要寻找一些新的器件结构或者新型氧化物材料去进一步优化忆阻性能,提高器件的稳定性,降低功耗。因此,本文主要研究简单氧化物提高忆阻器性能,实现突触可塑性。通过制备双层器件结构改善忆阻器电压分布不均匀的问题,采用石墨烯电极或者二维氧化钛纳米片降低器件功耗,并对高性能忆阻器进行突触仿生功能的研究,其主要内容如下:1、通过插入宽带隙的AlN薄膜制备了Ta/TaO/AlN/Pt双层忆阻器件。与没有AlN层的器件相比,该双层器件表现为突变型电阻转换行为,且具有更好的稳定性和更低的开关电压。Ta/TaO/AlN/Pt器件为下一代非易失性电子芯片系统提供了理想的选择,但是为了更好地模拟生物突触行为,需要制备一个具有双向渐进调控的忆阻器。因此,本章提出使用多层石墨烯电极替代传统的金属电极,制备了Ta/TaO/AlN/Graphene三明治结构的忆阻器。该器件在直流电压扫描下具有稳定的电学特性。更重要的是,一次写入事件的能量值可以低至37 f J,进一步证明了低功耗特性。此外,该忆阻器可以完全模拟生物突触的功能和突触可塑性,包括尖峰时间依赖突触可塑性、双脉冲易化、兴奋性突触后电流以及长期-短期记忆等。根据电流-电压曲线的拟合结果,将导电机制归因于缺陷辅助隧穿。因此,该项工作在高稳定性和低功耗人工突触神经形态计算中具有出色的潜力。2、采用旋涂方法制备了氧化钛纳米薄膜,以构建Ag/2D-Ti O/Pt结构的忆阻器。经过电压-电流测试后,该器件具有典型的双极电阻切换行为,并且具有低开关电压(开启电压为0.37 V,关闭电压为-0.2 V),高开关电阻比(超过10)和低开关功率(开启功率为10 W,关闭功率为10W)。值得注意的是,单个器件在不同的限制电流下表现出均匀稳定的不同电阻状态,从而实现了多级存储。将4个忆阻器件连接到实际的存储电路中,通过选择性地刺激4个器件,从而使电路的输出显示不同的电流值,最终实现可存储和可编程的特性。此外,器件电导可以通过正负交流电压脉冲进行调整,这有利于模拟生物突触功能。因此,该工作为高信息存储以及神经形态计算应用提供了可行的方案。3、探索晶体管与忆阻器串联构成的1T1R结构,该结构可以有效的抑制漏电流,实现了高密度交叉阵列。本章详细的研究了晶体管特性,并且使用Cadence软件对晶体管的选通特性进行模拟,并进一步的绘制版图。该结构与CMOS工艺兼容,为系统级芯片的应用提供了新的见解。

关键词： 多核处理器   微架构攻击   核调度   防御层   多线程  

摘要： 随着人工智能和大数据等技术的发展，计算类型日趋多样和复杂，多核处理器也因此快速发展。共享的计算资源塑造了现代计算和互联网生态系统，例如，在云环境中，不同安全域的多个用户共享处理器和系统内存。系统安全和软件安全的一个常见假设是硬件安全及其无错误的操作。然而，硬件并不是完美的。微架构攻击利用微架构实现产生的系统行为，特别是体系架构中没有定义的部分，打破了这个安全假设。　　Meltdown和Spectre漏洞的出现，引起学术界对CPU漏洞的持续高度关注。在过去的十年中，微架构攻击已经从对密码实现的攻击发展到突破硬件和操作系统提供的防御层的毁灭性攻击。在多核处理器上运行的多线程程序之间共享和同步数据，使得情况更为复杂。因此，研究多核处理器下微架构资源共享和优化技术存在的安全问题并提出有效的防御方法有着极为重要的意义。　　本文从多核处理器的特点人手，以微架构资源是否只被同一物理核共享为边界进行研究。首先针对同一物理核上的资源共享带来的安全问题，提出了一种将不同应用程序隔离在不同物理核的防御方法;接下来，进一步研究多核处理器下基于软件的微架构攻击，以更好地绘制攻击面来开发有效的对策;提出了跨核共享缓冲区和不同频率的CPU核影响数据竞争的两个安全问题。本文的主要贡献和创新点包括:　　1.针对同时多线程技术使得不同线程高度共享同一物理核上的微架构资源进而导致的安全问题，提出了一种基于核调度的防御方法。与单核处理器相比，多核处理器提供了对物理核进行空间隔离的可能性。本文通过为每个应用程序分配专用的物理核来防止攻击者和受害者同时访问同一物理核上的共享资源。该方法将防御机制转换为一种分配策略，即以物理核的粒度分配或释放计算资源。受保护的应用程序可以独占若干物理核，同时，其他应用程序的线程无法调度到这些核上。该方法不需要修改Linux内核，并且受保护的应用程序可以与传统应用程序共存。　　2.针对跨核共享资源可能存在的安全问题，提出了一种基于暂存缓冲区的瞬态注入攻击方法，可以将来自不同物理核的随机数注入受害者的瞬态执行中。本文首先将Meltdown攻击应用到OpenSSH场景中获取其会话密钥，分析瞬态执行攻击场景构建过程中涉及的关键因素。在此基础上，验证了基于暂存缓冲区构建瞬态注人攻击的可行性。本文在Windows系统上进行了原型验证，实验表明受害者会瞬态转发错误的随机数。在多核处理器中，基于跨核缓冲区的瞬态注入攻击拓宽了瞬态执行的范围，也对现有的防御方法提出了新的挑战。　　3.针对多核处理器上运行的多线程程序可能出现并发错误，提出了一种基于单核频率控制的异步中毒攻击方法。Intel提供的单核频率控制技术，可将不同的核设置为不同的频率，相应的执行速度也不相同。在机器学习异步训练中，本文通过将异步训练线程调度到不同频率的CPU核上运行，来影响训练模型的完整性。因为线程调度不受现代可信执行环境(例如IntelSGX)的保护，所以即使训练集可以被验证为正确，该攻击方法也能绕过这些保护。本文使用Pytorch发布的异步训练代码在Resnet样式的DNN上进行训练，展示了对CIFAR-10图像识别任务的攻击。实验结果表明，收敛模型的准确度可从92％下降为75％左右。

摘要： 意法半导体(STMicroelectronics)推出了新一代超低功耗微控制器STM32U5系列,以满足穿戴、个人医疗、家庭自动化和工业传感器等对低功耗有严格高要求的智能应用设备。STM32 MCU基于高效节能的Arm Cortex-M处理器处于市场领先,已经被广泛应用于家电、工业控制、计算机外设、通信设备、智慧城市及基础设施等数十亿个设备中。新的STM32U5系列应用高能效的Arm CortexM33内核,集成意法半导体专有的创新节能技术和片上IP,在提升系统性能的同时极大降低了系统功耗。

关键词： MEMS   热式风传感器   软件CTD   低功耗   便携气象仪  

摘要： 气象监测在农业、工业、军事、交通和能源等领域中应用十分广泛,监测要素包含气温、气压、湿度及风速风向等,其中,风速风向占据着重要地位。近年来,随着MEMS工艺和IC工艺的发展,体积小且功耗低的MEMS热式风传感器被研发出来,具有很高的市场应用价值。本实验室具有多年MEMS热式风传感器研究经验,对传感器芯片衬底材料选择、芯片结构设计以及芯片驱动电路的研究已有完整的解决方案,但最终设计完成的传感器系统的整体功耗较高。本文基于本实验室对低功耗MEMS热式风传感器芯片及传感器系统软件CTD(Constant Temperature Difference)控制方案的现有研究成果,对传感器芯片的控制方法和检测方法做出改进,在保证测量精度和稳定性的情况下使传感器系统功耗显著降低,传感器芯片的加热效率大幅增加;并在风传感器的基础上开展了新型便携式气象仪的设计,以解决现有便携式气象仪产品无法兼顾高精度与便携性的问题。主要研究内容包括:1.提出了一种直接测量温差的软件CTD控制方案。使用开关电源和数字电位器结合设计传感器芯片的加热控制电路,有效降低了原有电路中非加热元件的功率损耗,大幅提升传感器芯片的加热效率。通过对传感器系统测试,系统功耗大幅降低。2.提出了一种硬件比较温差的软件CTD控制方案。在直接测量温差方案的基础上,修改温差测量电路的结构,将加热元件和测温元件接入电桥,依据比较器输出的电压值调整传感器芯片的加热电压,该方案传感器加热电压的稳定性提高了73.7%。通过对传感器系统的测试,传感器系统风速测量范围为0～20m/s,测量误差<±(0.5m/s+5%v),风向的测量范围为0～359°,测量误差<±5°,传感器系统的最大功耗为142mW,较实验室原有方案降低64.5%。3.开展了新型便携式气象仪的设计和实现。便携气象仪与风传感器之间分离设计,通过有线方式将其与低功耗MEMS热式风传感器连接,实现数据通信。便携式气象仪主要用于测量温湿度、气压、风速风向等气象参数,并记录测量时的定位信息,可实现实时信息查看、数据曲线显示、历史数据查询、定位信息显示等功能。经整机测试,便携式气象仪系统总功耗为2.32W,待机时长为85分钟,传感器信息和定位信息采集正常、显示正常,使用操作简便。

关键词： 超低功耗射频接收机   抽头电容谐振器   正交双平衡无源混频器   可重构谐波抑制复数滤波器  

摘要： 随着应用于物联网的无线互联芯片的不断发展与创新,可穿戴医疗以及植入式生命特征检测等物联网设备现已被广泛应用于生物医疗、工业监测和短距离无线通信等领域,并引起广泛关注。本论文主要涉及超低功耗射频接收机芯片的相关电路设计与研究工作,主要研究内容如下:1.超低功耗射频接收机芯片的整体方案设计:先对低功耗射频接收机芯片的各种架构进行分析和对比,再基于2.4 GHz频段使用片上抽头电容谐振器,在节省了芯片面积的同时解决了接收机射频前端的功耗问题。此外,还提出了基于M通道滤波器原理的一种谐波抑制复数滤波器,该复数滤波器通过片外时钟控制有效地改善了基带滤波器的功耗性能。仿真结果表明,所提的接收机的功耗仅为271μW。2.射频前端的设计:所设计的射频前端包含抽头电容谐振器、正交双平衡无源混频器和“风车”分频器。首先抽头电容谐振器是一个谐振在2.4 GHz处的高Q网络,用来从内阻为50Ω的天线获得最大的功率的同时并向正交无源混频器传输最大电压。其次,射频信号经过谐振器电压放大之后再通过正交双平衡无源混频器下变频处理。与此同时,“风车”分频器及驱动电路为混频器提供精准的正交差分本振信号。3.可重构谐波抑制复数滤波器的设计:先对正交M通道滤波器电路进行等效模型分析,了解其输入阻抗特性。然后采用低电压中频放大器来对3级级联的正交8通道滤波器进行电压隔离,其次8相时钟发生器为正交8通道滤波器提供开关时钟控制。最终通过三级级联的8通道复数滤波器来提高整体滤波器的谐波抑制及带内平坦度性能。测试结果表明,所提的谐波抑制复数滤波器整体功耗为14.5μW,带宽为1.8 MHz,3次和5次谐波抑制度分别为14 d Bc和33 d Bc。4.原理图、版图设计及仿真验证:采用55nm CMOS工艺完成了接收机系统的原理图和版图设计,并对超低功耗射频接收机系统的射频前端模块（抽头电容谐振器+混频器）、可重构谐波抑制复数滤波器模块与整体低功耗接收机系统进行了仿真。然后分别总结了这些模块的性能,并与国外的研究现状进行了对比。

关键词： 基准源   极低功耗   CMOS   压电能量采集器   亚阈值区  

摘要： 在可穿戴设备和无线传感节点等应用中,无源自供能系统相对于电池供电系统而言具有体积小、成本低、使用期限长等优点。无源自供能系统的能量可以来自于太阳能、风能、热能和振动能等环境能源。振动是自然环境中广泛存在的能量来源,基于压电能量采集器的无线传感节点,将环境中的振动能转换为电能为节点供电。由于节点中的能量全部来自压电能量采集器转换的能量,为了达到能量最优利用率,要求节点的能量采集、转换和管理电路具有极低功耗的特点。基准源作为能量采集和管理电路中的基础模块,其功耗要尽可能低。因此研究用于无线传感节点的低功耗基准源有十分重要的应用价值。依托国家相关自然科学基金项目要求,本文深入研究了基于MOS晶体管阈值电压温度特性的极低功耗全CMOS基准源的设计技术,针对功耗、温度系数、线性调整率和电源抑制比等性能指标,设计并实现了两款全CMOS极低功耗基准源电路,并应用于一种压电能量收集和管理集成电路中。本文首先基于MOS晶体管阈值电压的温度特性,详细介绍分析了各种基于阈值电压的全CMOS基准源结构,并讨论了μT2电流产生电路的各种结构,在此基础上,本文对所要设计实现的第一种极低功耗全CMOS基准源的整体拓扑结构进行了详细的分析和介绍,包括μT2电流产生电路、偏置电压产生电路和启动电路等其他辅助电路。该电路使用全CMOS实现,避免使用大的片上电阻,从而减小了芯片面积。该电路采用华虹宏力0.11 μm CMOS工艺实现,并采用数字修调的方法保证电路在各个工艺角下的性能稳定性。版图后仿结果表明（TT工艺角下）:在1.6 V电源电压下,-40℃至100℃范围内,基准电压为673.2mV,温度系数为138.3ppm/℃;在27℃条件下,电源电压1.6 V至4.6 V范围内,线性调整率约为0.2%/V,电源抑制比为-40 dB@1 kHz;该基准源电路在1.6 V的电源电压下功耗为565.2 nW。版图的有效面积为0.035 mm2。该电路经流片后COB封装测试结果表明,基准电压为678.4 mV,温度系数为84.2 ppm/℃,线性调整率为0.5%/V,功耗为900 nW。在第一种基准源的基础上,对其进行改进并设计了第二种极低功耗基准源,主要是采用了温度系数线性度更好的晶体管,从而有效降低基准电压的温度系数。版图后仿结果表明（TT工艺角下）:在1.6 V电源电压下,-40 ℃～100℃的温度范围内,基准电压为687.1 mV,温度系数为4.49ppm/℃;在27℃时,电源电压1.6V～4.6V范围内,线性调整率为45.2 ppm/V,电源抑制比为-75.5 dB@100Hz;在电源电压为1.6 V时电路的最小功耗为157.8 nW;版图的有效面积为0.036 mm2。上述两种极低功耗基准源电路都集成在一种压电能量采集和管理电路中进行了流片验证。本文对相关的测试结果进行了详细的分析和讨论,结果表明,本文实现的低功耗基准源电路可广泛应用在压电能量收集和管理集成电路中。