对话澳门大学麦沛然：开发“无电池智能电子芯片

在高度数字化的当下，集成电路技术的发展已经成为推动科技进步的核心动力之一。

集成电路按功能可分为模拟电路、数字电路以及混合信号集成电路。模拟电路侧重处理连续变化的信号，可精准表征物理世界自然现象，比如声音、图像和温度等；数字电路擅长处理离散、二进制形式的信息，易于传输、处理和存储；混合信号集成电路则集两者之所长，充分发挥模拟和数字电路各种的优势。

以大家手中的智能手机为例，其包含了三种类型的集成电路：模拟电路处理传感器信号输入、接收和发送无线信号，数字电路处理数据和用户界面等功能，以及模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）对两种信号进行转换等。

在无线通信领域，随着 5G 网络的大规模普及商用以及即将到来的 6G 通信技术，业界对于集成电路的延迟、集成度、电力供应等多个方面提出更高的要求。与此同时，随着物联网的发展，物联网设备需要体积小、低功耗的传感器将采集到的模拟信号转换成数字信号等，离不开高效的模拟前端和智能数字处理能力。

图｜澳门大学微电子研究院副院长、模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室主任麦沛然教授（来源：受访者）

近日，「问芯」采访了澳门大学模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室主任麦沛然教授，访谈中他围绕实验室现阶段研究进展，集成电路面临挑战和突破思路，以及技术产业转化、人才培养等多个层面进行分享与解读。

麦沛然在澳门大学取得学士和博士学位，目前他是澳门大学微电子研究院副院长、教授，模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室主任，同时他也是长江学者讲座教授、中国科学院特聘海外评审专家，以及 IEEE Fellow、IET Fellow、RSC Fellow 等，并在今年入选葡萄牙里斯本科学院院士（外籍）。他和团队专注于集成电路和跨学科系统研究，涵盖模拟和射频电路理论与设计、数字微流控技术与应用、微型核磁共振和成像等多个领域。

麦沛然曾先后主持 10 余项国家重点实验室项目、港澳科技成果来粤转化项目、澳门科学技术发展基金重点研发专项和国家科技部联合项目等。2011 年，他获国家科学技术进步二等奖，自 2012 年起他已获得 7 项澳门科技发明奖和特别奖，并在 2022 年获澳门首个科学探索奖、2023 年获 ISSCC 70 周年杰出贡献者奖等。

截至目前，麦沛然和团队已在 IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), IEEE Transactions 系列期刊上发表论文 150 余篇（含 JSSC 论文 50 余篇），已获授权中国及美国发明专利 30 余项。

聚焦模拟和射频集成电路设计解决痛点问题

围绕模拟和射频集成电路设计，麦沛然首先向「问芯」分享了他和团队此前所取得的一系列科研成果。“信息系统中信号链相关集成电路是电子信息技术的核心，其中模拟电路是构成高效信号处理系统的关键。”他指出。

“模拟电路中的射频收发器通过管理射频信号的发送和接收在设备间实现了无线通信，模拟电路中的模拟采集界面对来自传感器的模拟信号进行处理以便进行后续的模拟-数字转换和数字信号处理，这些组件共同构建了信号链的主要组成部分，它们的效能直接决定着电子信息技术发展的核心竞争力。”麦沛然补充说。

据介绍，在高性能多频段无线收发器电路协同融合方面，麦沛然团队曾开发出一类增益型多路（N-path）开关电容前端电路设计方法，建立等效电路模型并综合开关电容滤波器理论，设计出一系列融合滤波功能的收发器。

“我们提出的基于 N-path 开关电容滤波器的调节和设计方法已经应用在多频 5G 无线通信 TDD 和 FDD 前端电路，克服了多频覆盖表面声波（SAW）滤波器不灵活引起的问题，同时还减小 5G 通信系统成本，提高能效。”麦沛然介绍说。

图｜麦沛然团队开发出的 N-path 开关电容前端电路设计方法（来源：受访者）

“在模拟信号采集界面和模拟计算协同融合方面，我们围绕模拟信号采集界面和模拟电路神经网络计算单元开发出一种高效、全动态功率信号链芯片处理技术，解决了开销与性能的权衡问题，提升信号处理的质量，可广泛应用于便携式噪声活动检测、关键词识别，以及核磁共振系统等众多领域。”麦沛然介绍道。

此外，在超低功耗无线收发器电路协同融合方面，他和团队针对功耗难题，提出了利用超低电压及无源器件来提升效率的方法。“我们研制出的高效收发器能在有限电池供电条件下最大化的提升信号传输的质量与寿命，达到当前报道国际同类研究最好的能效指标，同时相关技术鲁棒性高，可广泛应用于模拟及混合信号超低功耗集成电路，应用前景广阔。”麦沛然表示。

图｜麦沛然团队开发的高效信号链芯片处理技术（来源：受访者）

正如刚才所提到的“功耗”痛点，目前各种各样的物联网设备在为人们生活带来便利的同时也伴随一些“困扰”，其中以电池问题尤为突出，毕竟大部分物联网产品都采用电池供电。

“我们团队也在致力于解决一系列物联网应用中对全能量采集无电池智能芯片的长期需求，让芯片在具备一定计算能力和感知能力的同时进一步减少电量消耗。”麦沛然表示。

围绕这一产业需求，他和团队开发出一类“无电池智能电子芯片”，解决了大规模物联网发展的技术瓶颈 —— 电池更换和电池污染两大难题。

“无电池智能电子芯片将成为人机 / 机机无缝互联的关键硬件基础。”麦沛然指出，“各类型的手持和可穿戴设备必须取得更大的无线通讯和智能学习技术突破，以提高整体性能和能源效益，减少对电池的依赖，助力碳中和以及物联网产业绿色发展。”

值得一提的是，麦沛然凭借“无电池智能电子芯片”项目入选了 2022 年度“科学探索奖”，而他也成为这一奖项的澳门首位获奖者。

图｜麦沛然的“无电池智能电子芯片”项目入选 2022 年度“科学探索奖”（来源：受访者）

谈及未来几年集成电路技术的发展，麦沛然表示，“当前，国际上信号链芯片大多采用传统有源及高静态功率架构，这会影响可集成性及信号链芯片的能效，同时限制电池供电电子信息技术吞吐量和产品寿命；传统模拟电路是独立设计，缺乏系统级的协同设计与相互优化，面临性能提升与功耗和能效的矛盾。”

“在复杂的应用场景中，提升芯片集成度和减少能耗实现设计融合，是破解上述应用瓶颈的关键。”他说道。

联合创立澳大首个“产学研”创业公司

从蒸汽机的发明开启了工业革命，到互联网技术改变了信息传播的方式，技术创新是推动社会进步的源动力。而衡量一项技术的价值很大程度上在于其实现产业转化的能力和对社会的贡献。

产业层面，麦沛然和团队联合创立了澳门大学的第一家衍生企业 —— 珠海市迪奇孚瑞生物科技有限公司（简称：迪奇生物）。

（来源：公司官网）

作为澳门大学首次通过技术转移成功孵化的企业，迪奇生物成立于 2018 年，是一家专注于自动检测的生物技术公司。

据了解，澳门大学在技术、资源等方面给予了迪奇生物大量支持，将模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室研发十余年的自动化核酸分析技术独家授权给了迪奇生物。

技术层面，迪奇生物的核心技术主要源自麦沛然团队研发的用于生物 / 化学诊断的新型智能数字微流控（iDMF）平台。以数字微流控技术为核心，迪奇生物目前已经开发出多种自动化核酸分析系统，能够实现精准自动化体外诊断，包括核酸诊断、细胞分析、微生物分析、综合分子生物分析等，现阶段的业务布局涵盖医疗疾病诊断、动植物病害检测、健康指标检测、进出口检验检疫和食品安全检测等领域。

产品方面，据介绍，迪奇生物的主打产品“Virus Hunter”结合了模拟电路技术与数字微流控技术，单芯片可检测超 6 种疾病，目前该设备已经进入快速检测和食品安全检测市场。

“Virus Hunter 产品已获得二类医疗器械证，设备体积小，成本低，携带方便，操作简单，从取样到出检测结果只需要 30 分钟，大幅提高检测效率，解决了传统核酸检测需要复杂的人员操作和特殊的检测部位等一系列挑战。”麦沛然介绍道。

现阶段，迪奇生物针对 Virus Hunter 已经开发出升级版本“即时检测一体机 Virus Hunter Plus”，该设备不受限于专业实验环境，能够满足多场景检测需求，核酸提取和扩增在同一张芯片上完成，反应过程全在封闭的芯片内完成，避免交叉污染，可广泛用于医疗体外诊断、食品安全检测、农业病害检测、宠物病原诊断等领域。

从 0 到 1 打造澳门集成电路产业的“人才高地”

长期以来，麦沛然致力于集成电路设计的普及和推广。作为国际公认的集成电路领域的专家，他尤为重视人才的培养。

据介绍，截至目前，麦沛然已经培养出一流水平研究生 60 余名，他们曾 7 次获 IEEE 固态电路学会研究生成就奖，毕业后受聘于华为、高通、意法半导体、联发科等公司，受聘的学术单位包括澳门大学、中山大学、成都电子科技大学、西安交通大学、新加坡科技研究局（A*STAR）等。

谈及在培养年轻科研人才方面的心得，麦沛然表示，内地青年和澳门青年的成长环境其实存在较大的差异。“以上海为例，孩子要上很好的幼儿园才有可能上很好的小学、很好的中学、很好的大学，人才竞争激烈，但在澳门相对没有那么大的竞争压力，在澳门成长的年轻人压力会小一些，但是也可能因为压力小一些所以竞争力会差一些。总体来说，还是希望两者之间要有平衡，这是不容易的。”他解释道。

在麦沛然看来，若是想要培养更多优秀的青年在科学上发展，可能需要在中学期间就要给学生更大的挑选空间，给他们每天动手的机会。“如果他们从小每天讨论的就是科学研究和发展的话，显然这会对他们的未来带来很大影响。”他说道。

他进一步指出，“当你参加一个比赛的时候你肯定会努力争第一，但我们要明白，国家在科学上要发展，要得到一个成果，可能要更多年轻人愿意投身科技行业，在这个过程中实现自我价值和更大的社会价值。”麦沛然表示，“我希望青年应该能够更主动地了解国家的发展，让自己的职业生涯能够发挥更大的价值，拥有这种由内而外的拼搏精神，才能发展成为一个优秀的人才。”

图｜麦沛然与部分团队成员合照（来源：受访者）

目前，麦沛然在澳门大学带领的由逾 20 人的教授团队和近 300 名研究生组成的集成电路国家重点实验室团队，已经成为业界公认的“人才高地”，获得国际同行认可。“我们团队与横琴深合区的相关企业已开展了多个科研项目及短期课程，企业为澳大研究生及准毕业生提供了大量实习和就业岗位，通过大学高水平的研发实力和优秀的研究生助力深合区集成电路产业的高质量发展。”他说道。

“推进‘政、产、学、研’深度融合，企业的发展壮大就会更加顺畅，同时也能创造更多就业机会，吸引更多澳门人投身集成电路设计行业，形成互促互进的良性循环。”麦沛然表示，“培育本地专才和科创企业能有效解决青年人就业问题，引领传统产业优化升级，利用数字化科技等技术降低成本，拓展更多商机。”

访谈接近尾声，麦沛然坦言，“我在澳门土生土长四十余载，从大学求学到出任教职工作也已超过四分之一个世纪，深刻体会到国家对高质量发展的决心和澳门特区政府在推动经济适度多元发展方面的决心，这定能为下一代青年创造更广阔的发展空间。”他总结道。

参考资料：

1.https://sites.google.com/view/elvispimak/home

2.https://www.fst.um.edu.mo/people/pimak/

3.https://digifluidic.com/cn/home

4.https://digifluidic.com/cn/staff

5.https://digifluidic.com/cn/services1

6.https://digifluidic.com/cn/services3