1. 北航集成电路科学与工程学院在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》发表重要研究成果
2. 同济大学李杰院士团队成果入选中国科学院《2025高技术发展报告》
3. 中国科学院高倍率锌离子混合电容器厚电极设计取得进展
1. 北航集成电路科学与工程学院在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》发表重要研究成果
成果发表
近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、张悦教授团队在高性能人工智能芯片研究领域取得重要进展，提出了一种面向边缘神经网络推理的动态稀疏感知阵列划分多宏拆分映射存算一体（Array Partition Multi-macro Computing-in-Memory, APM-CIM）芯片。该研究通过电路、架构与系统协同优化，突破传统存算一体架构在计算效率、多宏并行以及数据传输方面的瓶颈，实现了高性能、低功耗的边缘神经网络推理加速。相关成果以APM-CIM: An Array Partition Multi-macro CIM System with Dynamic Sparse Approximation for Neural Network Edge Applications为题，发表于集成电路设计领域国际顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）。
现存挑战
随着人工智能算法快速发展，神经网络模型规模不断增长，边缘智能设备对计算性能和能效提出了更高要求。传统冯·诺依曼架构中存储与计算分离导致的数据搬移开销，成为限制人工智能芯片进一步发展的重要因素。存算一体技术通过将计算操作直接融合于存储阵列内部，有望减少数据传输并提升计算效率。然而，现有存算一体系统仍面临计算周期随数据精度增加、多宏系统输入带宽受限以及系统级数据调度效率不足等挑战。
图1边缘端人工智能芯片挑战及本工作创新点
总体设计
针对上述问题，研究团队围绕存算一体芯片从核心计算单元到多宏架构再到完整系统的关键环节，提出双输入位并行与动态稀疏感知、阵列划分多宏映射以及数据与任务协同管理等技术，实现了从电路、架构到系统的跨层协同优化设计。在此基础上，团队完成了40 nm CMOS存算一体芯片的研制与测试。芯片在INT8模式下实现67.63 TOPS/W的系统能效，并在VGG、MobileNet和ResNet等典型神经网络上保持较高推理精度，验证了所提出技术在提升计算效率、降低数据搬运开销及增强系统扩展能力方面的有效性，为高能效边缘人工智能芯片设计提供了新的技术路径。
电路创新
在电路层面，团队提出双输入位并行计算机制，通过8T SRAM双读取通路在单周期内同步完成两组输入—权重乘加计算，使计算周期缩短约一半并提升数据传输效率。同时，针对神经网络中大量低贡献数据，提出动态稀疏感知机制，根据输入和权重高位特征在线识别并跳过低贡献乘加操作，并支持多档阈值动态调节，从而在推理精度、计算延迟与能量效率之间实现灵活权衡。
图2 双输入位并行计算、动态稀疏感知机制及其电路结构
架构优化
在架构层面，团队提出阵列划分多宏拆分映射方法，针对多宏系统输入带宽受限、数据加载与计算串行执行的问题，沿阵列行方向拆分输入与权重映射，使各存算宏仅加载当前所需数据分区即可启动计算，并在计算过程中同步加载下一分区，实现数据传输与阵列计算流水化重叠。该方法可减少多宏等待与资源空闲，使单宏和多宏计算延迟降低15%～37.5%，提升缓存带宽利用率和多宏并行计算效率。
图3 阵列划分多宏拆分映射方案
系统调度
在系统层面，团队提出动态位宽裁剪与数据任务协同管理机制，根据不同网络层计算结果的动态范围自适应确定8 bit裁剪窗口，在降低层间数据位宽、缓存容量和传输开销的同时保持推理精度。同时，通过数据管理器和任务管理器统一调度线性、非线性计算及片上数据传输，优化各模块间数据流与任务衔接，减少不必要的数据交互，降低存算宏向完整系统扩展过程中的性能损失。
图4 动态位宽裁剪和计算任务调度方案
芯片实测
基于上述技术，团队采用40 nm CMOS工艺完成了APM-CIM芯片研制与测试。芯片集成多个全数字SRAM存算宏、全局缓存、局部寄存器、动态位宽裁剪模块、ReLU与池化模块，以及数据和任务管理单元，支持INT8和INT16神经网络计算。实测结果表明，芯片在INT8模式下峰值计算性能达到3.86 TOPS，存算宏能效达到82.62 TOPS/W，完整系统能效达到67.63 TOPS/W。由存算宏扩展至系统后，能效损失仅为18.14%。在神经网络测试中，芯片支持VGG、MobileNet和ResNet-18等典型卷积神经网络模型。其中，在CIFAR-10数据集上执行VGG模型推理时，实现89.95%的分类准确率、2.13 ms的推理延迟和34.0 mW的功耗，验证了该芯片在边缘人工智能计算场景中展现了良好的应用潜力。
图5 芯片Die与性能表
作者简介
该项工作由北航集成电路科学与工程学院、杭州北航国际创新研究院（学院）、自旋芯片与技术全国重点实验室合作完成，并得到了赵巍胜教授悉心指导。北航集成电路科学与工程学院博士生张伯均、杭州北航国新院王进凯副研究员为论文共同第一作者；杭州北航国新院王进凯副研究员、北航集成电路科学与工程学院张悦教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、浙江省自然科学基金等项目支持。（来源： 北航集成电路科学与工程学院）
2. 同济大学李杰院士团队成果入选中国科学院《2025高技术发展报告》
近日，由中国科学院组织编写的《2025高技术发展报告》正式出版。中国科学院院士、同济大学基础学科前沿交叉中心主任、土木工程学院李杰教授与任晓丹教授团队应邀撰写“高技术前沿进展”章节之一《随机流形材料技术前沿进展》。
传统超材料多依赖规则、周期性微结构，存在缺陷敏感、局部应力集中、复杂工况下稳定性不足等局限。李杰院士团队提出，随机流形材料是以微—细观随机流形结构为核心特征，融合“随机性”与“流形特征”的新型功能材料体系。其内核主要是：借鉴自然生物材料在多尺度下形成的无序—有序协同机制，把欧氏空间中的微结构调控转向流形微结构的智能设计；以随机场与流形随机场理论刻画几何演化，以生成式人工智能、概率密度演化方法、物理信息神经网络实现微观结构重建与性能传播分析；通过增材制造、数字主线和“设计—制造”离线闭环，打通从结构表征、可控制备到多尺度性能调控的全链条。
《随机流形材料技术前沿进展》报告重点梳理了四方面关键突破，在“科学表征”方面，用高维随机场、流形随机场与深度生成模型描述材料微—细观非均匀流形结构及其演化；在“合成制备”方面，以多尺度增材制造和原位感知构建自感知、自决策、自演进制造生态，将工艺偏差转化为可调控优化变量；在“性能调控”方面，把概率反问题与力学反问题结合，借助统计等效代表性体积元、计算材料学与数据物理联合代理模型实现力学及多场耦合性能逆向设计；在“材料结构”方面，在参数化设计中嵌入材料行为调控，实现随机流形微细观结构与宏观结构性能的协同优化。相关方法在抗冲击超材料、非周期能量吸收结构和三维机械超材料高效发现中已展现显著性能提升空间。报告还展望了随机流形材料工程应用前景，未来5至10年有望在航空航天轻量化高可靠结构、国防抗冲击与多光谱隐身、智能柔性电子与软体机器人、海洋土木多功能复合结构等方向率先突破。例如：多级层状随机流形构型可用于航空发动机轻质承力部件与防护结构；跨红外—雷达—可见光隐身覆层可服务复杂战场平台；压电/形状记忆/光热响应基元可支撑可穿戴传感与植入式器件等。
据了解，李杰院士团队长期致力于随机动力学、随机损伤力学与工程结构可靠性研究，创立概率密度演化理论，并持续推动随机系统思想向材料结构一体化设计延伸。此次入选中国科学院高技术领域年度权威报告，体现了同济大学在随机力学—功能材料—智能制备交叉方向上的原创影响力。“随机不是误差，而是可设计的结构优势。”任晓丹教授表示，团队下一步将围绕极端服役环境下随机流形材料的使役行为与构效关系持续攻关，推动从实验室原型走向工程转化，服务高水平科技自立自强和关键战略领域新材料需求。
《2025高技术发展报告》是中国科学院“科学技术发展报告”丛书与学术引领系列品牌成果之一，聚焦信息、生物、能源、材料、先进制造、海洋、航空航天等高技术领域，既瞄准全球科技发展的战略制高点，又紧密契合我国重大战略部署，打造结构化“技术雷达”，面向决策层、科技界与产业界提供战略研判，持续为国家把握科技革命机遇提供科学指引。（来源： 同济大学）
3. 中国科学院高倍率锌离子混合电容器厚电极设计取得进展
近日，中国科学院合肥物质科学研究院在高负载厚电极及锌离子混合电容器研究方面取得进展，提出顺序激光工程策略，构筑一体化阶梯式功能梯度厚电极，实现厚电极内部不同功能区域的空间协同调控。
锌离子混合电容器具有较高能量密度、快速充放电和本征安全等优势，在高功率储能领域具有应用潜力。提升电极负载可有效提升容量、推动实用化，但电极增厚会放大传输动力学与结构稳定性之间的矛盾。因此，在高质量负载条件下兼顾快速离子/电子传输与结构稳定性，是高性能厚电极设计的重要挑战。
研究团队采用顺序激光加工技术，在连续三维多孔石墨烯框架中依次构筑多孔石墨烯（LPG）、锰氧化物复合多孔石墨烯（LPG@MnOx）和富氧多孔石墨烯（LPG-O）功能区域，形成一体化阶梯式功能梯度厚电极。其中，底层LPG（~125μm）构建连续石墨化导电网络，保障电子快速传输；中间LPG@MnOx区域（~315μm）将MnOx原位嵌入三维多孔石墨烯骨架，作为主要氧化还原储能区域，并通过互联孔道提高电解液和溶剂化Zn2+的可达性；顶部LPG-O区域（~112μm）形成亲水多孔界面，改善电极润湿、电解液渗透和离子输运，并有助于减少Mn相关活性物种向体相电解液中的不可逆损失。
结构表征显示，各功能区域之间形成连续连接。激光一体化结构的层间电阻约为22至24Ω，低于物理涂覆对照样品的约70Ω，降低了层间电子传输阻力。三个功能区域在电子传输、离子输运、氧化还原储能和界面调控方面形成协同，为高负载厚电极中的传输动力学和结构稳定性提供了新的调控路径。
电化学测试结果表明，厚电极在高负载下兼具高面容量和优异循环稳定性，面积电容达7.89F cm-2，循环12,000次后仍保持93.6%；组装器件能量密度达81.95Wh kg-1，在5.0A g-1下循环15000次后初始电容保持率仍为90.2%。
模拟计算表明，功能梯度结构能够改善电解液在厚电极中的浸润行为与液相离子传输，提升厚度方向上的离子可达性。循环后表征进一步证实，顶部富氧多孔区域为迁移的Mn相关物种提供额外的空间保留区域，可减少活性物种的不可逆损失，从而提升厚电极在长期高倍率循环过程中的稳定性。
该研究通过顺序激光加工实现厚电极内部结构与功能的一体化协同设计，在连续三维导电框架中实现电子传输、离子输运、氧化还原储能和界面调控等功能的空间分区与协同，为高负载厚电极的结构设计和动力学调控提供了新思路，也为高面容量、高倍率、长寿命锌离子混合电容器的构筑提供了技术参考。
相关研究成果发表在Composites Part B: Engineering上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院相关项目等的支持。
阶梯式功能梯度厚电极LPG/LPG@MnOx/LPG-O的结构示意图（来源： 中国科学院）
