无线物联网（WIoT）在智慧工厂、智能家居及安防监控等各种应用中越来越受到重点关注。与传统网络相比，WIoT无需电缆或物理连接，易于设置并减少了对人工干预的需求，有助于大大提高生产力、降低成本，同时提高用户使用的满意度。现代化的WIoT硬件既可以利用较高频率实现近距离高速数据交互，也可以在相对较低的频率实现传感数据与边缘或云处理中心的远距传输。频率生成与混合是实现高效率无线传输中极为关键的步骤；然而，现有的频率生成与混合模块通常采用独立的生成与混合电路，基于传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，使用寄存器、环形振荡器、数模转换器和运算放大器等复杂数字和模拟电路，同时未面向较低频的WIoT传输链路进行针对性设计，天然的产生较高延迟和能耗。
图1：无线物联网中的频率生成与混合
针对这一关键问题，北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心杨玉超教授课题组首次提出了一种基于VO2忆阻器的高一致性、可校准频率振荡器，进一步基于该振荡器构建了尺寸为8×8的VO2忆阻器阵列，配合紧凑设计的外围电路实现了频率原位生成和可编程频率混合系统，并利用软硬件协同设计完成了端到端的数据传输实验。该工作重点研究了基于脉冲激光沉积的外延生长VO2忆阻器件，在不同电流驱动的I-V（电流-电压）曲线中展现出基于负微分电阻（NDR）行为的自振荡现象。原位显微观察显示NDR区域内的自振荡由高温导电通道的形成和消失造成，并详细阐释了这一现象为电热诱导的莫特转变。由于外延生长VO2忆阻器件的高结晶质量和并联校准电阻的引入，振荡器在实验中表现出优异的周期内和器件间一致性。在电压控制的电流驱动单元和校准电阻的联合作用下，该频率生成与混合系统能够原位生成和混合2至8个通道，支持频率最高达48kHz。此外，该研究对VO2忆阻器阵列的可编程性进行了深入分析，生成和混合的频率可以由VO2阵列大小、电压控制的电流驱动单元和校准电阻进行有效编程，是首次在实验中实现基于VO2忆阻器的高一致性、可校准原位频率生成与混合。
图2：基于VO2忆阻器阵列的原位频率生成与混合
该研究进一步设计了软硬件联合的端到端WIoT实验系统，在传输代表性的传感器数据（音频、图像和点云）时，基于VO2忆阻器的频率生成与混合系统相比传统基于CMOS的频率生成与混合模块能够实现1.45×至1.94×的能耗降低，同时保持传输比特错误率（BER）仅降低0.02dB至0.21dB。该工作具备有效替代传统WIoT设计中复杂CMOS频率生成和混合模块的潜力，有望为下一代高能效WIoT系统设计提供全新的优化角度与发展方向。
相关成果以“VO2 memristor-based frequency converter with in-situ synthesize and mix for wireless internet-of-things”为题，发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上，北京大学集成电路学院博士后刘昌为第一作者，陶耀宇博士和杨玉超教授为通讯作者。
图3：软硬件协同端到端WIoT系统与代表性数据传输实验
该研究工作得到了国家重点研发计划、国家杰出青年基金、国家优秀青年基金、国家自然科学基金委后摩尔重大研究计划、集成电路高精尖创新中心等项目的支持。
