ISSCC大會(huì)主席、MIT教授Anantha Chandrakasan（右）和多倫多大學(xué)教授Kenneth C. Smith為張凈植頒發(fā)“Silkroad Award”獎(jiǎng)牌
當(dāng)下，“5G”商用化的步伐正在逐步加快，移動(dòng)通信正在迎來一個(gè)新的時(shí)代。然而，不同國家劃分的“5G”通信頻段各不相同，適應(yīng)這個(gè)頻段的芯片并不一定能夠適應(yīng)那個(gè)頻段，于是就可能出現(xiàn)尷尬的一幕：出國旅游，“5G”手機(jī)竟然“失靈”了。如何解決5G芯片“水土不服”的問題呢？
近日，電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院（示范性微電子學(xué)院）博士生張凈植在2018年國際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）上發(fā)表論文，提出了一種“基于強(qiáng)耦合變壓器的電流提升技術(shù)”，初步實(shí)現(xiàn)了用一款芯片把多個(gè)頻段全部覆蓋，讓“全球通”變成了可能。
張凈植為論文第一作者，其導(dǎo)師康凱教授為論文通訊作者，電子科技大學(xué)為唯一作者單位。據(jù)了解，該論文是中國大陸地區(qū)發(fā)表在該會(huì)議上的首篇有關(guān)毫米波集成電路設(shè)計(jì)的論文，為我校首次以第一作者單位在該會(huì)議正文單元上發(fā)表的論文。
張凈植同時(shí)獲得該會(huì)議頒發(fā)的“Silkroad Award”，該獎(jiǎng)項(xiàng)是頒發(fā)給以第一作者身份第一次在這個(gè)會(huì)議上發(fā)表論文的亞太地區(qū)的學(xué)生。張凈植成為中國大陸地區(qū)歷史上第4位獲此殊榮的學(xué)生，同時(shí)也是大會(huì)歷史上第20位獲此獎(jiǎng)項(xiàng)的學(xué)生。
“通用芯片”：解決“5G時(shí)代”的新問題
張凈植研究的這款芯片，源于三年前的偶然發(fā)現(xiàn)。2015年，康凱教授正承擔(dān)國家5G技術(shù)方面的重大專項(xiàng)，張凈植有機(jī)會(huì)參與其中，負(fù)責(zé)其中關(guān)于頻率源的部分研究任務(wù)。
他發(fā)現(xiàn)，目前不同的國家劃分的應(yīng)用于5G通信的頻段各不相同，中國用的是24.75-27.5GHz和37-42.5GHz頻段，美國用的是27.5-28.35GHz、37-38.6GHz和38.6-40GHz頻段，歐洲用的是24.25-27.5GHz頻段，日韓則采用26.5-29.5GHz。在這種情況下，如果手機(jī)芯片不支持這么多不同頻段，出國旅游時(shí)手機(jī)就無法正常通信了。
5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡稱，由于它彌補(bǔ)了4G技術(shù)的不足，在吞吐率、時(shí)延、連接數(shù)量、能耗等方面能夠產(chǎn)生飛躍性進(jìn)步，因此目前學(xué)界和業(yè)界都對(duì)其寄予厚望。但如果芯片不給力，5G的應(yīng)用就很難“暢享全球”。關(guān)鍵在于，究竟能否研發(fā)一款寬頻帶“通用芯片”全部覆蓋以上各個(gè)不同頻段呢？
答案是肯定的。張凈植在國際固態(tài)電路會(huì)議展示的研究成果，就是兩方小小的“通用芯片”：大的芯片只有910微米×920微米（1微米=10-6米），小的芯片為700微米×670微米，面積都小于1平方毫米，大小相當(dāng)于一根針的橫截面。
左邊是差分輸出芯片，是核心電路的驗(yàn)證模塊；右邊是正交輸出芯片，是完整的、可以用于5G系統(tǒng)的芯片。
這種小芯片卻具有“兼容并蓄”的廣闊“胸懷”，極大地提升了注入鎖定倍頻器的工作帶寬。它的專業(yè)稱呼是“基于CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝的超寬帶注入鎖定倍頻器”，簡而言之，就是為了解決5G芯片在不同電磁頻段“水土不服”的難題而專門設(shè)計(jì)的。
在與業(yè)界最先進(jìn)技術(shù)的比較中，該技術(shù)在僅消耗兩倍功耗的情況下，將工作帶寬提升了5.2倍。它還解決了毫米波頻段中“低相位噪聲信號(hào)源的大帶寬設(shè)計(jì)”挑戰(zhàn)，為毫米波領(lǐng)域超寬帶低相位噪聲信號(hào)源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可行方案，對(duì)5G通信的高頻段多頻帶應(yīng)用有著實(shí)際意義。
困難重重：流片過程一波三折
從2015年萌生想法到2016年9月真正開始設(shè)計(jì)，張凈植嘗試了多種思路。他首先想到，輸入電流和工作帶寬是正相關(guān)的，如果要提高電路的帶寬就得想辦法增強(qiáng)輸入電流。而要增強(qiáng)輸入電流，一種方法是增大輸入信號(hào)，但一般而言，外部給的輸入信號(hào)大小是固定的，所以此路不通。還有一種方法，就是提高輸入極的增益，但業(yè)界已經(jīng)把輸入極優(yōu)化得很好，想進(jìn)一步提升基本不太可能。
在不斷提出問題又不斷自我否定之后，張凈植提出了一個(gè)突破性的想法：能不能用無源電路把電流提升，然后插入一個(gè)變壓器，這樣就可以使電流提高N倍同時(shí)能把帶寬也提高N倍呢？又經(jīng)過三個(gè)月的努力，他和團(tuán)隊(duì)在2016年12月份完成芯片設(shè)計(jì)并進(jìn)行了第一次流片。
2017年3月，終于拿到芯片。測(cè)試的結(jié)果令他非常激動(dòng)：和2017年國際國內(nèi)最新的研究成果相比，他們的研究已經(jīng)在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝出。此前，業(yè)界做出的芯片工作帶寬大概在10-30%，而他們的芯片帶寬可以達(dá)到60%以上。于是，他和康凱教授商量，很有必要再次優(yōu)化設(shè)計(jì)并做第二次流片。
芯片優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)間十分緊湊：做芯片一般要依次完成原理圖、版圖、模塊級(jí)聯(lián)，最后才是完成總版并進(jìn)行評(píng)估，但到了2017年4月，他們才剛做到模塊級(jí)聯(lián)環(huán)節(jié)，進(jìn)度比預(yù)期慢很多?？紤]到芯片設(shè)計(jì)不容有失，否則流片就會(huì)功虧一簣，他們決定不能急于求成，最終到5月才完成第二版設(shè)計(jì)。
由于芯片造價(jià)成本高昂，而且準(zhǔn)備第二次流片時(shí)沒有項(xiàng)目支撐，他們經(jīng)過許多周折，向國內(nèi)外其他單位尋求支持。第二次流片終于結(jié)束，但在過海關(guān)時(shí)卻卡了很久，直到8月底才拿到第二版芯片。他們快速行動(dòng)，花了一周時(shí)間測(cè)試芯片的性能，然后快速寫論文投給了國際固態(tài)電路會(huì)議。10月，國際固態(tài)電路會(huì)議給出了評(píng)審意見。團(tuán)隊(duì)成員終于松了一口氣：總算沒有失之交臂！
右邊兩欄為該論文達(dá)到的工作指標(biāo)，其中，帶寬為22.8-43.2GHz，積分相位噪聲為-40.0dBc，功耗為5.0mW。與業(yè)內(nèi)同類工作對(duì)比，該成果的帶寬達(dá)到了其他工作的5.2倍，同時(shí)沒有帶來相位噪聲的惡化。
未來可期：集成電路將在中國大放異彩
2018年2月，國際固態(tài)電路會(huì)議召開。該會(huì)議是目前國際公認(rèn)集成電路領(lǐng)域的權(quán)威會(huì)議，有著“Chip Olympics（芯片奧林匹克）”的雅稱，自1954年成立以來，共發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文7500余篇。中國大陸地區(qū)作者于2005年發(fā)表首篇論文，截至目前在該會(huì)議上發(fā)表的相關(guān)文章有24篇。
此前，電子科技大學(xué)碩士生郭開喆、余益明（原電子工程學(xué)院）和本科生周雄（原通信與信息工程學(xué)院）的論文曾入選該會(huì)議“學(xué)生科研前瞻”單元匯報(bào)展示。如今，張凈植再次創(chuàng)造歷史，并與來自日本北海道大學(xué)的博士生Kodai Ueyoshi共同獲得大會(huì)為亞太地區(qū)的優(yōu)秀學(xué)生論文設(shè)立的“Silkroad Award”獎(jiǎng)項(xiàng)。
對(duì)于這次研究成果，張凈植十分感激康凱教授及團(tuán)隊(duì)的大力支持。他說，集成電路不同于其他學(xué)科，每一次設(shè)計(jì)完成以后拿出去加工，就沒有改正的機(jī)會(huì)了。每一次流片的成本都非常大，設(shè)計(jì)過程中的任何一點(diǎn)小失誤，都可能導(dǎo)致全盤皆輸。正是康凱教授和團(tuán)隊(duì)在芯片設(shè)計(jì)方面的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，以及對(duì)流片工作的大力支持，才使他有機(jī)會(huì)參與到這項(xiàng)重要的研究工作中來，并取得了一定的成績。
張凈植表示，“做這一行非常累，要做好足夠的心理準(zhǔn)備，熬夜也是常有的。只有肯吃苦、肯拼搏，才能為這個(gè)行業(yè)做出更多貢獻(xiàn)！”目前，團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備做第三版設(shè)計(jì)和流片工作。他說，“我們的芯片設(shè)計(jì)從一開始就是面向應(yīng)用并且和工業(yè)界緊密結(jié)合的，隨著5G通信時(shí)代的到來和各種應(yīng)用逐漸推廣，我們的芯片也將迎來更好的發(fā)展機(jī)遇。”
他認(rèn)為，傳統(tǒng)的移動(dòng)通信工作頻段主要集中在3GHz以下的低頻段，頻譜資源十分擁擠。而高頻段（如毫米波、厘米波頻段）的可用頻譜資源相對(duì)更加豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，并實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信的夢(mèng)想，支持5G通信對(duì)容量和傳輸速率等方面的需求。但要真正用好高頻段的頻譜資源，相應(yīng)的芯片設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。
張凈植很看好5G時(shí)代和國內(nèi)集成電路的未來。他認(rèn)為，雖然我國在集成電路方面與國外還有一定的差距，但“彎道超車并非沒有可能”。國內(nèi)的集成電路起步比較晚，但進(jìn)步的速度非?？?，國家給予的各種福利政策很多，產(chǎn)業(yè)需求量非常巨大。未來5G在中國的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和集成電路在國內(nèi)的發(fā)展都非常值得期待！
01月07日 18:14
