復旦大學(xué)兩成果亮相“集成電路設計奧林匹克”ISSCC 2018

　　美國當地時(shí)間2月11日，2018國際固態(tài)電路會(huì )議(ISSCC 2018)在舊金山舉行，202篇來(lái)自學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的前沿成果論文在這一集成電路設計領(lǐng)域的頂級學(xué)術(shù)會(huì )議中向全世界發(fā)布。由復旦大學(xué)微電子學(xué)院無(wú)線(xiàn)集成電路與系統(WiCAS)課題組和腦芯片研究中心模擬與射頻集成電路設計團隊研發(fā)的兩項成果雙雙亮相，分別以論文《面向窄帶物聯(lián)網(wǎng)NBIOT應用的緊湊型雙頻段數字式功率放大器》(“A Compact Dual-Band Digital Doherty Power Amplifier Using Parallel-Combing Transformer for Cellular NB-IoT Applications”)，和《一種75.4%有效功率轉化率、0.1%ASK調制深度和9.2mW輸出功率的13.56MHz無(wú)線(xiàn)功率和數據傳輸接收機》(“A 13.56MHz Wireless Power and Data Transfer Receiver Achieving 75.4% Effective-Power-Conversion Efficiency with 0.1% ASK Modulation Depth and 9.2mW Output Power”)在大會(huì )上發(fā)表，與另3篇中國大陸入選論文一同為本屆“集成電路設計奧林匹克”注入中國智慧。這也是復旦大學(xué)自2014年后，時(shí)隔4年再一次于該會(huì )議上發(fā)表研究成果。

　　“鹽堿地”上的“開(kāi)荒者”：瓦級雙頻帶CMOS數字Doherty功率放大器芯片助力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

　　按照行業(yè)傳統，多數半導體芯片制作采用目前較為成熟的CMOS工藝，這一工藝有著(zhù)制作成本低、芯片運行功耗低、電路集成度高不可復制的優(yōu)勢。但對于功率放大器芯片來(lái)說(shuō)，想要在保證CMOS工藝優(yōu)勢的基礎上實(shí)現其高頻信號卻是一個(gè)大挑戰，難度不亞于在鹽堿地上種果樹(shù)。而由復旦大學(xué)微電子學(xué)院教授徐鴻濤領(lǐng)銜的無(wú)線(xiàn)集成電路與系統(WiCAS)課題組正是這片“鹽堿地”上的“開(kāi)荒者”，不僅要“種活”還要“豐收”。

　　芯片圖

　　日前，該課題組在高性能互補金屬氧化物半導體(CMOS)數字功率放大器設計方面取得研究突破，提出了新型數字式射頻功率合成技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出瓦級雙頻帶CMOS數字多赫蒂(Doherty)功率放大器芯片。相關(guān)論文發(fā)表于ISSCC 2018。該課題由徐鴻濤、殷韻、熊亮、朱逸婷、陳博文、閔昊等多名師生參與，論文第一作者為復旦大學(xué)微電子學(xué)院青年教師殷韻。

　　為了提升功率放大器芯片的效率和性能，課題組提出了一種新型數字式射頻功率合成技術(shù)，為芯片搭建從未有人提出和使用過(guò)的新架構，在采用CMOS工藝、達到瓦級功率、雙頻帶和單模塊四大特點(diǎn)的幫持下，為高效低耗的目標實(shí)現提供了保障。一方面，課題組果斷采用通過(guò)數字來(lái)模擬實(shí)現高頻信號的方法，克服了CMOS工藝做射頻電路較難的障礙。另一方面，課題組通過(guò)解決Doherty技術(shù)的實(shí)現過(guò)程存在的主從控制、匹配網(wǎng)絡(luò )設計等問(wèn)題，實(shí)現了瓦級功率。這在功率放大器芯片設計領(lǐng)域，特別是數字架構中并不多見(jiàn)。

　　芯片測試板，紅框中為封裝后的芯片

　　此外，在一般的無(wú)線(xiàn)通信中有兩個(gè)頻帶存在。以往會(huì )有兩個(gè)發(fā)射機來(lái)實(shí)現兩個(gè)頻帶的發(fā)射，而該技術(shù)實(shí)現了兩個(gè)頻帶由一個(gè)發(fā)射機發(fā)射，節省成本的同時(shí)使芯片縮小了一半。同時(shí)，這枚只有一個(gè)模塊的數字化芯片，可以輕松實(shí)現傳統芯片中多模塊才能實(shí)現的功能。

　　與國內外最新的研究成果相比，該芯片以最小的面積實(shí)現了近瓦級的輸出功率、雙頻帶覆蓋以及業(yè)界最高的平均發(fā)射效率。不僅在“鹽堿地”上成功種活了“果樹(shù)”，還實(shí)現了量產(chǎn)翻倍的成就，收獲的“水果”質(zhì)量也遠高于其他同類(lèi)產(chǎn)品，為射頻芯片全集成提供了有效的解決方案。這意味著(zhù)芯片自身制造成本的下降。而極低的成本正是“物聯(lián)網(wǎng)”這一“百億級甚至是萬(wàn)億級藍?！逼占暗那疤?。

　　如果將物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)比作一場(chǎng)戰爭，那么各單獨物體上的電子記錄設備就是一個(gè)個(gè)堡壘。功率發(fā)射器是各堡壘間協(xié)同作戰的通訊工具，這枚發(fā)射器中的芯片就是保證通訊質(zhì)量高、時(shí)間長(cháng)、信號穩定的關(guān)鍵所在。如果沒(méi)有這枚小芯片，各個(gè)“物體堡壘”就會(huì )變成一盤(pán)散沙?！翱赡芫褪嵌畨K錢(qián)能做一個(gè)方案，要想達到百億級別的量的規模，就需要低成本的芯片?！毙禅櫇榻B。

　　對聯(lián)網(wǎng)落地而言，低成本本就同時(shí)意味著(zhù)對運行功耗的要求?，F實(shí)的市場(chǎng)需求一臺設備安裝在某處后可以持續工作幾年時(shí)間，從而減少人力和維護成本。而課題組的成果恰恰能夠滿(mǎn)足這一需要，使過(guò)去的“幾周”，延伸至理想中的“幾年”。

　　除了物聯(lián)網(wǎng)方面的應用，這項技術(shù)還將向同樣要求成本低、效率高的寬帶和移動(dòng)通訊方面挺進(jìn)，通過(guò)與科技企業(yè)合作、重大專(zhuān)項的應用，進(jìn)一步提升通訊速率。

　　“魚(yú)和熊掌”可兼得：無(wú)線(xiàn)能量和數據協(xié)同傳輸新型技術(shù)為生物醫療電子解難題

　　盡管結合無(wú)線(xiàn)數據傳輸功能的無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)因其廣闊的應用前景越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，無(wú)線(xiàn)能量傳輸與無(wú)線(xiàn)數據傳輸本身，卻像是一對難以兼得的“魚(yú)和熊掌”。

　　系統創(chuàng )新點(diǎn)闡釋

　　一方面，由于在關(guān)鍵物理量的獲取方法、能量等級和常用頻段等方面存在顯著(zhù)差異，如何采用同一天線(xiàn)來(lái)同時(shí)完成數據和能量的獲取，本就是設計這一協(xié)同傳輸系統的技術(shù)難點(diǎn);另一方面，在實(shí)現了同一天線(xiàn)的數據和能量傳輸后，如何避免數據傳輸和能量傳輸通路間的相互影響，降低無(wú)線(xiàn)能量傳輸效率因數據傳輸而受到的損失，更是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

　　系統架構示意圖

　　這種局面將得到改變。由復旦大學(xué)微電子學(xué)院幾位青年教師為主導的腦芯片研究中心模擬與射頻集成電路設計團隊日前在無(wú)線(xiàn)能量和數據傳輸系統集成電路設計方面取得了突破性進(jìn)展，提出了一種無(wú)線(xiàn)能量和數據協(xié)同傳輸的新型技術(shù)，并在高能效無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統設計中取得了關(guān)鍵突破。相關(guān)論文發(fā)表于ISSCC 2018。復旦大學(xué)微電子學(xué)院青年教師王彧為論文第一作者，葉大蔚為通訊作者，二人均為復旦大學(xué)腦芯片研究中心引進(jìn)的青年研究人才。

　　芯片圖

　　通過(guò)將13.56MHz同時(shí)作為能量傳輸的頻段和數據傳輸的載波頻段，由該團隊提出的新型無(wú)線(xiàn)能量和數據傳輸技術(shù)，能夠僅使用一根天線(xiàn)同時(shí)完成數據和能量的無(wú)線(xiàn)傳輸。在無(wú)線(xiàn)能量傳輸方面，團隊研制的芯片采用動(dòng)態(tài)阻抗匹配技術(shù)、電壓轉換率自動(dòng)調整技術(shù)，實(shí)現了高效率的能量傳輸;在無(wú)線(xiàn)數據傳輸方面，則采用AM調制方式和偏移限幅放大技術(shù)提取信號，使得信號放大僅在接收信號的包絡(luò )上進(jìn)行，避免了與無(wú)線(xiàn)能量傳輸的相互影響。

　　“假設我和你打招呼，要讓你聽(tīng)得清楚。我喊得很大聲就會(huì )很累。換言之，能量傳輸的效率不那么高。但如果有喇叭，我只要輕輕一講話(huà)你就能聽(tīng)到。能量傳輸的效率就有了保證?！比~大蔚用生活化的比方來(lái)解釋其中的巧思。與國內外先進(jìn)成果相比，該芯片以最小的信號調制深度實(shí)現了無(wú)線(xiàn)能量和信號同時(shí)傳輸，從而達到了最高的有效能量轉化效率，是“魚(yú)和熊掌”兼得的成功范例。

　　據介紹，無(wú)線(xiàn)能量和數據協(xié)同傳輸新技術(shù)的誕生，與腦芯片研究中心團隊目前參與的一項上海市科委技術(shù)研究項目“基于微芯片技術(shù)的腦活動(dòng)多道記錄系統”大有淵源。為了滿(mǎn)足項目中通過(guò)植入式芯片采集實(shí)驗動(dòng)物體的神經(jīng)信號的實(shí)際訴求，團隊必須研發(fā)一款能夠實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據和能量同時(shí)傳輸的芯片。

　　作為依托的該項目為這一系統芯片提供了適合實(shí)際應用的能量供給和信號傳輸方案。而類(lèi)似的應用場(chǎng)景實(shí)際常見(jiàn)于各種生物醫療電子的應用，尤以采用無(wú)線(xiàn)供電的植入式和穿戴式生物醫療電子系統為代表。

　　王彧舉了一個(gè)有關(guān)植入式芯片監測人體血糖等指標的例子：“一方面，芯片需要把監測到的數據傳遞出來(lái)，另一方面，芯片工作也需要持續的能量供給。這些都需要無(wú)線(xiàn)進(jìn)行?！边^(guò)去，這一應用會(huì )面對一個(gè)尷尬的困境：“傳能量時(shí)數據不太好傳，傳數據時(shí)又沒(méi)能量”。而在團隊此次研發(fā)的新技術(shù)下，供電方案的難題大有希望迎刃而解。

　　與此同時(shí)，在生物醫療電子之外，該技術(shù)亦有可能應用于其它生活場(chǎng)景?！叭绻沂謾C沒(méi)電了，你手機還有很多電，我是不是可以把你的電充一點(diǎn)過(guò)來(lái)?”王彧做了個(gè)有關(guān)手機交互假設：“這其實(shí)就可以用到我們的技術(shù)。