電子科大博士生：一“芯”讓5G通信暢享全球

　　當下，5G(即第五代移動(dòng)電話(huà)行動(dòng)通信標準，也稱(chēng)第五代移動(dòng)通信技術(shù))商用化的步伐正在逐步加快。就像工信部信息通信發(fā)展司司長(cháng)聞庫日前在數字中國建設峰會(huì )上所說(shuō)，我國有望在明年下半年推出第一款5G手機。而到2020年，5G網(wǎng)絡(luò )將正式投入商用，屆時(shí)，將有越來(lái)越多的人用上5G手機。

　　然而，由于不同國家劃分的5G通信頻段各不相同，適應這個(gè)頻段的芯片并不一定適應那個(gè)頻段，于是就可能出現尷尬的一幕：出國后，5G手機“失靈”了。

　　日前，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“基于強耦合變壓器的電流提升技術(shù)”，初步實(shí)現了用一款芯片覆蓋多個(gè)頻段，讓5G通信“全球通”變成了可能。

　　一個(gè)偶然的研究發(fā)現

　　說(shuō)到解決5G芯片“水土不服”的問(wèn)題，其實(shí)是源于張凈植的一個(gè)偶然發(fā)現。

　　2015年，張凈植的導師康凱正承擔國家5G技術(shù)方面的一個(gè)重大專(zhuān)項，他有機會(huì )參與其中，負責頻率源方面的部分研究任務(wù)。而正是這次研究，讓他將目光鎖定在了5G芯片上。

　　張凈植發(fā)現，目前不同國家劃分的應用于5G通信的頻段各不相同。比如，中國用的是24.75GHz～27.5GHz和37GHz～42.5GHz頻段，美國用的是27.5GHz～28.35GHz、37GHz～38.6GHz和38.6GHz～40GHz頻段，歐洲用的是24.25GHz～27.5GHz頻段，日韓則采用26.5GHz～29.5GHz。也就是說(shuō)，如果5G手機的芯片不支持這么多不同頻段，出國后就無(wú)法正常通信了。

　　相對于當前使用的4G技術(shù)，5G技術(shù)在吞吐率、時(shí)延、連接數量、能耗等方面有一個(gè)質(zhì)的飛躍，就像美國運營(yíng)商Sprint新任總裁和即將上任的CEO邁克爾·康貝斯在今年的摩根大通全球技術(shù)、媒體和通信會(huì )議上所說(shuō)的，如今的4G網(wǎng)速平均只有30MB/秒，而5G提供的網(wǎng)速將是它的15倍。因此，學(xué)界和業(yè)界都對5G給予厚望。

　　“但如果芯片不給力，5G的應用就很難‘暢享全球’?！睆垉糁矒鷳n(yōu)道。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?

　　有了這一想法，在得到導師的支持與指導后，張凈植就開(kāi)始了在5G芯片方面的探索與嘗試，但過(guò)程卻并非一帆風(fēng)順。

　　流片過(guò)程的一波三折

　　起初，張凈植想到，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，就得想辦法增強輸入電流，而要增強輸入電流，一種方法是增大輸入信號，但一般而言，外部給的輸入信號大小是固定的，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)一步提升基本也不太可能。

　　在嘗試了多種思路均告失敗之后，張凈植突然萌生了一種突破性的想法：用無(wú)源電路提升電流，然后插入一個(gè)變壓器，這樣是否就可以在使電流提高N倍的同時(shí)也把帶寬提高N倍呢?

　　于是，按照這個(gè)想法，張凈植和他的團隊經(jīng)過(guò)三個(gè)月的努力，于2016年12月完成芯片設計，并進(jìn)行了第一次流片(即像流水線(xiàn)一樣通過(guò)一系列工藝步驟制造芯片)。

　　2017年3月，張凈植拿到芯片后立刻進(jìn)行測試，結果令他非常激動(dòng)：與當時(shí)國內外最新的研究成果相比，他們的研究在性能上已經(jīng)遠遠勝出。此前，業(yè)界做出的芯片工作帶寬大概在10%～30%之間，而他們的芯片帶寬可以達到60%以上。

　　此時(shí)，在康凱的指導下，張凈植開(kāi)始再次對芯片進(jìn)行優(yōu)化設計和第二次流片。

　　“做芯片一般要依次完成原理圖、版圖、模塊級聯(lián)，最后才是總版并進(jìn)行評估?！睆垉糁舱f(shuō)，但到了2017年4月，他們才剛做到模塊級聯(lián)環(huán)節，進(jìn)度比預期慢很多?！安贿^(guò)，考慮到芯片設計不容有失，否則流片就會(huì )功虧一簣，所以我們也沒(méi)有急于求成，最終于當年5月才完成第二版設計?！?/p>

　　當時(shí)，張凈植在準備第二次流片時(shí)并沒(méi)有項目支撐，經(jīng)過(guò)許多周折向國內外其他單位尋求支持后，才得以進(jìn)行。2017年8月底拿到第二版芯片后，張凈植和團隊成員花了一周時(shí)間測試芯片的性能，然后快速寫(xiě)論文投給了ISSCC，才終于沒(méi)有與其失之交臂。

　　國際會(huì )議上大放異彩

　　今年2月，ISSCC正式召開(kāi)。這是目前國際公認的集成電路領(lǐng)域的權威會(huì )議，有著(zhù)“Chip Olympics”(芯片奧林匹克)的雅稱(chēng)，自1954年成立以來(lái)，共發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文7500余篇。中國大陸地區作者于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)文章共有24篇。

　　在這次會(huì )議上，張凈植的研究可謂大放異彩。他的論文是中國大陸地區發(fā)表在該會(huì )議上的首篇有關(guān)毫米波集成電路設計的論文，同時(shí)，他本人也獲得該會(huì )議頒發(fā)的“絲綢之路獎”(Silkroad Award)，該獎項是頒發(fā)給以第一作者身份第一次在這個(gè)會(huì )議上發(fā)表論文的亞太地區學(xué)生的。從此，張凈植成為中國大陸地區歷史上第4位獲此殊榮的學(xué)生，同時(shí)也是大會(huì )歷史上第20位獲此獎項的學(xué)生。

　　且看張凈植的研究成果，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，大小相當于一根繡花針的橫截面。

　　但這種小芯片卻具有“兼容并蓄”的“寬廣胸襟”，極大地提升了注入鎖定倍頻器的工作帶寬，即“基于CMOS(互補金屬氧化物半導體)工藝的超寬帶注入鎖定倍頻器”，簡(jiǎn)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(zhuān)門(mén)設計的。

　　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，同時(shí)還解決了毫米波頻段中“低相位噪聲信號源的大帶寬設計”難題，為毫米波領(lǐng)域超寬帶低相位噪聲信號源設計提供了一個(gè)可行方案，對5G通信的高頻段多頻帶應用有著(zhù)實(shí)際意義。

　　“做這一行非常累，要做好足夠的心理準備，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?！睆垉糁舱f(shuō)，目前團隊正在進(jìn)一步優(yōu)化設計，準備做第三版設計和流片工作，“我們的芯片設計從一開(kāi)始就是面向應用并且和工業(yè)界緊密結合的，隨著(zhù)5G通信時(shí)代的到來(lái)和各種應用逐漸推廣，我們的芯片也將迎來(lái)更好的發(fā)展機遇”。