張凈植正在做實(shí)驗(yàn)
當(dāng)下，5G（即第五代移動(dòng)電話行動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，也稱第五代移動(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(zhǎng)聞庫(kù)日前在數(shù)字中國(guó)建設(shè)峰會(huì)上所說(shuō)，我國(guó)有望在明年下半年推出第一款5G手機(jī)。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(jī)。
然而，由于不同國(guó)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適應(yīng)那個(gè)頻段，于是就可能出現(xiàn)尷尬的一幕：出國(guó)后，5G手機(jī)“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(guó)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(xiàn)
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(xiàn)。
2015年，張凈植的導(dǎo)師康凱正承擔(dān)國(guó)家5G技術(shù)方面的一個(gè)重大專項(xiàng)，他有機(jī)會(huì)參與其中，負(fù)責(zé)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(xiàn)，目前不同國(guó)家劃分的應(yīng)用于5G通信的頻段各不相同。比如，中國(guó)用的是24．75GHz～27．5GHz和37GHz～42．5GHz頻段，美國(guó)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(jī)的芯片不支持這么多不同頻段，出國(guó)后就無(wú)法正常通信了。
相對(duì)于當(dāng)前使用的4G技術(shù)，5G技術(shù)在吞吐率、時(shí)延、連接數(shù)量、能耗等方面有一個(gè)質(zhì)的飛躍，就像美國(guó)運(yùn)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(duì)5G給予厚望。
“但如果芯片不給力，5G的應(yīng)用就很難‘暢享全球’。”張凈植擔(dān)憂道。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(dǎo)師的支持與指導(dǎo)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(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(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)三個(gè)月的努力，于2016年12月完成芯片設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了第一次流片（即像流水線一樣通過(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(cè)試，結(jié)果令他非常激動(dòng)：與當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外最新的研究成果相比，他們的研究在性能上已經(jīng)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％之間，而他們的芯片帶寬可以達(dá)到60％以上。
此時(shí)，在康凱的指導(dǎo)下，張凈植開(kāi)始再次對(duì)芯片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和第二次流片。
“做芯片一般要依次完成原理圖、版圖、模塊級(jí)聯(lián)，最后才是總版并進(jìn)行評(píng)估?！睆垉糁舱f(shuō)，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。“不過(guò)，考慮到芯片設(shè)計(jì)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(dāng)年5月才完成第二版設(shè)計(jì)?！?/p>
當(dāng)時(shí)，張凈植在準(zhǔn)備第二次流片時(shí)并沒(méi)有項(xiàng)目支撐，經(jīng)過(guò)許多周折向國(guó)內(nèi)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(tuán)隊(duì)成員花了一周時(shí)間測(cè)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(guó)際會(huì)議上大放異彩
今年2月，ISSCC正式召開(kāi)。這是目前國(guó)際公認(rèn)的集成電路領(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(lái)，共發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文7500余篇。中國(guó)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(guó)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，同時(shí)，他本人也獲得該會(huì)議頒發(fā)的“絲綢之路獎(jiǎng)”（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)學(xué)生的。從此，張凈植成為中國(guó)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。
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(dāng)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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”的難題而專門(mén)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，同時(shí)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)”難題，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。
“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)?！睆垉糁舱f(shuō)，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，“我們的芯片設(shè)計(jì)從一開(kāi)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(lái)和各種應(yīng)用逐漸推廣，我們的芯片也將迎來(lái)更好的發(fā)展機(jī)遇”。