當(dāng)下，5G商用化的步伐正在逐步加快，移動通信正在迎來一個新的時代。然而，不同國家劃分的5G通信頻段各不相同，適應(yīng)這個頻段的芯片并不一定能夠適應(yīng)那個頻段，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)”，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一款芯片實(shí)現(xiàn)了多個頻段全部覆蓋，讓5G“全球通”變成了可能。

△ISSCC大會主席、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”獎牌

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)表在該會議上的首篇有關(guān)毫米波集成電路設(shè)計的論文，為我校首次以第一作者單位在該會議正文單元上發(fā)表的論文。

張凈植同時獲得該會議頒發(fā)的“Silkroad Award”，該獎項是頒發(fā)給以第一作者身份第一次在這個會議上發(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，同時也是大會歷史上第20位獲此獎項的學(xué)生。

“通用芯片”：解決“5G時代”的新問題

張凈植研發(fā)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，張凈植有機(jī)會參與其中，負(fù)責(zé)其中關(guān)于頻率源的部分研究任務(wù)。

在4G時代，各個國家所用的頻段都在3GHz以下，不少手機(jī)生產(chǎn)商采用了多個芯片來覆蓋所有頻段，并且在頻率較低的情況下，器件性能好，即使用一個芯片來覆蓋所有頻段，設(shè)計也相對比較簡單。而到了5G時代，不同的國家劃分的應(yīng)用于5G通信的頻段大大提高，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。而同一個手機(jī)要支持這么多不同的高頻段，則相對困難，這可能就會導(dǎo)致我們出國旅游時手機(jī)無法正常通信。

那么問題來了，究竟能否研發(fā)一款寬頻帶“通用芯片”全部覆蓋以上各個不同的高頻段呢？

答案是肯定的。張凈植在國際固態(tài)電路會議展示的研究成果，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“低相位噪聲信號源的大帶寬設(shè)計”挑戰(zhàn)，為毫米波領(lǐng)域超寬帶低相位噪聲信號源設(shè)計提供了一個可行方案，對5G通信的高頻段多頻帶應(yīng)用有著實(shí)際意義。

歷時三年：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，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，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，然后插入一個變壓器，這樣就可以使電流提高N倍同時能把帶寬也提高N倍呢？又經(jīng)過三個月的努力，他和團(tuán)隊在2016年12月份完成芯片設(shè)計并進(jìn)行了第一次流片。

2017年3月，終于拿到芯片。測試的結(jié)果令他非常激動：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)計并做第二次流片。

芯片優(yōu)化設(shè)計的時間十分緊湊：做芯片一般要依次完成原理圖、版圖、模塊級聯(lián)，最后才是完成總版并進(jìn)行評估，但到了2017年4月，他們才剛做到模塊級聯(lián)環(huán)節(jié)，進(jìn)度比預(yù)期慢很多。考慮到芯片設(shè)計不容有失，否則流片就會功虧一簣，他們決定不能急于求成，最終到5月才完成第二版設(shè)計。

由于芯片造價成本高昂，而且準(zhǔn)備第二次流片時沒有項目支撐，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)時卻卡了很久，直到8月底才拿到第二版芯片。他們快速行動，花了一周時間測試芯片的性能，然后快速寫論文投給了國際固態(tài)電路會議。10月，國際固態(tài)電路會議給出了評審意見。團(tuán)隊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)同類工作對比，該成果的帶寬達(dá)到了其他工作的5.2倍，同時沒有帶來相位噪聲的惡化。

肯吃苦、多拼搏，為行業(yè)做更多貢獻(xiàn)

2018年2月，國際固態(tài)電路會議召開。該會議是目前國際公認(rèn)集成電路領(lǐng)域的權(quán)威會議，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，截至目前在該會議上發(fā)表的相關(guān)文章有24篇。

此前，我校碩士生郭開喆、余益明同學(xué)（原電子工程學(xué)院）和本科生周雄同學(xué)（原通信與信息工程學(xué)院）的論文曾入選該會議“學(xué)生科研前瞻”單元匯報展示。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共同獲得大會為亞太地區(qū)的優(yōu)秀學(xué)生論文設(shè)立的“Silkroad Award”獎項。

對于這次研究成果，張凈植十分感激康凱教授及團(tuán)隊的大力支持。他說，集成電路不同于其他學(xué)科，每一次設(shè)計完成以后拿出去加工，就沒有改正的機(jī)會了。每一次流片的成本都非常大，設(shè)計過程中的任何一點(diǎn)小失誤，都可能導(dǎo)致全盤皆輸。正是康凱教授和團(tuán)隊在芯片設(shè)計方面的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，以及對流片工作的大力支持，才使他有機(jī)會參與到這項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，才能為這個行業(yè)做出更多貢獻(xiàn)！”目前，團(tuán)隊正在進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，準(zhǔn)備做第三版設(shè)計和流片工作。他說，“我們的芯片設(shè)計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通信時代的到來和各種應(yīng)用逐漸推廣，我們的芯片也可能會進(jìn)入產(chǎn)品化階段，應(yīng)用到手機(jī)和基站，讓5G也可以實(shí)現(xiàn)‘全球通’”。