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牛!中国大学生研发“通用芯片”,论文在顶尖ISSCC发表

2018-04-17 14:49 来源:互联网 编辑:Janet

信息通信一直和百姓生活息息相关。从3G技术升级到4G技术,多数人最直观的感受大概是手机网速变快了,而对于即将到来的“5G时代”,学术界对它的探索从未停息过。

在“5G时代”的相关课题中,一直有一个难题亟待解决:不同国家划分的5G通信频段各不相同,这会导致出国旅游时5G手机发生“失灵”等问题。如何解决5G芯片“水土不服”?这是电子科学与工程学院(示范性微电子学院)博士生、中共党员张净植一直关注的话题。

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近日,张净植的相关论文在业界顶尖的“国际固态电路会议(ISSCC)”上被发表,张净植为论文第一作者,其导师康凯教授为论文通讯作者,电子科技大学为唯一作者单位。据了解,该论文是中国大陆地区发表在该会议上的首篇有关毫米波集成电路设计的论文,张净植提出的“基于强耦合变压器的电流提升技术”,可以“用一款芯片将全球多个频段全部覆盖,让‘全球通’变成可能。”。

与此同时,他还获得“Silkroad Award”奖项(业界直译为丝绸之路奖),该奖项是颁发给以第一作者身份第一次在这个会议上发表论文的亚太地区的学生。张净植成为中国大陆地区历史上第4位获此殊荣的学生,同时也是大会历史上第20位获此奖项的学生。

“通用芯片”解决“5G时代”新问题

两块看似普通的芯片,大的芯片只有910微米×920微米(1微米=10-6米),小的芯片有700微米×670微米,面积都小于1平方毫米,大小相当于一根针的横截面。

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左边是差分输出芯片,是核心电路的验证模块;右边是正交输出芯片,是完整的、可以用于5G系统的芯片。

但正是这种小芯片极大地提升了注入锁定倍频器的工作带宽,行话叫“基于CMOS工艺的超宽带注入锁定倍频器”。说的通俗易懂些,这是为了解决5G芯片在不同电磁频段“水土不服”的难题而专门做的设计。这种芯片被张净植称为“通用芯片”,这是他和团队花了三年时间研发出来的。

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大会主席、MIT教授Anantha Chandrakasan(右)和多伦多大学教授Kenneth C. Smith为张净植颁发“Silkroad Award”奖牌

事情要从2015年说起,当时电子科技大学教授康凯正承担国家5G技术方面的专项研究,张净植在其中负责关于频率源的部分研究任务。

他发现,目前不同的国家划分的应用于5G通信的频段各不相同。比如中国用的是24.75-27.5GHz和37-42.5GHz频段,美国用的是27.5-28.35GHz、37-38.6GHz和38.6-40GHz频段,欧洲用的是24.25-27.5GHz频段。而在这种情况下,如果手机芯片不支持这么多不同频段,出国旅游时手机就无法正常通信了。

“如果研发一款宽频带芯片,能覆盖以上各个不同的频段,不就解决了5G的通信问题,能畅享全球了。”经过3年研究,张净植和团队的研究成果登上国际固态电路会议(ISSCC),并获得大奖。其论文是中国大陆地区发表在该会议上的首篇有关毫米波集成电路设计的论文,也是电子科技大学首次以第一作者单位在该会议正文单元上发表的论文。

据悉, 国际固态电路会议(ISSCC)始于1954年,每年一届,是由IEEE固态电路协会(SSCS)主办的最著名的半导体集成电路国际学术会议。该会议也是世界上规模最大、水平最高的固态电路国际会议,被称为“集成电路行业的奥林匹克大会”。各个时期的国际上最尖端的固态电路技术通常首先在该会议上发表,其中半导体历史上成事的一半芯片都会在这个会议上首发。比如8086(第一代Intel处理器)、存储器等。

历时三年过程一波三折,科研中不断自我否定

从2015年萌生想法到2016年9月真正开始设计,张净植尝试了多种思路。他首先想到,输入电流和工作带宽是正相关的,如果要提高电路的带宽就得想办法增强输入电流。而要增强输入电流,一种方法是增大输入信号,但一般而言,外部给的输入信号大小是固定的,所以此路不通。还有一种方法,就是提高输入极的增益,但业界已经把输入极优化得很好,想进一步提升基本不太可能。

在不断提出问题又不断自我否定之后,张净植提出了一个突破性的想法:能不能用无源电路把电流提升,然后插入一个变压器,这样就可以使电流提高N倍同时能把带宽也提高N倍呢?又经过三个月的努力,他和团队在2016年12月份完成芯片设计并进行了第一次流片。

2017年3月,终于拿到芯片。测试的结果令他非常激动:和2017年国际国内最新的研究成果相比,他们的研究已经在性能上远远胜出。此前,业界做出的芯片工作带宽大概在10-30%,而他们的芯片带宽可以达到60%以上。于是,他和康凯教授商量,很有必要再次优化设计并做第二次流片。

芯片优化设计的时间十分紧凑:做芯片一般要依次完成原理图、版图、模块级联,最后才是完成总版并进行评估,但到了2017年4月,他们才刚做到模块级联环节,进度比预期慢很多。考虑到芯片设计不容有失,否则流片就会功亏一篑,他们决定不能急于求成,最终到5月才完成第二版设计。

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由于芯片造价成本高昂,而且准备第二次流片时没有项目支撑,他们只能向国外单位寻求支持。但由于团队成员没有申报海关的经验,在过关时遇到了困难,“填写报关单的是个新手,很多内容没写清楚,加上我们和海关沟通的效率很低,导致芯片被海关扣押了三周。”张净植有些后怕地说,当时国际固态电路会议马上就要开了,如果不是团队成员加班加点赶工进行性能测定,“我们差点就没机会参加了。”

据悉,该团队研究的“通用芯片”,在仅消耗两倍功耗的情况下,将工作带宽提升了5.2倍。它还解决了毫米波频段中“低相位噪声信号源的大带宽设计”挑战,为毫米波领域超宽带低相位噪声信号源设计提供了一个可行方案,对5G通信的高频段多频带应用有着实际意义。

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右边两栏为该论文达到的工作指标,其中,带宽为22.8-43.2GHz,积分相位噪声为-40.0dBc,功耗为5.0mW。与业内同类工作对比,该成果的带宽达到了其他工作的5.2倍,同时没有带来相位噪声的恶化。

小学时爱拆家电,上大学喜欢科研

尽管经历了保研和直博,但张净植并不认为自己是学霸,“我喜欢逃课,只要不挂科,很多课能不上我就尽量不去上。”他坦言,大部分时间自己都泡在实验室里搞科研。

对于专业课,张净植总是提前自学,用他的话说:“我更愿意把学到的知识通过实验手动吸收消化。”这就意味着,他总是比别的同学快一步,大家在教室学习专业知识,他已经提前学完并开始实践。动手能力强的张净植曾连续2年获得全国大学生电子设计竞赛一等奖。

“我小时候就喜欢拆家里的电器,从电话到玩具再到家用电器我都拆过。”张净植笑着说,小学时调皮,还拆了外公最爱的留声机,但碍于专业知识不够,一直无法重新组装起来,“没搞懂它的结构,上了大一才把那留声机修好。”

关于未来,张净植认为,虽然我国在集成电路方面与国外还有一定的差距,但“弯道超车并非没有可能”。接下来的时间,他将和团队一起继续优化“通用芯片”,还将在此领域做更多创新研究。

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