張凈植正在做實驗

　　當下，5G（即第五代移動電話行動通信標準，也稱第五代移動通信技術）商用化的步伐正在逐步加快。就像工信部信息通信發展司司長聞庫日前在數字中國建設峰會上所說，我國有望在明年下半年推出第一款5G手機。而到2020年，5G網絡將正式投入商用，屆時，將有越來越多的人用上5G手機。

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

　　日前，電子科技大學電子科學與工程學院（示范性微電子學院）博士生張凈植在2018年國際固態電路會議（ISSCC）上發表論文，提出了一種“基于強耦合變壓器的電流提升技術”，初步實現了用一款芯片覆蓋多個頻段，讓5G通信“全球通”變成了可能。

　　一個偶然的研究發現

　　說到解決5G芯片“水土不服”的問題，其實是源于張凈植的一個偶然發現。

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

　　張凈植發現，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，如果5G手機的芯片不支持這么多不同頻段，出國后就無法正常通信了。

　　相對于當前使用的4G技術，5G技術在吞吐率、時延、連接數量、能耗等方面有一個質的飛躍，就像美國運營商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、媒體和通信會議上所說的，如今的4G網速平均只有30MB／秒，而5G提供的網速將是它的15倍。因此，學界和業界都對5G給予厚望。

　　“但如果芯片不給力，5G的應用就很難‘暢享全球’。”張凈植擔憂道。關鍵在于，究竟能否研發一款寬頻帶“通用芯片”全部覆蓋以上各個不同頻段呢？

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

　　流片過程的一波三折

　　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，但業界已經把輸入極優化得很好，想進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：用無源電路提升電流，然后插入一個變壓器，這樣是否就可以在使電流提高N倍的同時也把帶寬提高N倍呢？

　　于是，按照這個想法，張凈植和他的團隊經過三個月的努力，于2016年12月完成芯片設計，并進行了第一次流片（即像流水線一樣通過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行測試，結果令他非常激動：與當時國內外最新的研究成果相比，他們的研究在性能上已經遠遠勝出。此前，業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，在康凱的指導下，張凈植開始再次對芯片進行優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，最后才是總版并進行評估。”張凈植說，但到了2017年4月，他們才剛做到模塊級聯環節，進度比預期慢很多。“不過，考慮到芯片設計不容有失，否則流片就會功虧一簣，所以我們也沒有急于求成，最終于當年5月才完成第二版設計。”

　　當時，張凈植在準備第二次流片時并沒有項目支撐，經過許多周折向國內外其他單位尋求支持后，才得以進行。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間測試芯片的性能，然后快速寫論文投給了ISSCC，才終于沒有與其失之交臂。

　　國際會議上大放異彩

　　今年2月，ISSCC正式召開。這是目前國際公認的集成電路領域的權威會議，有著“Chip Olympics”（芯片奧林匹克）的雅稱，自1954年成立以來，共發表相關學術論文7500余篇。中國大陸地區作者于2005年發表首篇論文，截至目前，在該會議上發表的相關文章共有24篇。

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

　　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”的難題而專門設計的。

　　在與業界最先進技術的比較中，該技術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，為毫米波領域超寬帶低相位噪聲信號源設計提供了一個可行方案，對5G通信的高頻段多頻帶應用有著實際意義。

　　“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，才能為這個行業做出更多貢獻。”張凈植說，目前團隊正在進一步優化設計，準備做第三版設計和流片工作，“我們的芯片設計從一開始就是面向應用并且和工業界緊密結合的，隨著5G通信時代的到來和各種應用逐漸推廣，我們的芯片也將迎來更好的發展機遇”。