张博士做出5G芯片

China Campus - - CONTENTS - 文/高千雯 游晓鹏 (电子科技大学) 责任编辑:钟鑫

5G正在向我们走来。然而,不同国家划分的5G通信频段各不相同,适应这个频段的芯片并不一定能够适应那个频段,于是就可能出现尴尬的一幕:出国旅游,5G手机竟然“失灵”了。

张净植研发了一款芯片实现了多个频段全部覆盖,将能实现5G全球通。

张净植研发的这款芯片,源于三年前。2015年,他的导师康凯教授承担国家5G技术方面的重大专项,张净植负责频率源部分。

在4G时代,各个国家所用的频段都在3GHz以下,不少手机生产商采用了多个芯片来覆盖所有频段,并且在频率较低的情况下,器件性能好,即使用一个芯片来覆盖所有频段,设计也相对比较简单。而到了5G时代,不同国家划分的应用于5G通信的频段大大提高,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,日韩则采用26.5-29.5GHz。一个手机要支持这么多不同的高频段,难度太大,但如果不支持,可能会导致手机出国后无法正常通信。

究竟能否研发一款宽频带“通用芯片”全部覆盖以上各个不同的高频段呢?

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,他们决定不急于求成,最终到5月才完成第二版设计。

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,他们经过许多周折,向国内外其他单位寻求支持。第二次流片终于结束,但在过海关时却卡了很久,直到8月底才拿到第二版芯片。他们快速行动,花了一周时间测试芯片的性能,然后快速写论文投给了国际固态电路会议。10月,国际固态电路会议给出了评审意见。团队成员终于松了一口气:总算没有失之交臂!

2018年2月,国际固态电路会议召开。该会议是目前国际公认集成电路领域的权威会议,有着“Chip Olympics(芯片奥林匹克)”的雅称。张净植获得了大会为亚太地区的优秀学生论文设立的“Silkroad Award(丝绸之路奖)”奖项。

他说:“我们的芯片设计从一开始就是面向应用并且和工业界紧密结合的,随着5G通信时代的到来和各种应用逐渐推广,我们的芯片也可能会进入产品化阶段,应用到手机和基站,让5G也可以实现‘全球通’”。

1.左图:差分输出芯片,是核心电路的验证模块;右图:正交输出芯片,是完整的、可以用于5G系统的芯片 1 2

2. I S S C C大会主席、M I T教授A n a n t h a Chandrakasan(右)和多伦多大学教授Kenneth C. Smith为张净植颁发“Silkroad Award”奖牌

电子科技大学电子科学与工程学院(示范性微电子学院)博士 张净植

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