电子科大博士生：一“芯”让5G通信畅享全球

张净植正在做实验。电子科技大学供图

■本报记者 王之康 通讯员 高千雯 游晓鹏

当下，5G（即第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术）商用化的步伐正在逐步加快。就像工信部信息通信发展司司长闻库日前在数字中国建设峰会上所说，我国有望在明年下半年推出第一款5G手机。而到2020年，5G网络将正式投入商用，届时，将有越来越多的人用上5G手机。

然而，由于不同国家划分的5G通信频段各不相同，适应这个频段的芯片并不一定适应那个频段，于是就可能出现尴尬的一幕：出国后，5G手机“失灵”了。

日前，电子科技大学电子科学与工程学院（示范性微电子学院）博士生张净植在2018年国际固态电路会议（ISSCC）上发表论文，提出了一种“基于强耦合变压器的电流提升技术”，初步实现了用一款芯片覆盖多个频段，让5G通信“全球通”变成了可能。

一个偶然的研究发现

说到解决5G芯片“水土不服”的问题，其实是源于张净植的一个偶然发现。

2015年，张净植的导师康凯正承担国家5G技术方面的一个重大专项，他有机会参与其中，负责频率源方面的部分研究任务。而正是这次研究，让他将目光锁定在了5G芯片上。

张净植发现，目前不同国家划分的应用于5G通信的频段各不相同。比如，中国用的是24.75GHz~27.5GHz和37GHz~42.5GHz频段，美国用的是27.5GHz~28.35GHz、37GHz~38.6GHz和38.6GHz~40GHz频段，欧洲用的是24.25GHz~27.5GHz频段，日韩则采用26.5GHz~29.5GHz。也就是说，如果5G手机的芯片不支持这么多不同频段，出国后就无法正常通信了。

相对于当前使用的4G技术，5G技术在吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面有一个质的飞跃，就像美国运营商Sprint新任总裁和即将上任的CEO迈克尔·康贝斯在今年的摩根大通全球技术、媒体和通信会议上所说的，如今的4G网速平均只有30MB/秒，而5G提供的网速将是它的15倍。因此，学界和业界都对5G给予厚望。

“但如果芯片不给力，5G的应用就很难‘畅享全球’。”张净植担忧道。关键在于，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频段呢？

有了这一想法，在得到导师的支持与指导后，张净植就开始了在5G芯片方面的探索与尝试，但过程却并非一帆风顺。

流片过程的一波三折

起初，张净植想到，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，想进一步提升基本也不太可能。

在尝试了多种思路均告失败之后，张净植突然萌生了一种突破性的想法：用无源电路提升电流，然后插入一个变压器，这样是否就可以在使电流提高N倍的同时也把带宽提高N倍呢？

于是，按照这个想法，张净植和他的团队经过三个月的努力，于2016年12月完成芯片设计，并进行了第一次流片（即像流水线一样通过一系列工艺步骤制造芯片）。

2017年3月，张净植拿到芯片后立刻进行测试，结果令他非常激动：与当时国内外最新的研究成果相比，他们的研究在性能上已经远远胜出。此前，业界做出的芯片工作带宽大概在10%~30%之间，而他们的芯片带宽可以达到60%以上。

此时，在康凯的指导下，张净植开始再次对芯片进行优化设计和第二次流片。

“做芯片一般要依次完成原理图、版图、模块级联，最后才是总版并进行评估。”张净植说，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。“不过，考虑到芯片设计不容有失，否则流片就会功亏一篑，所以我们也没有急于求成，最终于当年5月才完成第二版设计。”

当时，张净植在准备第二次流片时并没有项目支撑，经过许多周折向国内外其他单位寻求支持后，才得以进行。2017年8月底拿到第二版芯片后，张净植和团队成员花了一周时间测试芯片的性能，然后快速写论文投给了ISSCC，才终于没有与其失之交臂。

国际会议上大放异彩

今年2月，ISSCC正式召开。这是目前国际公认的集成电路领域的权威会议，有着“Chip Olympics”（芯片奥林匹克）的雅称，自1954年成立以来，共发表相关学术论文7500余篇。中国大陆地区作者于2005年发表首篇论文，截至目前，在该会议上发表的相关文章共有24篇。

在这次会议上，张净植的研究可谓大放异彩。他的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，同时，他本人也获得该会议颁发的“丝绸之路奖”（Silkroad Award），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学生的。从此，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。

且看张净植的研究成果，就是两方小小的“通用芯片”：大的芯片只有910微米×920微米（1微米=10-6米），小的芯片为700微米×670微米，面积都小于1平方毫米，大小相当于一根绣花针的横截面。

但这种小芯片却具有“兼容并蓄”的“宽广胸襟”，极大地提升了注入锁定倍频器的工作带宽，即“基于CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺的超宽带注入锁定倍频器”，简而言之，就是为了解决5G芯片在不同电磁频段“水土不服”的难题而专门设计的。

在与业界最先进技术的比较中，该技术在仅消耗两倍功耗的情况下，将工作带宽提升了5.2倍，同时还解决了毫米波频段中“低相位噪声信号源的大带宽设计”难题，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。

“做这一行非常累，要做好足够的心理准备，熬夜也是常有的。只有肯吃苦、肯拼搏，才能为这个行业做出更多贡献。”张净植说，目前团队正在进一步优化设计，准备做第三版设计和流片工作，“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，我们的芯片也将迎来更好的发展机遇”。