电子科大博士生：一“芯”让5G通信畅享全球

张敬之正在做实验。电子科技大学

本报记者王志康通讯员高有报道

目前，5G(第五代手机移动通信标准，也称为第五代移动通信技术)的商业化正在逐步加速。正如工业和信息化部信息与通信发展司司长闻库几天前在数字中国建设峰会上所说的那样，中国有望在明年下半年推出第一款5G手机。到2020年，5G网络将投入商业使用。到那时，越来越多的人将使用5G手机。

然而，由于5G通信频段在不同的国家是不同的，适应该频段的芯片不一定适应该频段，因此可能会出现一个尴尬的场景:5G手机出国后“失败”。

日前，电子科技大学电子与工程学院(示范性微电子学院)博士生张敬之在2018年ISSCC国际固态电路会议上发表论文，提出“基于强耦合变压器的电流提升技术”，初步实现了一个芯片覆盖多个频段，使5G通信“全球互联”成为可能。

一项偶然的研究发现

说到解决5G芯片的“适应”问题，其实是张敬之的一个偶然发现。

2015年，张敬之的导师康凯正在承担一项重大的国家5G技术项目。他有机会参与其中，并负责一些频率源的研究任务。正是这项研究让他专注于5G芯片。

张敬之发现，目前不同国家应用于5G通信的频段是不同的。例如，中国使用24.75千兆赫至27.5千兆赫和37千兆赫至42.5千兆赫的频段，美国使用27.5千兆赫至28.35千兆赫、37千兆赫至38.6千兆赫和38.6千兆赫至40千兆赫的频段，欧洲使用24.25千兆赫至27.5千兆赫的频段，日本和韩国使用26.5千兆赫至29.5千兆赫的频段。换句话说，如果5G手机的芯片不支持这么多不同的频段，出国后就不可能正常通信了。

与目前使用的4G技术相比，5G技术在吞吐量、延迟、连接数、能耗等方面有了质的飞跃。正如美国运营商斯普林特公司的新任总裁兼首席执行官迈克尔·康姆斯(Michael Combes)在今年的摩根大通全球技术、媒体和通信大会上所言，如今4G网络的平均速度仅为30MB/秒，而5G将提供15倍的网络速度。因此，学术界和工业界都对5G寄予厚望。

“但如果芯片不强大，5G应用将很难‘享受整个世界’。”张敬之忧心忡忡。关键在于能否开发出一种宽带“通用芯片”，覆盖上述所有不同的频段。

有了这个想法，在导师的支持和指导下，张敬之开始了他对5G芯片的探索和尝试，但过程并不顺利。

流程图过程中的一波三折

起初，张敬之认为输入电流与工作带宽正相关。如果要增加电路的带宽，增加输入电流的一种方法是增加输入信号。然而，一般来说，来自外部的输入信号大小是固定的，因此该路径被阻塞。另一种方法是增加输入极点的增益，但业界已经很好地优化了输入极点，几乎不可能进一步改善它。

在所有的尝试都失败后，张敬之突然想出了一个突破性的想法:用无源电路来提高电流，然后插入一个变压器。这会使电流增加n倍，带宽增加n倍吗？

因此，根据这一想法，经过三个月的努力，张敬之和他的团队于2016年12月完成了芯片设计，并完成了第一个芯片流(即通过一系列类似生产线的工艺步骤制造芯片)。

2017年3月，张敬之一拿到芯片就进行了测试，结果让他非常兴奋:与当时国内外的最新研究成果相比，他们的研究在性能上已经远远超过了对手。以前，业界生产的芯片带宽约为10%~30%，而其带宽可达60%以上。

这时，在康凯的指导下，张敬之又开始优化芯片的设计和第二流程。

要制作一个芯片，通常需要依次完成原理图、布局、模块级联，最后是通用版本和评估张敬之说，但截至2017年4月，他们刚刚完成模块级联链接，进度比预期慢得多。“但是，考虑到芯片设计不能失败，否则流媒体将会失败，所以我们没有急于求成，最终在当年5月完成了第二版设计。”

当时，张敬之在准备第二部流媒体电影时没有项目支持。经过许多困难之后，他才寻求国内外其他单位的支持。在2017年8月底收到第二版芯片后，张敬之和他的团队成员花了一周时间测试芯片的性能，然后很快写好论文并投票给ISSCC。最后，他们没有错过。

在国际会议上表现出色

今年2月，ISSCC正式举行。这是目前国际公认的集成电路领域的权威会议，绰号“芯片奥林匹克”。自1954年成立以来，已发表相关学术论文7500多篇。*的作者在2005年发表了他们的第一篇论文。到目前为止，会议上发表了24篇相关文章。

在这次会议上，张敬之的研究是辉煌的。他的论文是在*会议上发表的第一篇关于毫米波集成电路设计的论文。与此同时，他还获得了会议颁发的“丝绸之路奖”，该奖授予亚太地区首次作为第一作者在会议上提交论文的学生。此后，张敬之成为*历史上第四位获得该奖项的学生，也是第20位获得该奖项的学生。

纵观张敬之的研究成果，有两个小“通用芯片”:大芯片只有910微米×920微米(1微米=10-6米)，小芯片为700微米×670微米，面积小于1平方毫米，相当于一根绣花针的横截面。

然而，这种小芯片具有“包容性”的“宽广胸怀”，大大提高了注入锁定倍频器的工作带宽，即“基于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，它是专门为解决5G芯片在不同电磁频段的“适应”问题而设计的。

与业界最先进的技术相比，该技术将工作带宽提高了5.2倍，而功耗却只有两倍。同时，也解决了毫米波频段的“低相位噪声信号源的大带宽设计”问题，为毫米波领域超宽带低相位噪声信号源的设计提供了一种可行的方案，对5G通信的高频多频段应用具有现实意义。

“做这项工作很累人。熬夜做足够的心理准备是很常见的。只有他们愿意忍受艰苦和奋斗，他们才能为这个行业做出更多的贡献。”张敬之表示，该团队目前正在进一步优化设计，并准备做第三版的设计和流媒体工作。“我们的芯片设计从一开始就面向应用，并与行业紧密结合。随着5G通信时代的到来和各种应用的逐步推广，我们的芯片也将迎来更好的发展机遇。”

《中国科学新闻》(2018-05-22，第8版)