復(fù)旦大學(xué)兩成果亮相“集成電路設(shè)計(jì)奧林匹克”ISSCC 2018

　　美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月11日，2018國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC 2018)在舊金山舉行，202篇來(lái)自學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的前沿成果論文在這一集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議中向全世界發(fā)布。由復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院無(wú)線集成電路與系統(tǒng)(WiCAS)課題組和腦芯片研究中心模擬與射頻集成電路設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的兩項(xiàng)成果雙雙亮相，分別以論文《面向窄帶物聯(lián)網(wǎng)NBIOT應(yīng)用的緊湊型雙頻段數(shù)字式功率放大器》(“A Compact Dual-Band Digital Doherty Power Amplifier Using Parallel-Combing Transformer for Cellular NB-IoT Applications”)，和《一種75.4%有效功率轉(zhuǎn)化率、0.1%ASK調(diào)制深度和9.2mW輸出功率的13.56MHz無(wú)線功率和數(shù)據(jù)傳輸接收機(jī)》(“A 13.56MHz Wireless Power and Data Transfer Receiver Achieving 75.4% Effective-Power-Conversion Efficiency with 0.1% ASK Modulation Depth and 9.2mW Output Power”)在大會(huì)上發(fā)表，與另3篇中國(guó)大陸入選論文一同為本屆“集成電路設(shè)計(jì)奧林匹克”注入中國(guó)智慧。這也是復(fù)旦大學(xué)自2014年后，時(shí)隔4年再一次于該會(huì)議上發(fā)表研究成果。

　　“鹽堿地”上的“開(kāi)荒者”：瓦級(jí)雙頻帶CMOS數(shù)字Doherty功率放大器芯片助力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

　　按照行業(yè)傳統(tǒng)，多數(shù)半導(dǎo)體芯片制作采用目前較為成熟的CMOS工藝，這一工藝有著制作成本低、芯片運(yùn)行功耗低、電路集成度高不可復(fù)制的優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于功率放大器芯片來(lái)說(shuō)，想要在保證CMOS工藝優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其高頻信號(hào)卻是一個(gè)大挑戰(zhàn)，難度不亞于在鹽堿地上種果樹(shù)。而由復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授徐鴻濤領(lǐng)銜的無(wú)線集成電路與系統(tǒng)(WiCAS)課題組正是這片“鹽堿地”上的“開(kāi)荒者”，不僅要“種活”還要“豐收”。

　　芯片圖

　　日前，該課題組在高性能互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)數(shù)字功率放大器設(shè)計(jì)方面取得研究突破，提出了新型數(shù)字式射頻功率合成技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出瓦級(jí)雙頻帶CMOS數(shù)字多赫蒂(Doherty)功率放大器芯片。相關(guān)論文發(fā)表于ISSCC 2018。該課題由徐鴻濤、殷韻、熊亮、朱逸婷、陳博文、閔昊等多名師生參與，論文第一作者為復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院青年教師殷韻。

　　為了提升功率放大器芯片的效率和性能，課題組提出了一種新型數(shù)字式射頻功率合成技術(shù)，為芯片搭建從未有人提出和使用過(guò)的新架構(gòu)，在采用CMOS工藝、達(dá)到瓦級(jí)功率、雙頻帶和單模塊四大特點(diǎn)的幫持下，為高效低耗的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了保障。一方面，課題組果斷采用通過(guò)數(shù)字來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的方法，克服了CMOS工藝做射頻電路較難的障礙。另一方面，課題組通過(guò)解決Doherty技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程存在的主從控制、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了瓦級(jí)功率。這在功率放大器芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是數(shù)字架構(gòu)中并不多見(jiàn)。

　　芯片測(cè)試板，紅框中為封裝后的芯片

　　此外，在一般的無(wú)線通信中有兩個(gè)頻帶存在。以往會(huì)有兩個(gè)發(fā)射機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻帶的發(fā)射，而該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)頻帶由一個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射，節(jié)省成本的同時(shí)使芯片縮小了一半。同時(shí)，這枚只有一個(gè)模塊的數(shù)字化芯片，可以輕松實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)芯片中多模塊才能實(shí)現(xiàn)的功能。

　　與國(guó)內(nèi)外最新的研究成果相比，該芯片以最小的面積實(shí)現(xiàn)了近瓦級(jí)的輸出功率、雙頻帶覆蓋以及業(yè)界最高的平均發(fā)射效率。不僅在“鹽堿地”上成功種活了“果樹(shù)”，還實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)翻倍的成就，收獲的“水果”質(zhì)量也遠(yuǎn)高于其他同類(lèi)產(chǎn)品，為射頻芯片全集成提供了有效的解決方案。這意味著芯片自身制造成本的下降。而極低的成本正是“物聯(lián)網(wǎng)”這一“百億級(jí)甚至是萬(wàn)億級(jí)藍(lán)?！逼占暗那疤?。

　　如果將物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)比作一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)，那么各單獨(dú)物體上的電子記錄設(shè)備就是一個(gè)個(gè)堡壘。功率發(fā)射器是各堡壘間協(xié)同作戰(zhàn)的通訊工具，這枚發(fā)射器中的芯片就是保證通訊質(zhì)量高、時(shí)間長(zhǎng)、信號(hào)穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。如果沒(méi)有這枚小芯片，各個(gè)“物體堡壘”就會(huì)變成一盤(pán)散沙?！翱赡芫褪嵌畨K錢(qián)能做一個(gè)方案，要想達(dá)到百億級(jí)別的量的規(guī)模，就需要低成本的芯片?！毙禅櫇榻B。

　　對(duì)聯(lián)網(wǎng)落地而言，低成本本就同時(shí)意味著對(duì)運(yùn)行功耗的要求?，F(xiàn)實(shí)的市場(chǎng)需求一臺(tái)設(shè)備安裝在某處后可以持續(xù)工作幾年時(shí)間，從而減少人力和維護(hù)成本。而課題組的成果恰恰能夠滿足這一需要，使過(guò)去的“幾周”，延伸至理想中的“幾年”。

　　除了物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)還將向同樣要求成本低、效率高的寬帶和移動(dòng)通訊方面挺進(jìn)，通過(guò)與科技企業(yè)合作、重大專(zhuān)項(xiàng)的應(yīng)用，進(jìn)一步提升通訊速率。

　　“魚(yú)和熊掌”可兼得：無(wú)線能量和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸新型技術(shù)為生物醫(yī)療電子解難題

　　盡管結(jié)合無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的無(wú)線能量傳輸技術(shù)因其廣闊的應(yīng)用前景越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，無(wú)線能量傳輸與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸本身，卻像是一對(duì)難以兼得的“魚(yú)和熊掌”。

　　系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)闡釋

　　一方面，由于在關(guān)鍵物理量的獲取方法、能量等級(jí)和常用頻段等方面存在顯著差異，如何采用同一天線來(lái)同時(shí)完成數(shù)據(jù)和能量的獲取，本就是設(shè)計(jì)這一協(xié)同傳輸系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn);另一方面，在實(shí)現(xiàn)了同一天線的數(shù)據(jù)和能量傳輸后，如何避免數(shù)據(jù)傳輸和能量傳輸通路間的相互影響，降低無(wú)線能量傳輸效率因數(shù)據(jù)傳輸而受到的損失，更是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

　　系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

　　這種局面將得到改變。由復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院幾位青年教師為主導(dǎo)的腦芯片研究中心模擬與射頻集成電路設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)日前在無(wú)線能量和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)方面取得了突破性進(jìn)展，提出了一種無(wú)線能量和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸?shù)男滦图夹g(shù)，并在高能效無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中取得了關(guān)鍵突破。相關(guān)論文發(fā)表于ISSCC 2018。復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院青年教師王彧為論文第一作者，葉大蔚為通訊作者，二人均為復(fù)旦大學(xué)腦芯片研究中心引進(jìn)的青年研究人才。

　　芯片圖

　　通過(guò)將13.56MHz同時(shí)作為能量傳輸?shù)念l段和數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d波頻段，由該團(tuán)隊(duì)提出的新型無(wú)線能量和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠僅使用一根天線同時(shí)完成數(shù)據(jù)和能量的無(wú)線傳輸。在無(wú)線能量傳輸方面，團(tuán)隊(duì)研制的芯片采用動(dòng)態(tài)阻抗匹配技術(shù)、電壓轉(zhuǎn)換率自動(dòng)調(diào)整技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效率的能量傳輸;在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方面，則采用AM調(diào)制方式和偏移限幅放大技術(shù)提取信號(hào)，使得信號(hào)放大僅在接收信號(hào)的包絡(luò)上進(jìn)行，避免了與無(wú)線能量傳輸?shù)南嗷ビ绊憽?/p>

　　“假設(shè)我和你打招呼，要讓你聽(tīng)得清楚。我喊得很大聲就會(huì)很累。換言之，能量傳輸?shù)男什荒敲锤?。但如果有喇叭，我只要輕輕一講話你就能聽(tīng)到。能量傳輸?shù)男示陀辛吮ＷC。”葉大蔚用生活化的比方來(lái)解釋其中的巧思。與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)成果相比，該芯片以最小的信號(hào)調(diào)制深度實(shí)現(xiàn)了無(wú)線能量和信號(hào)同時(shí)傳輸，從而達(dá)到了最高的有效能量轉(zhuǎn)化效率，是“魚(yú)和熊掌”兼得的成功范例。

　　據(jù)介紹，無(wú)線能量和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸新技術(shù)的誕生，與腦芯片研究中心團(tuán)隊(duì)目前參與的一項(xiàng)上海市科委技術(shù)研究項(xiàng)目“基于微芯片技術(shù)的腦活動(dòng)多道記錄系統(tǒng)”大有淵源。為了滿足項(xiàng)目中通過(guò)植入式芯片采集實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體的神經(jīng)信號(hào)的實(shí)際訴求，團(tuán)隊(duì)必須研發(fā)一款能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)和能量同時(shí)傳輸?shù)男酒?/p>

　　作為依托的該項(xiàng)目為這一系統(tǒng)芯片提供了適合實(shí)際應(yīng)用的能量供給和信號(hào)傳輸方案。而類(lèi)似的應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)際常見(jiàn)于各種生物醫(yī)療電子的應(yīng)用，尤以采用無(wú)線供電的植入式和穿戴式生物醫(yī)療電子系統(tǒng)為代表。

　　王彧舉了一個(gè)有關(guān)植入式芯片監(jiān)測(cè)人體血糖等指標(biāo)的例子：“一方面，芯片需要把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳遞出來(lái)，另一方面，芯片工作也需要持續(xù)的能量供給。這些都需要無(wú)線進(jìn)行?！边^(guò)去，這一應(yīng)用會(huì)面對(duì)一個(gè)尷尬的困境：“傳能量時(shí)數(shù)據(jù)不太好傳，傳數(shù)據(jù)時(shí)又沒(méi)能量”。而在團(tuán)隊(duì)此次研發(fā)的新技術(shù)下，供電方案的難題大有希望迎刃而解。

　　與此同時(shí)，在生物醫(yī)療電子之外，該技術(shù)亦有可能應(yīng)用于其它生活場(chǎng)景?！叭绻沂謾C(jī)沒(méi)電了，你手機(jī)還有很多電，我是不是可以把你的電充一點(diǎn)過(guò)來(lái)?”王彧做了個(gè)有關(guān)手機(jī)交互假設(shè)：“這其實(shí)就可以用到我們的技術(shù)。