通信技術(shù)發(fā)展與集成電路和集成光路
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無線通信
當(dāng)前無線通信技術(shù)的幾個熱點是：第三代移動通信(3G)、移動因特網(wǎng)、“藍牙(Bluetooth)”和無線局域網(wǎng)(WLAN)等。
集成電路對無線通信的影響是巨大、深遠和關(guān)鍵的。一個很具體的實例就是軟件無線電(Software Radio)的應(yīng)用。目前，無線通信領(lǐng)域存在著以下主要矛盾：首先，新的通信體制和標(biāo)準(zhǔn)不斷被提出，通信產(chǎn)品的生命周期在縮短、開發(fā)費用在上升；其次，各種通信體制并存，對多種體制間的互聯(lián)要求日趨強烈；第三，頻帶更加擁擠，要求更高的頻帶利用率和抗干擾能力。軟件無線電盡可能地把無線及個人通信功能用軟件來實現(xiàn)，以可編程的通用DSP芯片和可編程邏輯器件取代專用集成電路，使系統(tǒng)中的專用硬件含量下降，提高系統(tǒng)設(shè)計的靈活性、兼容性和可升級能力。例如，快速發(fā)展的城市建設(shè)會導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)的特性變壞，雖然傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法可以改善網(wǎng)絡(luò)的性能，但是盡管花費了很多人力和財力，還是很難獲得滿意的結(jié)果。采用軟件無線電技術(shù)，則可以隨時監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的性能，適時對網(wǎng)絡(luò)進行升級，保證網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化性能。顯然，軟件無線電技術(shù)需要具備強大數(shù)字信號處理能力的硬件DSP芯片平臺作支持，通過在DSP芯片上運行不同的軟件來支持多種通信體制，提高系統(tǒng)的兼容性和可升級能力。可以預(yù)見，具備并行浮點運算能力的DSP芯片將會取代定點DSP芯片，以適應(yīng)通信領(lǐng)域高精度、大動態(tài)范圍、大運算量、日益復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理要求。
另外還有其它無線通信協(xié)議，如IEEE802.11、SWAP、IrDA、“藍牙”等技術(shù)提供了將移動電話、筆記本電腦、便攜式信息終端、便攜式游戲機和數(shù)字照相機等各種各樣的設(shè)備用無線方式連接起來的接口。
另外一類值得注意的無線接入技術(shù)是WLAN。此技術(shù)將手機、PDA和筆記本電腦連接起來，利用業(yè)已存在的、覆蓋優(yōu)良的GSM網(wǎng)絡(luò)或CDMA網(wǎng)絡(luò)將其接入Internet，隨時隨地向用戶提供電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽等窄帶數(shù)據(jù)服務(wù)。大量的數(shù)字家電產(chǎn)品(如MP3、網(wǎng)絡(luò)音頻點播器等)也可以通過這種方式下載信息或?qū)崿F(xiàn)遠程控制。這類產(chǎn)品的主要難點仍然在芯片的性能和成本上，解決不了低成本的集成電路芯片，產(chǎn)品的大面積推廣就會遇到巨大的困難。
有線通信
集成電路在有線通信設(shè)備中的應(yīng)用最早、也最廣泛，如數(shù)字程控交換機，光同步數(shù)字網(wǎng)(SDH)傳輸設(shè)備、路由器、會議電視、保密通信等。早期的通信專用集成電路大多根據(jù)系統(tǒng)的要求來定制。經(jīng)過多年的發(fā)展，今天的通信專用集成電路芯片已經(jīng)開始引領(lǐng)通信設(shè)備的發(fā)展。
在通信設(shè)備的高速接口方面，諸如幀同步、糾錯、成幀、傳輸信息處理等都已集成到一個集成電路芯片上。如SDH設(shè)備上的E1信息處理已從早期的一個芯片支持2路E1發(fā)展到現(xiàn)在的一個芯片支持21路E1。大唐電信自主開發(fā)的SDH芯片組只要5片超大規(guī)模集成電路就可以組成一個完整的STM-1系統(tǒng)，完成從63路E1復(fù)接/解同步、POH開銷處理、交叉連接、SOH開銷處理等全部工作，并同時提供2套STM-1的上、下行鏈路。一個原來要幾十塊PCB板的復(fù)雜機架簡化成為單盤，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本。
在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，早期的設(shè)備更多地采用專用集成電路的開發(fā)模式，如用于ATM信元分拆與組合的SAR電路，又如專用于IP協(xié)議包處理的網(wǎng)絡(luò)處理器等。今天，無論是異步傳輸模式(ATM)，還是基于以太網(wǎng)的各類設(shè)備都越來越多地采用高速CPU加專用接口芯片的方式來構(gòu)成。32位RISC為主流的高性能CPU不僅被用作協(xié)議處理、信令的轉(zhuǎn)換和各類凈荷(Payload)信息的處理，還被越來越多地應(yīng)用于接口信息的處理，芯片平臺的作用日漸突現(xiàn)。事實上，今天的通信設(shè)備開發(fā)中，軟件已經(jīng)替代硬件成為系統(tǒng)開發(fā)中最為重要和關(guān)鍵的內(nèi)容。軟件工作量已從原來的微不足道發(fā)展到今天的超過70%。一個靈活的、高性能的、可再配置的SoC平臺是通信領(lǐng)域熱切盼望和十分關(guān)注的課題。
集成電路的進步對解決因特網(wǎng)的帶寬“瓶頸”具有極其重要的貢獻。今天，路由器已從傳統(tǒng)的基于總線(背板)交換、軟件包轉(zhuǎn)發(fā)和集中式處理結(jié)構(gòu)演變到基于交換矩陣、硬件包轉(zhuǎn)發(fā)和分布式處理結(jié)構(gòu)。以往的核心路由器已開始向網(wǎng)絡(luò)邊緣轉(zhuǎn)移，核心路由器正在向更高速度，更大吞吐量發(fā)展。隨著這個變化，集成電路對數(shù)據(jù)網(wǎng)的貢獻將逐漸轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)邊緣，轉(zhuǎn)向接入。而骨干傳輸網(wǎng)速度的提升則更多地要依賴于光技術(shù)，特別是集成光路的引入。
通信終端
集成電路在通信終端中的作用是顯而易見的，多種功能、小型輕巧、操作簡單、外觀時尚是人們對移動通信終端永恒的追求。而簡單生動的人機界面、豐富色彩的屏幕顯示，豐滿的音源、多種信息的同時獲取和超低功耗是移動因特網(wǎng)手機獲得成功并取得競爭優(yōu)勢的根本。為適應(yīng)多代共存，手持通信終端和基站必須對應(yīng)“多方式”和“多頻段”，即所謂“多?！焙汀岸囝l”。顯然，這將導(dǎo)致手機芯片的設(shè)計變得日益復(fù)雜。一個可以在GSM、CDMA和3G網(wǎng)中使用的多模手機的基帶芯片就必須能夠處理包括GSM、CDMA和3G的各類信令、協(xié)議。由于GSM、CDMA和3G各自使用不同的頻率資源，多模手機還需要2個或3個RF電路以對應(yīng)不同的頻帶。如紅外(Ir)、USB等話音和數(shù)據(jù)接口也成為必備的選擇。到今天為止，能夠兼容GSM和CDMA兩種制式的第2代移動通信商用雙模終端尚未面世，其中最主要的原因之一就是用于這種多模手機的芯片尚未成熟。除了技術(shù)層面的難點之外，由于信息處理復(fù)雜度成倍增加造成的電路芯片成本居高不下也是一個原因。
射頻電路和基帶信號處理電路的價格大約要占移動通信終端成本的50~60%。這是因為現(xiàn)在2GHz頻帶以上的射頻電路一般都采用砷化鎵(GaAs)技術(shù)實現(xiàn)。GaAs器件難以進行高密度集成，成本大幅度下降的空間有限。人們希望采用CMOS技術(shù)制造RF電路，從而實現(xiàn)低成本和小型化，同時可以將RF與基帶信號處理器集成在一起，實現(xiàn)單芯片解決方案。用CMOS技術(shù)實現(xiàn)RF電路對設(shè)備廠家極具吸引力。這兩年來，國際主要半導(dǎo)體制造商正在這一領(lǐng)域展開激烈的競賽。
采用CMOS技術(shù)生產(chǎn)RF電路有多種途徑，其中鍺硅(SiGe)技術(shù)引起了人們的高度關(guān)注。SiGe技術(shù)是在CMOS技術(shù)基礎(chǔ)上增加若干工序，亦即在硅材料上形成SiGe層以提高晶體管截止頻率的制造技術(shù)。在兼容CMOS工藝的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)高截止頻率和低功耗晶體管，同時不需要大規(guī)模投資。以IBM為代表，國際上許多半導(dǎo)體公司陸續(xù)推出了采用SiGe技術(shù)的產(chǎn)品。IBM批量生產(chǎn)的SiGe器件的截止頻率已達到47GHz，有望很快達到100GHz。
OLED等塑料芯片也將對通信終端產(chǎn)生一場新的變革。先進的OLED塑料彩色顯示器必將取代手機、PDA和筆記本電腦上傳統(tǒng)的LCD顯示屏，成為多媒體終端的標(biāo)準(zhǔn)顯示器。
通信技術(shù)的發(fā)展與集成光路
隨著集成電路特征尺寸的縮小和集成度的提高，特別是因特網(wǎng)的出現(xiàn)和各種新業(yè)務(wù)對帶寬的要求，出現(xiàn)了很多新的、難以解決的問題，如因特網(wǎng)骨干網(wǎng)在普遍實現(xiàn)高清晰度電視傳送時產(chǎn)生的帶寬問題絕不是可以用電的方法解決的。又例如，采用基于電信號處理的SDH系統(tǒng)對光纖帶寬的使用率僅為1%，而采用全光網(wǎng)概念的光分插復(fù)用(OADM)設(shè)備、光交叉連接(OXC)設(shè)備則可以將光纖的容量發(fā)揮到極致。于是，科學(xué)家們開始專注光子技術(shù)的研究，希望可以用光子取代電子實現(xiàn)信息的存儲、處理和傳輸。
光相對電有很多優(yōu)點，例如，光在光纖等介質(zhì)材料里的傳輸速度和帶寬都遠遠大于電子在金屬中的傳輸速度和帶寬，光在光纖中的傳輸損耗遠小于電在金屬中的傳輸損耗等。但是，光子的控制卻相當(dāng)困難。這使得光器件的研究和應(yīng)用一直步履蹣跚，難以取得重大的進步。1987年光子晶體概念的提出向人們展示了一種全新的控制光子的機制，它完全不同于以往利用全反射來引導(dǎo)光傳輸?shù)臋C理，給光通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了新的生機和活力，展現(xiàn)了一個美好的未來。
不難理解，如果希望光子在通信領(lǐng)域能夠得到廣泛的應(yīng)用，就要找到一種象實現(xiàn)微電子芯片那樣的方法和途徑，制造出集成化的微光子芯片。理想的解決方案是在一個微小平臺上利用某種東西能同時實現(xiàn)鏡子、交換和波導(dǎo)的功能。
光子不僅對通信領(lǐng)域有著巨大的誘惑力，也是未來提高計算機計算速度的關(guān)鍵技術(shù)。
微光子、集成光路的發(fā)展趨勢
微光子領(lǐng)域的研究，其目的是仿效在電子域內(nèi)把晶體管和其它電子裝置集成在一個芯片上的技術(shù)來壓縮光子開關(guān)、光纖、激光器、探測器，并把它們集成在一個光路上。目前集成光路已進入了工程應(yīng)用階段。
由于光波的波長比波長最短的無線電波還要小四個數(shù)量級，因而具有更大的傳遞信息和處理信息的能力。然而傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)體積大、穩(wěn)定性差、光束的對準(zhǔn)和準(zhǔn)直困難，不能適應(yīng)光電子技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的需要。采用類似于半導(dǎo)體集成電路的制造方法，把光學(xué)元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，是解決光學(xué)系統(tǒng)集成問題的一種有效途徑。這樣的集成器件具有體積小、性能穩(wěn)定可靠、效率高、功耗低，使用方便等優(yōu)點。集成光路的應(yīng)用領(lǐng)域是多方面的，除了光纖通信、光纖傳感器、光學(xué)信息處理和光計算機外，導(dǎo)波光學(xué)原理、薄膜光波導(dǎo)器件和回路還在向其它領(lǐng)域，如材料科學(xué)研究、光學(xué)儀器、光譜研究等方面滲透。
現(xiàn)在已經(jīng)做出了很多對應(yīng)于較大光學(xué)元件的薄膜波導(dǎo)元件，如薄膜媒質(zhì)光波導(dǎo)、薄膜激光器、耦合器、調(diào)制器、開關(guān)、偏轉(zhuǎn)器、薄膜透鏡、棱鏡、探測器、濾波器、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件、半加器回路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、傅里葉變換器、頻譜分析儀、卷積、存儲器等。在光波導(dǎo)中，觀察到二次諧波產(chǎn)生、混頻、受激布里淵散射、受激喇曼發(fā)射等非線性光學(xué)效應(yīng)，以及薄膜中像的傳輸和轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。一些光元件的集成也已經(jīng)實現(xiàn)，例如在同一襯底上實現(xiàn)激光器、波導(dǎo)、探測器三種典型元件的集成；六個分布式反饋激光器的集成；三個探測器的集成和注入式激光器和場效應(yīng)晶體管的集成等。
受工藝的限制和成本的約束，集成光路也不一定要在單個襯底上集成所有的光學(xué)元件，很多時候是有限的幾種元件的集成，甚至在同一個襯底上只做同種元件的集成(單功能集成)。目前已經(jīng)出現(xiàn)了光學(xué)元件和電學(xué)元件的混合集成，今后還可能出現(xiàn)光、電、聲、磁元件結(jié)合在一起的集成芯片。利用前面提到的導(dǎo)電塑料和塑料芯片技術(shù)還有望開發(fā)出更先進的集成光路和高密度光存儲器件。
集成光路設(shè)計方法學(xué)與計算輔助設(shè)計工具
集成光路設(shè)計方法學(xué)與相應(yīng)的計算機輔助設(shè)計工具是關(guān)系到集成光路能否大規(guī)模商用和形成一個產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵，是集成光路產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)。盡管它可以部分借鑒微電子領(lǐng)域集成電路設(shè)計方法學(xué)與計算機輔助設(shè)計工具的思想，但畢竟有很多的特殊性。目前世界各國的科學(xué)家和工程師的主要精力還都集中在集成光路的基礎(chǔ)研究中，對集成光路設(shè)計方法學(xué)的研究還基本是個空白，也沒有相應(yīng)的計算機輔助設(shè)計工具可供使用。今后這是一個嶄新的課題需要人們?nèi)ソ鉀Q。
通信技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對集成光路的要求
光纖傳輸固有的容量大、損耗小、防電磁能力強和成本低等優(yōu)點，在通信網(wǎng)、特別是骨干傳輸網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了決定性的地位。伴隨著通信網(wǎng)容量的快速增長和光纖成本的急劇下降，目前，光纖已開始從核心網(wǎng)向接入網(wǎng)進軍，有理由相信未來的網(wǎng)絡(luò)將是全光網(wǎng)。
盡管目前電子域的時分復(fù)用(TDM)系統(tǒng)的速度在實驗室內(nèi)已經(jīng)達到了40Gbps的水平，但是由于電子運動速率的極限性，已沒有多少潛力可挖了。但是在光領(lǐng)域中還有廣大的空間。光領(lǐng)域中的復(fù)用方式主要有光空分復(fù)用(OSDM)、光時分復(fù)用(OTDM)和波分復(fù)用(WDM)等三種。目前WDM技術(shù)比較成熟，已廣泛應(yīng)用于通信傳輸網(wǎng)，并進步到密集波分復(fù)用(DWDM)，而OTDM和OSDM尚處于實驗研究階段。
在交換領(lǐng)域，目前通信網(wǎng)絡(luò)的主流交換設(shè)備仍然是工作在電子域、實現(xiàn)電子交換的電子設(shè)備。在這類網(wǎng)絡(luò)中，盡管已經(jīng)實現(xiàn)了信號的光纖傳輸，但是在進行交換前需要用光電轉(zhuǎn)換器件將從光纖傳輸來的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，用電子交換設(shè)備實現(xiàn)信號交換，再用電光轉(zhuǎn)換器件將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳送出去。由于光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換的效率非常有限，通信網(wǎng)中實際上存在著“電子瓶頸”。為了提高信號交換速度和減少變換損耗克服通信網(wǎng)中的“電子瓶頸”，人們正在研究實現(xiàn)光信號的直接交換(波長到波長的交換)，即光交換。光交換有兩種基本模式：基于定長分組和同步節(jié)點操作的光透明分組網(wǎng)路(OTPN)和基于可變長分組和異步節(jié)點操作的光突發(fā)交換(OBS)。目前，OTPN還存在著成本和技術(shù)的障礙。
實現(xiàn)光交換的另外一項關(guān)鍵技術(shù)是集成光路技術(shù)，因為光交換設(shè)備的核心元器件是集成光路，如：光開關(guān)、光耦合器、光存儲器和波長控制器等。目前研究開發(fā)人員正在集中精力研制大容量廉價的光器件與集成光路，包括可變波長激光器、高頻調(diào)制器、波分復(fù)用/解復(fù)用器/濾波器、增益平坦和鎖定的SGL波段放大器、喇曼放大器、高頻光探測器、MEMS光開關(guān)等。象集成電路中的開關(guān)晶體管一樣，光交換中的核心是光開關(guān)。光開關(guān)以光的方式為信息選路。實現(xiàn)光開關(guān)的主要技術(shù)有微機械技術(shù)、氣泡技術(shù)、液晶技術(shù)、全息技術(shù)等。目前，實用化的主要有三類：電光開關(guān)、機械光開關(guān)、熱光開關(guān)等。近年來，基于MEMS技術(shù)的光開關(guān)被許多廠家看好。
結(jié)語
通信網(wǎng)絡(luò)的移動化和寬帶化趨勢和通信終端的個性化趨勢將為集成電路產(chǎn)業(yè)提供難得的發(fā)展機遇。已到中年的集成電路產(chǎn)業(yè)，通過SoC技術(shù)將必然會再一次呈現(xiàn)青春的氣息，實現(xiàn)系統(tǒng)與芯片的統(tǒng)一。包含嵌入式微處理器，高性能DSP、大容量存儲器及模擬電路的SoC，必然會以其高集成度、高速率、低功耗和智能化，低成本的優(yōu)勢影響和主導(dǎo)通信設(shè)備制造。而集成光路技術(shù)也必然會逐漸成熟，在高速、低損耗通信領(lǐng)域贏得它的地位和市場。■
作者簡介：魏少軍，博士，大唐電信科技股份有限公司總裁兼首席執(zhí)行官；清華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師；北京大學(xué)兼職教授；國家八六三計劃超大規(guī)模集成電路設(shè)計專項專家組專家；IEEE有價值會員；中國電子學(xué)會高級會員。
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