电子科大博士生研发“通用芯片”，让5G通信真正畅享全球

张净植研发的这款芯片，源于三年前的偶然发现。2015年，康凯教授正承担国家5G技术方面的重大专项，张净植有机会参与其中，负责其中关于频率源的部分研究任务。

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， 不同的国家划分的应用于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。而同一个手机要支持这么多不同的高频段，则相对困难 ，这可能就会导致我们出国旅游时手机无法正常通信。

那么问题来了，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？

答案是肯定的。张净植在国际固态电路会议展示的研究成果，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，大小相当于一根针的横截面。

△ 左边是差分输出芯片，是核心电路的验证模块；右边是正交输出芯片，是完整的、可以用于5G系统的芯片。

这种小芯片却具有“兼容并蓄”的广阔“胸怀”，极大地提升了注入锁定倍频器的工作带宽。它的专业称呼是“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。它还解决了毫米波频段中“低相位噪声信号源的大带宽设计”挑战，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。

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，他们决定不能急于求成，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！

△ 右边两栏为该论文达到的工作指标，其中，带宽为22.8-43.2GHz，积分相位噪声为-40.0dBc，功耗为5.0mW。与业内同类工作对比，该成果的带宽达到了其他工作的5.2倍，同时没有带来相位噪声的恶化。

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，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有24篇。

此前，我校硕士生郭开喆、余益明同学（原电子工程学院）和本科生周雄同学（原通信与信息工程学院）的论文曾入选该会议“学生科研前瞻”单元汇报展示。如今，张净植再次创造历史，并与来自日本北海道大学的博士生Kodai Ueyoshi共同获得大会为亚太地区的优秀学生论文设立的“Silkroad Award”奖项。

对于这次研究成果，张净植十分感激康凯教授及团队的大力支持。他说，集成电路不同于其他学科，每一次设计完成以后拿出去加工，就没有改正的机会了。每一次流片的成本都非常大，设计过程中的任何一点小失误，都可能导致全盘皆输。正是康凯教授和团队在芯片设计方面的悉心指导和严格要求，以及对流片工作的大力支持，才使他有机会参与到这项重要的研究工作中来，并取得了一定的成绩。

张净植表示，“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！”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。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’”。