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

　　美國當(dāng)?shù)貢r間2月11日，2018國際固態(tài)電路會議(ISSCC 2018)在舊金山舉行，202篇來自學(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)計領(lǐng)域的頂級學(xué)術(shù)會議中向全世界發(fā)布。由復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院無線集成電路與系統(tǒng)(WiCAS)課題組和腦芯片研究中心模擬與射頻集成電路設(shè)計團隊研發(fā)的兩項成果雙雙亮相，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無線功率和數(shù)據(jù)傳輸接收機》(“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”)在大會上發(fā)表，與另3篇中國大陸入選論文一同為本屆“集成電路設(shè)計奧林匹克”注入中國智慧。這也是復(fù)旦大學(xué)自2014年后，時隔4年再一次于該會議上發(fā)表研究成果。

　　“鹽堿地”上的“開荒者”：瓦級雙頻帶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、芯片運行功耗低、電路集成度高不可復(fù)制的優(yōu)勢。但對于功率放大器芯片來說，想要在保證CMOS工藝優(yōu)勢的基礎(chǔ)上實現(xiàn)其高頻信號卻是一個大挑戰(zhàn)，難度不亞于在鹽堿地上種果樹。而由復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授徐鴻濤領(lǐng)銜的無線集成電路與系統(tǒng)(WiCAS)課題組正是這片“鹽堿地”上的“開荒者”，不僅要“種活”還要“豐收”。

　　芯片圖

　　日前，該課題組在高性能互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)數(shù)字功率放大器設(shè)計方面取得研究突破，提出了新型數(shù)字式射頻功率合成技術(shù)，成功開發(fā)出瓦級雙頻帶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的新架構(gòu)，在采用CMOS工藝、達到瓦級功率、雙頻帶和單模塊四大特點的幫持下，為高效低耗的目標(biāo)實現(xiàn)提供了保障。一方面，課題組果斷采用通過數(shù)字來模擬實現(xiàn)高頻信號的方法，克服了CMOS工藝做射頻電路較難的障礙。另一方面，課題組通過解決Doherty技術(shù)的實現(xiàn)過程存在的主從控制、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等問題，實現(xiàn)了瓦級功率。這在功率放大器芯片設(shè)計領(lǐng)域，特別是數(shù)字架構(gòu)中并不多見。

　　芯片測試板，紅框中為封裝后的芯片

　　此外，在一般的無線通信中有兩個頻帶存在。以往會有兩個發(fā)射機來實現(xiàn)兩個頻帶的發(fā)射，而該技術(shù)實現(xiàn)了兩個頻帶由一個發(fā)射機發(fā)射，節(jié)省成本的同時使芯片縮小了一半。同時，這枚只有一個模塊的數(shù)字化芯片，可以輕松實現(xiàn)傳統(tǒng)芯片中多模塊才能實現(xiàn)的功能。

　　與國內(nèi)外最新的研究成果相比，該芯片以最小的面積實現(xiàn)了近瓦級的輸出功率、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”，還實現(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“百億級甚至是萬億級藍(lán)海”普及的前提。

　　如果將物聯(lián)網(wǎng)市場比作一場戰(zhàn)爭，那么各單獨物體上的電子記錄設(shè)備就是一個個堡壘。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、時間長、信號穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。如果沒有這枚小芯片，各個“物體堡壘”就會變成一盤散沙?！翱赡芫褪嵌畨K錢能做一個方案，要想達到百億級別的量的規(guī)模，就需要低成本的芯片?！毙禅櫇榻B。

　　對聯(lián)網(wǎng)落地而言，低成本本就同時意味著對運行功耗的要求?，F(xiàn)實的市場需求一臺設(shè)備安裝在某處后可以持續(xù)工作幾年時間，從而減少人力和維護成本。而課題組的成果恰恰能夠滿足這一需要，使過去的“幾周”，延伸至理想中的“幾年”。

　　除了物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用，這項技術(shù)還將向同樣要求成本低、效率高的寬帶和移動通訊方面挺進，通過與科技企業(yè)合作、重大專項的應(yīng)用，進一步提升通訊速率。

　　“魚和熊掌”可兼得：無線能量和數(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)合無線數(shù)據(jù)傳輸功能的無線能量傳輸技術(shù)因其廣闊的應(yīng)用前景越來越受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，無線能量傳輸與無線數(shù)據(jù)傳輸本身，卻像是一對難以兼得的“魚和熊掌”。

　　系統(tǒng)創(chuàng)新點闡釋

　　一方面，由于在關(guān)鍵物理量的獲取方法、能量等級和常用頻段等方面存在顯著差異，如何采用同一天線來同時完成數(shù)據(jù)和能量的獲取，本就是設(shè)計這一協(xié)同傳輸系統(tǒng)的技術(shù)難點;另一方面，在實現(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，降低無線能量傳輸效率因數(shù)據(jù)傳輸而受到的損失，更是一個亟待解決的問題。

　　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)計團隊日前在無線能量和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)集成電路設(shè)計方面取得了突破性進展，提出了一種無線能量和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸?shù)男滦图夹g(shù)，并在高能效無線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計中取得了關(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的青年研究人才。

　　芯片圖

　　通過將13.56MHz同時作為能量傳輸?shù)念l段和數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d波頻段，由該團隊提出的新型無線能量和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠僅使用一根天線同時完成數(shù)據(jù)和能量的無線傳輸。在無線能量傳輸方面，團隊研制的芯片采用動態(tài)阻抗匹配技術(shù)、電壓轉(zhuǎn)換率自動調(diào)整技術(shù)，實現(xiàn)了高效率的能量傳輸;在無線數(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，使得信號放大僅在接收信號的包絡(luò)上進行，避免了與無線能量傳輸?shù)南嗷ビ绊憽?/p>

　　“假設(shè)我和你打招呼，要讓你聽得清楚。我喊得很大聲就會很累。換言之，能量傳輸?shù)男什荒敲锤摺５绻欣?，我只要輕輕一講話你就能聽到。能量傳輸?shù)男示陀辛吮ＷC。”葉大蔚用生活化的比方來解釋其中的巧思。與國內(nèi)外先進成果相比，該芯片以最小的信號調(diào)制深度實現(xiàn)了無線能量和信號同時傳輸，從而達到了最高的有效能量轉(zhuǎn)化效率，是“魚和熊掌”兼得的成功范例。

　　據(jù)介紹，無線能量和數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸新技術(shù)的誕生，與腦芯片研究中心團隊目前參與的一項上海市科委技術(shù)研究項目“基于微芯片技術(shù)的腦活動多道記錄系統(tǒng)”大有淵源。為了滿足項目中通過植入式芯片采集實驗動物體的神經(jīng)信號的實際訴求，團隊必須研發(fā)一款能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)和能量同時傳輸?shù)男酒?/p>

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

　　王彧舉了一個有關(guān)植入式芯片監(jiān)測人體血糖等指標(biāo)的例子：“一方面，芯片需要把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳遞出來，另一方面，芯片工作也需要持續(xù)的能量供給。這些都需要無線進行。”過去，這一應(yīng)用會面對一個尷尬的困境：“傳能量時數(shù)據(jù)不太好傳，傳數(shù)據(jù)時又沒能量”。而在團隊此次研發(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，在生物醫(yī)療電子之外，該技術(shù)亦有可能應(yīng)用于其它生活場景?！叭绻沂謾C沒電了，你手機還有很多電，我是不是可以把你的電充一點過來?”王彧做了個有關(guān)手機交互假設(shè)：“這其實就可以用到我們的技術(shù)。