通信技術(shù)發(fā)展與集成電路和集成光路
加入技術(shù)交流群
無線通信
當(dāng)前無線通信技術(shù)的幾個熱點(diǎn)是：第三代移動通信(3G)、移動因特網(wǎng)、“藍(lán)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(yuǎn)和關(guān)鍵的。一個很具體的實(shí)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(fèi)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(qiáng)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(shí)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(fèi)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(jìn)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(qiáng)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(yùn)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(diǎn)運(yùn)算能力的DSP芯片將會取代定點(diǎn)DSP芯片，以適應(yīng)通信領(lǐng)域高精度、大動態(tài)范圍、大運(yùn)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(lán)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(jī)和數(shù)字照相機(jī)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(jī)、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(diǎn)播器等)也可以通過這種方式下載信息或?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制。這類產(chǎn)品的主要難點(diǎn)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(jī)，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(jī)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(shí)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(jìn)步對解決因特網(wǎng)的帶寬“瓶頸”具有極其重要的貢獻(xiàn)。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(xiàn)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(jī)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(jī)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“多模”和“多頻”。顯然，這將導(dǎo)致手機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的芯片尚未成熟。除了技術(shù)層面的難點(diǎn)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?yàn)楝F(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(shí)現(xiàn)。GaAs器件難以進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)單芯片解決方案。用CMOS技術(shù)實(shí)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(shí)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(dá)到47GHz，有望很快達(dá)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(jìn)的OLED塑料彩色顯示器必將取代手機(jī)、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(shí)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(shí)現(xiàn)信息的存儲、處理和傳輸。
光相對電有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，光在光纖等介質(zhì)材料里的傳輸速度和帶寬都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)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(jī)制，它完全不同于以往利用全反射來引導(dǎo)光傳輸?shù)臋C(jī)理，給光通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了新的生機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)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(jìn)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(diǎn)。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(jī)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(shí)現(xiàn)，例如在同一襯底上實(shí)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)已經(jīng)達(dá)到了40Gbps的水平，但是由于電子運(yùn)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(jìn)步到密集波分復(fù)用(DWDM)，而OTDM和OSDM尚處于實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了信號的光纖傳輸，但是在進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)光交換的另外一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是集成光路技術(shù)，因?yàn)楣饨粨Q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(shí)現(xiàn)光開關(guān)的主要技術(shù)有微機(jī)械技術(shù)、氣泡技術(shù)、液晶技術(shù)、全息技術(shù)等。目前，實(shí)用化的主要有三類：電光開關(guān)、機(jī)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(jī)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(shí)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?！?/P>
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(xiàng)專家組專家；IEEE有價值會員；中國電子學(xué)會高級會員。
評論