俞捷：面向業界不忘初“芯”

2016年6月1日，中國工程院在北京召開第十三次院士大會，會上頒發了第十一屆光華工程科技獎，34位專家分別獲成就獎、工程獎和青年獎。光華工程科技獎面向全國工程科學技術界，主要獎勵在工程科技及管理領域取得突出成績、做出重要貢獻的中國工程師和科學家，以激勵他們從事工程科技研究、發展、應用的積極性和創造性，促進其工作順利開展并取得成果。

相較于往年，2016年新增加了港澳臺地區候選人參評，首次獲獎的有4位專家。其中，香港科技大學教授、半導體技術和芯片設計專家俞捷獲得青年獎。對于始終堅持產學研結合的俞捷來說，此次獲獎是對其多年努力的肯定和鼓勵。

信者，誠也，專一不移也

1987年，俞捷16歲。這一年，他從香港前往美國，完成高中學業。第二年，他進入紐約州立大學水牛城分校。隨后，因為想在工程方面更進一步，他轉學到了德克薩斯大學奧斯汀分校。也是在這里，俞捷開始進入半導集成電路領域。

在德克薩斯念本科時，俞捷就跟隨一位老師做研究工作，這位老師不僅幫助他確定了研究領域，更影響了他的科研理念。“ Al Tasch教授是我的啟蒙恩師，也是第一個帶我進入半導體集成電路領域的人。”事實上，Al Tasch教授并不單純是一位老師，在擔任教職前，他曾在業界工作多年，因此，他做的研究項目都是跟產業關聯密切的。這一點極大地影響了俞捷的研究方向。一路走來，俞捷一直將研究的實用性擺在首位。有些信念，一旦產生，就是永遠。“信者，誠也，專一不移也。”

1992年，俞捷在德克薩斯大學奧斯汀分校取得電氣和計算機工程學士學位，并得到最高榮譽畢業。隨后，他進入斯坦福大學，分別在1994年和1998年獲得電氣工程碩士及博士學位。博士期間，他師從黃兆永教授，從事硅芯片上電感器的集成技術和建模的研究。硅芯片上電感器是包括手機、機頂盒、光通信收發器在內的高頻率高數據率通信系統的核心器件。他的研究成果得到了業界的普遍認可，基于該成果發表的論文現已被引用超過1200次，以這篇論文為基礎的發明也被授予了美國專利。

這一研究開啟了俞捷的創業之旅。1998年畢業后，在斯坦福大學教授孟懷縈的帶領下，俞捷作為共同創始人與幾位大學教授一起創立了Atheros Communications。在這里，他們將大學里的基礎研究與市場相聯系，真正將知識應用在產業化中。考慮到投入生產的需要，他們在研發過程中并未一味追求高難度的技術，而是真正秉承與產業鏈相接的理念。2002年，俞捷將自己的芯片研發成果商品化，并成功量產了全球第一顆CMOS WIFI芯片。

在俞捷看來，他的博士論文之所以能轉化為核心的技術，就是因為他始終堅持學術研發真正面向產業需求。“我當時花了很多時間去研究怎么做仿真，因為每一個電路的需求不一樣，電感的值就不一樣。我們雖然是在器件上面做研究，但實際上需要面對整個電路的需求。”俞捷認為，“做器件的研究不能只想著把自己的器件做到最好，而忽略技術限制。可能你做出來的東西是完美的，但如果世界上能做到這個工藝的只有你自己的實驗室，根本無法量產，那就沒什么價值了。”

2003年，在產業界歷練了5年之后，俞捷進入了卡內基梅隆大學，從助理教授做起，直到2006年轉到加州大學圣巴巴拉分校擔任終身副教授，2010年又提升為終身正教授。

這個時候，距俞捷16歲漂洋過海來到美國，已經過去了20多年。而就在取得終身正教授資格的當口，俞捷卻選擇辭去職務全職回國，加入香港科技大學。有朋友對俞捷的回國表示不解，但對國內科研事業的長期關注，讓俞捷堅信：回國可以做出更大的成果！

“在工業界，對芯片需求最大的就是中國大陸內地。國家近幾年進口大量芯片，對進口依賴程度甚至超過石油。而伴隨著市場需求一起發展起來的，還有這個專業方向上大量的優秀生源。”俞捷認為，回國有利于關注市場動態，而國內的優秀生源則讓他看到了這個行業的良好發展前景。對于堅持面向產業需求的俞捷來說，國內的舞臺更為廣闊。

推動高速光通信網絡的普及

2010年，俞捷出任香港科技大學（以下簡稱“港科大”）教授，隨后創辦“港科大—高通聯合創新和研究實驗室”，成立工程學院的“產業交流和實習中心”，致力于增強港科大與產業界的聯合研究活動。“我希望借此加強港科大電子工程學系的學生與產業的互動，進行針對市場需要的應用研發，為香港產業和經濟的發展出一份力。”這是回國之際俞捷的心聲。

言猶在耳，他已經帶領研究小組試圖利用“光”在通信方面做出應用。港科大有多位老師從事芯片設計和射頻方面的科研工作，這些方向有利于俞捷開展“光”通信的研究。“我們實驗室關于‘光在通信方面的研究，目前分為兩個方面：光纖通信和可見光通信。”俞捷說：“光纖通信部分延續在加州大學時的研究，而可見光通信則是一個新的研究方向。”

移動互聯網浪潮和網絡娛樂的迅猛發展催生了對高速數據通信網絡的巨大需求，亞馬遜、谷歌和阿里巴巴等互聯網巨頭都紛紛建立自有大規模數據中心來應對巨大的數據處理負荷和通信帶寬需求。“光纖通信中，最大的經營費用在于電費，包括儀器運行時耗費的電力，以及用電產生熱量之后的散熱費用。”俞捷說，“如何實現高速低功耗低成本光通信網絡是構建此類巨型數據中心的難點及關鍵。”

為了達到大規模數據中心所需的數據傳輸速率和通信距離要求，傳統光收發機芯片主要由昂貴的高性能半導體工藝如硅鍺（Silicon-Germanium）或砷化鎵（GaAs）制造。然而在摩爾定律的推動下，低成本CMOS工藝的性能功耗比已經在過去幾十年內取得了飛速發展。因此，基于CMOS工藝的新一代光收發機開始從科研領域進入商用市場，預計在未來將逐步取代昂貴的硅鍺/砷化鎵材料光收發機，進一步推動高速光通信網絡的普及。

“在過去的幾年中，我致力于研究基于標準CMOS工藝的全集成光接收器，而這也已經成為了領域內的一個非常重要的研究方向。”俞捷解釋道：“相比于傳統光接收器，我們提出的新型架構不僅實現了30Gb/s以上的高速率，更創造性地在標準CMOS工藝下集成了光電轉換二極管。運用特有的多級自適應均衡器，我們的全集成光接收器在功耗減半的同時實現了兩倍于其他已發布全集成光接收器研究成果的傳輸速率。”此類全集成光接收器大幅降低了傳統分立元件光電二極管帶來的額外封裝工序和成本，為光通信模塊的小型化低成本大規模生產提供了新的解決方案。

另一方面，移動通信網絡端也在蓬勃發展，目前正在朝第五代移動通信（5G）演進。全世界將有數以十億計的無線通信設備接入移動通信網絡之中，這對其速度和容量提出了巨大的要求。為了滿足這種需求，移動網絡運營商需要快速配置大量的短程無線接入點（small cell），每個接入點覆蓋200?400m的范圍。這對移動通信基站和相關移動交換節點之間的回傳網絡的成本、能量效率、速率以及容量都提出了很高的技術挑戰。為了提供更大的帶寬，多個天線的多入多出技術（MIMO）也將在5G通信中得到應用，天線系統與其基帶處理單元之間的連接（前傳網絡）將變得極為復雜。在對這些技術挑戰的應對之中，毫米波技術和光纖通信技術占據著重要的地位。

“光纖具備低損耗、高帶寬、抗干擾能力強等優點；而毫米波技術除了寬帶之外，還具備無線通信的優點。”俞捷補充道：“針對這樣的場景，我們前瞻性地將光接收機與毫米波無線QPSK發射機集成在一顆芯片之上，第一次實現了基于CMOS工藝的基帶光纖傳輸的光纖—毫米波混合單芯片系統。數據通過光纖的方式輸入，調制到毫米波端后，以無線的方式發出。最新測試結果顯示該系統可以達到12Gb/s以上的高數據率。由于此系統光纖中傳播的是基帶信號，因此降低了對于光電轉換器帶寬的要求。同時，此系統采用CMOS技術進行單芯片集成，具備巨大的成本優勢。這為5G通信中的前傳網絡、回傳網絡、MIMO多天線陣列等提供了潛在的低成本高靈活度的解決方案。”

搶占“室內定位”市場的先機

“我現在的課題小組有8個準博士生，有一半在做光纖通信的接收器方面，另一半則在研究基于可見光通信與藍牙的室內定位和導航技術。”俞捷認為，室內定位和導航系統是需要開發的重要技術。因為人類在室內花費的時間占70%以上，但由于衛星信號不能被用戶接收到，導致GPS在室內無法使用。因此，室內定位的前景堪稱廣闊，“預計將有50億美元的市場規模”。

現今基于射頻信號的室內定位技術，如WIFI、藍牙等，由于受到干擾和衰減的影響，精度有限。與之不同的是，基于可見光通信的室內定位技術使用LED燈來產生無法用肉眼看到，但可以通過光傳感器（如智能手機的攝像頭）檢測到的信號來進行定位。可見光通信表現出的獨特視距鏈路使信號被限制在照明區域，從而可以達到更高的定位精度。

“飛利浦、通用電氣、高通等大公司都在對可見光開展研究，從2014年開始陸陸續續地有一些公開的報道，今年比較全面一點，開始有方案了。”在俞捷看來，這些公司對可見光通信的研究就像一個信號，恰恰證明了這一技術可以在市場上立足，那么接下來要解決的就是技術上的難題了。

俞捷帶領研究小組開發出使用從LED發出的可見光來產生高精度定位信息的技術。這種被稱為可見光室內定位（VLIP）的技術，通過與新的藍牙標準，即低功耗藍牙（BLE）相結合，可以創造出一種功能強大的混合技術，以提供基于室內定位的服務，如導航、廣告、跟蹤、安全和訪問控制。

在大型公共場所或商業環境中，如機場、地鐵站、商場和超級市場，室內定位功能非常適合支持各種應用，包括導航、跟蹤、安保和其他廣泛的基于位置的服務（LBS）。“試想一下，當你去商場逛街，你的手機可以隨時感應你的具體位置，為你推介商品，還可以展示物品的所有顏色、尺碼，那么你在線下購物也可以擁有線上購物的效率和便捷。”俞捷侃侃而談，“再假設你在博物館里看展覽，隨著你的走動，你的手機可以隨時為你提供你所在位置的展品信息。到那時，手機就像個人助理，能夠隨時為你服務。”

對于俞捷來說，科研要面向產業界才可以實現它的價值。目前，由于制造和安裝成本較高，且性能有限，市場上還沒有具有競爭力的室內定位技術或產品。俞捷希望利用藍牙和VLC相結合的方法所具有的性能和成本優勢，在這個市場上搶占先機，提供下列功能：高精度室內定位；照明控制和管理；大數據收集與分析；終端用戶無縫鏈接。

敢為人先，不落人后

從事科研工作以來，俞捷一直堅持面向產業界，推動產學研相結合。他說：“當產業界對某項技術感興趣，但又因為風險等原因不敢輕易試水的時候，我愿意做他們伸出來試探的手和腳。”在俞捷看來，產業界做研究的立腳點即為實用，能夠得到產業界青睞的技術，其應用前景毋庸置疑。對于這種剛剛萌芽的產業的研究，也更有價值。

加入港科大以來，俞捷先后與高通和華為合作，致力于加強港科大與產業界的聯系。俞捷認為：“大學被稱為象牙塔，有時候老師在里面會固步自封，覺得自己做的東西已經很好了。但事實上科技要想轉化為產業，讓業界接受，就必須要和企業去溝通，要結合業界的現有工藝。只能在特定的實驗室實現的技術，其應用價值微乎其微。”

在俞捷的科研道路上，貫徹始終的就是產學研結合的理念。而在當下，亟待解決的問題是，如何對學校和科研院所的科研成果進行知識轉移。2014年，俞捷接受任命，擔任港科大協理副校長，負責全校的知識轉移的運作和策略。

對于知識轉移的體系，俞捷有自己的理解：“在學校里面做科研，是一個從無到有的過程，而風投公司只會在看到一定成果之后進行投入。如果把科研進程量化為從0到100，那么1以后才會有風投公司愿意進入。從0到1聽上去很簡單，但事實上把理念變成一個研究方向只是從0到0.1，而很多研究就止步于此。因此，要想實現知識轉移，就要在0.1到1之間，建立孵化器平臺。”

2014?2015年期間，俞捷帶領港科大知識轉移辦公室的同事，一同推行創新科技署在2014年新設立的“大學科技初創企業資助計劃”。“借著政府的創新及科技基金的資助，我們知識轉移辦公室協助師生團體成立超過20間科技初創企業，把研發成果從大學校園引進到現實環境應用。”俞捷說，知識轉移的最大困難有兩點，一是把握市場的節奏，二要考慮成本問題。

“要想做到知識轉移，就必須要對業界的工藝和市場的節奏有一個準確的定位。一項技術要真正推向市場，就需要了解市場需要什么，還要考慮時間性。”俞捷補充道：“除此之外，還要考慮成本問題。與產業界不同，學校是非營利的集體，學校的老師可能更多關注科研的水平，而沒有切實考慮過量產和成本的問題。這些都需要和業界進行溝通。”

香港的工程資源雖然不及內地多，但近年來香港科技界與北京、深圳等地的合作項目已經越來越多。俞捷指出，國家對此已出臺戰略性的大基金，而香港的青年學者在知識、技術等方面，均已達參與國家科研體系的水平，所以香港的大學應該承擔更多項目，善用資源和機遇，與產業界密切結合。“我們也可以學習美國、英國高校與企業的密切合作模式，推動科研成果商品化。”

談及對兩地科技合作的建議，俞捷表示，當前很多國家重點實驗室，都在香港有伙伴實驗室。這些實驗室往往是重大國家項目，參與者也是深耕多年的資深科學家。未來，可以向香港的大學開放更多普及一些的項目，給更多香港青年學者機會以參與到國家科研體系中來。

作為博士生導師，俞捷認為，在研究生階段，過程比成果更重要。“因為你真正的成果是自己這個人，你要學會怎么去做科研。”俞捷建議，青年學者應該對自己的未來有一個長遠規劃，先樹立一個正確的方向，再做出選擇，這往往比盲目地去努力更重要。

在俞捷看來，科研工作者應該忠于科學，尊重科研，對自己的成果負責。他說：“工程的價值在于解決一個值得解決的問題，而不應該因為外界因素去做一些沒有意義的科研。我始終堅持，科研應在保證知識的原創性的基礎上，真正面向產業界的需求。”

他是這樣說的，也是這樣做的。從最初進入科研領域起，俞捷就堅持研發能夠應用于實際的產品，20多年來，他在半導體芯片行業和大學科研方面都取得了出類拔萃的成就。他是極少數可以把學術研發真正面向產業需求，并且同時能達到創新又有實在成果的教授。對于俞捷來說，潛行躬耕20余載，唯初心一刻不能或忘。