為國創“芯” 步履不停

戶萬

小到用智能手機追劇，大到靠無人駕駛飛行器空運海鮮，集成電路與我們日常生活息息相關。芯片作為在集成電路上的載體，廣泛應用在軍工、航天等各個領域，是能夠影響一個國家現代工業乃至國防安全的重要因素。中國作為世界上第一大芯片市場，芯片自給率卻不足10%，長期依賴進口，缺乏自主研發，包括超高速模數轉換器芯片在內的諸多關鍵的芯片設計技術都被國外公司壟斷。國外巨頭依靠在芯片領域長期積累的核心技術和知識產權，通過技術、資金和品牌方面的優勢一直占據著集成電路的戰略要地，這使我國相關行業的發展時刻面臨芯片的“卡脖子”困境。

2020年5月15日，美國政府要求臺積電、中芯國際等芯片制造商不能采用美國公司的工具生產華為所用零部件，幾乎封鎖了華為所有核心部件供應。面對當前嚴峻的國際芯片發展形勢，缺“芯”之痛，觸動了每一個中國人，澳門大學微電子研究院副教授陳知行正是被觸動的、不屈的、為“中國芯”崛起而拼搏奮戰的千千萬學者之一。他立志為國創“芯”，為國育人，“要讓外國人看到，中國也有自己的技術，也有高超的技術水平，能夠完成整個信號鏈、數據鏈的系統研究，要讓中國芯片不再受制于人！”

凡心所向?素履以往

陳知行是土生土長的澳門人，早在十六七歲時，他就隱約萌發了創“芯”之夢。但在那之前，他還是個令老師和家長頭疼不已的貪玩少年，“缺乏學習干勁兒”“偏科極其嚴重”是他揮之不去的標簽。這樣的情況一直持續到他升上高二：“那時候我終于知道自己想要做什么了，我真的非常喜歡研究計算機硬件，非常想學習這方面的知識。”這與陳知行從小喜愛玩游戲有著千絲萬縷的聯系。

與部分沉迷游戲本身的青少年不同，陳知行對游戲的喜愛并不僅僅停留在“玩”這一表面行為，還更進一步地延伸到探究游戲運行背后的原理上來——什么樣的硬件能夠使游戲運行更加流暢？作為硬件核心的不同芯片分別有著怎樣的功能？性能更強的芯片是如何誕生的……隨著對計算機硬件設備的了解不斷加深，陳知行意識到：“原來這就是我想要為之奮斗的事業。”但因此前學習成績不太理想，他早已被安排到文科組學習，基于當時的文、理專業報考規定而無法在澳門或內地升讀心儀科目，他只能前往國外求學。

凡心所向，素履以往。當陳知行發現要實現夢想就一定要去國外，無論如何都要把英語學好的時候，他就開始自發補習，不僅在學校積極請教老師和同學，放假回家時也想盡辦法自學。在這樣高強度的學習狀態下，他在短短一年內從成績倒數變為名列前茅，最后如愿以償地考入美國華盛頓大學，就讀電機及計算機工程專業。他說：“以我自己的例子來說，現在的年輕人必須找到自己的興趣，只有找到自己的興趣以后才有拼搏的動力。現在的年輕人，尤其澳門的年輕一代，因相對富足的成長背景，一般缺乏競爭意識及自我推動力。人之所以會用不擅長某件事為由而輕易放棄努力，其實只是因為沒有找到奮斗的目標，一旦找到這個目標，我相信大部分年輕人都能克服原本看似無法克服的困難，做到自己想做的事情。”

客觀上來說，獨自赴美國攻讀電機及計算機工程對陳知行而言，是艱難困苦的。不僅僅因為這一專業稱得上是整個學校數一數二難讀的專業，也因為他此前身處文科組，并不像大多數同學那樣擁有扎實的物理、數學等基礎知識，往往要付出多于常人數倍的努力。可多年后，陳知行回憶起那段背井離鄉的艱苦求學時光卻是滿眼笑意：“能夠不斷向著夢想的方向一步步前進，是幸運的，更是快樂的。同時，父母不惜節衣縮食也要支持我在外求學的無私付出也一直激勵著我、溫暖著我。”

踏上科研道路之前，陳知行也曾想過進入芯片制造企業工作。大三的暑假，他返回澳門實習，那時他只是掌握了電機及計算機工程領域的基礎知識而已，不僅不了解“模擬混合信號”是什么，對自己將要從事芯片設計哪方面的工作也有些迷茫。幸運的是，他在實習期間結識了澳門大學電機及電腦工程系余成斌教授，余教授的教導使他獲益匪淺并堅定了從事科研的決心。大學畢業后，他就來到了澳門大學攻讀碩、博士，繼續跟隨余成斌教授探索模擬混合信號的技術奧秘，此后更是憑借出色的成績成為澳門大學模擬與混合信號超大規模集成電路國家重點實驗室（AMSV）的一員，自此深深扎根于混合信號電路和奈奎斯特模數轉換器研究方向，數十年如一日。

立足實踐?創新不止

模擬與混合信號超大規模集成電路國家重點實驗室于2011年正式成立，主要開展各種電子系統的尖端研究，聚焦模數轉換器和低功耗射頻芯片兩個主要研究方向，同時積極發展電源管理和微流控芯片研究方向。實驗室近年來發表的論文數量名列世界前茅，其中，至2022年2月為止，在有著“集成電路行業的芯片奧林匹克大會”之稱的“國際電機電子工程師學會（IEEE）國際固態電路研討會（ISSCC）”上，共發表了45篇關于數據轉換器、射頻和電源管理等領域的論文。

在陳知行看來，團隊之所以能夠取得如此優異的成績，離不開導師們的悉心指導和團隊所有成員的齊心協力。“團隊中的余成斌教授及馬許愿副校長等導師很愿意花時間在學生身上，常常通宵達旦地工作，為的就是提高學生的研究質量，不辜負好的數據結果。在他們的帶領下，整個團隊氣氛非常團結融洽，每個人都全力以赴，只為成為更優秀的自己。”在澳門大學從事研究工作的刻苦歲月里，老師們對學術的求真精神深深影響和啟發了陳知行，使他學會了堅定面對各種考驗和挑戰，在失敗中建立自信，循序漸進，持之以恒。因此，每當研究感到力不從心時，陳知行就會以老師為典范，鼓勵自己不斷提升實力，讓自己的研究成果能一步步邁向國際頂尖水平。

2014年，陳知行與余成斌教授、馬許愿教授、諸嫣教授等在“歐洲固態電路研討會（ESSCIRC）2014”上發表論文，并從兩百余篇來自世界各地的優異論文中突圍而出，奪得最佳論文獎。相關研究針對模數轉換的整體構架、采樣前端設計及偏差矯正方法提出了3個創新點，從而使模數轉換器在極高轉換速率的情況下也能取得高轉換效能及良好的線性度和精準度。與同年在國際晶片奧林匹克上發表的設計相比，這一設計避免了繁瑣的采樣時間誤差矯正技術，從而在極小的面積和極低功耗的情況下，也能達到更好的動態指標。

2015年因在模數轉換器領域的貢獻，陳知行獲得由國際電機電子工程師學會固態電路學會頒發的預博士成就生獎，表揚他在博士研究工作期間完成的杰出成果。

2020年中國半導體十大研究進展候選推薦——基于時間域量化技術的高速高帶寬時間交織模擬數字轉換器，是陳知行指導博士后完成的研究工作。

模數轉換器被稱為“連接物理世界與數字世界的橋梁”，是信號鏈通路的關鍵模塊，高速高精度的模數轉換器在日常的無線通信系統、乙太局域網、寬頻衛星和電纜接收器等方面有著廣泛的應用。然而作為光通信、雷達、高速示波器等應用的核心器件，支持高輸入帶寬的高速模數轉換器技術長期被國外壟斷。傳統的國產電壓域模數轉換器由于受限的單通道轉換速率及可觀的輸入電容，導致其在時間交織結構中面臨低輸入帶寬、高功耗、大芯片面積等諸多難題及挑戰。后來，隨著集成電路加工工藝的提升，高度數字化的時間域量化技術無論在轉換速率還是轉換能效上都逐漸顯示出巨大發展潛能，同時亦有利于降低高速模數轉換器的芯片尺寸。在這一前提下，陳知行等人克服了時間域量化過程中多發的量化誤差源，成功設計了一款僅4通道交織、采樣率在10每秒千兆赫茲的8比特時間域模數轉換器。他們提出的基于16倍插值技術的兩步流水線結構，不僅避免了復雜的級間增益校準而且將量化時間步長降低到1.5皮秒以內。得益于內建電壓—時間轉換單元的天然緩沖功能，設計的模數轉換器支持高達18千兆赫茲的有效輸入帶寬，兼容射頻直接采樣系統的應用。這種10每秒千兆采樣、8比特的模數轉換器在65納米互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝下進行了流片驗證，其核心面積僅0.095平方毫米，消耗功耗50.8兆瓦，在奈奎斯特輸入頻率下擁有40.1分貝的信噪失真比（SNDR），并且在18千兆赫茲輸入下仍保持37.6分貝的信噪失真比，明顯領先于國際同等規格模數轉換器。不僅如此，這一模數轉換器還支持零下55攝氏度至125攝氏度的溫度范圍及0.95伏至1.05伏的電源電壓，適用于各種極端工作環境，為相關成果由學術向產業技術轉移創造了更大的可能。

2019年年底，澳門大學的模擬與混合信號超大規模集成電路國家重點實驗室在橫琴設立分部，使得橫琴成為承載澳門集成電路創新資源最便利、最通暢的區域之一。近年來，雙方合作在集成電路領域頻頻發力，至2020年年底，合作區集成電路產業相關注冊企業超過400家。通過與行業內頂尖公司合作，陳知行看到的不再只是學術層面的問題，而是更多地看到公司在應用層面遇到的實踐問題。

在校企合作方面，陳知行印象最為深刻的一次科研經歷是關于芯片的功耗改進研究。

隨著技術的進步，芯片內的電路密度翻了一番，其運行頻率是以前的數倍，片上布線也越來越細，片上電源網絡必須以更少的消耗提供更多的功率以便線路資源能夠被發送到每個單元。如果做不到這一點，芯片的穩定性和預定的工作頻率就會成為問題。由于非盈利研發模式下的慣性思維限制，陳知行等人最初設計的芯片雖然在性能上有所提升，卻忽視了芯片功耗增加所帶來的散熱成本問題——功耗決定了芯片的發熱情況，封裝結構需要及時傳遞芯片產生的熱量，否則溫度會升高，電路無法穩定工作。因此，發熱量大的芯片需要選擇散熱良好的封裝，或者額外增加風扇等散熱系統，這就意味著成本的增加。而在不增加散熱成本的情況下直接采用陳知行團隊的設計方案，則又必然導致芯片工作溫度與電壓變化帶來的芯片實際使用性能下降問題。陳知行回憶：“我原本以為我們的芯片制作得已經很不錯了，但是沒想到真正面向應用時仍然會發現許多問題。”經過近一年的探索與攻關，陳知行等人才最終找到一種低成本、低功耗的芯片設計思路，幫助企業成功解決芯片制造問題。

由澳門大學師生參與開發的各項專利技術，在企業平臺上實現了產業化應用。對企業而言，這是一次全新的產學研合作探索，對澳門大學等高等院校來說，這同樣是一次在科研成果轉化方面令人振奮的成功實踐。

力促發展?為國育人

繼看問題角度由專注學術成功轉變為兼顧實踐應用之后，陳知行于2020年迎來了心態上的重大轉變。這一年，他開始獨立帶領屬于自己的課題小組進行項目攻關，并同時承擔10名學生的培養工作。

“相較于科研來說，培養學生是另一個層面的挑戰。因為獨自一人做什么都可以很好地控制，但是同時帶領10名學生進行研究則完全不同。”彼時，陳知行帶領團隊需要立足不同的通信應用場景，針對無線通信的模式轉換問題進行擴展。這種擴展和陳知行攻讀博士時期就開始積累的模數轉換器設計結構幾乎沒有任何相同之處，他不僅自己要花費大量時間和精力從頭學起，還要同時幫助自己的學生掌握新知識。

進行結構變形工作時，所有的建模都要推翻重做，但偏偏這種模數轉換器無法用線性模組分析，必須通過仿真手段了解其中的每一個電路反饋，工作量之巨大可謂超乎想象。令陳知行欣慰的是：“雖然花費了很長的時間，但好在最終成功找到了一個全新的方法，能夠更進一步提高芯片效率。其中，我的學生貢獻了非常大的力量，比起這一成果在2020年獲得澳門特別行政區科學技術發明獎，我認為更寶貴的是，學生通過自己努力，開拓了一個新的方向，而參與這項目的學生也獲得了澳門特別行政區研究生科技研發獎。”自此，陳知行在思維方式上真正從單純的學者成長為一名合格的教師與團隊帶頭人。他不再一味地沉浸在個人研究中，而是抬起頭來仔細觀察，靜下心來仔細思考：中國集成電路的發展究竟需要怎樣的人才作為支撐？身為高校老師，又當如何培養出國家和社會的棟梁之材？

陳知行發現，從自己了解最多的粵澳深度合作區的發展狀況來看，擁有集成電路領域高水平國家實驗室等科創資源和政策支持的橫琴，雖然稱得上是澳門集成電路創新科研成果落地生根、開花結果并轉化成實際生產力最便利、最適宜的新空間，但過去發展過程中遺留下的產業鏈不完善和硬軟條件缺失問題，仍然制約著澳門創新策源能力的放大和升級，大量創新成果只能停留在研究階段，集成電路的成果轉化和產業發展依舊薄弱。因此他認為：“針對博士生的培養不僅僅是要讓他們能夠成為一家公司的主導人才，更要使他們有能力引領行業未來發展，也同時可為澳門產業適度多元發展儲備所需人才。”

聚焦陳知行所帶領的團隊，人們能夠發現，他的學生往往只在第一次嘗試獨立研究時才能夠得到來自導師的事無巨細的指導教學。因為在陳知行看來，要想培養出能夠引領行業未來發展的高質量人才，就應當嘗試區別于傳統課堂教學方式的人才培養新模式——讓學生在實踐中學、在應用場景中鞏固。這也要求老師更加注重培養學生的批判性思維和獨立性思維，對學生采取梯度式指導教學而非全階段手把手教學。“通過獨立思考獲得的認識，往往要比借助他人力量取得的成果更加寶貴。”陳知行常常教導學生，每個人都可能面臨一種“為生活所迫”的狀態和壓力，這種情況下可以尋求老師的幫助，但最重要的還是要調整好心態。“客觀而言，做科研是非常辛苦的，一篇好文章的獲得也許離不開天時、地利、人和，并非完全取決于個人的努力。但其實一個人在科研過程中取得的成長，才是真正的無價之寶。”他鼓勵學生積極追求更高精神境界，不要抱怨、不要氣餒，爭取在有限的時間里把更多自己想要嘗試的事情做到最好。

正是在這樣的治學、為研精神下，陳知行所在的模擬與混合信號超大規模集成電路國家重點實驗室才能以最初十余人的團隊規模，在短短數年內迅速發展成集成電路領域的國際一流實驗室。2022年5月20日，澳門大學在橫琴粵澳深度合作區創意谷舉行“珠海澳大科技研究院微電子研發中心新址啟用儀式”，標志著位于合作區的珠研院微電子研發中心新址正式啟用。

陳知行透露，未來，模擬與混合信號超大規模集成電路國家重點實驗室及微電子研發中心將通過澳門、橫琴粵澳深度合作區的資源和政策，依托國家重點實驗室的研發實力，將澳門大學的科研人才留在與澳門隔海相望的這片土地;積極推動與企業共建聯合實驗室，壯大工業盟友隊伍，構成粵港澳大灣區、澳門大學的“聚合變”連體效應，為中國建設技術先進、安全可靠的集成電路產業體系和實現集成電路產業跨越式發展規劃助力。

（責編：袁園）