与学界合作助力格芯加快奠定6G领先地位

撰文:Gary Dagastine

早些年,半导体公司的发展方向就是花费大量的资金并投入无数的人力,寻找将半导体器件微缩到更小尺寸的方法,因为微缩可以显著提升性能,从而催生诸多新应用。

但随着最近几十年的半导体行业发展,很多功能强大的技术平台应运而生,我们可以经济高效地为这些平台添加新特性和功能,让它们适应新需求。作为全球知名的特殊工艺半导体制造商,格芯®(GLOBALFOUNDRIES®)提供持续扩展的差异化解决方案,以适应各种不断演进的应用,成为了这种技术发展方法的典范。

格芯公司积极致力于成为6G无线通信技术的领导者。格芯提供了大量的平台和解决方案,不仅已经在要求苛刻的通信应用中得到验证,而且仍有更多潜能有待挖掘。其中包括格芯的22FDX™平台和22FDX+解决方案,以及格芯的RF SOI和SiGe(锗硅)解决方案系列。

它们有望成为迈向下一代6G无线通信技术的路径,而6G技术预计将于十年后首次亮相。

Wafer

在有关格芯力争获得6G技术领先地位的最新博客中,我们介绍了格芯的大学合作计划。通过大学合作计划,格芯为超过35个大学团队授予技术使用权,这些团队与格芯研发人员在6G等领域开展密切合作。这些合作团队还将分享他们的研究成果,助力为格芯平台添加新的特性和功能,并在技术和学术会议上发布研究成果,探索新的应用可能性,并向学生介绍这些技术,以便学生在日后的职业生涯中熟悉这些技术。

其中一位研究合作伙伴是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的特聘教授Gabriel Rebeiz博士。作为通信和国防系统集成相控阵领域的先驱,他指导了一系列研究项目,包括45RFSOI的宽带系统、140GHz相控阵等。

在这篇博客中,我们将重点介绍三位资深大学合作伙伴,他们将介绍各自的研究领域,阐述他们如何使用格芯技术,以及与格芯合作对他们和学生意味着什么。他们有着不同的经历和研究方向,他们与格芯的合作将证明格芯在6G研究方面付出的努力,展示格芯公司的战略和技术如何帮助他们更好、更快、更经济高效地在6G领域取得进步:

  • Friedel Gerfers教授(博士)担任柏林工业大学(TU Berlin)的混合信号电路设计机构的主席,他因在5G/6G通信系统的混合信号电路设计领域的杰出工作而被授予爱因斯坦研究基金奖。爱因斯坦柏林基金会是由地区政府成立的组织,旨在资助尖端科研工作,该基金会为Friedel Gerfers的高频实验室提供了资助。该实验室需要大量经费和人手,是德国仅有的两个能够对D频段(最高170GHz)的电气和光学系统进行全面测试和表征的实验室之一。
  • Aarno Parssinen教授(博士)在芬兰奥卢大学的无线通信中心(CWC)从事研究工作。Parssinen教授是该校的6G旗舰计划的领军人物,也是总部位于芬兰的全球领先电信和网络公司诺基亚的关键合作者。
  • Hua Wang教授(博士)担任乔治亚理工学院的电路和系统中心(CCS)的主任。他的团队与很多半导体公司开展了密切合作。Hua Wang教授获得过多项享有盛誉的学术大奖,包括DARPA Director奖。他因为在宽带高能效射频/毫米波电路、新型收发器阵列架构、天线及电子产品协同设计方面的重大贡献而得到业界认可,协同设计对行业研发工作的方向产生了重大影响。

将创意转化为芯片

柏林工业大学的Gerfers教授目前指导15名博士生从事5G/6G架构和解决方案的研究,主要使用22FDX平台,另外还从事高速通信技术方面的研究,例如汽车以太网和光通信。他目前开展的一个项目是全球首个单片集成6G收发器,目的是确定其他哪些技术可与22FDX技术集成在一起以实现10-15GHz带宽,从天线一直到数字位。

Gerfers他具有在飞利浦、英特尔、Inphi和苹果公司从事企业研究工作的背景,另外还曾在两家初创企业Alvand Technologies和Aquantia工作。他在2015年进入柏林工业大学,同年开始与格芯公司开展合作。他表示,自那之后,他与格芯的成功合作不断增加,无论是在数量还是强度上都是如此。

Gerfers教授表示,对于未来的6G无线通信系统而言,高频应用中的能效和强大性能是亟待满足的关键需求。他说:“我们越来越多地感觉到,在很多与社会和技术相关的领域,微电子都成为一个瓶颈,不仅在德国如此,在全球也是如此。为此,格芯制定的大学合作计划就显得非常重要。这种合作将为微电子技术的持续进步提供关键助力,让我们能够使用所需的先进技术,将创意和创新转化为芯片。

此外,22FDX技术的出色性能和特性可以满足很多应用领域的需求。我们使用这种技术来开发高带宽收发器,很少有平面晶体管能够达到目标能效,同时保持严格的噪声和相位噪声预算。我们相信22FDX技术有潜力在250GHz以上的频带中得到使用,因而它非常适合我们希望实现的技术和应用。例如,德国汽车制造商使用了基于FDX的集成电路,不仅因为它们具有高能效的优点,也因为该技术足够强大,能够满足严格的汽车要求。”

Gerfers教授还指出,对于学生而言,与FinFET相比,基于FDX的电路设计和布局更加简单,如果没有大学合作计划,“我们仍在使用28nm甚至更老节点的平面晶体管,无法证明我们的电路解决方案的能效。”

在学术界和产业界之间搭建桥梁

芬兰在移动通信开发领域创造了悠久辉煌的历史。1991年,GSM(2G标准)在芬兰开发并首次部署;通信行业巨头诺基亚公司总部位于芬兰;2018年,作为全球第一个且规模最大的6G研究项目,6G旗舰计划在芬兰启动。

Parssinen奥卢大学的Parssinen教授表示,学术界与产业界的合作对于技术的持续进步是不可或缺的。他说:“在芬兰,学术界从一开始就致力于推动通信行业崛起。我们的角色一直是在传统学术研究和企业产品开发工作之间搭建桥梁,我们参与了2G、3G和4G的核心研究,并正在帮助全世界实现5G。

现在,我们在奥卢大学围绕6G技术制定了宏伟计划。事实上,5G才刚开始启动,我们将来还要应对诸多挑战。但是,我们现在就必须进行长远规划,因为无论花费多少时间进行基础研究,要让知识能够被产业有效利用,花费的时间还要更长。大学的任务就是着眼于未来,尝试做我们还不知道怎么做的事情。这才是科学的真正目的。”

Parssinen教授的专业领域是应用于5G和未来通信网络的蜂窝通信电路及收发器。在研究生院,他领导团队开发了首个单芯片上的3G电路,后来还成为蓝牙低能耗技术标准的主要贡献者之一。他在诺基亚研究中心工作10年,成为该公司首席执行官技术委员会的成员,另外还曾在瑞萨电子和博通担任关键技术开发角色。

在奥卢大学,他领导着大约20人的团队,成员包括博士生和其他教授,他们试图了解未来的应用需求,并且开发电路和系统来满足这些需求。他们的研究领域涵盖相控阵、天线设计、高效波束成形和其他相关主题。该团队还在设计先进的实验室,旨在测量无线电系统的空中传输性能。

他说:“我们使用了格芯的22FDX和45RFSOI技术,两者之间的差异非常微妙。22FDX技术的集成功能非常出色,我们仍然在了解它的功能,这意味着对于从事集成电路设计的学生而言,能够使用这种技术是一种独特的优势。这些年来,我们使用了很多45RFSOI技术,由于我们在这种技术方面的经验更加丰富,我们将它用于较大的芯片。”

“我们与格芯合作的主要优势是可以使用他们的芯片,自由地探索创意,通过大学合作计划,我们能够与同样处于前沿的其他教授分享我们的工作,真的是很棒。”他继续说道,“某种意义上,我们也在与他们竞争,但我们的工作可以从他们的知识和互动中受益。”

未来无线通信的理想系统

乔治亚理工学院的电路和系统中心(CCS)致力于开发面向通信、雷达和医疗保健应用的高频电子产品,Hua Wang教授担任该中心的主任,同时他也是格芯的合作伙伴。乔治亚理工学院CCS中心有8名核心教员、90多名博士生、12位博士后学者。 

WangHua Wang教授自2012年以来一直在乔治亚理工学院任职,此前曾在英特尔和Skyworks Solutions工作,负责毫米波电路和系统的新型解决方案开发,以及低成本蜂窝前端模块(FEM)的开发。

在乔治亚理工学院CCS中心,他的研究重点包括适用于Beyond 5G和6G通信和传感的射频/毫米波/THz集成电路及系统。其他与无线相关的研究主题包括:天线/电子产品协同设计;功率放大器;人工智能(AI)辅助的自适应射频/毫米波电路和MIMO系统。CCS中心的研究领域非常广泛,涵盖高性能计算、低温电子学、生物电子学和生物传感器、物理层安全、基于人工智能的设计自动化。

他说:“我们的研究侧重于无线电路/系统设计创新,特别是射频/毫米波FEM电子产品的输出功率、带宽和重新配置。它们对于5G和未来通信技术非常重要,因为频率越高,信号路径损失越大,为了克服这种损失,每个电路元件必须具备更强大的功能。另外,由于这些毫米波系统采用阵列形式,热管理变得非常困难,能效也变得极为重要。”

他说:“对于未来的无线通信,鉴于复杂的高频谱效率调制的使用日益增加,我们的头等大事是寻找以高数据速率来传输和接收信息的方法,实现非常高的线性度。”

Hua Wang教授表示,市场对天线/电路协同设计的需求日益增加,因为在高频率下波长更短,而且它们现在已经达到了与平面电子电路相同的水平。“这为功率组合、滤波、降噪甚至STAR通信带来了很多可能,虽然这些技术都直接属于天线技术领域,但我们应该全面考虑到所有因素。”他谈到,“例如,我们现在真的有机会重新构建无线前端系统,考虑分布式电子和辐射结构如何结合使用来调制、发射和接收复杂的电磁信号。我们可以研究它们在通信、成像和传感领域的用途。但这里的很多创新必须依赖于不同抽象层上的协同设计,并且利用不同领域的知识。在封装层面上,协同设计也非常重要,关于应该将天线放在封装上,还是放在芯片上,这是一个需要考虑的问题。”

Hua Wang教授表示,格芯的技术平台在这方面提供了诸多优势。他说:“45RFSOI平台在衬底上有很高的电阻,可以使用它开发高效的毫米波前端电路和天线。对于5G,我们一直在使用它和22FDX平台,因为它们非常适合高频毫米波应用。此外,根据各种研究,我们还看到了SiGe器件的发展前景,这些研究表明,作为晶体管速度的衡量指标,它们的Fmax值可以提升到700GHz甚至更高,这种技术有助于实现高良率和高效制造。”

Hua Wang教授指出,对于未来的高频无线系统而言,速度是唯一的关键要求。另外还必须能够在未知或动态环境中应对信号复杂性,同时保持低延迟,这些也非常重要。

他说:“理想的系统应该将先进的SiGe器件与高性能的CMOS技术集成在一起,帮助实现下一代无线电子产品所需的配置。幸运的是,我和学生可以使用这些技术,这要归功于格芯。”