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项目名称:两款浙大芯:低轨卫星相控阵接收芯片和数据中心电源转换芯片

项目简介

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海洋学院和微纳电子学院的联合团队成功开发国际领先的K波段低轨卫星相控阵接收芯片和片上集成功率管48V/1V的数据中心电源转换芯片,成果均获ISSCC展示机会后者并获丝绸之路奖。

The joint team led by professor Zhiwei Xu from Ocean College, associate professor Wanyuan Qu from School of Micro-nano Electronics and associate professor Chunyi Song from Ocean College has successfully developed two ICs: the first one is an adaptive analog temperature-healing low-power 17.7-to-19.2 GHz receiver chip for LEO satellite communications, which creates the world records on low power consumption and low gain variation across temperature change for phased-array receivers (with ±0.005dB/°C gain variation across -15 to 85°C,10 times better than the prior arts; the second one is a 12-level series-capacitor 48V-to-1V converter chip, which waives most of the external components by exploiting the superior switch performance of on-chip transistors, thereby achieves, among other 48V-to-1V designs, the highest switching frequency and highest current density, when judging from the power stage volume.

Both ICs by the joint team have been demonstrated in IEEE ISSCC 2021.This is the first time that the ICs produced by Zhejiang University appeared in the foremost global forum for presentation of advances in solid-state circuits and systems-on-a-chip.

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项目团队

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徐志伟博士:海洋学院教授、博导,国家引才计划专家,浙江省领军型创新团队(基础研究类首批)负责人,浙大海洋信息学系主任、海洋电子与智能系统研究所所长;美国加州大学洛杉矶分校电子工程系博士;长期就职于产业界,先后在上海华虹,G-Plus, SST Inc., Conexant Corp., 和NXP Inc.历任公司研发部门的经理,资深经理和部门主管,领导团队从事集成电路系统研发;2015年加入浙江大学,从事电路设计方法研究,目前的主要研究方向是智能感知集成芯片与系统。 

屈万园博士:微纳电子学院副教授、工程师学院副教授;韩国科学技术院(KAIST)博士;2008年至2017年就职于韩国LG从事集成电路研发工作,历任工程师、资深工程师、责任工程师/项目主管,长期从事数模混合集成电路设计相关研究工作。目前担任IET Journal of Engineering期刊编委(Associate Editor)、IEEE Asian Solid-State Circuits Conference等会议技术委员会(TPC)成员。发表ISSCC/JSSC论文多篇。获授权美国专利8项,韩国专利5项。目前主要从事高性能电源管理芯片、低噪声放大器、脑机接口前端采集芯片的研究。 

宋春毅博士:海洋学院副教授、博导,浙江省引才计划专家,浙大海洋电子与智能系统研究所副所长;早稻田大学博士;曾在早稻田大学和日本国家信息通信技术研究院(NICT)工作7年,历任Research Associate、研究员和资深研究员;2014年加入浙江大学,主要研究方向为低轨卫星通信芯片与终端。 

由徐志伟、屈万园和宋春毅三位博士带领的芯片团队在低轨卫星宽带通信芯片设计和数据中心电源管理芯片设计领域取得开创性成果,且联合团队的两项成果均以浙江大学为第一单位发表在集成电路领域最高级别会议、具有“芯片奥林匹克”美誉的国际固态电路会议(IEEE ISSCC)上,为浙大实现了“ISSCC零的突破”。IEEE ISSCC始于1953年,据网络上的统计数据显示,截止2020年,中国大陆在该会议累计发表论文数为48篇。

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资料图片

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团队照片

 

低轨卫星相控阵接收芯片-显微照片及通道示意图

 

低轨卫星相控阵接收芯片-直流引脚金丝球焊封装显微照片

 

数据中心电源转换芯片

 

数据中心电源转换芯片的整体系统PCB实物图

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科学解读

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近年华为、中兴通讯等公司的遭遇,使得越来越多的国人意识到“芯片”的重要性和我国在这一技术领域的面临的严峻形式。芯片的生产可以简单分为设计、制造、封装三个阶段,在每一个阶段,我国都与世界先进水平有不小的差距。芯片技术的提升将需要我们几代人持续努力。 

浙江大学在集成电路领域的持续投入正不断结出硕果。2020年,海洋学院、微纳电子学院和工程师学院组成的联合团队取得了开创性的成果,基于该成果撰写的两篇论文被国际固态电路会议(IEEE International Solid-State Circuits Conference,简称ISSCC)收录和展示,其中一篇还被会议组织方授予“丝绸之路奖”。据了解,这是浙江大学首次以第一单位的身份在ISSCC发表论文,标志着浙江大学在芯片设计领域的重大突破。

 国际固态电路会议是世界学术界和企业界公认的集成电路设计领域最高级别会议,有着集成电路设计领域的“世界奥林匹克大会”的雅称。始于1953年的ISSCC通常是各个时期国际上最尖端固态电路技术最先发表之地,受到国际学术、产业界极大关注,每年吸引了超过3000名来自世界各地工业界和学术界的参加者。ISSCC每年大约有200篇论文入选,相当部分的论文来自于芯片领域顶尖的科技公司;我国大陆地区的作者于2005年发表了首篇论文,截止2020年累计发表论文仅为48篇,远低于同期我国大陆地区在Nature和Science两大顶级期刊发表的论文数。 

芯片与我们的日常生活密切相关,在手机、电脑、家电、汽车中都是核心组件。在智能化浪潮下,几乎所有的电器都离不开含有芯片的主控电路。当我们追求功能越来越强大的手机和电脑配置,追求越来越智能的汽车与家电,事实上我们在追逐的是越来越先进的半导体产业。

两个月前成为世界新首富的科技狂人埃隆马斯克创立的公司SpaceX计划利用1.2万颗低轨卫星组成“星链”网络提供互联网服务,又称卫星(太空)互联网,目前已成功发射1000多颗星,在部分地区的试运行中实现了百兆下载速率、几十兆上传速率的WiFi体验,并获得了在英国、德国和澳大利亚等国开展测试服务的许可。 

我国也于2020年确定将卫星互联网列入国家重点建设的“新基建”。 

随着人类活动的边界和联网场景持续扩张,具备全天候大通量联网能力的低轨卫星通信技术蓬勃发展,展现出巨大的经济和战略价值。联合团队在低轨卫星宽带通信芯片领域取得重要成果,研制了一款具有自适应模拟温度补偿的K波段相控阵接收前端芯片。相比于由美欧两三家芯片公司掌控的国际同类产品,自研芯片具有更大带宽、更低功耗、更高幅相精度,尤其是通过在芯片中加入精细的自适应模拟温度补偿设计实现了极低的增益温度系数(在-15°C - 85°C范围内仅有±0.005dB/°C),创造了新的世界记录,使得芯片能够在最低工作环境温度-15°C和最高工作环境温度85°C之间,始终保持稳定的增益水准,这对实现天(星)-地之间近千公里的远距离高效信息传输提供了保障,也是长期困扰产业界的一个命题。该芯片是低轨卫星地面(船、车、飞机等)通信终端最核心的组成部分。

随着我国“鸿雁”“虹云”等低轨卫星星座计划的推进,基于自主芯片研制的卫星通信终端将有力促进全球海洋宽带通信(远洋通信从1G/2G 直接迈入4G/5G时代)、航空宽带通信(飞机上自由使用便宜的WiFi)、偏远山区宽带通信(不再受困于手机信号的不稳定)、广域应急通信(指挥中心随时调看千里之外灾害现场的高清视频)以及正在研讨中的6G网络天地互联通信等应用,构建起天地互连、万物互通的全球物联网。

万物互联时代产生的海量数据将要求现有的数据中心显著提升算力。高能量密度电源技术是长期困扰高算力、集群化数据中心建设的难点。联合团队聚焦数据中心电源管理芯片进行了技术攻关并取得了重大成果,创造性地提出了利用5V低压器件进行48V高压设计的技术理念,通过采用新型能量转换拓扑架构,大幅提升了效率及能量密度基于这一先进理念,在国际上率先研制成功一款高能量密度48V/1V电源转换芯片,为此类芯片应用于高性能数据中心的电源管理系统提供了全新的解决方案,清除了数据中心朝高算力、集群化方向发展和进化的一个关键障碍。

项目成果通过促进自主可控的卫星互联网和超算力大数据中心的建设,将推动宽带互联网和大数据智慧应用服务延伸到海洋、高空和边远地区,并显著提升重大灾害地区的信息保障能力,既服务智慧海洋、一带一路等国家重大战略,也将为千千万万个你我他创造更加便利、智能和安全的生活。

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