教师手记 | 清华大学首篇本科生一作ISSCC是如何澳六联盟的

2024年2月,ISSCC (International Solid-State Circuits Conference)国际固态电路会议于旧金山澳六联盟。ISSCC 国际固态电路会议始于1953年,是全球学术界和工业界公认的集成电路设计领域最高级别会议,被认为是“集成电路设计领域的奥林匹克大会”。


集成电路学院微01班本科生葛桓羽题为A 13.7-to-41.5GHz 214.1dBc/Hz FoMT Quad-Core Quad-Mode VCO Using an Oscillation-Mode-Splitting Technique的论文被该会议录用,且被选为射频方向的亮点论文。葛桓羽在大会上做了口头技术报告,这是清华大学首次有本科生以第一作者身份在ISSCC上发表论文


葛桓羽在ISSCC作口头技术报告


作为葛桓羽的指导教师,贾海昆老师记叙了这篇论文诞生背后的过程:

葛桓羽同学大约在2022年4月份找到我,当时是大二下学期,他表达了自己对做一些射频集成电路设计科研的兴趣。对于本科同学想提前进实验室获得一些科研经历,我们课题组一向都非常欢迎。我跟他约了一次午餐,介绍了实验室的科研情况,确认他的确学有余力。这一点我自认为非常重要,因为本科生和研究生的学习方式存在不同:本科期间以讲授式的学习为主,是搭建专业知识体系最重要的时期,而且这阶段的考试成绩有着非常现实的意义;研究生阶段大体上是项目式的学习方式,更注重细分领域的钻研。如果因为科研体验而错过了知识体系搭建就得不偿失了。

确认无误后我给他安排了我们课题组一个毫米波功率放大器的入组培训题目。这背后的考虑是这样的:本科同学并没有真正确定将来的方向,体验科研最好不要耽误到课程学习和考试,放进有明确时间节点压力的科研项目中并不合适。通过一个训练提前培养技能,看看是否真的有兴趣,如果同学将来换了方向这段经历至少也不亏。这个入组训练源自于我们课题组以前的科研成果,要求同学做到可以流片的程度,有一定的分量。没想到葛桓羽同学上手速度较快,到2022年8月基本完成了技能培训。

暑假之后,给他安排了对一个压控振荡器进行工艺迁移的工作。这个任务比技能培训难,最后是要真刀实枪地进行流片,但好处是有一个不错的版本作为参考,不用从零开始。这个工作中体现出了葛桓羽的一个优点:能很快地吸收课题组已经积累的一些好做法,最后版图画出来已经很严谨了。这点对于刚刚进入某个科研领域的同学非常重要,一般好的课题组都在自己的研究方向有很深的积累,有很多细节是前人不断摸索总结出来的,新入组的同学需要尽快地吸收这些经验,把技能拉到平齐的程度,然后才有可能站在平台的基础上出新的成果。

2023年2月份,春节后返回学校,他的工艺迁移工作也很令人惊喜地完成了。既然技能已经较为成熟,那下一步是不是可以出一些学术成果了呢?那时我正在思考宽带压控振荡器的技术发展趋势,整个思考简化为如下几点观察∶

1、小面积实现倍频程以上的压控振荡器是个真实的需求;2、大开关电容或开关电感存在范围和品质因子的折中关系,不可取;3、模式切换利用核与核之间的共振突破了上述折中关系,实现了两种电感量,具备明显优势;4、双模的频率范围不够;5、现有的三模四模技术要么引入额外电容、要么有关断的晶体管管寄生电容,不够痛快;6、基于我前一个JSSC工作的理论分析,当采用适当的电感拓扑时,多核压控振荡器可较好的抵抗感性失配;7、那在容忍一定感性失配情况下,我们能否构造出一种四模压控振荡器,它存在四种独立的电感量,同时尽可能小的引入额外寄生电容,这样我们可以在最少牺牲噪声性能的前提下进一步扩展调频范围。

基于这些思考,我有了一个初步的技术方案,找葛桓羽进行探讨,设定的设计目标是13-39GHz,接近100%的调谐范围,在文献中也处于非常领先的值,希望能够通过这样一个指标来充分证实我们的技术方案。

他领了任务,很快做了简单的原理验证,证实想法的确可行。原理验证这一步对于科研也很关键,在我们投入大量时间进入细节设计时,需要先从原理上证实可行,一方面避免浪费时间,另一方面对后面的细节设计起到方向性的指导作用。在后面具体的设计中也并非一帆风顺,遇到的几个障碍我们通过讨论也顺利的解决了,不构成根本性问题。首先仿真发现不同模式电感存在一些关系,覆盖范围分布不太均匀。我们讨论后通过引入额外的设计自由度,通过加入与极性相关的电容解决了。在同步网络布线拥挤的问题上,我们通过级联接力解决了。这些会议论文上都有报道。解决掉这两个问题后,剩下的难点就不多了。到2023年4月中旬,他拿出了一个很漂亮的版图和不错的仿真结果。流片时间节点在五月份,还剩余一些时间,我们讨论后他又投入了新想法的设计工作。流片前加班加点,总算把这两颗芯片顺利交了出去。

后来这两颗芯片回片测试结果都满足预期,其中一颗芯片我们测到了超过100%的调谐范围和214dBc/Hz的FoMT——是文献报道过的最好值。完成测试后进行论文撰写,整个论文撰写的过程持续了三个多星期,我们对文字和附图进行一轮轮的打磨,直到从风格和内容质量上都能到达到顶级学术会议的要求,完成了两篇论文的撰写。论文写作也是整个学术训练过程中重要的一个环节。因为有好的想法和测试结果打底,一篇论文被ISSCC会议录用,另一篇被CICC会议(将于今年4月份澳六联盟)录用。两篇论文都是葛桓羽一作。

从2022年4月进入课题组做一些工作,到2023年5月流片,到2024年初获得两篇集成电路设计高水平学术会议的成果,这一年紧凑且富有成效。复盘整个过程,首先葛桓羽同学非常优秀,但整件事其实也并非那么难,在一些成熟的具备丰富积累的课题组平台上,有时候只需要一些巧思就能在技术上取得突破,从想法到实现的路径是通畅的,本科生完全可以做出非常棒的学术成果。这个过程需要具备一些品质,比如能快速吸收他人的经验和积累、在遇到障碍时能跳出来灵活变通、具备归纳、总结、思考的习惯、具备一些抗压能力,这些足以产出一些好的学术成果。对于取得了顶级学术成果的同学,需要谨记发论文绝不是科研的全部目的,后面还有科研品味、科研视野、解决大问题的志向等更高的品质需要去追求。

期盼每一位同学都能在科研的道路上不断潜心耕耘、收获成长!