毛军发院士 | 基于基片集成波导的高速电子系统互连技术

点击上方“中国科学信息科学”, 及时获取期刊动态!

摘要

 作者: 李晓春   毛军发*  

上海交通大学   

人类社会正迎来大数据时代, 对数据传输速率的要求越来越高, 迫切需要发展高集成度、高速率的新型互连技术, 满足每秒太比特甚至更高速率数据传输需求. 传统平面集成互连技术, 如微带线、带状线、共面波导等, 采用开放式结构, 受带宽与损耗限制, 其时延、衰减、串扰等信号完整性问题在数据速率达到每秒吉比特以上时非常严重, 无法满足传输需求. 

为了提高传输速率, 在传统互连技术基础上, 可采用串行链路与差分技术, 均衡与预加重技术等, 但仍无法从根本上解决互连的高速数据传输问题. 基片集成波导技术作为一种新型的平面集成互连结构, 兼具传统平面集成互连的易集成与波导的宽频带、低损耗与低串扰优点, 近些年来逐渐在高速互连技术中得到应用, 实现了高速率的数据传输. 

本文详细介绍了各种新型基片集成波导互连的物理结构与传播特性、传输模式与机制, 以及已实现的数据传输速率, 其中包括了作者近几年的一些最新研究成果. 

按照传输模式不同, 基片集成波导互连主要可以分为3 类: TE 模式的基片集成波导互连(SIW)、TEM 模式的基片集成同轴互连(SICL), 以及混合模式的基片集成波导互连. TE 模式SIW 互连为带通信道, 需对基带信号进行调制方可进行传输. SIW 互连系统引入调制技术增加了传输复杂度, 但多种调制技术的灵活运用可以增加信道利用率, 从而提高数据传输速率. SICL 互连采用TEM 模式, 不需调制解调, 并且准封闭式结构保证了良好的信号完整性. 混合模式的SIW 互连通过共享导体或介质, 集成了SIW 与其他结构互连, 可同时传输TEM 模式与TE10 模式. 

按照物理通道数分类, 基片集成波导互连又可分为单物理通道单路信号传输、单物理通道多路信号并行传输、多物理通道多路信号并行传输. 单物理通道单路信号传输, 采用单个物理信道, 基于单模或多模方式传输一路信号. 单物理通道多路信号传输, 则采用单个物理信道, 通过多种模式或复杂调制技术传输多路信号. 多物理通道多路信号并行传输, 采用多个物理信道, 基于单模或多模方式并行传输多路信号. 各种新型基片集成波导互连的提出, 为实现高速率的数据传输提供了关键技术与解决方案.

长按并识别以下二维码，免费下载全文PDF.

人

物

风

采

毛军发, 1965年8月生, 1985年在国防科技大学获学士学位, 1988年在中国科学院上海原子核研究所获硕士学位, 1992年在上海交通大学获博士学位, 然后留校工作至今. 1994～1996年在香港中文大学和美国加州大学伯克利分校各做了1年博士后研究. 现任上海交通大学副校长、讲席教授. 毛军发是中国科学院院士、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授和创新团队学术带头人、国家杰出青年科学基金获得者、国家自然科学基金委创新研究群体带头人、973首席科学家、中国电子学会会士、微波分会主任委员、IEEE Fellow、2015 IEEE Fellow Committee Member. 毛军发长期研究高速电路互连、射频电子三维封装及电磁兼容与防护, 获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖、何梁何利科学与技术创新奖各1项. 发表学术论文400多篇, 其中IEEE刊物论文120多篇,《电子学报》论文15篇, 国际学术会议论文150多篇, 出版研究专著2本, 获授权发明专利30项.

 ·主要成就一

建立了认识集成电路互连信号完整性问题的特征法方法体系, 提出了解决问题的新技术方案, 产生了重要国际学术影响.

随着工作速度提高, 集成电路中脉冲信号的频谱进入微波毫米波波段, 信号在互连传输时产生时延、幅度衰减与串扰噪声等电磁波效应, 信号的完整性受到破坏, 使电路性能指标下降甚至不能工作. 这就是"互连信号完整性"问题, 必须分析处理. 由于高速互连具有分布参数, 而传统电路理论只针对集总参数, 因此需要新的理论方法. 毛军发建立了特征法方法体系, 认识了互连信号完整性问题的产生机理和表现规律, 解决了通过实验测量建立互连模型、频变参数互连时域分析、互连电路灵敏度分析、高速脉冲信号成形多个难题, 被权威专家在引文中评价"新方法"、"可用于最广泛情形互连分析"、"灵敏度分析的基础性工作"、脉冲成形的"两种标准工具之一", 用于Cadence、Intel与华为互连建模和斯坦福大学磁盘驱动脉冲设计. 提出互连多目标优化设计思想, 得到了45∼130纳米工艺互连最优设计参数, 被跨国公司Mentor和剑桥大学等用于7种高速互连设计, 综合性能提高30%以上. 发现碳纳米管全局互连时延只有相应铜互连20%等重要性质, 成果连续3次被《国际半导体技术发展路线图》引用采纳, 指导互连新技术发展. 发明了一种毫米波新互连, 数据率1.35 Tbps, 为当时报道的电互连数据率国际最高纪录, 且不需调制解调, 已在华为公司高速产品试用.

 ·主要成就二

解决了射频电子三维集成封装无源元件小型化、多物理特性协同分析设计的一些关键问题, 成果用于我国重点型号产品.

射频电子三维封装具有功能强、尺寸小、带宽大、功耗低等优点, 但由于其三维多尺度复杂结构、多工艺高密度混合集成, 分析设计面临新挑战. 毛军发院士提出了多种无源元件设计新原理、新结构, 以及用一个元件实现多种功能的一体化设计新思路, 发明了一系列可在射频电子封装中集成的微波无源元件, 性能提高的同时面积可减小一个量级. 一种滤波器被引文评价为"用最小尺寸实现了更大带宽", 一种功分器被评价为"功分器首次具有带通滤波功能". 无源元件用于我国重要射频前端研制. 提出了三维封装电、热、应力多物理特性协同分析设计思想和相应多物理场算法, 建立了三维封装电、热、应力协同分析设计工具平台, 用于我国重要射频电子系统设计. 合作研制出一种X波段雷达前端和C波段三维收发组件, 用于我国重要雷达.

文章出版信息

基于基片集成波导的高速电子系统互连技术.

李晓春, 毛军发.  

中国科学: 信息科学, 2018, 48: 1165-1182

您可能还感兴趣:

查阅我刊已出版文章，长按并识别以下二维码，获取《中国科学：信息科学》快速访问入口！

快速访问入口 

长按并识别二维码，收获惊喜！