戶萬

小到用智能手機(jī)追劇，大到靠無人駕駛飛行器空運海鮮，集成電路與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)。芯片作為在集成電路上的載體，廣泛應(yīng)用在軍工、航天等各個領(lǐng)域，是能夠影響一個國家現(xiàn)代工業(yè)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(jìn)口，缺乏自主研發(fā)，包括超高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片在內(nèi)的諸多關(guān)鍵的芯片設(shè)計技術(shù)都被國外公司壟斷。國外巨頭依靠在芯片領(lǐng)域長期積累的核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)，通過技術(shù)、資金和品牌方面的優(yōu)勢一直占據(jù)著集成電路的戰(zhàn)略要地，這使我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)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(chǎn)華為所用零部件，幾乎封鎖了華為所有核心部件供應(yīng)。面對當(dāng)前嚴(yán)峻的國際芯片發(fā)展形勢，缺“芯”之痛，觸動了每一個中國人，澳門大學(xué)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(zhàn)的千千萬學(xué)者之一。他立志為國創(chuàng)“芯”，為國育人，“要讓外國人看到，中國也有自己的技術(shù)，也有高超的技術(shù)水平，能夠完成整個信號鏈、數(shù)據(jù)鏈的系統(tǒng)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(fā)了創(chuàng)“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(xué)習(xí)干勁兒”“偏科極其嚴(yán)重”是他揮之不去的標(biāo)簽。這樣的情況一直持續(xù)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(jī)硬件，非常想學(xué)習(xí)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(lián)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(jìn)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(qiáng)的芯片是如何誕生的……隨著對計算機(jī)硬件設(shè)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(yè)?！钡虼饲皩W(xué)習(xí)成績不太理想，他早已被安排到文科組學(xué)習(xí)，基于當(dāng)時的文、理專業(yè)報考規(guī)定而無法在澳門或內(nèi)地升讀心儀科目，他只能前往國外求學(xué)。

凡心所向，素履以往。當(dāng)陳知行發(fā)現(xiàn)要實現(xiàn)夢想就一定要去國外，無論如何都要把英語學(xué)好的時候，他就開始自發(fā)補(bǔ)習(xí)，不僅在學(xué)校積極請教老師和同學(xué)，放假回家時也想盡辦法自學(xué)。在這樣高強(qiáng)度的學(xué)習(xí)狀態(tài)下，他在短短一年內(nèi)從成績倒數(shù)變?yōu)槊星懊?，最后如愿以償?shù)乜既朊绹A盛頓大學(xué)，就讀電機(jī)及計算機(jī)工程專業(yè)。他說：“以我自己的例子來說，現(xiàn)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?，F(xiàn)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(biāo)，一旦找到這個目標(biāo)，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?！?/p>

客觀上來說，獨自赴美國攻讀電機(jī)及計算機(jī)工程對陳知行而言，是艱難困苦的。不僅僅因為這一專業(yè)稱得上是整個學(xué)校數(shù)一數(shù)二難讀的專業(yè)，也因為他此前身處文科組，并不像大多數(shù)同學(xué)那樣擁有扎實的物理、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)知識，往往要付出多于常人數(shù)倍的努力?？啥嗄旰螅愔谢貞浧鹉嵌伪尘x鄉(xiāng)的艱苦求學(xué)時光卻是滿眼笑意：“能夠不斷向著夢想的方向一步步前進(jìn)，是幸運的，更是快樂的。同時，父母不惜節(jié)衣縮食也要支持我在外求學(xué)的無私付出也一直激勵著我、溫暖著我?！?/p>

踏上科研道路之前，陳知行也曾想過進(jìn)入芯片制造企業(yè)工作。大三的暑假，他返回澳門實習(xí)，那時他只是掌握了電機(jī)及計算機(jī)工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)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(shè)計哪方面的工作也有些迷茫。幸運的是，他在實習(xí)期間結(jié)識了澳門大學(xué)電機(jī)及電腦工程系余成斌教授，余教授的教導(dǎo)使他獲益匪淺并堅定了從事科研的決心。大學(xué)畢業(yè)后，他就來到了澳門大學(xué)攻讀碩、博士，繼續(xù)跟隨余成斌教授探索模擬混合信號的技術(shù)奧秘，此后更是憑借出色的成績成為澳門大學(xué)模擬與混合信號超大規(guī)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(shù)轉(zhuǎn)換器研究方向，數(shù)十年如一日。

立足實踐?創(chuàng)新不止

模擬與混合信號超大規(guī)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(tǒng)的尖端研究，聚焦模數(shù)轉(zhuǎn)換器和低功耗射頻芯片兩個主要研究方向，同時積極發(fā)展電源管理和微流控芯片研究方向。實驗室近年來發(fā)表的論文數(shù)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(yè)的芯片奧林匹克大會”之稱的“國際電機(jī)電子工程師學(xué)會（IEEE）國際固態(tài)電路研討會（ISSCC）”上，共發(fā)表了45篇關(guān)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、射頻和電源管理等領(lǐng)域的論文。

在陳知行看來，團(tuán)隊之所以能夠取得如此優(yōu)異的成績，離不開導(dǎo)師們的悉心指導(dǎo)和團(tuán)隊所有成員的齊心協(xié)力。“團(tuán)隊中的余成斌教授及馬許愿副校長等導(dǎo)師很愿意花時間在學(xué)生身上，常常通宵達(dá)旦地工作，為的就是提高學(xué)生的研究質(zhì)量，不辜負(fù)好的數(shù)據(jù)結(jié)果。在他們的帶領(lǐng)下，整個團(tuán)隊氣氛非常團(tuán)結(jié)融洽，每個人都全力以赴，只為成為更優(yōu)秀的自己?！痹诎拈T大學(xué)從事研究工作的刻苦歲月里，老師們對學(xué)術(shù)的求真精神深深影響和啟發(fā)了陳知行，使他學(xué)會了堅定面對各種考驗和挑戰(zhàn)，在失敗中建立自信，循序漸進(jìn)，持之以恒。因此，每當(dāng)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(tài)電路研討會（ESSCIRC）2014”上發(fā)表論文，并從兩百余篇來自世界各地的優(yōu)異論文中突圍而出，奪得最佳論文獎。相關(guān)研究針對模數(shù)轉(zhuǎn)換的整體構(gòu)架、采樣前端設(shè)計及偏差矯正方法提出了3個創(chuàng)新點，從而使模數(shù)轉(zhuǎn)換器在極高轉(zhuǎn)換速率的情況下也能取得高轉(zhuǎn)換效能及良好的線性度和精準(zhǔn)度。與同年在國際晶片奧林匹克上發(fā)表的設(shè)計相比，這一設(shè)計避免了繁瑣的采樣時間誤差矯正技術(shù)，從而在極小的面積和極低功耗的情況下，也能達(dá)到更好的動態(tài)指標(biāo)。

2015年因在模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，陳知行獲得由國際電機(jī)電子工程師學(xué)會固態(tài)電路學(xué)會頒發(fā)的預(yù)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(dǎo)體十大研究進(jìn)展候選推薦——基于時間域量化技術(shù)的高速高帶寬時間交織模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，是陳知行指導(dǎo)博士后完成的研究工作。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器被稱為“連接物理世界與數(shù)字世界的橋梁”，是信號鏈通路的關(guān)鍵模塊，高速高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在日常的無線通信系統(tǒng)、乙太局域網(wǎng)、寬頻衛(wèi)星和電纜接收器等方面有著廣泛的應(yīng)用。然而作為光通信、雷達(dá)、高速示波器等應(yīng)用的核心器件，支持高輸入帶寬的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)長期被國外壟斷。傳統(tǒng)的國產(chǎn)電壓域模數(shù)轉(zhuǎn)換器由于受限的單通道轉(zhuǎn)換速率及可觀的輸入電容，導(dǎo)致其在時間交織結(jié)構(gòu)中面臨低輸入帶寬、高功耗、大芯片面積等諸多難題及挑戰(zhàn)。后來，隨著集成電路加工工藝的提升，高度數(shù)字化的時間域量化技術(shù)無論在轉(zhuǎn)換速率還是轉(zhuǎn)換能效上都逐漸顯示出巨大發(fā)展?jié)撃埽瑫r亦有利于降低高速模數(shù)轉(zhuǎn)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(fā)的量化誤差源，成功設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器。他們提出的基于16倍插值技術(shù)的兩步流水線結(jié)構(gòu)，不僅避免了復(fù)雜的級間增益校準(zhǔn)而且將量化時間步長降低到1.5皮秒以內(nèi)。得益于內(nèi)建電壓—時間轉(zhuǎn)換單元的天然緩沖功能，設(shè)計的模數(shù)轉(zhuǎn)換器支持高達(dá)18千兆赫茲的有效輸入帶寬，兼容射頻直接采樣系統(tǒng)的應(yīng)用。這種10每秒千兆采樣、8比特的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在65納米互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝下進(jìn)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?lián)碛?0.1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(lǐng)先于國際同等規(guī)格模數(shù)轉(zhuǎn)換器。不僅如此，這一模數(shù)轉(zhuǎn)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(huán)境，為相關(guān)成果由學(xué)術(shù)向產(chǎn)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移創(chuàng)造了更大的可能。

2019年年底，澳門大學(xué)的模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點實驗室在橫琴設(shè)立分部，使得橫琴成為承載澳門集成電路創(chuàng)新資源最便利、最通暢的區(qū)域之一。近年來，雙方合作在集成電路領(lǐng)域頻頻發(fā)力，至2020年年底，合作區(qū)集成電路產(chǎn)業(yè)相關(guān)注冊企業(yè)超過400家。通過與行業(yè)內(nèi)頂尖公司合作，陳知行看到的不再只是學(xué)術(shù)層面的問題，而是更多地看到公司在應(yīng)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(jīng)歷是關(guān)于芯片的功耗改進(jìn)研究。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，芯片內(nèi)的電路密度翻了一番，其運行頻率是以前的數(shù)倍，片上布線也越來越細(xì)，片上電源網(wǎng)絡(luò)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(fā)送到每個單元。如果做不到這一點，芯片的穩(wěn)定性和預(yù)定的工作頻率就會成為問題。由于非盈利研發(fā)模式下的慣性思維限制，陳知行等人最初設(shè)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(fā)熱情況，封裝結(jié)構(gòu)需要及時傳遞芯片產(chǎn)生的熱量，否則溫度會升高，電路無法穩(wěn)定工作。因此，發(fā)熱量大的芯片需要選擇散熱良好的封裝，或者額外增加風(fēng)扇等散熱系統(tǒng)，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(tuán)隊的設(shè)計方案，則又必然導(dǎo)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(jīng)很不錯了，但是沒想到真正面向應(yīng)用時仍然會發(fā)現(xiàn)許多問題。”經(jīng)過近一年的探索與攻關(guān)，陳知行等人才最終找到一種低成本、低功耗的芯片設(shè)計思路，幫助企業(yè)成功解決芯片制造問題。

由澳門大學(xué)師生參與開發(fā)的各項專利技術(shù)，在企業(yè)平臺上實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。對企業(yè)而言，這是一次全新的產(chǎn)學(xué)研合作探索，對澳門大學(xué)等高等院校來說，這同樣是一次在科研成果轉(zhuǎn)化方面令人振奮的成功實踐。

力促發(fā)展?為國育人

繼看問題角度由專注學(xué)術(shù)成功轉(zhuǎn)變?yōu)榧骖檶嵺`應(yīng)用之后，陳知行于2020年迎來了心態(tài)上的重大轉(zhuǎn)變。這一年，他開始獨立帶領(lǐng)屬于自己的課題小組進(jìn)行項目攻關(guān)，并同時承擔(dān)10名學(xué)生的培養(yǎng)工作。

“相較于科研來說，培養(yǎng)學(xué)生是另一個層面的挑戰(zhàn)。因為獨自一人做什么都可以很好地控制，但是同時帶領(lǐng)10名學(xué)生進(jìn)行研究則完全不同。”彼時，陳知行帶領(lǐng)團(tuán)隊需要立足不同的通信應(yīng)用場景，針對無線通信的模式轉(zhuǎn)換問題進(jìn)行擴(kuò)展。這種擴(kuò)展和陳知行攻讀博士時期就開始積累的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計結(jié)構(gòu)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(xué)起，還要同時幫助自己的學(xué)生掌握新知識。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形工作時，所有的建模都要推翻重做，但偏偏這種模數(shù)轉(zhuǎn)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(jìn)一步提高芯片效率。其中，我的學(xué)生貢獻(xiàn)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(qū)科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎，我認(rèn)為更寶貴的是，學(xué)生通過自己努力，開拓了一個新的方向，而參與這項目的學(xué)生也獲得了澳門特別行政區(qū)研究生科技研發(fā)獎?！弊源?，陳知行在思維方式上真正從單純的學(xué)者成長為一名合格的教師與團(tuán)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(xì)觀察，靜下心來仔細(xì)思考：中國集成電路的發(fā)展究竟需要怎樣的人才作為支撐？身為高校老師，又當(dāng)如何培養(yǎng)出國家和社會的棟梁之材？

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

聚焦陳知行所帶領(lǐng)的團(tuán)隊，人們能夠發(fā)現(xiàn)，他的學(xué)生往往只在第一次嘗試獨立研究時才能夠得到來自導(dǎo)師的事無巨細(xì)的指導(dǎo)教學(xué)。因為在陳知行看來，要想培養(yǎng)出能夠引領(lǐng)行業(yè)未來發(fā)展的高質(zhì)量人才，就應(yīng)當(dāng)嘗試區(qū)別于傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式的人才培養(yǎng)新模式——讓學(xué)生在實踐中學(xué)、在應(yīng)用場景中鞏固。這也要求老師更加注重培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和獨立性思維，對學(xué)生采取梯度式指導(dǎo)教學(xué)而非全階段手把手教學(xué)。“通過獨立思考獲得的認(rèn)識，往往要比借助他人力量取得的成果更加寶貴?！标愔谐３＝虒?dǎo)學(xué)生，每個人都可能面臨一種“為生活所迫”的狀態(tài)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(diào)整好心態(tài)?！翱陀^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(xué)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(xué)、為研精神下，陳知行所在的模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點實驗室才能以最初十余人的團(tuán)隊規(guī)模，在短短數(shù)年內(nèi)迅速發(fā)展成集成電路領(lǐng)域的國際一流實驗室。2022年5月20日，澳門大學(xué)在橫琴粵澳深度合作區(qū)創(chuàng)意谷舉行“珠海澳大科技研究院微電子研發(fā)中心新址啟用儀式”，標(biāo)志著位于合作區(qū)的珠研院微電子研發(fā)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(guī)模集成電路國家重點實驗室及微電子研發(fā)中心將通過澳門、橫琴粵澳深度合作區(qū)的資源和政策，依托國家重點實驗室的研發(fā)實力，將澳門大學(xué)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(yè)共建聯(lián)合實驗室，壯大工業(yè)盟友隊伍，構(gòu)成粵港澳大灣區(qū)、澳門大學(xué)的“聚合變”連體效應(yīng)，為中國建設(shè)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的集成電路產(chǎn)業(yè)體系和實現(xiàn)集成電路產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展規(guī)劃助力。

（責(zé)編：袁園）