国家科技奖 | 从集成电路到集成系统，毛军发院士团队为射频芯片设计另辟蹊径打破垄断

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射频系统设计自动化关键技术与应用-基于该项目射频EDA软件研制的系列集成无源器件(IPD)芯片。

射频系统是无线通信、无人系统、航空航天等重要领域电子系统的核心部件，每一个享受现代信息社会便利的人无时无刻不在使用着射频技术，从手机、智能家电到卫星导航、自动驾驶都离不开它。

设计自动化技术是射频技术与产业链的源头与基础，也是长期受制于人的“卡脖子”技术难题。由中国科学院院士毛军发领衔的“射频系统设计自动化关键技术与应用”项目，打破传统“路”的思维，以“场”分析为基础，将量化分析贯穿到设计、制造、封装、测试技术全链条，取得了多项关键技术突破。在今天召开的2023年度国家科学技术奖励大会上，该项目被授予国家科技进步奖一等奖。

从“路”到“场”，基础应用研究要解决真问题

射频技术的关键点包括硬件、软件两部分，硬件包括射频芯片、元器件与天线等，它们的组合便形成了射频电子模块与系统。软件技术则是设计射频芯片和系统的电子设计自动化工具，主要包括各种算法、模型和设计流程。射频电路系统具有跨尺度、跨材料、多物理、多功能、分布参数效应等特点，无论硬件还是软件，都曾长期被国外垄断。

传统集成电路芯片设计采用“路”的思维。“路”即电路，设计师们把各种功能芯片排列在基板上，将其一一互连起来，保证各项功能正常运行。当电子产品越做越小、工作频率越来越高，一块电路板上的芯片越来越多、越来越密，芯片电路尺寸与波长越来越接近，芯片之间、芯片与元器件之间的电磁干扰就会越来越强，芯片设计已无法忽略电磁场对电路系统性能的影响。

射频系统设计自动化关键技术与应用-基于该项目射频EDA软件研制的系列射频三维集成组件。

上世纪八九十年代，高速集成电路的研究与应用在我国尚属于初级阶段，毛军发在其博士导师李征帆教授指导下，洞察到“信号完整性”在未来应用中的重要价值。他完成了国内在该领域的首篇博士论文，采用电磁场的理论方法分析电路和互连的问题。如今，“信号完整性”已被业界普遍认为是高速高频芯片设计必须解决的一个重要问题。

“场”的思维体现了毛军发的技术预见性。电磁场对射频硬件的干扰，是在摩尔定律发展到后期，电路和芯片复杂度提升、频率更高时才开始引起巨大关注。早在十多年前，毛军发就带领上海交通大学团队开始做这方面的预研，提出了一系列核心仿真算法与设计方法，并逐步凝聚了一批上下游企业，形成了产学研协同创新的生态圈。

“场”分析需要求解大量复杂的数学物理方程，虽然精准，但计算资源消耗大。毛军发认为，针对复杂射频电路系统设计，要以“场”分析为基础，将“场”与“路”的方法紧密结合，兼具精度和效率优势。“我们从事基础应用研究，要真解决问题，解决真问题，使问题真解决。”他说。

从集成电路到集成系统，另辟蹊径绕道摩尔定律

随着摩尔定律逼近极限，晶体管尺寸继续缩小，面临物理原理、技术手段和经济成本三重挑战。毛军发提出，发展“集成系统”是绕道摩尔定律、实现复杂微电子系统的重要技术途径。“集成电路只是手段，微电子系统才是目的。”他说，“单一芯片再先进，只有在系统中才能发挥作用。”

射频系统设计自动化关键技术与应用-射频系统EDA软件。

研发集成系统，需要产学研协同攻关。该项目第二完成单位、芯和半导体科技（上海）有限公司总裁代文亮介绍，不同维度的芯片结构用到的仿真算法各不相同，多层平面电路分析采用矩量法，三维集成系统使用有限元算法。“如果将芯片、传感器、元器件、天线等都集成到一个系统中，就需要协同仿真设计的方法论和软件工具。”他说。

在“集成系统”思维的指引下，项目组提出多物理耦合、多功能融合、多工艺混合的设计实现思路，作为示范，重点开展了射频集成系统的研究。团队打通了不同材料、结构、工艺的芯片与电路系统设计，从顶层设计提高整体性能和研发效率，实现系统规划、协同设计、融合制造、一体化集成。

十年潜心攻关，项目成果斐然。项目组提出了多性能多功能协同设计理论方法、多物理特性建模仿真高效新算法，多项关键指标显著优于国际同类主流软件；研发出我国首套及系列射频系统设计自动化软件，基本实现自主可控，部分工具填补国际空白。目前，该项目研发的成套设计软件已用于400多家行业知名企业，支持了600多款射频芯片、组件与微系统产品研制，量产20多亿颗。其中一款芯粒-先进封装联合仿真工具被国际头部客户评价为“在仿真时间和内存消耗方面提供了业界前所未有的性能优势”。

在人工智能技术高速发展，算力需求与日俱增的今天，“集成系统”设计思想的重要性愈加凸显。毛军发预测，未来60年可能是集成系统的时代。目前该团队正在对集成系统的技术雏形进一步攻关，如异质异构集成微系统技术、封装中天线技术、记忆智能射频电路系统等，计划将“集成系统”设计思想推广到更多应用领域中。

　　作者：沈湫莎

文：沈湫莎图：受访者提供编辑：沈湫莎责任编辑：任荃

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