談談熱門的太赫茲芯片

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創，作者：李飛，謝謝。

今年的國際固態半導體電路會議（ISSCC）在幾周前剛剛圓滿結束。作爲芯片行業的頂尖會議，每年ISSCC會議上發表的論文都被認爲是集成電路行業的風向標。今年ISSCC上一個新的動向就是太赫茲電路獲得了空前的重視，本文將對此做詳細分析。

太赫茲技術：背景和應用

首先，我們介紹一下太赫茲技術的背景。太赫茲（Terahertz）中，“太”（Tera）是一種數量級前綴，即10的12次方，因此太赫茲即1000GHz的頻率。目前，通常把300GHz-3THz的頻段稱爲太赫茲頻段。

太赫茲頻段相對於毫米波頻段（30GHz-300GHz）來說，頻率更高，因此第一個潛在應用就是做通信。太赫茲做通信的主要優勢在於可用帶寬較大，因此可以實現非常高速率的無線數據傳輸。也有人認爲，太赫茲有可能在6G通信中起到重要作用。

除了通信之外，太赫茲的另一個可能的應用領域是傳感領域。太赫茲頻段的電磁波擁有一些優良的性質，因此基於太赫茲的反射和透射成像可以實現金屬危險物品檢測以及醫療成像。太赫茲傳感還可以用於工業應用中。由於太赫茲頻段的波長較小（小於1mm），因此使用基於太赫茲頻段的干涉儀可以實現亞毫米級的精度，甚至在使用FMCW等技術後可以實現微米級的分辨率。這對於工業應用中的平整度檢測和缺陷檢測等都很有意義。

太赫茲在ISSCC 2021

今年太赫茲技術領域的論文在ISSCC中可謂是聲勢浩大，有兩個議程（session）專門用來討論太赫茲技術相關的芯片（擁有兩個議程的專題對於ISSCC來說已經是分量非常重，相比之下目前極熱的AI芯片在本屆ISSCC上也僅僅只有三個議程），分別是“應用在通信和傳感領域的太赫茲電路”，以及“太赫茲電路收發機前端”，這兩個議程一個更側重太赫茲電路對於特定應用的賦能，而另一個則更關注太赫茲電路性能指標上的提升，每個議程分別有四篇論文。

在這八篇論文中，有兩篇主要面向通信應用，兩篇針對傳感（成像和工業缺陷檢測），另外四篇的技術則對於所有應用都通用（一篇混頻電路，一篇功率電路，一篇接收機，一篇鎖相環），應該說半導體行業對於太赫茲的通信和傳感應用基本是同樣感興趣。在針對具體應用議程的論文中，主要的頻段在250-400GHz附近，而在電路性能議程的論文中，頻率已經上探至600GHz。

太赫茲應用的落地預期

在太赫茲應用中，通信類應用得到了大量的關注。目前，已經有針對300GHz太赫茲頻段的相關標準（IEEE 802.15.3d），而也有不少人預期太赫茲有可能會出現在6G中。

如前所述，太赫茲通信的主要優勢在於可用帶寬大，可以實現數十GB的數據傳輸率。然而，我們認爲，太赫茲成爲常規的主流通信技術仍然有不少問題需要克服。首先就是太赫茲頻段在城市等環境中的高損耗，意味着如果使用太赫茲通信的話通信距離不可能太遠。此外，使用目前的太赫茲技術實現太赫茲電路的效率並不高，意味着基站等場合應用太赫茲的功耗會比使用毫米波還要高。因此，我們認爲太赫茲通信或許更有可能首先落地在一些非蜂窩通信的場景下。

首先，太赫茲通信可能會應用在短距離甚至超短距離通信上。短距離通信包括VR、手機、可穿戴設備之間的互相通信。在這樣的短距離通信中，無線傳輸的損耗可控，因此如果出現需要超高帶寬的短距離傳輸，太赫茲技術將是一個可選項。除了短距離之外，還有超短距離通信，例如電子元器件甚至芯片之間的無線數據傳輸。傳統上電子器件之間的數據傳輸大都採用有線的形式，例如在不同的器件之間通過PCIe這樣的方式。然而，在一些應用場景下，使用有線接駁的方式會導致設計變得困難（物理接口需要佔據空間），且可靠性較差，安裝較爲困難（例如需要完全對準才能完成安裝，在安裝完成後可能受到外力作用使接駁脫落等等）。在這種情況下，使用沒有物理接口的太赫茲無線互聯將是一種可選項，它在能滿足數據傳輸率的同時，也減少了物理設計的尺寸，同時提高了可靠性（無需完全對準即可完成數據互聯傳輸），其概念類似無接觸式充電相對傳統有線接口式充電的改進，在最大發揮了太赫茲高數據率的優勢外，同時避免了太赫茲高傳輸損耗的問題（因爲此類傳輸的距離通常在毫米數量級）。

除了短距離通信外，太赫茲通信另一個可能的場景是太空環境中的通信——在太空中，太赫茲的傳輸損耗大大小於城市環境中，因此太空中衛星間使用太赫茲技術進行高數據率互聯也是有不少人探索的領域。

在通信領域之外，我們認爲太赫茲傳感有可能早先一步落地。在傳感領域，無論是成像還是工業檢測都有很強的需求，且太赫茲擁有獨特的優勢。例如，使用太赫茲成像來實現安檢相對於X光來說對於人體沒有輻射傷害，而相對毫米波來說則有更高的成像分辨率，目前已經成爲下一代安檢的主流技術路徑。除了安檢之外，太赫茲做平整度檢測和缺陷檢測也擁有巨大的市場和需求，太赫茲能實現微米級的測量精度，能滿足大量工業應用的需求，而另一方面其相對於激光干涉儀等方案來說成本可以大大降低，因此這也是太赫茲落地非常看好的一個領域。

太赫茲芯片在中國

太赫茲芯片相關的基礎設施方面，太赫茲技術相關的芯片通常使用成熟工藝，如今年ISSCC上的八篇論文中，全部使用的是28nm以及之前的工藝（大多數使用的是65nm工藝），這是因爲先進工藝的器件特性對於太赫茲技術來說提升並不是很大。我們預計在未來太赫茲芯片使用的芯片工藝可能會慢慢轉向28nm，但是使用16nm以下的可能性很小。因此，中國的太赫茲芯片並不會受到半導體工藝的限制。

但是，在半導體工藝之外，中國在太赫茲芯片領域的基礎設施落後主要在於EDA領域。太赫茲EDA目前主要使用Ansys的HFSS來做無源器件（以及波導）的仿真，而同時集成電路級有源器件的仿真常用Cadence的SpectreRF。在這個領域，中國的EDA技術仍然相對世界一流有不少差距。

在太赫茲芯片設計領域，中科院上海微系統所、中電38所、50所等科研機構都有相關的投入。此外，在太赫茲芯片商用化領域，中國也有一些初創公司在做努力。例如，初創公司微度芯創就是一家主打太赫茲安檢成像技術的公司，其80GHz雷達芯片已經量產，160GHz雷達芯片完成驗證，240GHz雷達芯片正在設計中，預計在未來幾年內其產品就能走進下一代基於太赫茲成像的高通量安檢產品中，值得我們期待。隨着太赫茲技術進一步走向成熟，我們認爲在中國也會有越來越多相關芯片領域的投入。這並不是一個全新的領域，其中許多設計技巧和毫米波電路和系統可以說是一脈相承，此外中國擁有巨大的安檢市場，因此我們認爲中國在未來的太赫茲芯片設計領域將會走在世界前列引領潮流。