赵博：全球最小无线通信芯片，细如发丝

来源：求是风采

“青稞”有约

本期分享 |  浙江大学信息与电子工程学院研究员  赵博

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100微米，大约是一根头发的直径，也是目前全球最小无线通信芯片所逼近的尺寸。浙江大学信息与电子工程学院赵博团队研制成功一款微型无线无源通信芯片，尺寸仅为116微米×116微米，刷新了美国加州大学伯克利分校之前创造的500微米x250微米的记录，是迄今为止全球最小无线通信芯片。

这一芯片名为 “Dielet”，它不需要电池、不需要管脚、不需要晶振和任何片外元件，能在无线供电的环境下实现双向无线通信。小小芯片包含片上天线、整流器、能隙基准源、线性稳压器、上电复位、解调器、解码器、存储器、时钟产生、数字控制、无线通信电路等等模块。将在微小物件防伪、生物传感方面显示独特的应用前景。

相关论文“A Batteryless Padless Crystalless 116um×116um Dielet Near-Field Radio With On-Chip Coil Antenna”发表在2020年2月份的集成电路设计领域顶级期刊IEEE固态电路期刊（IEEE Journal of Solid-State Circuits，简称JSSC）上。

Q：为什么要追求“ 小”？

一方面，芯片尺寸小，可以嵌入到一些微小的物件中，而不影响物品本身外观形貌，较为隐蔽。另一方面， 从成本的角度考虑，小就意味着制造成本的低廉。芯片成本目前主要包括设计成本和制造成本。在部分应用中，随着集成电路设计技术的进步，制造成本已成为芯片成本的最关键因素。

Q：这款芯片有什么特点？

它的尺寸接近于头发丝的直径，那么它可以在很多狭小的空间发挥作用。此外，它不需要电池、不需要管脚、不需要晶振和任何片外元件，能在无线供电的环境下实现双向无线通信。也就是说，这款芯片在平时可处于“休眠”状态，而仅仅依靠终端设备（如手机）的无线信号，就能把它激活，而不依靠其他来源供电。

Q：最难的地方在哪里？

研发过程中，我们认为最难的是无线供电对无线通信的干扰问题，称为“自干扰”。我们提出一种非线性通信技术，巧妙的过滤掉了“自干扰”，显著提高了通信的信噪比。

 Q: “迷你”芯片将被用在哪里？

作为无线通信芯片，它本身可用于物品的防伪。日常生活中，我们可以看到茅台酒的瓶盖、一些婴幼儿食品包装都已经用上这类防伪芯片，通过手机一扫，它就能告诉你物品的真伪和相关信息。但在我们看来，这类防伪芯片的尺寸偏大，仅仅天线就占据了很大的体积，金属制天线的成本也相对较高。对于微小物件（如钻石）防伪来说，我们需要研制更为迷你的芯片。

目前一块高端芯片（如高性能微控制器、高速高精度数模转换器）的尺寸大概是几毫米，芯片版图上有一些空隙，我们可以把“Dielet”嵌入在任何一个位置。那么，这个芯片就可以被溯源，到任何地方都可以被查到，不会被盗用。还有可以给钻石戒指防伪，我们可以把“Dielet”嵌入在戒托和钻石之间，作为钻石的“身份证”。

另一方面，“Dielet”还可用于生物传感。我们正在与医生们合作，研发用于植入皮下的生物传感器。“Dielet”的优势是小，可以注射到达皮下，用来实时测试血液有关的各项指标。那么这块芯片除了通信功能，还要叠加传感和计算功能。我们正在加紧研发，估计年底就可以拿出样品来测试。医生们对这一应用很期待。 

Q: 全球还有哪些代表性工作？

目前最具代表性的包括：

1）  日本日立公司的uChip芯片：尺寸400微米x 400微米，只能单向通信，没能解决自干扰问题；

2）  加州理工的微电流测量芯片：尺寸1.2毫米x 1.2毫米；

3）  加州伯克利的神经记录芯片：尺寸500微米x 250微米，自干扰影响严重，通信信噪比不够理想

4）  因特尔的毫米波射频识别芯片：尺寸1.3毫米 x 0.95毫米，天线还在芯片外，尺寸比较大

Q: “最小”记录是否已被同行认可？

 JSSC是集成电路设计领域的顶级期刊，在这个杂志上发表工作很难。它的审稿人不仅有学术领域的科学家，还有大量来自产业界的专家，他们在判断文章价值时，不但考虑研究的创新价值，也非常关心产业应用前景。杂志有一项硬性要求，研究必须要有芯片流片并且实际测试指标世界领先。这些测试指标，都要求提供芯片照片、以及测试仪器显示数值的原始图片。

审稿专家认为，这是目前世界上最小的功能芯片。它通过巧妙的设计，在大大缩小芯片尺寸的同时，保持了器件良好的性能。

Q: 下一步的研究计划？

我们想进一步拓展植入式医疗方面的应用，实现多种医疗器件的微创植入。期待能与有兴趣的同行和医疗领域的朋友共同努力。