太赫茲技術(shù)：背景和應(yīng)用

今年的國際固態(tài)半導(dǎo)體電路會議（ISSCC）在幾周前剛剛圓滿結(jié)束。作為芯片行業(yè)的頂尖會議，每年ISSCC會議上發(fā)表的論文都被認為是集成電路行業(yè)的風(fēng)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(shù)：背景和應(yīng)用

首先，我們介紹一下太赫茲技術(shù)的背景。太赫茲（Terahertz）中，“太”（Tera）是一種數(shù)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的頻段稱為太赫茲頻段。

太赫茲頻段相對于毫米波頻段（30GHz-300GHz）來說，頻率更高，因此第一個潛在應(yīng)用就是做通信。太赫茲做通信的主要優(yōu)勢在于可用帶寬較大，因此可以實現(xiàn)非常高速率的無線數(shù)據(jù)傳輸。也有人認為，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(yīng)用領(lǐng)域是傳感領(lǐng)域。太赫茲頻段的電磁波擁有一些優(yōu)良的性質(zhì)，因此基于太赫茲的反射和透射成像可以實現(xiàn)金屬危險物品檢測以及醫(yī)療成像。太赫茲傳感還可以用于工業(yè)應(yīng)用中。由于太赫茲頻段的波長較?。ㄐ∮?mm），因此使用基于太赫茲頻段的干涉儀可以實現(xiàn)亞毫米級的精度，甚至在使用FMCW等技術(shù)后可以實現(xiàn)微米級的分辨率。這對于工業(yè)應(yīng)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(shù)領(lǐng)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(shù)相關(guān)的芯片（擁有兩個議程的專題對于ISSCC來說已經(jīng)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(yīng)用在通信和傳感領(lǐng)域的太赫茲電路”，以及“太赫茲電路收發(fā)機前端”，這兩個議程一個更側(cè)重太赫茲電路對于特定應(yīng)用的賦能，而另一個則更關(guān)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(yīng)用，兩篇針對傳感（成像和工業(yè)缺陷檢測），另外四篇的技術(shù)則對于所有應(yīng)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(huán)），應(yīng)該說半導(dǎo)體行業(yè)對于太赫茲的通信和傳感應(yīng)用基本是同樣感興趣。在針對具體應(yīng)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(jīng)上探至600GHz。

太赫茲應(yīng)用的落地預(yù)期

在太赫茲應(yīng)用中，通信類應(yīng)用得到了大量的關(guān)注。目前，已經(jīng)有針對300GHz太赫茲頻段的相關(guān)標準（IEEE 802.15.3d），而也有不少人預(yù)期太赫茲有可能會出現(xiàn)在6G中。

如前所述，太赫茲通信的主要優(yōu)勢在于可用帶寬大，可以實現(xiàn)數(shù)十GB的數(shù)據(jù)傳輸率。然而，我們認為，太赫茲成為常規(guī)的主流通信技術(shù)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(huán)境中的高損耗，意味著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(shù)實現(xiàn)太赫茲電路的效率并不高，意味著基站等場合應(yīng)用太赫茲的功耗會比使用毫米波還要高。因此，我們認為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(yīng)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(shè)備之間的互相通信。在這樣的短距離通信中，無線傳輸?shù)膿p耗可控，因此如果出現(xiàn)需要超高帶寬的短距離傳輸，太赫茲技術(shù)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(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)上電子器件之間的數(shù)據(jù)傳輸大都采用有線的形式，例如在不同的器件之間通過PCIe這樣的方式。然而，在一些應(yīng)用場景下，使用有線接駁的方式會導(dǎo)致設(shè)計變得困難（物理接口需要占據(jù)空間），且可靠性較差，安裝較為困難（例如需要完全對準才能完成安裝，在安裝完成后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(lián)將是一種可選項，它在能滿足數(shù)據(jù)傳輸率的同時，也減少了物理設(shè)計的尺寸，同時提高了可靠性（無需完全對準即可完成數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸），其概念類似無接觸式充電相對傳統(tǒng)有線接口式充電的改進，在最大發(fā)揮了太赫茲高數(shù)據(jù)率的優(yōu)勢外，同時避免了太赫茲高傳輸損耗的問題（因為此類傳輸?shù)木嚯x通常在毫米數(shù)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(huán)境中的通信——在太空中，太赫茲的傳輸損耗大大小于城市環(huán)境中，因此太空中衛(wèi)星間使用太赫茲技術(shù)進行高數(shù)據(jù)率互聯(lián)也是有不少人探索的領(lǐng)域。

在通信領(lǐng)域之外，我們認為太赫茲傳感有可能早先一步落地。在傳感領(lǐng)域，無論是成像還是工業(yè)檢測都有很強的需求，且太赫茲擁有獨特的優(yōu)勢。例如，使用太赫茲成像來實現(xiàn)安檢相對于X光來說對于人體沒有輻射傷害，而相對毫米波來說則有更高的成像分辨率，目前已經(jīng)成為下一代安檢的主流技術(shù)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(xiàn)微米級的測量精度，能滿足大量工業(yè)應(yīng)用的需求，而另一方面其相對于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?？春玫囊粋€領(lǐng)域。

太赫茲芯片在中國

太赫茲芯片相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施方面，太赫茲技術(shù)相關(guān)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(shù)使用的是65nm工藝），這是因為先進工藝的器件特性對于太赫茲技術(shù)來說提升并不是很大。我們預(yù)計在未來太赫茲芯片使用的芯片工藝可能會慢慢轉(zhuǎn)向28nm，但是使用16nm以下的可能性很小。因此，中國的太赫茲芯片并不會受到半導(dǎo)體工藝的限制。

但是，在半導(dǎo)體工藝之外，中國在太赫茲芯片領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施落后主要在于EDA領(lǐng)域。太赫茲EDA目前主要使用Ansys的HFSS來做無源器件（以及波導(dǎo)）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(lǐng)域，中國的EDA技術(shù)仍然相對世界一流有不少差距。

在太赫茲芯片設(shè)計領(lǐng)域，中科院上海微系統(tǒng)所、中電38所、50所等科研機構(gòu)都有相關(guān)的投入。此外，在太赫茲芯片商用化領(lǐng)域，中國也有一些初創(chuàng)公司在做努力。例如，初創(chuàng)公司微度芯創(chuàng)就是一家主打太赫茲安檢成像技術(shù)的公司，其80GHz雷達芯片已經(jīng)量產(chǎn)，160GHz雷達芯片完成驗證，240GHz雷達芯片正在設(shè)計中，預(yù)計在未來幾年內(nèi)其產(chǎn)品就能走進下一代基于太赫茲成像的高通量安檢產(chǎn)品中，值得我們期待。隨著太赫茲技術(shù)進一步走向成熟，我們認為在中國也會有越來越多相關(guān)芯片領(lǐng)域的投入。這并不是一個全新的領(lǐng)域，其中許多設(shè)計技巧和毫米波電路和系統(tǒng)可以說是一脈相承，此外中國擁有巨大的安檢市場，因此我們認為中國在未來的太赫茲芯片設(shè)計領(lǐng)域?qū)咴谑澜缜傲幸I(lǐng)潮流。

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