——记澳门大学微电子研究院副教授陈知行

户 万

小到用智能手机追剧，大到靠无人驾驶飞行器空运海鲜，集成电路与我们日常生活息息相关。芯片作为在集成电路上的载体，广泛应用在军工、航天等各个领域，是能够影响一个国家现代工业乃至国防安全的重要因素。中国作为世界上第一大芯片市场，芯片自给率却不足10%，长期依赖进口，缺乏自主研发，包括超高速模数转换器芯片在内的诸多关键的芯片设计技术都被国外公司垄断。国外巨头依靠在芯片领域长期积累的核心技术和知识产权，通过技术、资金和品牌方面的优势一直占据着集成电路的战略要地，这使我国相关行业的发展时刻面临芯片的“卡脖子”困境。

2020年5月15日，美国政府要求台积电、中芯国际等芯片制造商不能采用美国公司的工具生产华为所用零部件，几乎封锁了华为所有核心部件供应。面对当前严峻的国际芯片发展形势，缺“芯”之痛，触动了每一个中国人，澳门大学微电子研究院副教授陈知行正是被触动的、不屈的、为“中国芯”崛起而拼搏奋战的千千万学者之一。他立志为国创“芯”，为国育人，“要让外国人看到，中国也有自己的技术，也有高超的技术水平，能够完成整个信号链、数据链的系统研究，要让中国芯片不再受制于人！”

凡心所向 素履以往

陈知行是土生土长的澳门人，早在十六七岁时，他就隐约萌发了创“芯”之梦。但在那之前，他还是个令老师和家长头疼不已的贪玩少年，“缺乏学习干劲儿”“偏科极其严重”是他挥之不去的标签。这样的情况一直持续到他升上高二：“那时候我终于知道自己想要做什么了，我真的非常喜欢研究计算机硬件，非常想学习这方面的知识。”这与陈知行从小喜爱玩游戏有着千丝万缕的联系。

与部分沉迷游戏本身的青少年不同，陈知行对游戏的喜爱并不仅仅停留在“玩”这一表面行为，还更进一步地延伸到探究游戏运行背后的原理上来——什么样的硬件能够使游戏运行更加流畅？作为硬件核心的不同芯片分别有着怎样的功能？性能更强的芯片是如何诞生的……随着对计算机硬件设备的了解不断加深，陈知行意识到：“原来这就是我想要为之奋斗的事业。”但因此前学习成绩不太理想，他早已被安排到文科组学习，基于当时的文、理专业报考规定而无法在澳门或内地升读心仪科目，他只能前往国外求学。

凡心所向，素履以往。当陈知行发现要实现梦想就一定要去国外，无论如何都要把英语学好的时候，他就开始自发补习，不仅在学校积极请教老师和同学，放假回家时也想尽办法自学。在这样高强度的学习状态下，他在短短一年内从成绩倒数变为名列前茅，最后如愿以偿地考入美国华盛顿大学，就读电机及计算机工程专业。他说：“以我自己的例子来说，现在的年轻人必须找到自己的兴趣，只有找到自己的兴趣以后才有拼搏的动力。现在的年轻人，尤其澳门的年轻一代，因相对富足的成长背景，一般缺乏竞争意识及自我推动力。人之所以会用不擅长某件事为由而轻易放弃努力，其实只是因为没有找到奋斗的目标，一旦找到这个目标，我相信大部分年轻人都能克服原本看似无法克服的困难，做到自己想做的事情。”

客观上来说，独自赴美国攻读电机及计算机工程对陈知行而言，是艰难困苦的。不仅仅因为这一专业称得上是整个学校数一数二难读的专业，也因为他此前身处文科组，并不像大多数同学那样拥有扎实的物理、数学等基础知识，往往要付出多于常人数倍的努力。可多年后，陈知行回忆起那段背井离乡的艰苦求学时光却是满眼笑意：“能够不断向着梦想的方向一步步前进，是幸运的，更是快乐的。同时，父母不惜节衣缩食也要支持我在外求学的无私付出也一直激励着我、温暖着我。”

踏上科研道路之前，陈知行也曾想过进入芯片制造企业工作。大三的暑假，他返回澳门实习，那时他只是掌握了电机及计算机工程领域的基础知识而已，不仅不了解“模拟混合信号”是什么，对自己将要从事芯片设计哪方面的工作也有些迷茫。幸运的是，他在实习期间结识了澳门大学电机及电脑工程系余成斌教授，余教授的教导使他获益匪浅并坚定了从事科研的决心。大学毕业后，他就来到了澳门大学攻读硕、博士，继续跟随余成斌教授探索模拟混合信号的技术奥秘，此后更是凭借出色的成绩成为澳门大学模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室（AMSV）的一员，自此深深扎根于混合信号电路和奈奎斯特模数转换器研究方向，数十年如一日。

立足实践 创新不止

模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室于2011年正式成立，主要开展各种电子系统的尖端研究，聚焦模数转换器和低功耗射频芯片两个主要研究方向，同时积极发展电源管理和微流控芯片研究方向。实验室近年来发表的论文数量名列世界前茅，其中，至2022年2月为止，在有着“集成电路行业的芯片奥林匹克大会”之称的“国际电机电子工程师学会（IEEE）国际固态电路研讨会（ISSCC）”上，共发表了45篇关于数据转换器、射频和电源管理等领域的论文。

在陈知行看来，团队之所以能够取得如此优异的成绩，离不开导师们的悉心指导和团队所有成员的齐心协力。“团队中的余成斌教授及马许愿副校长等导师很愿意花时间在学生身上，常常通宵达旦地工作，为的就是提高学生的研究质量，不辜负好的数据结果。在他们的带领下，整个团队气氛非常团结融洽，每个人都全力以赴，只为成为更优秀的自己。”在澳门大学从事研究工作的刻苦岁月里，老师们对学术的求真精神深深影响和启发了陈知行，使他学会了坚定面对各种考验和挑战，在失败中建立自信，循序渐进，持之以恒。因此，每当研究感到力不从心时，陈知行就会以老师为典范，鼓励自己不断提升实力，让自己的研究成果能一步步迈向国际顶尖水平。

2014年，陈知行与余成斌教授、马许愿教授、诸嫣教授等在“欧洲固态电路研讨会（ESSCIRC）2014”上发表论文，并从两百余篇来自世界各地的优异论文中突围而出，夺得最佳论文奖。相关研究针对模数转换的整体构架、采样前端设计及偏差矫正方法提出了3个创新点，从而使模数转换器在极高转换速率的情况下也能取得高转换效能及良好的线性度和精准度。与同年在国际晶片奥林匹克上发表的设计相比，这一设计避免了繁琐的采样时间误差矫正技术，从而在极小的面积和极低功耗的情况下，也能达到更好的动态指标。

2015年因在模数转换器领域的贡献，陈知行获得由国际电机电子工程师学会固态电路学会颁发的预博士成就生奖，表扬他在博士研究工作期间完成的杰出成果。

2020年中国半导体十大研究进展候选推荐——基于时间域量化技术的高速高带宽时间交织模拟数字转换器，是陈知行指导博士后完成的研究工作。

模数转换器被称为“连接物理世界与数字世界的桥梁”，是信号链通路的关键模块，高速高精度的模数转换器在日常的无线通信系统、乙太局域网、宽频卫星和电缆接收器等方面有着广泛的应用。然而作为光通信、雷达、高速示波器等应用的核心器件，支持高输入带宽的高速模数转换器技术长期被国外垄断。传统的国产电压域模数转换器由于受限的单通道转换速率及可观的输入电容，导致其在时间交织结构中面临低输入带宽、高功耗、大芯片面积等诸多难题及挑战。后来，随着集成电路加工工艺的提升，高度数字化的时间域量化技术无论在转换速率还是转换能效上都逐渐显示出巨大发展潜能，同时亦有利于降低高速模数转换器的芯片尺寸。在这一前提下，陈知行等人克服了时间域量化过程中多发的量化误差源，成功设计了一款仅4通道交织、采样率在10每秒千兆赫兹的8比特时间域模数转换器。他们提出的基于16倍插值技术的两步流水线结构，不仅避免了复杂的级间增益校准而且将量化时间步长降低到1.5皮秒以内。得益于内建电压—时间转换单元的天然缓冲功能，设计的模数转换器支持高达18千兆赫兹的有效输入带宽，兼容射频直接采样系统的应用。这种10每秒千兆采样、8比特的模数转换器在65纳米互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺下进行了流片验证，其核心面积仅0.095平方毫米，消耗功耗50.8兆瓦，在奈奎斯特输入频率下拥有40.1分贝的信噪失真比（SNDR），并且在18千兆赫兹输入下仍保持37.6分贝的信噪失真比，明显领先于国际同等规格模数转换器。不仅如此，这一模数转换器还支持零下55摄氏度至125摄氏度的温度范围及0.95伏至1.05伏的电源电压，适用于各种极端工作环境，为相关成果由学术向产业技术转移创造了更大的可能。

2019年年底，澳门大学的模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室在横琴设立分部，使得横琴成为承载澳门集成电路创新资源最便利、最通畅的区域之一。近年来，双方合作在集成电路领域频频发力，至2020年年底，合作区集成电路产业相关注册企业超过400家。通过与行业内顶尖公司合作，陈知行看到的不再只是学术层面的问题，而是更多地看到公司在应用层面遇到的实践问题。

在校企合作方面，陈知行印象最为深刻的一次科研经历是关于芯片的功耗改进研究。

随着技术的进步，芯片内的电路密度翻了一番，其运行频率是以前的数倍，片上布线也越来越细，片上电源网络必须以更少的消耗提供更多的功率以便线路资源能够被发送到每个单元。如果做不到这一点，芯片的稳定性和预定的工作频率就会成为问题。由于非盈利研发模式下的惯性思维限制，陈知行等人最初设计的芯片虽然在性能上有所提升，却忽视了芯片功耗增加所带来的散热成本问题——功耗决定了芯片的发热情况，封装结构需要及时传递芯片产生的热量，否则温度会升高，电路无法稳定工作。因此，发热量大的芯片需要选择散热良好的封装，或者额外增加风扇等散热系统，这就意味着成本的增加。而在不增加散热成本的情况下直接采用陈知行团队的设计方案，则又必然导致芯片工作温度与电压变化带来的芯片实际使用性能下降问题。陈知行回忆：“我原本以为我们的芯片制作得已经很不错了，但是没想到真正面向应用时仍然会发现许多问题。”经过近一年的探索与攻关，陈知行等人才最终找到一种低成本、低功耗的芯片设计思路，帮助企业成功解决芯片制造问题。

由澳门大学师生参与开发的各项专利技术，在企业平台上实现了产业化应用。对企业而言，这是一次全新的产学研合作探索，对澳门大学等高等院校来说，这同样是一次在科研成果转化方面令人振奋的成功实践。

力促发展 为国育人

继看问题角度由专注学术成功转变为兼顾实践应用之后，陈知行于2020年迎来了心态上的重大转变。这一年，他开始独立带领属于自己的课题小组进行项目攻关，并同时承担10名学生的培养工作。

“相较于科研来说，培养学生是另一个层面的挑战。因为独自一人做什么都可以很好地控制，但是同时带领10名学生进行研究则完全不同。”彼时，陈知行带领团队需要立足不同的通信应用场景，针对无线通信的模式转换问题进行扩展。这种扩展和陈知行攻读博士时期就开始积累的模数转换器设计结构几乎没有任何相同之处，他不仅自己要花费大量时间和精力从头学起，还要同时帮助自己的学生掌握新知识。

进行结构变形工作时，所有的建模都要推翻重做，但偏偏这种模数转换器无法用线性模组分析，必须通过仿真手段了解其中的每一个电路反馈，工作量之巨大可谓超乎想象。令陈知行欣慰的是：“虽然花费了很长的时间，但好在最终成功找到了一个全新的方法，能够更进一步提高芯片效率。其中，我的学生贡献了非常大的力量，比起这一成果在2020年获得澳门特别行政区科学技术发明奖，我认为更宝贵的是，学生通过自己努力，开拓了一个新的方向，而参与这项目的学生也获得了澳门特别行政区研究生科技研发奖。”自此，陈知行在思维方式上真正从单纯的学者成长为一名合格的教师与团队带头人。他不再一味地沉浸在个人研究中，而是抬起头来仔细观察，静下心来仔细思考：中国集成电路的发展究竟需要怎样的人才作为支撑？身为高校老师，又当如何培养出国家和社会的栋梁之材？

陈知行发现，从自己了解最多的粤澳深度合作区的发展状况来看，拥有集成电路领域高水平国家实验室等科创资源和政策支持的横琴，虽然称得上是澳门集成电路创新科研成果落地生根、开花结果并转化成实际生产力最便利、最适宜的新空间，但过去发展过程中遗留下的产业链不完善和硬软条件缺失问题，仍然制约着澳门创新策源能力的放大和升级，大量创新成果只能停留在研究阶段，集成电路的成果转化和产业发展依旧薄弱。因此他认为：“针对博士生的培养不仅仅是要让他们能够成为一家公司的主导人才，更要使他们有能力引领行业未来发展，也同时可为澳门产业适度多元发展储备所需人才。”

聚焦陈知行所带领的团队，人们能够发现，他的学生往往只在第一次尝试独立研究时才能够得到来自导师的事无巨细的指导教学。因为在陈知行看来，要想培养出能够引领行业未来发展的高质量人才，就应当尝试区别于传统课堂教学方式的人才培养新模式——让学生在实践中学、在应用场景中巩固。这也要求老师更加注重培养学生的批判性思维和独立性思维，对学生采取梯度式指导教学而非全阶段手把手教学。“通过独立思考获得的认识，往往要比借助他人力量取得的成果更加宝贵。”陈知行常常教导学生，每个人都可能面临一种“为生活所迫”的状态和压力，这种情况下可以寻求老师的帮助，但最重要的还是要调整好心态。“客观而言，做科研是非常辛苦的，一篇好文章的获得也许离不开天时、地利、人和，并非完全取决于个人的努力。但其实一个人在科研过程中取得的成长，才是真正的无价之宝。”他鼓励学生积极追求更高精神境界，不要抱怨、不要气馁，争取在有限的时间里把更多自己想要尝试的事情做到最好。

正是在这样的治学、为研精神下，陈知行所在的模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室才能以最初十余人的团队规模，在短短数年内迅速发展成集成电路领域的国际一流实验室。2022年5月20日，澳门大学在横琴粤澳深度合作区创意谷举行“珠海澳大科技研究院微电子研发中心新址启用仪式”，标志着位于合作区的珠研院微电子研发中心新址正式启用。

陈知行透露，未来，模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室及微电子研发中心将通过澳门、横琴粤澳深度合作区的资源和政策，依托国家重点实验室的研发实力，将澳门大学的科研人才留在与澳门隔海相望的这片土地；积极推动与企业共建联合实验室，壮大工业盟友队伍，构成粤港澳大湾区、澳门大学的“聚合变”连体效应，为中国建设技术先进、安全可靠的集成电路产业体系和实现集成电路产业跨越式发展规划助力。

（责编：袁园）