太赫茲技術(shù)：背景和應(yīng)用

今年的國(guó)際固態(tài)半導(dǎo)體電路會(huì)議（ISSCC）在幾周前剛剛圓滿結(jié)束。作為芯片行業(yè)的頂尖會(huì)議，每年ISSCC會(huì)議上發(fā)表的論文都被認(rèn)為是集成電路行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)。今年ISSCC上一個(gè)新的動(dòng)向就是太赫茲電路獲得了空前的重視，本文將對(duì)此做詳細(xì)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(jí)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(duì)于毫米波頻段（30GHz-300GHz）來(lái)說(shuō)，頻率更高，因此第一個(gè)潛在應(yīng)用就是做通信。太赫茲做通信的主要優(yōu)勢(shì)在于可用帶寬較大，因此可以實(shí)現(xiàn)非常高速率的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。也有人認(rèn)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(gè)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(shí)現(xiàn)金屬危險(xiǎn)物品檢測(cè)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(zhǎng)較?。ㄐ∮?mm），因此使用基于太赫茲頻段的干涉儀可以實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)的精度，甚至在使用FMCW等技術(shù)后可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的分辨率。這對(duì)于工業(yè)應(yīng)用中的平整度檢測(cè)和缺陷檢測(cè)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(shì)浩大，有兩個(gè)議程（session）專門用來(lái)討論太赫茲技術(shù)相關(guān)的芯片（擁有兩個(gè)議程的專題對(duì)于ISSCC來(lái)說(shuō)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(gè)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(jī)前端”，這兩個(gè)議程一個(gè)更側(cè)重太赫茲電路對(duì)于特定應(yīng)用的賦能，而另一個(gè)則更關(guān)注太赫茲電路性能指標(biāo)上的提升，每個(gè)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(duì)傳感（成像和工業(yè)缺陷檢測(cè)），另外四篇的技術(shù)則對(duì)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(jī)，一篇鎖相環(huán)），應(yīng)該說(shuō)半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)于太赫茲的通信和傳感應(yīng)用基本是同樣感興趣。在針對(duì)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(duì)300GHz太赫茲頻段的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.15.3d），而也有不少人預(yù)期太赫茲有可能會(huì)出現(xiàn)在6G中。

如前所述，太赫茲通信的主要優(yōu)勢(shì)在于可用帶寬大，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十GB的數(shù)據(jù)傳輸率。然而，我們認(rèn)為，太赫茲成為常規(guī)的主流通信技術(shù)仍然有不少問(wèn)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(yuǎn)。此外，使用目前的太赫茲技術(shù)實(shí)現(xiàn)太赫茲電路的效率并不高，意味著基站等場(chǎng)合應(yīng)用太赫茲的功耗會(huì)比使用毫米波還要高。因此，我們認(rèn)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(chǎng)景下。

首先，太赫茲通信可能會(huì)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(jī)、可穿戴設(shè)備之間的互相通信。在這樣的短距離通信中，無(wú)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(gè)可選項(xiàng)。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(wú)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(guò)PCIe這樣的方式。然而，在一些應(yīng)用場(chǎng)景下，使用有線接駁的方式會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)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(duì)準(zhǔn)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(méi)有物理接口的太赫茲無(wú)線互聯(lián)將是一種可選項(xiàng)，它在能滿足數(shù)據(jù)傳輸率的同時(shí)，也減少了物理設(shè)計(jì)的尺寸，同時(shí)提高了可靠性（無(wú)需完全對(duì)準(zhǔn)即可完成數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸），其概念類似無(wú)接觸式充電相對(duì)傳統(tǒng)有線接口式充電的改進(jìn)，在最大發(fā)揮了太赫茲高數(shù)據(jù)率的優(yōu)勢(shì)外，同時(shí)避免了太赫茲高傳輸損耗的問(wèn)題（因?yàn)榇祟悅鬏數(shù)木嚯x通常在毫米數(shù)量級(jí)）。

除了短距離通信外，太赫茲通信另一個(gè)可能的場(chǎng)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(jìn)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(rèn)為太赫茲傳感有可能早先一步落地。在傳感領(lǐng)域，無(wú)論是成像還是工業(yè)檢測(cè)都有很強(qiáng)的需求，且太赫茲擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，使用太赫茲成像來(lái)實(shí)現(xiàn)安檢相對(duì)于X光來(lái)說(shuō)對(duì)于人體沒(méi)有輻射傷害，而相對(duì)毫米波來(lái)說(shuō)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(cè)和缺陷檢測(cè)也擁有巨大的市場(chǎng)和需求，太赫茲能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的測(cè)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(duì)于激光干涉儀等方案來(lái)說(shuō)成本可以大大降低，因此這也是太赫茲落地非?？春玫囊粋€(gè)領(lǐng)域。

太赫茲芯片在中國(guó)

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?yàn)橄冗M(jìn)工藝的器件特性對(duì)于太赫茲技術(shù)來(lái)說(shuō)提升并不是很大。我們預(yù)計(jì)在未來(lái)太赫茲芯片使用的芯片工藝可能會(huì)慢慢轉(zhuǎn)向28nm，但是使用16nm以下的可能性很小。因此，中國(guó)的太赫茲芯片并不會(huì)受到半導(dǎo)體工藝的限制。

但是，在半導(dǎo)體工藝之外，中國(guó)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(lái)做無(wú)源器件（以及波導(dǎo)）的仿真，而同時(shí)集成電路級(jí)有源器件的仿真常用Cadence的SpectreRF。在這個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)的EDA技術(shù)仍然相對(duì)世界一流有不少差距。

在太赫茲芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，中科院上海微系統(tǒng)所、中電38所、50所等科研機(jī)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(guó)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(dá)芯片已經(jīng)量產(chǎn)，160GHz雷達(dá)芯片完成驗(yàn)證，240GHz雷達(dá)芯片正在設(shè)計(jì)中，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)其產(chǎn)品就能走進(jìn)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(jìn)一步走向成熟，我們認(rèn)為在中國(guó)也會(huì)有越來(lái)越多相關(guān)芯片領(lǐng)域的投入。這并不是一個(gè)全新的領(lǐng)域，其中許多設(shè)計(jì)技巧和毫米波電路和系統(tǒng)可以說(shuō)是一脈相承，此外中國(guó)擁有巨大的安檢市場(chǎng)，因此我們認(rèn)為中國(guó)在未來(lái)的太赫茲芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)?huì)走在世界前列引領(lǐng)潮流。

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