點亮?xí)r鐘芯片的夢想版圖

科技飛速發(fā)展，我們的生活與各類電子設(shè)備緊密相連。時鐘芯片在其中起著關(guān)鍵作用，猶如電子系統(tǒng)的“心臟”，為各個部分精準(zhǔn)提供時鐘信號，確保設(shè)備正常且有條不紊地運行。

時鐘芯片，是一種將電路集成一體的器件，主要負(fù)責(zé)生成并調(diào)節(jié)電子設(shè)備的時鐘信號。這些信號對電子設(shè)備意義重大，它們不僅影響著設(shè)備的運行速度，還保證了各組件之間的同步與協(xié)調(diào)。試想一下，如果沒有時鐘芯片，電腦或許無法正確執(zhí)行指令，手機可能也無法準(zhǔn)時接收信號，整個世界或許會陷入混亂狀態(tài)。

“隨著科技不斷進(jìn)步，時鐘芯片的性能也在持續(xù)優(yōu)化。未來的時鐘芯片可能會具備更低的功耗、更高的精度及更強的抗干擾能力。它們還可能與其他先進(jìn)技術(shù)相融合，以滿足更為苛刻的應(yīng)用場景。”澳門大學(xué)模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點實驗室副教授殷俊介紹。博士后期專注于時鐘芯片研究，十年躬耕，他已交出一份亮眼的成績單。以獨特的視角，保持創(chuàng)新活力，對擁抱時鐘芯片充滿無限可能的未來，殷俊始終充滿信心。

學(xué)術(shù)無涯 領(lǐng)航有道

科研之路，如何起步？在殷俊看來，恩師的引領(lǐng)如同啟明燈一般，點亮了自己腳下的路。

在北京大學(xué)微電子專業(yè)求學(xué)期間，由于學(xué)校鼓勵本科生參加科研，大三時，殷俊就跟隨黃如教授（2015年當(dāng)選為中國科學(xué)院信息技術(shù)科學(xué)部院士）開展半導(dǎo)體器件相關(guān)研究。半導(dǎo)體器件的工作原理抽象復(fù)雜，但黃教授總能用簡潔、直觀的模型給予清晰的解釋。

“黃老師在講解基本原理時，總能深入淺出，用直觀的模型來解釋復(fù)雜物理現(xiàn)象，令我受益匪淺。后來我在研究中也盡力嘗試用簡單的圖像去理解和描繪研究對象。”殷俊說。

思維敏捷、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)狞S如更以她在科研中不懈探索的精神深深激勵著殷俊。而殷俊也在她的悉心指導(dǎo)下更深入地理解半導(dǎo)體未來的發(fā)展方向，窺見了更多未來探索的可能性。

恩師言傳身教，殷俊獲益匪淺，且初涉科研，他就嘗到了收獲的喜悅——本科畢業(yè)設(shè)計論文在固態(tài)電子學(xué)國際期刊發(fā)表。這些寶貴的經(jīng)歷為他日后的科研道路奠定了堅實的基礎(chǔ)。

殷俊時常感慨自己十分幸運能遇到這些令人敬慕的良師益友。他們不僅學(xué)術(shù)造詣高，而且在精神上也極具感召力——待人平和、關(guān)懷學(xué)生，黃如教授如此，他的碩士生導(dǎo)師廖懷林教授亦如此。廖教授常和學(xué)生交流溝通。他在科研中天馬行空的思維和熱情洋溢的態(tài)度深深感染著殷俊和同學(xué)們。

2007年，殷俊赴香港科技大學(xué)求學(xué)又得遇另一位恩師——梁錦和（Howard Cam Luong）教授。梁教授嚴(yán)于律己，在學(xué)術(shù)上對學(xué)生要求嚴(yán)格，跟隨他做科研從選題開始就極具挑戰(zhàn)。“我們起初不理解，但后來發(fā)現(xiàn)，就像中國傳統(tǒng)文化里‘取法乎上，得乎其中’的道理，一開始定一個比較高的目標(biāo)，即使最后沒有達(dá)到預(yù)期，也能得到一個不錯的結(jié)果?！钡谏钪?，梁教授卻呈現(xiàn)出和藹的一面?！拔覀?nèi)?，所有活動都結(jié)束后，他會開車帶我們?nèi)ゾ包c游玩。平時他也經(jīng)常組織我們一起去爬山。他堅毅樂觀的人生態(tài)度帶給我們很多正能量?！?/p>

對知識的渴求，對未知世界的好奇，驅(qū)動殷俊想要打破固有的邊界，去接觸新的事物。在香港科技大學(xué)，他感受到活力、高效。寬松活躍的學(xué)術(shù)氛圍給予他很多想象與創(chuàng)造的空間。作為國際旅游城市的澳門融合了東西方文化特色，熱鬧繁華。但在澳門大學(xué)靜謐的校園里，殷俊卻常有一種“歲月靜好”的感覺。

2013年博士畢業(yè)后，殷俊加入了澳門大學(xué)。由馬許愿（Rui Paulo da Silva Martins）教授創(chuàng)建的模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點實驗室，當(dāng)時正處于高速發(fā)展階段。受到麥沛然教授與羅文基教授兩位前輩的邀請，殷俊加入了這個年輕而充滿活力的團(tuán)隊。

麥教授曾作為答辯委員會的校外委員參加了殷俊的博士論文答辯。羅教授是殷俊的師兄，他們曾同在香港科技大學(xué)求學(xué)。未入職前，兩位前輩曾邀約殷俊到澳門大學(xué)實地考察。朝氣蓬勃的高水平團(tuán)隊，和諧友愛的實驗室氛圍，對殷俊極具吸引力。

入職澳門大學(xué)后，得益于實驗室在平臺、資金上的支持和多位前輩的幫助，殷俊順利實現(xiàn)了從博士后到副教授的晉升。在與團(tuán)隊合力攻關(guān)大項目的同時，因?qū)嶒炇屹x予年輕教師較大的科研自主權(quán)和自由探索空間，殷俊也逐漸明晰了自己的科研興趣和目標(biāo)。

科研進(jìn)階 漸入佳境

在科研路途上，殷俊走過模仿前輩、積累經(jīng)驗、厚積薄發(fā)、勠力創(chuàng)新，到產(chǎn)學(xué)融合、推進(jìn)轉(zhuǎn)化的進(jìn)階之路。他的研究也漸入佳境。

殷俊在科研上“開竅”較早。博士期間，他就作為學(xué)生團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人，與校內(nèi)來自不同研究方向的5名博士與碩士研究生一起完成了超高頻被動式射頻識別標(biāo)簽（UHF Passive RFID）芯片的設(shè)計、流片與測試。作為集成了射頻、電源管理、存儲器、數(shù)字基帶與溫度傳感器的片上系統(tǒng)（SoC），這款芯片只須外接天線，就可以從電磁場中提取能量為芯片供電，完成溫度測試并將結(jié)果回傳給RFID閱讀器。因兼容電子產(chǎn)品碼超高頻第二代（EPC UHF Gen2）協(xié)議，它還可直接與商用RFID閱讀器進(jìn)行通信。

作為將高精度溫度傳感器與RFID功能集成的解決方案，這一研究成果發(fā)表于2010年的國際固態(tài)電路會議（ISSCC）與《固態(tài)電路》（JSSC）上，至今已獲279次引用（Google Scholar）。此項成果還實現(xiàn)了商業(yè)轉(zhuǎn)化，被應(yīng)用于電力電子設(shè)備中，實現(xiàn)非接觸式溫度監(jiān)測。

首個研究課題就遇到復(fù)雜的SoC系統(tǒng)，這對于殷俊是極大的挑戰(zhàn)。他透露，這個項目歷經(jīng)兩年時間、兩次流片，才獲得成功。但經(jīng)受住難題的歷練，他也獲得了寶貴的經(jīng)驗，對復(fù)雜芯片系統(tǒng)的設(shè)計與要求有了深刻認(rèn)識，可以從系統(tǒng)的角度重新審視各個模塊的要求，進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化。通過與人合作，他學(xué)到了如何組織和協(xié)調(diào)項目實施，也學(xué)到了不同方向的電路設(shè)計方法。在當(dāng)今時代，芯片設(shè)計的復(fù)雜度與集成度飛速提升，有影響力成果的獲得越來越需要不同知識與方法的融合，這些收獲對殷俊后來開展研究都有很大助益。

結(jié)合自身研究方向，關(guān)注前沿技術(shù)與熱點問題，殷俊在不斷更新知識庫，拓寬研究思路?！皫缀跛械碾娮釉O(shè)備都需要時鐘對信號的傳輸與存儲進(jìn)行同步，因此如何在芯片上產(chǎn)生準(zhǔn)確的時鐘信號，成為射頻電路設(shè)計領(lǐng)域的一個熱點研究方向。世界所有的固態(tài)電路國際會議每年均收到大量關(guān)于時鐘產(chǎn)生電路的投稿，有些會議（如歐洲固態(tài)電路會議）的技術(shù)委員會還設(shè)有頻率產(chǎn)生電路的子委員會，專門評審這一方向的論文投稿?！币罂〗榻B。

在此背景下，博士求學(xué)后期，殷俊專注于射頻和毫米波的時鐘產(chǎn)生電路的研究。畢業(yè)加入澳門大學(xué)模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點實驗室后，他的工作依然延續(xù)了這一研究方向，并與團(tuán)隊一起取得了一些出色的成果。他們提出了時間交織型環(huán)形振蕩器與逆F類LC振蕩器的架構(gòu)，能有效降低振蕩器的相位噪聲，提升其能量效率；低抖動快速鎖定毫米波亞采樣鎖相環(huán)，實現(xiàn)了50fs的輸出抖動與小于1μs的鎖定時間。

殷俊介紹，環(huán)形振蕩器由于其面積與電磁干擾小等特點，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)的時鐘產(chǎn)生電路中。但環(huán)形振蕩器的噪聲性能較差，只能通過增大功耗來降低噪聲，限制了它在需要極低噪聲或者極低功耗的高性能系統(tǒng)中的應(yīng)用。

與世界著名模數(shù)轉(zhuǎn)換器專家、意大利帕維亞大學(xué)的弗朗科·馬洛貝蒂（Franco Maloberti）教授合作，殷俊與團(tuán)隊將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計思路借鑒到時鐘電路的設(shè)計中，提出了一種時間交織型的環(huán)形振蕩器架構(gòu)，將一個低頻的環(huán)形振蕩器的多相位輸出信號合成一個高頻時鐘信號?！皶r間交織架構(gòu)的靈感來源于一種非常經(jīng)典的模數(shù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。雖然時間交織型振蕩器架構(gòu)的電路看似簡單，但在版圖設(shè)計中遇到了寄生效應(yīng)所引起的相位失配問題，使得輸出信號產(chǎn)生了較大的雜散?！币罂≌f。為了減小相位失配，他曾嘗試了將近10種不同的版圖方案，最終將輸出信號的雜散控制到了可以接受的水平。

與直接采用一個高頻環(huán)形振蕩器相比，時間交織型架構(gòu)能有效地降低環(huán)形振蕩器的噪聲，并維持低功耗。這一工作發(fā)表于2016年的國際固態(tài)電路會議與《固態(tài)電路》期刊。由于出色的相位噪聲性能與高能效，時間交織型環(huán)形振蕩器被英特爾與芝加哥大學(xué)密歇根分校等公司與高校應(yīng)用于脈沖式超寬帶無線電與低功耗藍(lán)牙等通信系統(tǒng)中。

基于電感電容諧振腔的LC振蕩器，由于其相位噪聲較低，被廣泛應(yīng)用于高速通信系統(tǒng)。尋找高性能的LC振蕩器結(jié)構(gòu)，用較小的功耗實現(xiàn)低相位噪聲一直是振蕩器領(lǐng)域的研究熱點。

殷俊與團(tuán)隊提出的逆F類振蕩器，避免了傳統(tǒng)的差分式振蕩器結(jié)構(gòu)在采用諧波整形技術(shù)時，電感與電容在二次諧波頻率能量損耗較大的問題，有效地提升了LC振蕩器的品質(zhì)因子。相關(guān)工作發(fā)表在2018年的國際固態(tài)電路會議與《固態(tài)電路》期刊后，至今獲得接近100次的引用，成為重要的高性能振蕩器結(jié)構(gòu)之一。

殷俊分享了在提出逆F類振蕩器結(jié)構(gòu)過程中發(fā)生的一個小插曲?！拔业膶W(xué)生當(dāng)時嘗試去構(gòu)建多種振蕩器結(jié)構(gòu)，當(dāng)把諧波整形與單端振蕩器結(jié)構(gòu)相結(jié)合時，他發(fā)現(xiàn)能得到極高的品質(zhì)因子，因此這一結(jié)構(gòu)引起了我們的注意。后來我們發(fā)現(xiàn)高品質(zhì)因子是由于功耗仿真的失誤引起的。之后，我們修正了功耗，雖然品質(zhì)因子有所降低，但通過細(xì)致分析發(fā)現(xiàn)，逆F類振蕩器結(jié)構(gòu)依然具有非常出色的性能與優(yōu)點。”在殷俊看來，這些意外的發(fā)現(xiàn)也是科學(xué)研究的魅力所在。

以創(chuàng)新為信仰，殷俊始終堅守初心，不放棄任何一點靈感的啟發(fā)，不斷挑戰(zhàn)未知，勇攀科技高峰。與團(tuán)隊多次獲得澳門科技獎獎勵是對他實力與努力的肯定。

殷俊曾于2018和2022年與同事一起獲得澳門技術(shù)發(fā)明獎二等獎。作為第二獲獎人，他還于2020年獲得澳門技術(shù)發(fā)明獎一等獎。這是澳門技術(shù)發(fā)明獎自設(shè)立以來首次頒發(fā)一等獎。在麥沛然教授領(lǐng)銜的獲獎項目“創(chuàng)建萬物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵微電子芯片”中，殷俊的貢獻(xiàn)是研發(fā)了多種高能效的振蕩器與鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)。其中的一種基于片上變壓器的源柵反饋振蕩器結(jié)構(gòu)能在0.2V的超低電源電壓下工作，并保持高能效。

“頻繁更換電池所需的巨大成本是制約物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大量部署的一個重要問題。通過能量采集將環(huán)境中的太陽能、熱能等能量轉(zhuǎn)換為電能，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電，可以避免頻繁的電池更換。由于采集到的能量通常較微弱，因此所產(chǎn)生的電壓較低，如果通過直流轉(zhuǎn)換器將低電壓提升為電路工作所需的標(biāo)準(zhǔn)電壓，則會造成較大的能量損失。我們所提出的超低電壓的振蕩器與鎖相環(huán)電路能夠使微電子芯片在使用能量采集供電時，依然保持高能效。”殷俊介紹。

以謙遜的心態(tài)看待獎勵，殷俊認(rèn)為，科學(xué)家從事科研的目標(biāo)在于科技創(chuàng)新，而非獎項本身，將獎勵化為精神上的鼓勵和鞭策自己繼續(xù)前進(jìn)的動力，執(zhí)著于真理的追求和為人類福祉作貢獻(xiàn)，才能更深層次體會到科研為自己帶來的價值和意義。

永葆初心 篤志前行

心懷熱愛，躬耕不輟，栽下滿園桃李是每一位師者的育人理想。科研之外，殷俊的一項重要工作是培養(yǎng)年輕的芯片設(shè)計人才。目前，他已指導(dǎo)畢業(yè)了3位博士生與8位碩士生，畢業(yè)后學(xué)生多任職于國內(nèi)外的頭部芯片設(shè)計公司，大多數(shù)已經(jīng)成長為公司的技術(shù)骨干。

殷俊注重與學(xué)生的交流與互動。實驗室布局中，老師的辦公室與學(xué)生的工作區(qū)間在同一個大房間內(nèi)，更便于他與學(xué)生隨時進(jìn)行交流，高效地解決科研中遇到的各種問題。他在給學(xué)生訂立課題時，總是偏向于讓學(xué)生關(guān)注電路設(shè)計的基礎(chǔ)問題，從第一性原理出發(fā)，發(fā)展新的電路與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用簡潔的方案來提升電路性能。在這一原則指導(dǎo)下，他的很多博士生在做第一個工作時就能取得很好的成果，在國際固態(tài)電路會議上發(fā)表。這個會議是集成電路設(shè)計領(lǐng)域高級別的國際會議。

年輕人思維活躍，殷俊鼓勵學(xué)生勇敢創(chuàng)新，不要怕犯錯。他也會引導(dǎo)學(xué)生尋找他們的科研興趣點，“如果對研究對象沒有興趣，遇到困難可能就很容易放棄”。

芯片研究出成果周期長，而且一次成功的背后，可能有99次的失敗在墊底。“如果長時間看不到結(jié)果，年輕人可能會焦慮。因為我們也是這樣走過來的，所以能體會到他們的感受。這時候我們需要幫助他們做心理建設(shè)，去同理學(xué)生的處境，疏解他們的沮喪情緒，提高他們的自信心和抗挫折能力。”殷俊說。

澳門的地理位置為殷俊提供了國際合作的好機會，參與多個學(xué)術(shù)期刊與會議的編輯與評審工作，更直接助力他有機會帶領(lǐng)學(xué)生與許多高水平的國際同行開展合作。

除與意大利帕維亞大學(xué)的弗朗科·馬洛貝蒂教授合作提出時間交織型環(huán)形振蕩器架構(gòu)外，殷俊還與歐洲多所大學(xué)的教授有過愉快的合作經(jīng)歷。愛爾蘭都柏林大學(xué)學(xué)院的羅伯特·博格丹·斯塔謝夫斯基（Robert Bogdan Staszewski）教授是全數(shù)字鎖相環(huán)的發(fā)明者。2017—2018年，他的兩位博士生曾來到殷俊的課題組交流，通過與斯塔謝夫斯基教授及他的學(xué)生合作，殷俊和學(xué)生將逆F類振蕩器與全數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)合，實現(xiàn)了超低功耗的頻率綜合器，僅用530μW的功耗，就實現(xiàn)了870fs的輸出抖動。這一鎖相環(huán)電路在低功耗通信系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用價值。

與葡萄牙里斯本大學(xué)的努諾·霍爾塔（Nuno Horta）教授團(tuán)隊合作，殷俊和學(xué)生利用努諾·霍爾塔團(tuán)隊開發(fā)的電子設(shè)計自動化工具（EDA），對提出的新型振蕩器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自動設(shè)計與優(yōu)化，并且性能很快得到了驗證。

在國際合作中，學(xué)生們完成了知識積累、拓寬了認(rèn)知邊界，更對自己專注的科研方向有了深入了解。有自己專門的研究方向，做深做透，用創(chuàng)新想法提高芯片性能是殷俊對學(xué)生的殷切期望。同時，他也會組織多位學(xué)生合力完成規(guī)模較大的項目，通過合作，鍛煉他們的組織協(xié)調(diào)能力。

殷俊重視科研成果的落地轉(zhuǎn)化，但他坦言，團(tuán)隊規(guī)模小，有限的人力資源無法去完成復(fù)雜的產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)。與企業(yè)合作進(jìn)行前瞻性技術(shù)研究，為未來做準(zhǔn)備，是他找到的一條科研成果落地轉(zhuǎn)化的途徑?！斑@樣既可以發(fā)揮學(xué)校創(chuàng)新性的專長，也可以發(fā)揮企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)上的優(yōu)勢，雙方互補的同時，也為學(xué)生培養(yǎng)找到了一種新模式?！?/p>

關(guān)注時鐘芯片的國際前沿?zé)狳c問題，殷俊調(diào)整并完善著自己與團(tuán)隊的科研計劃。在支持人工智能的算力系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不斷提高的背景下，如何產(chǎn)生與分發(fā)更精準(zhǔn)的高頻時鐘信號？如何將射頻電路的設(shè)計與電源管理等其他模塊的設(shè)計結(jié)合起來，通過協(xié)同優(yōu)化，進(jìn)一步提升芯片的性能？這都是殷俊所感興趣的，并想在未來的工作中給出解決方案的課題。

在與領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)外知名專家的合作中，殷俊時常驚嘆于他們始終精益求精、一絲不茍的科研態(tài)度和工匠精神。他們執(zhí)著于自己選擇的一方小天地，因為積累深厚，往往能用小且精妙的改進(jìn)實現(xiàn)大突破。用簡潔的方案來提升電路性能亦是殷俊解決科研問題秉持的原則?！八膬蓳芮Ы铩钡膯栴}解決能力在于一點一滴的積累。永葆初心，篤定深耕，殷俊愿用每一份日夜兼程，為點亮?xí)r鐘芯片的夢想版圖提供更多的可能。