太赫兹技术的背景及应用介绍

今年的国际固态半导体电路会议（ISSCC）在几周前刚刚圆满结束。作为芯片行业的顶尖会议，每年ISSCC会议上发表的论文都被认为是集成电路行业的风向标。今年ISSCC上一个新的动向就是太赫兹电路获得了空前的重视，本文将对此做详细分析。

太赫兹技术：背景和应用

首先，我们介绍一下太赫兹技术的背景。太赫兹（Terahertz）中，“太”（Tera）是一种数量级前缀，即10的12次方，因此太赫兹即1000GHz的频率。目前，通常把300GHz-3THz的频段称为太赫兹频段。

太赫兹频段相对于毫米波频段（30GHz-300GHz）来说，频率更高，因此第一个潜在应用就是做通信。太赫兹做通信的主要优势在于可用带宽较大，因此可以实现非常高速率的无线数据传输。也有人认为，太赫兹有可能在6G通信中起到重要作用。

除了通信之外，太赫兹的另一个可能的应用领域是传感领域。太赫兹频段的电磁波拥有一些优良的性质，因此基于太赫兹的反射和透射成像可以实现金属危险物品检测以及医疗成像。太赫兹传感还可以用于工业应用中。由于太赫兹频段的波长较小（小于1mm），因此使用基于太赫兹频段的干涉仪可以实现亚毫米级的精度，甚至在使用FMCW等技术后可以实现微米级的分辨率。这对于工业应用中的平整度检测和缺陷检测等都很有意义。

太赫兹在ISSCC 2021

今年太赫兹技术领域的论文在ISSCC中可谓是声势浩大，有两个议程（session）专门用来讨论太赫兹技术相关的芯片（拥有两个议程的专题对于ISSCC来说已经是分量非常重，相比之下目前极热的AI芯片在本届ISSCC上也仅仅只有三个议程），分别是“应用在通信和传感领域的太赫兹电路”，以及“太赫兹电路收发机前端”，这两个议程一个更侧重太赫兹电路对于特定应用的赋能，而另一个则更关注太赫兹电路性能指标上的提升，每个议程分别有四篇论文。

在这八篇论文中，有两篇主要面向通信应用，两篇针对传感（成像和工业缺陷检测），另外四篇的技术则对于所有应用都通用（一篇混频电路，一篇功率电路，一篇接收机，一篇锁相环），应该说半导体行业对于太赫兹的通信和传感应用基本是同样感兴趣。在针对具体应用议程的论文中，主要的频段在250-400GHz附近，而在电路性能议程的论文中，频率已经上探至600GHz。

太赫兹应用的落地预期

在太赫兹应用中，通信类应用得到了大量的关注。目前，已经有针对300GHz太赫兹频段的相关标准（IEEE 802.15.3d），而也有不少人预期太赫兹有可能会出现在6G中。

如前所述，太赫兹通信的主要优势在于可用带宽大，可以实现数十GB的数据传输率。然而，我们认为，太赫兹成为常规的主流通信技术仍然有不少问题需要克服。首先就是太赫兹频段在城市等环境中的高损耗，意味着如果使用太赫兹通信的话通信距离不可能太远。此外，使用目前的太赫兹技术实现太赫兹电路的效率并不高，意味着基站等场合应用太赫兹的功耗会比使用毫米波还要高。因此，我们认为太赫兹通信或许更有可能首先落地在一些非蜂窝通信的场景下。

首先，太赫兹通信可能会应用在短距离甚至超短距离通信上。短距离通信包括VR、手机、可穿戴设备之间的互相通信。在这样的短距离通信中，无线传输的损耗可控，因此如果出现需要超高带宽的短距离传输，太赫兹技术将是一个可选项。除了短距离之外，还有超短距离通信，例如电子元器件甚至芯片之间的无线数据传输。传统上电子器件之间的数据传输大都采用有线的形式，例如在不同的器件之间通过PCIe这样的方式。然而，在一些应用场景下，使用有线接驳的方式会导致设计变得困难（物理接口需要占据空间），且可靠性较差，安装较为困难（例如需要完全对准才能完成安装，在安装完成后可能受到外力作用使接驳脱落等等）。在这种情况下，使用没有物理接口的太赫兹无线互联将是一种可选项，它在能满足数据传输率的同时，也减少了物理设计的尺寸，同时提高了可靠性（无需完全对准即可完成数据互联传输），其概念类似无接触式充电相对传统有线接口式充电的改进，在最大发挥了太赫兹高数据率的优势外，同时避免了太赫兹高传输损耗的问题（因为此类传输的距离通常在毫米数量级）。

除了短距离通信外，太赫兹通信另一个可能的场景是太空环境中的通信——在太空中，太赫兹的传输损耗大大小于城市环境中，因此太空中卫星间使用太赫兹技术进行高数据率互联也是有不少人探索的领域。

在通信领域之外，我们认为太赫兹传感有可能早先一步落地。在传感领域，无论是成像还是工业检测都有很强的需求，且太赫兹拥有独特的优势。例如，使用太赫兹成像来实现安检相对于X光来说对于人体没有辐射伤害，而相对毫米波来说则有更高的成像分辨率，目前已经成为下一代安检的主流技术路径。除了安检之外，太赫兹做平整度检测和缺陷检测也拥有巨大的市场和需求，太赫兹能实现微米级的测量精度，能满足大量工业应用的需求，而另一方面其相对于激光干涉仪等方案来说成本可以大大降低，因此这也是太赫兹落地非常看好的一个领域。

太赫兹芯片在中国

太赫兹芯片相关的基础设施方面，太赫兹技术相关的芯片通常使用成熟工艺，如今年ISSCC上的八篇论文中，全部使用的是28nm以及之前的工艺（大多数使用的是65nm工艺），这是因为先进工艺的器件特性对于太赫兹技术来说提升并不是很大。我们预计在未来太赫兹芯片使用的芯片工艺可能会慢慢转向28nm，但是使用16nm以下的可能性很小。因此，中国的太赫兹芯片并不会受到半导体工艺的限制。

但是，在半导体工艺之外，中国在太赫兹芯片领域的基础设施落后主要在于EDA领域。太赫兹EDA目前主要使用Ansys的HFSS来做无源器件（以及波导）的仿真，而同时集成电路级有源器件的仿真常用Cadence的SpectreRF。在这个领域，中国的EDA技术仍然相对世界一流有不少差距。

在太赫兹芯片设计领域，中科院上海微系统所、中电38所、50所等科研机构都有相关的投入。此外，在太赫兹芯片商用化领域，中国也有一些初创公司在做努力。例如，初创公司微度芯创就是一家主打太赫兹安检成像技术的公司，其80GHz雷达芯片已经量产，160GHz雷达芯片完成验证，240GHz雷达芯片正在设计中，预计在未来几年内其产品就能走进下一代基于太赫兹成像的高通量安检产品中，值得我们期待。随着太赫兹技术进一步走向成熟，我们认为在中国也会有越来越多相关芯片领域的投入。这并不是一个全新的领域，其中许多设计技巧和毫米波电路和系统可以说是一脉相承，此外中国拥有巨大的安检市场，因此我们认为中国在未来的太赫兹芯片设计领域将会走在世界前列引领潮流。
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