“射頻電路電子設計自動化的關鍵技術研發與應用”助力我國射頻領域自主發展

人民網上海9月18日電 射頻電路是廣泛應用於無線通信中的集成電路，上至衛星通信，下至手機、WiFi、共享單車，處處都有射頻電路的身影。設計是射頻產業鏈的源頭，射頻電子設計自動化（EDA）軟件是射頻電路設計的使能端，也是射頻產業的重要基石。

但是射頻EDA具有技術門檻高、難度大、成果積累時間長、用戶慣性大、見效周期慢的特點。射頻EDA領域中國外企業起步較早，目前佔據著我國市場的90%以上的份額。目前僅芯和半導體科技（上海）有限公司一家國產成套射頻EDA軟件供應商。國內市場長期被國外壟斷，限制了我國射頻行業的自主發展。發展自主可控的射頻EDA技術是我國射頻產業發展的必由之路。

針對我國對自主可控的射頻電路EDA軟件的迫切需求，上海交通大學電子信息與電氣工程學院的毛軍發院士和吳林晟教授研究團隊，與芯和半導體科技（上海）有限公司開展合作，在國家973項目、國家自然科學基金、國家重大專項、上海市科委科研計劃項目等的支持下，提出了高效的電磁和多物理仿真建模算法，自主研發仿真軟件，實現器件多物理、多功能自動化協同設計，並基於上述成果聯合建立了集成無源器件知識產權（IP）庫、研制了多款產品，已經在移動通信、衛星通訊和集成電路等多個領域取得推廣應用，為我國在射頻EDA軟件領域打破國際封鎖做出了重要貢獻。

射頻電路仿真建模：自主研發EDA軟件，打破國際壟斷

目前國際主流射頻EDA軟件主要有Cadence、ADS等，這些國外軟件了壟斷了市場的絕大部分。與此同時，他們仍然存在著在分析射頻電路時消耗資源大、效率低、建模難度大等問題，這些問題亟需解決。

三維射頻系統級封裝的協同設計

考慮到當前EDA軟件的不足，上海交通大學團隊提出了基於廣義傳輸矩陣的精確高效電磁場分析算法和電磁-熱-應力耦合多物理場仿真算法，聯合研制出首套國產射頻電路芯片-三維封裝聯合電磁場仿真建模商用軟件。該軟件可以解決芯片級封裝的跨尺度仿真問題，可以高效精確地實現跨越從納米到厘米7個數量級的電磁仿真，仿真效率比現有仿真工具提高10倍以上。

上海交通大學團隊還提出了多種高效准確的電磁-熱-應力耦合多物理場仿真算法，自主研發出多物理場仿真軟件，突破了射頻封裝結構多物理場的精確高效仿真技術瓶頸。該軟件的仿真效率比目前的主流商用軟件提高了幾十倍，佔用內存明顯減小。

多家行業龍頭企業將上述兩種軟件應用到產品研發中，大幅縮短研制周期，降低研發成本，設計得到的產品綜合性能和可靠性得到顯著的改善。

射頻電路設計優化：自動協同優化，一舉多得

功耗低、尺寸小、散熱快是射頻電路希望達到的目標，但是減小尺寸很容易導致高功率電路出現過熱的問題。所以，在設計時必須多方面兼顧。毛軍發院士與吳林晟教授團隊兼顧射頻電路中電磁和熱特性，提出了元件級電熱協同混合設計方法，分析時間與商用軟件相比提升20倍以上，該技術用於優化高功率芯片在無源電路和封裝表面的貼裝位置，可使電路最大溫升降低30%，有效解決了電路的散熱問題。

射頻電路電熱多性能協同設計優化

射頻電路中有大量不同功能的無源元件和天線結構，為了實現電路尺寸的減小而單純縮小特定元件尺寸通常會引起性能變差，毛軍發院士與吳林晟教授團隊實現了將6個傳統元件融合為1個元件的突破，顯著簡化了射頻系統架構，大幅降低整個系統的尺寸和損耗。

團隊進而自主研發了一整套軟件，覆蓋了射頻濾波器等無源電路的整個設計流程，可以用於自動優化設計，兼顧多種設計需求，也解決了高頻參數敏感性帶來的設計調試難題。團隊使用這套軟件研制了系列化的多功能無源元件和毫米波濾波天線陣列，2017年獲華為優秀合作貢獻獎。

射頻電路的可重用可靠性設計：從理論到實踐，讓研發更高效

先進半導體集成工藝技術的快速演進，對可重用和可靠性設計均提出很高要求。基於上述自主研發的射頻EDA算法和軟件，毛軍發院士、吳林晟教授團隊與聯合單位共同建立了集成無源器件IP庫，並在研發過程中解決了IP可重用性問題，與中芯國際工藝完全兼容。

射頻毫米波系統級封裝的6大關鍵要素

通過使用上述自主研發的射頻EDA軟件，可以精確預測器件、電路、芯片的電磁場和多物理場耦合特性，揭示模塊中各個部分的物理特性變化規律，從而進行對芯片與封裝一體化的電磁仿真、電熱協同分析和設計。毛軍發院士、吳林晟教授團隊與應用單位聯合研制出可用於無線通信等諸多領域的三維集成毫米波收發模塊等多款射頻模組產品，設計的准確性大幅提升，減少了反復優化設計與試制的迭代時間，設計和研發效率得到了大幅提高，使產品可以更快上市，也降低了研發成本，實現了組件性能、功耗和成本的最優化。這些產品已大批量應用於多個射頻與無線系統中。

十多年來，項目團隊在射頻電路仿真建模、設計優化和可重用可靠性設計3個方面取得的科技創新成果，成功培育出國內唯一成套射頻EDA軟件供應商芯和半導體，聯合研制出的首套國產射頻EDA軟件，在百余家單位應用﹔基本實現我國射頻EDA軟件的自主可控，促進射頻行業發展﹔培養了一支高層次人才隊伍，包括中科院院士1名、國家優青2名﹔走出了一條射頻EDA國產化的產學研創新突圍之路。