成功开发出兼具省电与高性能的新型时钟生成电路！
兼顾家庭与事业的开发故事
December 5,2022
电视机、电脑、智能手机、传感器等都搭载有时钟电路。时钟是一种以数字表现负责信息处理的CPU工作频率的装置，以数千兆赫兹为单位，几乎所有电子设备都离不开它。索尼半导体解决方案株式会社（以下称SSS）所开发的几乎所有的半导体中都搭载了时钟。尽管这个模块极为重要，但迄今为止，时钟生成电路却一致未能实现数字化。此次，我们采访了因为成功开发出“全数字锁相环（ADPLL）”而荣获Sony Outstanding Engineer Award 2020 *1 的田村昌久。这是一种新型的时钟生成架构，将传统的模拟PLL（锁相环）难以实现的低电源电压运行、省面积、高性能化变为现实。询问了其在选择短时工作的同时不断发起挑战、最终确立新技术的秘诀。
*1）索尼集团为鼓励工程师挑战新事物而创设的表彰工程师个人的最高奖项
Masahisa Tamura
Sony Semiconductor Solutions Corporation
Research Division 1
个人信息：2001年入职索尼株式会社。从事手机用高频IC的开发，负责信号接收电路部分。从2008年开始，参与TransferJet用LSI的开发，开发出锁相环。从同一时期开始，着手开发全数字锁相环，于2014年成功实现量产化。2020年，该技术应用于超低电力Bluetooth® Low Energy用收发器，并在国际学会上发表。该技术的适用范围扩展到各种LSI产品中。目前，在推进这项技术在公司内部展开的同时，还在从事下一代技术的开发。
无论世界上的数字化如何发展，最后部分都需要模拟技术的支持
此次，田村开发的新型时钟生成电路，虽然在人们的日常生活中比较陌生，但对于几乎搭载于所有电气设备中的半导体和电子基板来说，却是必不可少的模块。各种机器都有自己的基准信号（时钟信号）用于指示运行的时机，而时钟信号每秒的运行次数就是时钟频率。生成这种时钟、控制一定频率的就是时钟生成电路。电脑等的CPU的规格中通常写有时钟频率1GHz等，这意味着时钟信号每秒振荡10亿次。
随着市面上机器越来越多功能化和小型化，半导体的电路就需要设计得尺寸更小和搭载各种功能，但是一直以来，时钟生成电路是由模拟电路构成的，因此始终无法缩小尺寸。随着半导体工艺的微细化，如果以过去的高电压驱动，就可能造成电路被破坏的风险，因此需要低电压也能驱动的电路，而重新审视半导体的电路设计、特别是模拟设计的时钟生成电路架构的必要性也日渐迫切。另外，还有一方面原因，那就是数字电路更适合精细半导体工艺。
但是，这种时钟生成电路的难点在于，单纯转换为数字电路并不能解决问题。时钟频率由振荡器产生，而这部分由模拟技术构成，难以实现数字化。另一方面，监测振荡器输出信号的反馈部分可以转变为数字电路，此次，田村获奖的技术就是将数字电路与模拟电路组合在一起实现的新型时钟生成架构。
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田村认为“无论数字化如何发展，最后的部分都是由模拟技术支持的”。智能手机是代表性的数字设备，对话时，其将语音数据转换为数字数据，通过天线将数字数据作为模拟电波发送出去。而在接收信号时，又能排除多余杂音，增强微弱的模拟电波，从而让语音变得更加清晰。大众通常有一种误解，认为“模拟技术=落后技术”，但事实绝非如此，实际上模拟技术在各种数字技术中起到了非常重要的支撑作用。关键就在于，如何合理安排模拟与数字之间的分工。
找不到问题原因，开发期间始终忐忑不安
田村从2008年前后开始摸索由数字电路构成的时钟生成架构。从大约2000年开始，开始零星有论文提及关于数字电路构成的内容，但当时田村只觉得是“出现了自己不知道的新技术”。但是，正如刚才提到的，由于半导体工艺的进化，田村开始感到数字电路的必要性和未来潜力。就在这时，他非常幸运地得到试制的机会，便尝试了新的构成，但是成品完全无法正常工作，在历经千辛万苦之后，也只能是在在部分条件下勉强工作。由于无法找到问题原因，田村的研究开发屡屡受挫。即便如此，在索尼，新的研究总是会迅速在公司内转播开来，有人向田村表示“想把这项技术应用于下一代LSI产品中”，于是，产品化的项目启动了。但是，正如之前提到的，当时田村还未能确立这项技术，所以，这个产品化项目是在存在巨大课题的状态下启动的。
最初项目需要设定众多频率来运行时钟。田村是“在屡屡受挫之后，才好不容易制作了能够运行的试制品”，对他而言，控制多个时钟频率非常困难。在最初的试制中，时钟在很多频率下都无法运行。很快，相关人员成立了一个应对小组，针对如何解决这一问题进行了分析。成员们为了实现产品化，每个人都斗志昂扬，而过去一直在总公司研究所工作的田村首次在这样的现场开发，他承受的精神压力之大与独立研究时无法相提并论，开发过程让他感觉非常辛苦。“现在回想起来，大家总是询问我没事吧，其实是他们无论如何都想把这项技术产品化的热情的表现。但是，当时的我只觉得如芒在背”田村笑着回忆了当时感受。
田村称“我在新型时钟生成架构的开发中碰到了三个课题。第一个是因为之前没有将模拟电路与数字电路组合起来的高速电路的设计方法，所以需要从开发方法开始开发。第二个是，不同于一般的数字电路，模拟电路的时钟频率不是恒定的，而是会不断变化。第三个课题等下我还会讲，那就是我不得不短时工作。我纵观了项目全貌，清晰地划分出数字和模拟两个不同的领域，并请数字电路和模拟电路方面的专家分别解决课题。又出现新课题时，就再寻求熟悉这个领域的专家的帮助，通过这种方式，让更多人参与到项目中来，我们在大家的协助下，成功实现了产品化。此次的奖项虽然是个人奖项，我认为这是给予我们团队的殊荣。如果没有团队成员的协助和公司的支持，就无法取得成功”。另外，田村的短时工作，从结果上来说，促成了团队对他业务的分担，使这项技术成为不属于专人的“公司技术资产”。这种鼓励共享技术和信息的开发方法，对企业和年轻技术人员而言都非常有益，也催生出了副产品，那就是让大家明白技术革新不受工作方式的限制。
学生时代凭借能迅速转换的灵活性，兼顾了兴趣爱好与学业
田村组合数字电路与模拟电路、确立了开天辟地的新技术的能力，体现在了将数字领域与模拟领域分离开来，合理分配各自分工的方面。他这种迅速判断、顺利切换的能力，从学生时代的一些片段中就可见一斑。学生时代的田村热爱架子鼓。他曾参加过爵士乐社团活动、轻音乐社团活动和社会人大乐队。进入研究生院的研究室后，也一直坚持开展音乐活动，还被教授揶揄“以最高的效率完成了硕士论文”。在几乎所有研究生都全身心投入研究中时，田村巧妙地划分了兴趣爱好和从事研究的时间，成功实现了学习娱乐两手一起抓的学生生活。无论是音乐还是研究，只要喜欢就会全力以赴。在兴趣和研究中顺利切换，也可以说就是田村“两手都要抓”的能力。
做家务是转换心情的好方式
作为单身父亲，努力兼顾家庭与工作
前面已经提到，田村选择了短时工作方式，此次的技术开发期间，前半段他要帮助妻子与病魔斗争，后半段则必须作为单身父亲，养育上高中和学龄前的两个女儿，就这样，他一边处理家庭事务，一边从事了开发工作。在刚开始帮助妻子与病魔斗争的时候，田村曾担心自己能否兼顾家庭与工作，但上司和开发成员为了“尽可能减轻田村负担”，为他提供了各种帮助，再加上家人和朋友的理解和支持，让他没有放弃自己的事业。在询问田村兼顾家庭与事业的诀窍时，他表示“不管在什么情况下，都不要独自苦恼。只要说出自己的困难，就能得到大家的帮助，这是SSS的企业文化。此次的开发课题也得到了公司内很多人的帮助，我选择短时工作，也是因为不仅有公司的支持制度，而且还得到了上司与团队的配合”。另外，不在办公桌前的时间要善加利用，这点也很重要，田村平时就养成了在脑海中整理信息的习惯，这样即使只有10分钟，也能做出资料。现在，田村已经能兼顾家庭和工作了，或者应该说他非常珍惜做家务的时间，用来转换心情。
他表示“为了在需要时能立即派上用场，就需要事先准备好技术因此，今后我将加强通过学会、论文以及公司内部的交流，准确把握开发潮流，不断推进技术开发”。市场的要求始终在发展变化，因此不能一直制造相同的产品。必须根据市场要求，不断创造新产品，但如果在接到市场要求后才开始开发就来不及了。最后，田村向我们讲述了为什么SSS拥有大量世界领先技术以及SSS作为一个组织具备巨大潜力的秘密。“SSS中聚集了许多非常优秀的工程师。这些工程师们提前准备大量的技术，不仅能增加人才和技术的储备，也有助于新的技术开发。即使业务规模不大，也有很多优秀的技术。所以哪怕是有些技术还看不到曙光，也希望大家不要放弃，坚持下去”。
