这种专用的集成电路芯片,竟能实现整个X光

当年正式建成高能光源，我们自己设计的X射线探测器将用于光源线站上。这套国产的X光探测器系统不仅能够节省几个亿的科研成本，还可以应用于医学、工业探测等前沿领域…出品：格致论道讲坛以下内容为中国科学院高能物理研究所研究员魏微演讲实录：大家好，我叫魏微，来自中国科学院高能物理研究所。今天想和大家分享我们是怎么做相机的。当然，我做的相机有点特殊，它的拍摄对象是X射线。▲相机将放到这里——北京怀柔“高能光源”（建设中）那这台相机显然不是日常生活中用来拍照的，而是会用到一个非常特殊的地方。就是这张图里所展示的像放大镜一样的地方，它的名字叫做高能同步辐射光源，是可以产生高品质X光的大科学装置。为什么要专门产生X光呢？主要是因为同步辐射产生的X光有极其优异的特性，能研究物质的结构。大到航空发动机的叶片，小到病毒的病原体，都可以用这台同步辐射装置开展研究。到年高能同步辐射光源建成之后，将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源，是当之无愧的大国重器。随着国家综合国力的提高以及探索前沿科学的需求日益迫切，近些年我国有一大批先进光源正在建设和规划，这些光源大部分是基于加速器技术来产生X射线的。▲同步辐射装置的工作方式我们国家先进光源的建设水平已经达到了世界一流。但非常遗憾的是，虽然我们现在能够产生这种高品质的X光，但是X光探测的这一关键部分仍然受限。一直以来，其中的关键科学仪器特别是高端的科学设备都被国外垄断，这也是先进光源发展的一个瓶颈。为什么这么说呢？因为这种被垄断的高端仪器价格昂贵，使得整个装置的建设成本大大上升。并且由于我们没有生产定制化高端科学仪器的能力，所以也就无法满足科学家的一些新想法的需求。甚至也就无法完全发挥出光源的全部性能。这就是我们一定要有自己的探测器的原因。没有自己的探测器，原始创新也就无从谈起，这也是我们开展这项工作的初衷。解决直接探测X射线的问题到底如何制作这样一台相机呢？首先要解决的是探测X射线的问题。▲间接探测传统上，我们已经有很多方法来探测X射线。比如胸透采用的技术，通过闪烁体的材料把X射线转换成可见光，然后再用可见光的相机拍摄它。但是，转换的过程中会损失不少精度，降低了它的分辨能力。▲直接探测所以我们就想，能不能用更高效的办法，直接探测X光，让X光直接转换成为电信号。这样再直接处理电信号，系统的整体性能就大大提高了。然而，直接探测X射线存在两个难点。第一个难点是X光的能量非常高，很多材料都被轻易穿透过去，也就是说，这些材料对于X光来说都是透明的。▲对高能X射线来说，大部分材料是“透明”的针对这个问题，我们可以先利用一种高密度的材料，比如半导体的硅材料，再在其中加上电场。就像是我们先砌了一堵厚厚的墙，再在这个墙上拉一张电网。这样一来，就算X光再厉害也插翅难逃了。这样就解决了第一个问题。我们用一个词来形容就是“观其无形”。第二个难点是X射线难以看清。如果把探测材料进一步划分成很多细密的小单元，并且让每一个单元都能独立工作，我们就能清楚地知道X光在哪里被捕捉到的，获得了X光的位置信息。累计了很多这种位置信息之后，它会组合成为一张图，也就看清了X光，也就是“洞见于微”。从零开始，攻克三个难关对于具体的相机来说，我们可以把这样一台相机从结构上分成三个关键部分。首先，要看见X光，要有X光的感光器件。我们把它叫做传感器，和人眼的功能非常相似。接下来，将X光转换为电信号之后，就可以利用专用的集成电路芯片去处理电信号。我们还可以按照自己的需求，在这个芯片上设计各种不同的功能，这就与人脑所起的作用十分相似。然后，人的眼睛到大脑之间信号的传递是通过神经来实现的。在探测器里也有一个信号的通路，它是采用先进封装的工艺，用一种倒装焊的技术来实现的。就是图里的一颗颗的小球，这就是探测器的神经。大家可能觉得这三个关键技术听起来还挺简单的。但是要知道，我们在年开始研究工作的时候，国内在这个领域上基本是空白的。这意味着我们要从零开始，分别攻克这三个关键技术的难关。而当时国外已经有了几十年的发展基础，这也意味着我们要面临巨大的压力和挑战。甚至到今天为止，我们仍然不停地受到各种各样的质疑。有人说：“这个技术在国内太超前了，你们肯定做不出来。”还有人说：“国内的加工条件根本无法做出这个东西，你们还是不要尝试了。”但是，如果不去挑战，我们就会一直被“卡脖子”，原始创新自然就更无从谈起。那我们应该怎么做呢？首先就要解决探测器最难的部分，也就是探测器的大脑，它是一种实现整个探测器的核心功能和性能的专用集成电路芯片。谈起芯片，我想这几年大家都不陌生了，它在很多设备里都起到非常关键核心的作用。在我们的探测器系统里面也是如此，它要处理单光子信号，来实现整个探测器的功能。▲“拥挤”的单元电路大家可以看到上边的这张图，这就是整个集成电路芯片其中的一个单元，我们把它叫做像素。而像素单元电路的设计，就非常类似在日常生活中的小户型装修。我们家面积虽然小，但是所有的家具还得齐全，家具的运行还得有条理，这就要动很多脑筋。同样的道理，我们将不同功能的电路模块放到一起的时候，既要出于节省面积的目的，把它们的形状设计得互相嵌合。同时又要使其在非常狭窄的空间里执行复杂的功能，这是什么意思呢？在芯片里面不但要处理非常微弱的由传感器转换出来的电荷信号，同时还要将转换出来的数据高速地搬运到计算机进行处理。在处理微弱信号的时候，就像在进行一台精密的外科手术。但是同时紧邻的墙外就是一个繁忙的工地，有起重机、大卡车。精密手术还不能被它干扰，要有条不紊地进行。▲高集成度：单芯片上万像素（通道）而且这样一个单元只是整个芯片的其中之一，整个芯片上会有上万个这样的像素单元，同时在进行着精密的外科手术和数据搬运。除了电路设计时碰到的这样一些技术挑战，我们也遇到了很多现实的压力。经过这几年的芯片战，大家应该已经了解到做集成电路是一件非常烧钱的事情，但是在10年前，很多人是没有这个心理准备的。▲采用国内CMOS纳米集成电路工艺设计

单次工程批流片费用万举一个具体的数字，我们采用的是CMOS纳米的集成电路工艺，完成这样一次芯片的制造，我们称其为流片，所需成本超过人民币万元。而一个典型的研究课题的经费，通常最多也就是两三百万元。而且流片之后基本上无法修改。这就导致花费一半课题经费所制造的芯片变成了一锤子买卖，一次失败可能就会导致整个项目的终结。这样一个巨大的心理压力就落到设计人员，其实就是我本人头上。这就使得我们要在芯片提交流片之前，充分地考虑各种风险因素，进行详细的验证和仿真。我还记得核心的这款芯片即将提交流片的时候，正是我们家小朋友还在妈妈肚子里的时候。每天晚上孩子妈妈躺在床上保胎，我在旁边加班验证芯片。这件事情已经过去10年了，我家小朋友现在正好也是10岁。从这个意义上来讲，这款芯片相当于我的另外一个孩子。▲传感器工艺及制备对于探测器的眼睛，也就是传感器来说，它的目标就是进行精确地探测。传感器的原理和大家在高中时学过的二极管原理非常类似，它本质上也就是一个二极管的阵列。对于科学探测来说，它又不能仅仅只是一个简单的二极管阵列。在制造的过程中，要求工艺线非常洁净，不能有任何杂质，比芯片还严格。▲传感器晶圆可想而知，在开展这项工作的初期，国内合格的制造厂家是非常缺乏的。这就好比虽然能设计出图纸，但是却没有人能把它做出来。我们只有先筛选出具有一定加工潜力的合作伙伴，不断地磨合我们的设计和工艺，最后才能得到合格的传感器和晶圆。▲传感器测试那么有了电路芯片，也有了传感器，就可以使用先进的封装技术将它面对面地封装到一起，这样就能得到探测模块。▲“以球代线”采用半导体工艺制作的焊点我们采用的先进封装技术就是刚才提到的倒装焊。在显微镜底下可以看到，倒装焊是由一颗颗金属小球排成阵列的形式构成的。每个小球就是一个倒装焊的焊点，它的直径其实比头发丝还要略细一些，并且它排列起来的密度跟一头浓密头发的密度基本上差不多。所以这对加工工艺也提出了非常严格的要求。试想一下，如果“大脑”中的某一根神经断掉，就会导致与它相连的像素单元完全失联，在图像上留下一个坏点。作为一台先进的科学仪器，当然是要长时间运行。打个比方，就是在加班的过程中，不能干着干着“头发”就掉了。倒装焊是决定探测器可靠性的关键工艺，坏点的增多会导致图像质量的急剧下降，导致科学实验无法进行。正是因为有这么极限的要求，在研究初期国内具备这种精密加工能力的厂家是非常少的。这里展示的一系列图片，显示了我们同合作伙伴不断地进行工艺迭代，到最后实现合格的倒装焊工艺的过程。当时，在集成电路芯片成功流片的时候，我们是满心欢喜的，因为我们认为已经解决了整个探测器系统最难的关键技术。但看到左边第一张X射线成像图的时候，我们又是绝望的，因为这基本等于探测器没有办法使用。甚至连我们自己都开始怀疑，国内是不是真的不具备这个加工能力？好在我们同合作伙伴不断地调整工艺，不断地迭代。从开始的一大片死区，到后来坏点越来越少，最后得到一张合格的X射线成像图，也代表了我们当时看到的曙光。现如今，我们的合作伙伴除了能够服务于和我们有类似需求的其他用户，甚至后续还为前沿的高能物理国际合作承担了重要的加工任务。这其实反映了高端的加工需求对产业的推广和促进作用。从关键技术到仪器设备在整个探测器系统10年的研发过程里，我们不断面对类似的情况。但最难的三大关键技术——传感器、读出芯片和倒装焊，不到2年时间就已经解决。我们得到了第一个探测器模块，看到了第一张X射线成像图。接下来我们又花费了长达8年的时间，因为我们还要把这个模块拼接成一个大面积的整机，让用户能够放心地使用。我们不断地碰到新的问题，每个问题乍一看都不是很难，但是非常地琐碎，每件事都需要沉下心来解决。给大家讲一个故事。最开始有了第一批加工出来的6个模块的时候，我们非常高兴，着急把它组装成一个完整的探测器。正当我们把它往探测器的机械框架上安装之时，发现由于加工精度的问题，导致相邻两个模块互相地推挤，这就使得这个模块安装不上去了。因此只能对机械框架进行临时返工，把加工孔磨大，这样才能把模块勉强装上去。但安装上去之后，又发现了一系列问题。这就像我在《士兵突击》里面听到的一句话：“过日子啊，其实就是问题叠着问题。”这是每一个先进技术从概念到实体的必经过程。也从另一个侧面反映出来，国内在精密加工领域和国外还是有相当大差距的。但是，也只有这种严格的需求对我们的加工厂施加了压力，它才能得到锻炼，和我们共成长。另外还有个困难大家可能想象不到，就是在整机的工程攻关过程中，解决的很多琐碎问题是非常难发表文章的。这就要求我们以十年磨一剑的精神去解决每个细节的问题，这样才能把心中最美好的理想，从遥不可及变成能够触摸到的实体。在10年的时间里，我们从零开始，研发了三代样机。整机规模不断地扩大，探测面积不断地增加，内部设计的稳定性也在不断地提高。从成像图来看可以更直观一些。在早期，模块和模块拼接之间有非常宽的非灵敏区，我们把它叫做“死区”。通过改进工艺，第三代样机里面已经不存在这个问题了。事实上，第三代样机的整体性能已经完全可以对标之前形成垄断的国际主流产品，并且对它们形成国产化替代。到年高能光源建成的时候，将有一大批我们自己设计的探测器正式用到光源线站上，其中最大版本的像素会达到万。这里给大家的展示用我们自己的系统得到的两个典型的成像图，也是两个典型的应用。上面这张图就是在同步辐射光源上经常会做的一种实验，叫做X射线衍射实验。通过解析这一圈圈的环距离中心的距离以及亮度，就能分析物质的结构。这个图大家可能更熟悉一些，在医院体检时做的胸透得到的就是这种X射线透射成像图。只不过这里我用的是一条小鱼。另外，这里有几个大家可能意识不到的数字。用现在这套系统拍出来的X射线成像图，最暗的点和最亮的点之间亮度的差别能够超过万倍。这代表了图像里面蕴含的信息量已经远远超过了传统成像所能实现的能力，当然也远远超过大家手机上的相机，甚至超过了这台显示器所能显示的范围。通过小鱼的成像，显示着我们的技术完全可以在医学成像等应用领域得到推广。这台系统除了能够拍摄静态的图像，还有一个特殊的能力就是高速成像。譬如这里高速旋转的是一个风扇，肉眼看上去已经连成一片的旋转动作，在系统面前显得就像慢动作一样。它的高速能高到多少呢？拍照能力每秒超过0张以上，这已经远远超过之前国际上的主流产品。正是由于这种比较新的能力，我们未来就可以开展一些更新的实验方法。承上启下的科学仪器到这里，我想我已经可以回答经常被问到的一个问题。总有人说，你们用了10年时间，用了大量的人力和物力，只不过也就实现了和国外现成产品一样的水平，也就是把它替代了。那么你们做这件事情的意义何在呢？我想，第一，这可以节省大量的科研成本，我们现在做的这套系统与被它替代的产品相比，每一台可以节省人民币大约是几百万量级。高能光源建成之后将有超过90条线站，计算下来，这就是几个亿的科研成本。我们当然可以用这几个亿去做更多更先进的前沿探索，做更多有意义的事情。第二，通过这10年的积累，我们具备了整体的系统开发能力。未来就可以根据科学家更新的想法，去给他们专门做更新的、市面上没有的探测器系统。这样一来，就可以和高能光源共同升级。此外，刚才也提到我们的技术完全有希望应用到更多的前沿领域，例如医学、工业探测等等。回顾这项技术发展的历史，可以看到一个清晰的循环。X射线直接探测技术最早还是来自高能物理的对撞机实验，后来在同步辐射领域得到了应用发展，并且孵化了一大批成熟的商品。在近几年，医学成像领域注意到它的潜力，现在非常火热的光子计数CT技术其实也是来自于这个领域。而在产品成熟的过程中发展起来的一些关键的先进技术，又被我们的物理学家注意到，使他们能够思考能不能利用这种更新的技术，开展新的更具挑战性的前沿的科学探索。这样一来，就形成了下一轮技术升级的循环。科学仪器在这个循环里面起到了承上启下的作用，良好地沟通了前沿科学的需求和技术应用，使其有良性的互动。这也可以回答我们经常被问到的另外一个问题：研究高能物理有什么用？所以我想把这个问题的答案，作为我今天报告的结束。谢谢大家！“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”

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