俞捷：面向業(yè)界不忘初“芯”

2016年6月1日，中國工程院在北京召開第十三次院士大會，會上頒發(fā)了第十一屆光華工程科技獎，34位專家分別獲成就獎、工程獎和青年獎。光華工程科技獎面向全國工程科學技術界，主要獎勵在工程科技及管理領域取得突出成績、做出重要貢獻的中國工程師和科學家，以激勵他們從事工程科技研究、發(fā)展、應用的積極性和創(chuàng)造性，促進其工作順利開展并取得成果。

相較于往年，2016年新增加了港澳臺地區(qū)候選人參評，首次獲獎的有4位專家。其中，香港科技大學教授、半導體技術和芯片設計專家俞捷獲得青年獎。對于始終堅持產(chǎn)學研結合的俞捷來說，此次獲獎是對其多年努力的肯定和鼓勵。

信者，誠也，專一不移也

1987年，俞捷16歲。這一年，他從香港前往美國，完成高中學業(yè)。第二年，他進入紐約州立大學水牛城分校。隨后，因為想在工程方面更進一步，他轉學到了德克薩斯大學奧斯汀分校。也是在這里，俞捷開始進入半導集成電路領域。

在德克薩斯念本科時，俞捷就跟隨一位老師做研究工作，這位老師不僅幫助他確定了研究領域，更影響了他的科研理念。“ Al Tasch教授是我的啟蒙恩師，也是第一個帶我進入半導體集成電路領域的人。”事實上，Al Tasch教授并不單純是一位老師，在擔任教職前，他曾在業(yè)界工作多年，因此，他做的研究項目都是跟產(chǎn)業(yè)關聯(lián)密切的。這一點極大地影響了俞捷的研究方向。一路走來，俞捷一直將研究的實用性擺在首位。有些信念，一旦產(chǎn)生，就是永遠。“信者，誠也，專一不移也。”

1992年，俞捷在德克薩斯大學奧斯汀分校取得電氣和計算機工程學士學位，并得到最高榮譽畢業(yè)。隨后，他進入斯坦福大學，分別在1994年和1998年獲得電氣工程碩士及博士學位。博士期間，他師從黃兆永教授，從事硅芯片上電感器的集成技術和建模的研究。硅芯片上電感器是包括手機、機頂盒、光通信收發(fā)器在內的高頻率高數(shù)據(jù)率通信系統(tǒng)的核心器件。他的研究成果得到了業(yè)界的普遍認可，基于該成果發(fā)表的論文現(xiàn)已被引用超過1200次，以這篇論文為基礎的發(fā)明也被授予了美國專利。

這一研究開啟了俞捷的創(chuàng)業(yè)之旅。1998年畢業(yè)后，在斯坦福大學教授孟懷縈的帶領下，俞捷作為共同創(chuàng)始人與幾位大學教授一起創(chuàng)立了Atheros Communications。在這里，他們將大學里的基礎研究與市場相聯(lián)系，真正將知識應用在產(chǎn)業(yè)化中。考慮到投入生產(chǎn)的需要，他們在研發(fā)過程中并未一味追求高難度的技術，而是真正秉承與產(chǎn)業(yè)鏈相接的理念。2002年，俞捷將自己的芯片研發(fā)成果商品化，并成功量產(chǎn)了全球第一顆CMOS WIFI芯片。

在俞捷看來，他的博士論文之所以能轉化為核心的技術，就是因為他始終堅持學術研發(fā)真正面向產(chǎn)業(yè)需求。“我當時花了很多時間去研究怎么做仿真，因為每一個電路的需求不一樣，電感的值就不一樣。我們雖然是在器件上面做研究，但實際上需要面對整個電路的需求。”俞捷認為，“做器件的研究不能只想著把自己的器件做到最好，而忽略技術限制。可能你做出來的東西是完美的，但如果世界上能做到這個工藝的只有你自己的實驗室，根本無法量產(chǎn)，那就沒什么價值了。”

2003年，在產(chǎn)業(yè)界歷練了5年之后，俞捷進入了卡內基梅隆大學，從助理教授做起，直到2006年轉到加州大學圣巴巴拉分校擔任終身副教授，2010年又提升為終身正教授。

這個時候，距俞捷16歲漂洋過海來到美國，已經(jīng)過去了20多年。而就在取得終身正教授資格的當口，俞捷卻選擇辭去職務全職回國，加入香港科技大學。有朋友對俞捷的回國表示不解，但對國內科研事業(yè)的長期關注，讓俞捷堅信：回國可以做出更大的成果！

“在工業(yè)界，對芯片需求最大的就是中國大陸內地。國家近幾年進口大量芯片，對進口依賴程度甚至超過石油。而伴隨著市場需求一起發(fā)展起來的，還有這個專業(yè)方向上大量的優(yōu)秀生源。”俞捷認為，回國有利于關注市場動態(tài)，而國內的優(yōu)秀生源則讓他看到了這個行業(yè)的良好發(fā)展前景。對于堅持面向產(chǎn)業(yè)需求的俞捷來說，國內的舞臺更為廣闊。

推動高速光通信網(wǎng)絡的普及

2010年，俞捷出任香港科技大學（以下簡稱“港科大”）教授，隨后創(chuàng)辦“港科大—高通聯(lián)合創(chuàng)新和研究實驗室”，成立工程學院的“產(chǎn)業(yè)交流和實習中心”，致力于增強港科大與產(chǎn)業(yè)界的聯(lián)合研究活動。“我希望借此加強港科大電子工程學系的學生與產(chǎn)業(yè)的互動，進行針對市場需要的應用研發(fā)，為香港產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展出一份力。”這是回國之際俞捷的心聲。

言猶在耳，他已經(jīng)帶領研究小組試圖利用“光”在通信方面做出應用。港科大有多位老師從事芯片設計和射頻方面的科研工作，這些方向有利于俞捷開展“光”通信的研究。“我們實驗室關于‘光在通信方面的研究，目前分為兩個方面：光纖通信和可見光通信。”俞捷說：“光纖通信部分延續(xù)在加州大學時的研究，而可見光通信則是一個新的研究方向。”

移動互聯(lián)網(wǎng)浪潮和網(wǎng)絡娛樂的迅猛發(fā)展催生了對高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的巨大需求，亞馬遜、谷歌和阿里巴巴等互聯(lián)網(wǎng)巨頭都紛紛建立自有大規(guī)模數(shù)據(jù)中心來應對巨大的數(shù)據(jù)處理負荷和通信帶寬需求。“光纖通信中，最大的經(jīng)營費用在于電費，包括儀器運行時耗費的電力，以及用電產(chǎn)生熱量之后的散熱費用。”俞捷說，“如何實現(xiàn)高速低功耗低成本光通信網(wǎng)絡是構建此類巨型數(shù)據(jù)中心的難點及關鍵。”

為了達到大規(guī)模數(shù)據(jù)中心所需的數(shù)據(jù)傳輸速率和通信距離要求，傳統(tǒng)光收發(fā)機芯片主要由昂貴的高性能半導體工藝如硅鍺（Silicon-Germanium）或砷化鎵（GaAs）制造。然而在摩爾定律的推動下，低成本CMOS工藝的性能功耗比已經(jīng)在過去幾十年內取得了飛速發(fā)展。因此，基于CMOS工藝的新一代光收發(fā)機開始從科研領域進入商用市場，預計在未來將逐步取代昂貴的硅鍺/砷化鎵材料光收發(fā)機，進一步推動高速光通信網(wǎng)絡的普及。

“在過去的幾年中，我致力于研究基于標準CMOS工藝的全集成光接收器，而這也已經(jīng)成為了領域內的一個非常重要的研究方向。”俞捷解釋道：“相比于傳統(tǒng)光接收器，我們提出的新型架構不僅實現(xiàn)了30Gb/s以上的高速率，更創(chuàng)造性地在標準CMOS工藝下集成了光電轉換二極管。運用特有的多級自適應均衡器，我們的全集成光接收器在功耗減半的同時實現(xiàn)了兩倍于其他已發(fā)布全集成光接收器研究成果的傳輸速率。”此類全集成光接收器大幅降低了傳統(tǒng)分立元件光電二極管帶來的額外封裝工序和成本，為光通信模塊的小型化低成本大規(guī)模生產(chǎn)提供了新的解決方案。

另一方面，移動通信網(wǎng)絡端也在蓬勃發(fā)展，目前正在朝第五代移動通信（5G）演進。全世界將有數(shù)以十億計的無線通信設備接入移動通信網(wǎng)絡之中，這對其速度和容量提出了巨大的要求。為了滿足這種需求，移動網(wǎng)絡運營商需要快速配置大量的短程無線接入點（small cell），每個接入點覆蓋200?400m的范圍。這對移動通信基站和相關移動交換節(jié)點之間的回傳網(wǎng)絡的成本、能量效率、速率以及容量都提出了很高的技術挑戰(zhàn)。為了提供更大的帶寬，多個天線的多入多出技術（MIMO）也將在5G通信中得到應用，天線系統(tǒng)與其基帶處理單元之間的連接（前傳網(wǎng)絡）將變得極為復雜。在對這些技術挑戰(zhàn)的應對之中，毫米波技術和光纖通信技術占據(jù)著重要的地位。

“光纖具備低損耗、高帶寬、抗干擾能力強等優(yōu)點；而毫米波技術除了寬帶之外，還具備無線通信的優(yōu)點。”俞捷補充道：“針對這樣的場景，我們前瞻性地將光接收機與毫米波無線QPSK發(fā)射機集成在一顆芯片之上，第一次實現(xiàn)了基于CMOS工藝的基帶光纖傳輸?shù)墓饫w—毫米波混合單芯片系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通過光纖的方式輸入，調制到毫米波端后，以無線的方式發(fā)出。最新測試結果顯示該系統(tǒng)可以達到12Gb/s以上的高數(shù)據(jù)率。由于此系統(tǒng)光纖中傳播的是基帶信號，因此降低了對于光電轉換器帶寬的要求。同時，此系統(tǒng)采用CMOS技術進行單芯片集成，具備巨大的成本優(yōu)勢。這為5G通信中的前傳網(wǎng)絡、回傳網(wǎng)絡、MIMO多天線陣列等提供了潛在的低成本高靈活度的解決方案。”

搶占“室內定位”市場的先機

“我現(xiàn)在的課題小組有8個準博士生，有一半在做光纖通信的接收器方面，另一半則在研究基于可見光通信與藍牙的室內定位和導航技術。”俞捷認為，室內定位和導航系統(tǒng)是需要開發(fā)的重要技術。因為人類在室內花費的時間占70%以上，但由于衛(wèi)星信號不能被用戶接收到，導致GPS在室內無法使用。因此，室內定位的前景堪稱廣闊，“預計將有50億美元的市場規(guī)模”。

現(xiàn)今基于射頻信號的室內定位技術，如WIFI、藍牙等，由于受到干擾和衰減的影響，精度有限。與之不同的是，基于可見光通信的室內定位技術使用LED燈來產(chǎn)生無法用肉眼看到，但可以通過光傳感器（如智能手機的攝像頭）檢測到的信號來進行定位。可見光通信表現(xiàn)出的獨特視距鏈路使信號被限制在照明區(qū)域，從而可以達到更高的定位精度。

“飛利浦、通用電氣、高通等大公司都在對可見光開展研究，從2014年開始陸陸續(xù)續(xù)地有一些公開的報道，今年比較全面一點，開始有方案了。”在俞捷看來，這些公司對可見光通信的研究就像一個信號，恰恰證明了這一技術可以在市場上立足，那么接下來要解決的就是技術上的難題了。

俞捷帶領研究小組開發(fā)出使用從LED發(fā)出的可見光來產(chǎn)生高精度定位信息的技術。這種被稱為可見光室內定位（VLIP）的技術，通過與新的藍牙標準，即低功耗藍牙（BLE）相結合，可以創(chuàng)造出一種功能強大的混合技術，以提供基于室內定位的服務，如導航、廣告、跟蹤、安全和訪問控制。

在大型公共場所或商業(yè)環(huán)境中，如機場、地鐵站、商場和超級市場，室內定位功能非常適合支持各種應用，包括導航、跟蹤、安保和其他廣泛的基于位置的服務（LBS）。“試想一下，當你去商場逛街，你的手機可以隨時感應你的具體位置，為你推介商品，還可以展示物品的所有顏色、尺碼，那么你在線下購物也可以擁有線上購物的效率和便捷。”俞捷侃侃而談，“再假設你在博物館里看展覽，隨著你的走動，你的手機可以隨時為你提供你所在位置的展品信息。到那時，手機就像個人助理，能夠隨時為你服務。”

對于俞捷來說，科研要面向產(chǎn)業(yè)界才可以實現(xiàn)它的價值。目前，由于制造和安裝成本較高，且性能有限，市場上還沒有具有競爭力的室內定位技術或產(chǎn)品。俞捷希望利用藍牙和VLC相結合的方法所具有的性能和成本優(yōu)勢，在這個市場上搶占先機，提供下列功能：高精度室內定位；照明控制和管理；大數(shù)據(jù)收集與分析；終端用戶無縫鏈接。

敢為人先，不落人后

從事科研工作以來，俞捷一直堅持面向產(chǎn)業(yè)界，推動產(chǎn)學研相結合。他說：“當產(chǎn)業(yè)界對某項技術感興趣，但又因為風險等原因不敢輕易試水的時候，我愿意做他們伸出來試探的手和腳。”在俞捷看來，產(chǎn)業(yè)界做研究的立腳點即為實用，能夠得到產(chǎn)業(yè)界青睞的技術，其應用前景毋庸置疑。對于這種剛剛萌芽的產(chǎn)業(yè)的研究，也更有價值。

加入港科大以來，俞捷先后與高通和華為合作，致力于加強港科大與產(chǎn)業(yè)界的聯(lián)系。俞捷認為：“大學被稱為象牙塔，有時候老師在里面會固步自封，覺得自己做的東西已經(jīng)很好了。但事實上科技要想轉化為產(chǎn)業(yè)，讓業(yè)界接受，就必須要和企業(yè)去溝通，要結合業(yè)界的現(xiàn)有工藝。只能在特定的實驗室實現(xiàn)的技術，其應用價值微乎其微。”

在俞捷的科研道路上，貫徹始終的就是產(chǎn)學研結合的理念。而在當下，亟待解決的問題是，如何對學校和科研院所的科研成果進行知識轉移。2014年，俞捷接受任命，擔任港科大協(xié)理副校長，負責全校的知識轉移的運作和策略。

對于知識轉移的體系，俞捷有自己的理解：“在學校里面做科研，是一個從無到有的過程，而風投公司只會在看到一定成果之后進行投入。如果把科研進程量化為從0到100，那么1以后才會有風投公司愿意進入。從0到1聽上去很簡單，但事實上把理念變成一個研究方向只是從0到0.1，而很多研究就止步于此。因此，要想實現(xiàn)知識轉移，就要在0.1到1之間，建立孵化器平臺。”

2014?2015年期間，俞捷帶領港科大知識轉移辦公室的同事，一同推行創(chuàng)新科技署在2014年新設立的“大學科技初創(chuàng)企業(yè)資助計劃”。“借著政府的創(chuàng)新及科技基金的資助，我們知識轉移辦公室協(xié)助師生團體成立超過20間科技初創(chuàng)企業(yè)，把研發(fā)成果從大學校園引進到現(xiàn)實環(huán)境應用。”俞捷說，知識轉移的最大困難有兩點，一是把握市場的節(jié)奏，二要考慮成本問題。

“要想做到知識轉移，就必須要對業(yè)界的工藝和市場的節(jié)奏有一個準確的定位。一項技術要真正推向市場，就需要了解市場需要什么，還要考慮時間性。”俞捷補充道：“除此之外，還要考慮成本問題。與產(chǎn)業(yè)界不同，學校是非營利的集體，學校的老師可能更多關注科研的水平，而沒有切實考慮過量產(chǎn)和成本的問題。這些都需要和業(yè)界進行溝通。”

香港的工程資源雖然不及內地多，但近年來香港科技界與北京、深圳等地的合作項目已經(jīng)越來越多。俞捷指出，國家對此已出臺戰(zhàn)略性的大基金，而香港的青年學者在知識、技術等方面，均已達參與國家科研體系的水平，所以香港的大學應該承擔更多項目，善用資源和機遇，與產(chǎn)業(yè)界密切結合。“我們也可以學習美國、英國高校與企業(yè)的密切合作模式，推動科研成果商品化。”

談及對兩地科技合作的建議，俞捷表示，當前很多國家重點實驗室，都在香港有伙伴實驗室。這些實驗室往往是重大國家項目，參與者也是深耕多年的資深科學家。未來，可以向香港的大學開放更多普及一些的項目，給更多香港青年學者機會以參與到國家科研體系中來。

作為博士生導師，俞捷認為，在研究生階段，過程比成果更重要。“因為你真正的成果是自己這個人，你要學會怎么去做科研。”俞捷建議，青年學者應該對自己的未來有一個長遠規(guī)劃，先樹立一個正確的方向，再做出選擇，這往往比盲目地去努力更重要。

在俞捷看來，科研工作者應該忠于科學，尊重科研，對自己的成果負責。他說：“工程的價值在于解決一個值得解決的問題，而不應該因為外界因素去做一些沒有意義的科研。我始終堅持，科研應在保證知識的原創(chuàng)性的基礎上，真正面向產(chǎn)業(yè)界的需求。”

他是這樣說的，也是這樣做的。從最初進入科研領域起，俞捷就堅持研發(fā)能夠應用于實際的產(chǎn)品，20多年來，他在半導體芯片行業(yè)和大學科研方面都取得了出類拔萃的成就。他是極少數(shù)可以把學術研發(fā)真正面向產(chǎn)業(yè)需求，并且同時能達到創(chuàng)新又有實在成果的教授。對于俞捷來說，潛行躬耕20余載，唯初心一刻不能或忘。