芯片链接也无线? 片间无线连接技术解密
芯片随着技术的发展，设计越来越复杂，越来越难以制造。我们熟知的一些顶级芯片往往由于工艺等问题而一拖再拖，甚至有胎死腹中的危险。而且，芯片的引脚数量也大幅度增加，造成芯片体积增加，芯片封装难度上升。但实际上，芯片只是产品的一部分，产品的另一部分：PCB的制造，也随着芯片的复杂变得越来越难以生产。PCB的层数越来越多，走线越来越复杂，线越来越细，越来越难以加工。那么，在这些问题暴露并变成阻碍技术进步的桎梏之前，有什么新方法可以避免其发生吗？今天，我们就一起来看一项新技术——芯片无线连接技术的发展情况。
有线连接发展渐渐疲乏
无论是主板还是显卡，目前的PCB设计越来越复杂，PCB层数也越来越多。
芯片的发展速度甚至超出人们想象。在几年前，设计人员只能将大约十万个晶体管塞入一颗芯片。但现在，一颗芯片甚至拥有超过三十亿个晶体管，而这个数据还在进一步增长中。除了单芯片的体积增大外，PCB的设计也日渐复杂。包括PCB上多颗芯片并存、线路设计等问题，都会严重影响到PCB的设计和制造过程，加大PCB设计和制造的难度，并严重影响未来用户的使用情况。
以我们常见的产品显卡举例，显卡的P C B面积被机箱体积所限制，因此，设计人员不能无限制地扩大显卡PCB面积。但显卡本身除了需要容纳GPU核心，还需要容纳显存、PWM芯片以及各种其他元件。不过这还不是关键，因为目前电子元器件的体积日益缩小，它们依旧可以被很恰当地放置在PCB上。真正的关键在于布线：请想象一下在一张面积约为200平方厘米的PCB上，需要2000～3000条（甚至更多）各种各样的线路来满足芯片、元件对信号传输和供电的苛刻需求。除此之外为了稳定运行在高频率上，这些线路中传递的信号还必须清晰完整不受到干扰，这是多么困难的一件事情！
在单芯片显卡上，这样的布线设计还比较容易完成。但如果使用了更多的芯片，比如显存位宽从128bit升级到256bit甚至512bit，或者使用了2颗GPU芯片，布线的难度就大大增加。在这样的情况下，设计人员不得不增加PCB的层数，在一些功耗较大的产品中还必须加厚走线的铜箔，以便满足大电流通过的需求。这些问题在短期内还可以通过增加PCB层数等问题解决。但PCB本身总有一天会由于过于复杂的设计和生产成为电子产品的发展瓶颈。
PCB会随着层数增多、线路日渐复杂而导致良率下降、成本骤升，多层PCB生产中产生的污染也会更为严重。根据一些专业组织统计，2010年设备内部传输信息速度为10Gb/s（简而言之，就是一个封闭设备内部，各个组件之间信息的平均数据传输速度为10Gb/s），而这个数据在2015年将可能攀升至100Gb/s。如此大量的数据将给数据传输引线和生产制造带来非常大的压力。况且，即使解决了设计问题，另一个问题也可能随之而来——可靠性和安全性。依旧以显卡为例，现在中高端显卡的引脚数量往往在千个左右甚至更多。在使用的过程中，这些引脚可能会由于显卡自身重量、受热弯曲以及其他因素等与PCB的接触发生问题，比如虚焊、断裂甚至从PCB脱出，这在很大程度上降低了电子产品的安全性。
目前的GPU往往有上千个引脚，这给生产和制造带来了困难，同时这类高端GPU本身的封装费用也居高不下。
除了上述的PCB问题外，还有一类问题需要特别注意。那就是如SD卡、显卡、内存和硬盘SATA线等传统设备的数据连接处都有大量的触点，这些触点用于导通电流、或者提供能量支持，同时也用于传输数据。但很不幸的是，这些触点属于接触损耗型设计。也就是说，触点是依靠摩擦力互相接触，这种摩擦会给本来就较为脆弱的触点带来进一步的损害。在长时间摩擦后，触点可能变得不够稳固甚至失灵。另一个比较明显的例子就是显卡、内存和硬盘SATA接口等的插拔，普通用户一般不会经常插拔上述设备，而一些玩家一旦频繁插拔的话，就可能造成触点磨损、氧化和报废。
好了，我们说了一大堆有关连接的问题。但请注意，本文叙述的这些问题和担心，并不会马上就显著出现在实际应用中。这些问题的苗头已经显露，但还在可控的范围之内，短期内也不会成为影响电子产品的关键性问题。不过，未雨绸缪还是需要的，一些前沿性的研究就开始针对上述问题进行改进。
传统布线解决方案主要是增加PCB层数，增加线的数量，但传统的触点设计也会带来一些使用中的问题。那么应该怎么办呢？别着急，科学家们已经帮我们选好了一条发展方向，那就是无线传输。无线传输听起来是一件非常玄妙的事情：芯片数据传输量那么大，体积那么小，小小的无线设备如何在芯片中安置呢？它又是如何发挥作用的呢？
无线传输是如何被应用在芯片中的
无线传输其实在我们生活中随处可见。常见的如无线键盘、无线鼠标、无线网络、无线耳机甚至手机、卫星电话等，都是通过无线传递信号。不过这些无线设备对传输速度要求特别低，高也就300Mb/s左右。但芯片内部的数据传输基本都在10GB/s以上，因此传统的无线传输是很难满足芯片无线传输需求的。在这样的情况下，技术人员需要寻找速度更快，能满足芯片无线传输需求的技术。除此之外，这类技术的成品还必须在功耗和体积上能够满足芯片封装的小型化需求。经过筛选，科技人员们选择了磁场耦合、厘米波和毫米波三种技术来满足芯片内部传输的需求。
巧妙的磁场耦合设计，满足存储设备无线传输
我们在中学物理就学习过电磁感应现象。磁生电，电生磁，磁和电永远是一对常生常在的兄弟。既然磁和电联系得如此紧密，并且磁场又能表现出一定的空间性，那么能不能利用磁场和电场来进行信息的传输和电能的供应呢？答案是可以的！
在2010年6月的“2010年VLSI电路研讨会”中，日本应庆大学就提出了一种设计特别巧妙的磁电转换方法，这种磁场耦合传输设计巧妙地应用了电磁感应原理。应庆大学的设计人员在设备的接收端和发射端各自设计了由特殊结构组成的线圈（这种特殊结构被称之为“幸运草”），用以完成数据甚至电能的传输。
这种设计的特点在于两个8字形的线圈和外圈的电力传输线圈的联合应用。它巧妙地应用了三个线圈互相重叠的效应，避免了传输中的数据干扰。测试数据表明，这种线圈的传输信号的强度大于干扰信号约100倍，因此非常适合作为数据通讯使用。
从原理上来说，应庆大学的这种传输方式在我们日常生活中已经相当普及了，比如一些感应式磁卡、门禁卡等，都广泛采用了类似的线圈感应设计。但应庆大学的优势在于设计了特殊的结构来满足大容量数据传输的需求。这种结构能根据时钟频率来感应电信号的变化、并做出及时响应反馈，利用电磁感应现象迅速将信息由一个设备传输至另一个设备。
根据应庆大学的数据，如果发射端和接收端的距离为0.1mm，数据传输速度高可达到10TB/s。不过这种方法目前的弊端也很明显，由于磁场强度随着距离增大而衰减得很严重，因此此类传输需要严格控制发射端和接收端的几何位置和距离。比如在0.1mm的时候，磁耦合传输高传输速度可以达到10TB/s，但距离扩大到1mm的时候，速度就直线下降到2.5GB/s，如果继续扩大距离，传输速度还将进一步下降。
另外，磁耦合传输对两块芯片位置的要求也很高，天线定位容许误差要求很低。虽然理论上来说，可以通过加长电线或者加大电流来获得更强的传输信号，但实际应用中，采用前者会导致信号反射现象的出现，反而影响终传输效果，而后者则会带来更高的发热并浪费能源，因此短时间内这种技术依旧被限制在一定的空间范围内。
但即便如此，磁场耦合设计依旧有不错的应用前景。采用这项技术，芯片可以被牢固地粘贴在PCB上，PCB可以通过印制线圈来实现数据传输的功能。不仅如此，磁耦合技术也可以传输电能。只是目前传输能力较差，只能实现大约10mW的电能传输。未来可能会达到1W以上，芯片甚至不需要任何电能传输线，直接粘贴在天线上就可以使用。这无疑对PCB焊接和布线都带来了相当大的方便。
厘米波大显身手！新的厘米波数据传输技术
无线通信领域应用为广泛的其实并不是磁场通讯技术，而是电磁波通讯。不过传统的无线通讯技术如蓝牙，肯定不太适合芯片间的大容量数据传输。鉴于芯片之间的传输对距离和功率要求很低，因此一些平常不多见的无线电磁波技术可以“光明正大”地入驻其中。
应庆大学展示的“幸运草”结构的特殊线圈以及其他的一些磁环线圈工作原理图。
目前瑞萨电子在研究新的厘米波技术，并将其用于芯片间的无线信号传输。所谓厘米波，是指波长为1cm～10cm的电磁波，它的频率范围从3000～30000MHz。厘米波的特点是高频率厘米波作用于人体可能产生温热效应，不过在无线传输中使用的厘米波能量非常小，不会影响到人体安全。
应庆大学展示的“幸运草”结构的特殊线圈以及其他的一些磁环线圈工作原理图。
瑞萨电子使用厘米波的秘密在于研发了特制的天线，这种天线的直径只有1mm，在1cm的距离上可以成功实现信息传递，速度约为15Mb/s。虽然这个速度看起来相当低，但实际上作为使用超小型天线、厘米波传递信息的厂商而言，瑞萨已经在努力保证信号的完整性，堪称信号传递中的创新。而未来经过进一步的调整和改进，传输速度可能会上升到数百Mb/s。那么，瑞萨做出了怎样的改进呢？
一般来看，普通的厘米波使用锁相回路产生的同步信号来调解和保证信号的完整性。锁相回路是一种利用反馈信号实现将频率和相位控制、锁定的技术。这种技术的特点在于加入了一个参考信号，参考信号本身和输出信号保持同步。当遇到干扰时，如果参考信号发生改变，锁相回路会检测到这种变化，然后再将相应的信号调整方式传递给输出信号，终两者重新同步。
但在厘米波的传递中，使用超小型天线的厘米波传递由于信号微弱，相当容易受到干扰。噪音信号相当于原来电路水平的噪音信号加上同步信号偏移后的噪音信号，再加上天线本身的噪音，如此多的干扰甚至已经达到了原始信号的水平，终导致传输失败。瑞萨做出了一个新的改进。在瑞萨的传递方案中，数据信号的传输频率高达3600MHz，同步信号并没有采用相同的频率，而是使用了4800MHz的载波传输。在接收电路端，这两种信号分开接收，调制方式也改成振幅偏移方式。这样一来，同步信号偏移消除了，因此整个同步信号偏移噪音也随之消失，整个系统噪音也随之大幅度降低，数据传输的可靠性大大提高。可以这样认为，瑞萨通过改进，将厘米波小范围的实用化向前推进了一步并且存在未来大幅度改进的可能性。
目前瑞萨的这种技术只能传输无线信号，尚不能对电能进行无线传输，因此瑞萨还在进一步开发无线传输电能的技术，并有希望将其应用在未来的产品中。总的来看，瑞萨的厘米波传输技术虽然在速度上的优势并不足够明显，但它的应用范围还是相当广阔的，这其中重要的一点就是厘米波传输技术距离限制比较小，定位误差范围也高达1cm，这样一来它的使用范围和使用难度就大大降低。如果可以解决电能传输以及带宽等问题，瑞萨的技术将拥有更广阔的使用空间。
瑞萨电子推出的厘米波天线样品
波长更短的毫米波！高速传输不是梦
在厘米波之后，还有一家公司以毫米波为基础开发了无线传输技术，这家公司就是索尼。索尼在很长时间内都在研究无线传输技术，在2010年初，索尼发布了新的、利用60GHz的毫米波的无线传输技术。这种技术可谓目前为完善的无线传输技术，它实现了4.3Gb/s的数据传输速度，而数据传输距离则提升到了6cm左右。
索尼目前没有详细公布这项技术的一些细节，但从索尼在展会上透露出的一些消息来看，我们还是得以了解到这项技术的一些细节。其中相当重要的一点就是，在采用了毫米波后，索尼能够将发射天线的体积大幅度缩小，这有利于在小芯片中安置类似的无线传输设备。另外，索尼采用毫米波还可以使用更高的频率，未来有可能将传输速度提升到150MHz以上。这样就至少可以提升10Gb/s的数据传输速度，已经基本可以满足芯片内部较大数据流量的传输需求了。
索尼展示的毫米波传输设备的样品
当然，和厘米波一样，毫米波也无法很好地对电力进行传输，甚至目前的技术研究并没有考虑毫米波传输电力的方向。因此毫米波所需要的电力主要依靠PCB提供。不过这也并不重要，一旦有了足够的无线带宽，PCB布线也会变得相当简单，电力传输也不再会成为难题。不过也不需要着急，一旦其他无线输电技术成熟后，毫米波也可以结合这类技术进行改进，从而实现真正的无线数据和电力的传输。
无线传输的横向比较
我们已经介绍了无线传输的一些技术。这些技术综合来看，三种技术各有各的优势，也各自有一定的缺陷，下面我们来横向对比一下这三项无线传输技术的特点。
无线通信距离
在这三项技术中，无线通信距离短的是磁场耦合技术，它的通信距离只有几毫米。这样短的距离令这种技术很难成为芯片间的通信技术，它适合的地方在于存储芯片比如SSD闪存颗粒或者用于显存等高速芯片等。厘米波和毫米波传输距离都不错，适合于芯片间或者设备间的数据传输、信号连接等。
天线尺寸和布置情况
这三种无线传输技术的天线尺寸都比较小，其中小的是毫米波无线传输技术。天线尺寸越小，则越容易被布置在芯片内部，越容易集成化。在布置难度方面，磁场耦合允许误差低，甚至只有数十微米，而厘米波和毫米波的允许误差就很大，布置自由度相当高。
实现难易程度（CMOS工艺制造难度）
由于无线传输技术终极的目标都是直接集成在芯片内部，因此这些技术需要能够和CMOS制造工艺有良好的兼容性。所幸的是，目前这三种无线传输技术都很容易在CMOS工艺中实现，因此在未来大规模生产中均有相当不错的表现。
数据传输速度和功耗表现
我们在上述介绍中已经提及了有关数据传输能力的信息。目前看来，毫米波和磁场耦合技术的数据传输能力都很出色，甚至有望达到100Gb/s甚至10TB/s。这样的高速传输速度能够满足未来很长一段时间的需求，还有一定的发展空间。厘米波传输的速度不够快，目前比较好的发展方向就是不同设备之间的数据传输，甚至可以通过布置多个收发端口并行传输，提升传输速度。
无线传输的应用情况
无线传输虽然目前依旧处于研究状态，但几乎业内所有相关人士都认为无线传输技术会给未来的PCB生产带来革命性的变化。这些变化会渗透到几乎所有电子产品，终影响到我们的生活。我们可以从很多方面看到无线传输技术给整个电子行业带来的巨大影响。
首先，在使用了无线传输技术后，PCB会极大的简化。除了相关的辅助性电路外，原来为复杂布线所设计的多层PCB统统不再需要。整个PCB将可能只需要电源层或者再搭配相当简单的信号层即可使用。在发展成熟后，很多设备甚至可能只需要1～2层PCB就能稳定工作。同时PCB的生产设计会变得更为简单。由于没有大量的焊接点存在，PCB的生产不会太过于复杂。设计人员也会更容易设计简易的PCB。而PCB生产过程中所耗费的材料也会更少，对铜材的需求也会降低，随之而来对环境的污染也会大大减少。
其次，在使用无线化的传输过程中，由于布线减少，芯片甚至只需要电源线连接。因此PCB上用于供电的设计部分会大大增加，这在一定程度上可以降低电阻，降低大电流传输带来的发热。不仅如此，由于布线减少，PCB上的焊点数量也随之减少，焊点的单位面积可能会上升，PCB的可靠性也会增加。过去由于PCB弯折、PCB长期冷热循环带来的脱焊、虚焊等现象也会随之大大减少。
第三，在无线化传输后，设备的设计自由度大大增加。一些芯片不会由于走线的局限被迫放置在特殊位置，而显卡等产品也会更符合散热设计的需求，而不是像现在这样为了走线而占用大面积的PCB。无线化芯片所制造的产品，可能会以我们现在完全没看过的形态出现。第四，无线化传输后芯片本身封装所需成本也会降低，一些极为复杂的多层引脚线路会由于无线传输的存在而不再需要，芯片将直接和无线传输数据中转设备（用于将芯片中的有线信号通过一定规则编码转成无线发射）连接—这类设备完全可以集成在芯片中，并不会耗费太多晶体管和成本。因此从这个意义上来看，无线化传输后芯片的成本也有一定程度的降低。
我们上述的四点仅仅是相当保守的，而现在可以看到的一些优势。实际上无线传输技术在发展起来后，给电子产品带来的变革程度远远不止于此。它可能在全球技术员的智慧下，彻底改变目前电子产业的发展方向，并给未来的电子产业带来天翻地覆式的变革。
MC特约评论员 林以诺（资深硬件玩家）
很多玩家认为一款优秀的显卡应该拥有更多层数的PCB，来保证显卡的稳定性。诚然，在现有的有线传输模式下，增加PCB层数的确能在很大程度上提升显卡的稳定性。但有利就有弊，PCB层数并不是越多越好。正如本文所说，那些顶级显卡由于设计复杂，确实需要10层及以上层数的PCB来保证稳定和布线。但PCB层数的增加，加大了PCB设计和制造的难度，在一定程度上限制了显卡的发展。而厘米波、毫米波和磁场耦合设计技术正好可以解决这个问题，能够大大减少显卡PCB的层数。这样一来，显卡的PCB设计将更加灵活。
