期刊-2015-11

三个国家奖写就的通信人生

文/高妍 毛艳玲

2015年11月24日

  

  曾烈光,清华大学电子工程系教授,一个既简单又不简单的科技工作者。
  说他简单,是他的研究经历简单。自1970年从清华大学无线电电子学系毕业留校,就扎根通信领域,始终不离工程应用。
  说他不简单,是他的成就不简单。在我国通信事业发展的过程中,无论是在奠基、转型、突破哪个重要时期,都能看到他和他的突出成果。
  30年,三个国家奖,为曾烈光的人生写下了精彩的注脚。

  第一个国家奖
  为数字通信终端工程应用奠基

  数字通信,一种用数字信号(1或0)作为载体传输信息的通信方式。
  1937年,英国人A.H.里夫斯提出脉码调制(PCM),从而推动了模拟信号数字化的进程。与原来的模拟通信相比,数字通信具有抗干扰性强、可靠性强、便于加密、集成化程度高、可以实现多种通信业务的综合等诸多优势。
  我国早期的数字通信研究多停留在理论层面,直到20世纪70年代,才开始面向大规模工程应用的数字通信技术工程应用研究。当时的一个标志工程,就是川沪输气通信研发工程。
  川沪输气工程是上世纪70年代规划的继西气东输工程后国内最大的管道工程,其目标是要把四川的天然气经武汉输送到上海。这是一个大的系统性工程,通信工程是其中的一部分。就是在这个工程中,我国首次提出全部研发并采用数字通信技术和设备,在这之前,通常采用模拟通信方法。
  这一工程由国务院批准,牵头组织各个部门汇聚整个行业的力量共同实施,基本囊括了当时对通信有研究的所有大学、研究所和企业。清华大学就是参研单位之一。
  作为清华大学电子工程系教师,曾烈光加入了川沪输气通信研发工程技术攻关团队。在这之前,他刚刚完成了32路增量调制数字电话终端机定时系统的研制,理论研究和工程实践经验都很丰富。
  数字复接和PCM编码(脉冲编码调制)是数字通信终端的两种基础技术,前者用于实现多路数字信号同步传输,后者实现高保真水平的语音数字化。
  在工程初期,团队参照德国及澳大利亚等国技术方案研制了正/零/负码速调整复接器,但其抖动实测值达100%UI(单位间隔)以上,远远达不到工程提出的小于5%UI的要求。
  初入团队的曾烈光接下了这一任务。通过一年的悉心研究,他发明了模型法码速调整数字复接技术,采用模型化参数方法,将正/零/负码速调整抖动及漂移指标由100%UI减小到3%UI,达到了工程要求并领先国际先进水平,填补了国内空白。
  PCM编码是当时国际上通用的语音数字化标准和技术,以此为基础的数字电话终端机,是实现数字通信的基本终端设备。当时国内的PCM终端设备存在小信号信噪比指标不达标问题,“声音大的时候,编出来还可以,声音一小,噪声大,编出来质量差很多,达不到国际要求。”针对这一问题,通过潜心研究,曾烈光提出了极性另判法PCM编码技术,很好地解决了这一关键问题。
  以上述两项技术为基础,曾烈光先后研制出模型法数字复接器和新型的PCM编码数字电话终端机,并协助电子部相关730厂、734厂完成了设计定型,实现了批量生产,推动了我国数字通信工程应用的实现,为国内数字通信终端工程应用技术的发展奠定了基础。
  相关成果荣获1987年度国家发明二等奖,作为技术方法的提出者和设备的主要研制者,曾烈光排名第一。

  第二个国家奖
  为光通信终端产业转型助力

  上世纪80年代,随着技术的发展,全球数字产业转向专用集成电路(ASIC,Application Specific Integrated Circuit)系统集成时代。
  专用集成电路是一种为专门目的而设计的集成电路,是相对于标准集成电路或通用集成电路而言的。它将某种应用系统所需的各种分立元件集成起来做成一个芯片,不仅能够减小体积,节省开发时间,降低成本,减少功耗,而且能降低故障率,提高可靠性;同时,它将核心技术都集成到芯片中,是最安全的自主知识产权保护措施。
  相比国外专用集成电路的风起云涌,国内的现状却令人焦急不已——光通信终端设备产业仍采用传统技术和中小规模分离器件,整体技术水平落后,企业创新性不足,加工水平相对落后,处境艰难。

   
  在领导层和研究人员的大力推动下,“七五”期间,“光通信设备系统集成化”科技攻关项目立项,曾烈光为项目负责人。
  研究过程中,曾烈光发明了一种正码速调整减小抖动技术,该技术采用分离塞入比的方法,可将光通信终端设备正码速调整复接抖动由国际上的25%UI减小到2%UI,具有国际领先水平。随后,以该创新技术为基础,他在国内首次自主设计出超大规模数字复接专用集成电路THMT001A和THMR001。
接下来,怎么才能加工出来,实现应用呢?国内的加工工艺达不到要求,能否借助国外的?
  那是1988年,国内改革开放的程度还比较低,这一想法毫无意外遭到了不少人的反对。但曾烈光没有轻易放弃,他四处奔波联络,在时任国家科委主任宋健等领导的支持下,盖了二三十个相关部门的章,终于获准在当时国内不具备加工工艺条件的情况下,利用国外加工条件加工生产该芯片,并实现了与日本FUJITSU的芯片加工合作。
  最终,他们在日本FUJITSU公司成功加工及批量生产了THMT001A和THMR001。这是我国最早采用自主专利技术成功开发的大规模专用集成电路之一,也是首次实现国内设计、利用国外条件加工并批量生产的超大规模通信专用芯片。宋健同志曾亲笔写信祝贺这一开创性成功。
  曾烈光介绍,这两块芯片立即受到了国内相关企业的欢迎。它们把当时我国采用分立电路的两米多高的庞大的二、三次群光端机缩小到一块小板上,且大大提高了性能,为亟待产业升级换代的我国光端机生产企业带来了及时雨,很快就在国内数十家光通信终端设备生产企业批量应用。同时还以此为主打技术创办了高新技术企业北京华环公司,并为一些企业培养了一批早期的ASIC设计人才。
  这一成果为我国光通信终端产业向专用集成电路系统集成化转型作出了贡献,并有力推动了我国早期专用集成电路设计业的创生与发展。
  相关成果被中国电子报组织评选为我国“七五”期间十大电子科技成果之一,并荣获电子部科技进步一等奖、北京市优秀新产品奖、中关村拳头产品称号。
  1990年,该成果荣获国家技术发明二等奖,作为该技术方法的提出者,集成电路和复接器的主要设计者,曾烈光再次排名第一。

  第三个国家奖
  为“信息高速公路”建设添彩

  1993年11月15日,美国克林顿政府批准由副总统戈尔、商务部长布朗宣布:“美国将实施一项永久地改变美国公民的生活、工作和沟通方式的国家信息基础设施。”即,NII(National Infarmation Infrastructure),也就是我们所说的“信息高速公路”。
  此举引发世界范围的反应,法、英、德等国纷纷提出自己的“信息高速公路”计划,及至南美洲的巴西、阿根廷、巴拉圭、乌拉圭等国也联合起来,要建立自己的“信息高速公路”。“信息高速公路”建设成为全球热点,我国自然也在积极规划、研究。
  “信息高速公路”即大容量高速光传输网,它主要通过光纤通信把政府机构、科研单位、企业、图书馆、学校、商店、家庭及个人的计算机及移动终端连接起来,方便、迅速地传递和处理信息,从而最大限度地实现信息共享。
  建设初期,借助高速光网传输的移动通信基站失步现象严重,影响网络使用效果。很快人们发现,造成这一现象的原因,是“信息高速公路”的主要传输标准体制SDH(光同步传输分层)存在指针泄漏抖动和漂移过大造成的。这一问题一度困扰全球电信业,很多厂商都在积极寻求解决办法。
曾烈光在国家863项目“SDH技术与芯片研发”的支持下,发明了一种统计预测时钟恢复技术。该技术在不需要附加再定时设备,不要求全局主从时钟同步的前提下,用统计预测的数字处理方法大幅度抑制了SDH指针泄漏抖动和漂移,将损伤指标由国际上的100%UI以上减小到5%UI以下,很好地解决了上述问题,达到国际领先水平。
  曾烈光随即采用该项发明成功主持设计开发出了新型、系列、成套的SDH超大规模专用集成电路—MXHO155-2(SDH开销处理片)、MXLO21E1-3(SDH 21路E1映射片)、MXDC8X8-4(SDH交叉连接片)、MXTULP-5(SDH指针下泄片)等,在国内数十家企业批量生产应用,性能优良,社会效益和经济效益突出。其中,值得一提的是,MXLO21E1-3是国际上最先开发出来的SDH 21路E1映射片。
采用这些芯片的新型SDH设备以优良性能大量运行在国内外大容量高速光传输网络,为我国大容量高速光传输网工程及产业的发展作出了重要贡献。
  该成果荣获教育部科学技术奖、中国专利优秀奖,相关论文在国际通信界顶级刊物发表并入选全国百篇优秀博士学位论文。
  2002年,相关项目荣获国家技术发明二等奖,作为技术提出者和芯片设计的主持者,曾烈光排名第一。
  事实上,进入21世纪,在获奖芯片成果之外,曾烈光还主持完成了多业务传送平台芯片MXMSTP-6、弹性分组环芯片MXRPR01-7、万兆以太网芯片MX10GE-9等多种超大规模专用芯片的设计开发。其中,多业务传送平台芯片MXMSTP-6单片规模达600万门/片,在美国达拉斯通过了MAXIM公司的性能测试。
  这些工作有力地推动了我国高速光通信技术与产业、城域网技术与SoC技术的发展。

  奖项背后
  严谨与实干缺一不可

  曾烈光是实干派,他认为做一件东西,要立足实际,从提出问题,到找到解决方案,再从理论上证明、技术上实现,进而形成产品,最终在工程上应用,收获效益,才算做到了家。“这样的事情,哪怕做到一件,心里也比较踏实。”
  从毕业后做成第一件成功的事—研制数控机床开始,他就明白,一件事,只要认真去做,总能做成。“这世上的事,很少有做不到的。如果没成,那是你的信心不够、努力不够、付出不够。”
然后一件事的发生,让他懂得,做研究,光有付出还不够。
  那是在THMT001A和THMR001研制时期,已经设计完成在日本加工好的芯片,却出了问题。“从日本拿回来的芯片样片运行时,每隔一两个小时就出一次故障,日方派专家组来中国共同寻找原因未果,后来我们又去了日本,还是找不到。”难题久攻不下,曾烈光急了,“牛劲儿”上来了,带着干粮住进了办公室,一个星期没出门,才最终找到了问题症结并予以解决。
  此事之后,曾烈光更深刻地体会到,做芯片设计,付出辛苦只是基本配置,最重要的是要有非常严格、严谨的科学作风,必须一丝不苟。“一个集成电路芯片,它里面有多少亿条线,多少个元器件?如果有200多万门,一个门有多少个晶体管、二极管?这么多的东西,必须要有很精确的设计,一点都不能错。否则出了问题很难找不说,前期的巨大投入也会打水漂。”
  就是凭着一丝不苟的科学作风,从上世纪80年代末设计我国最早的专用集成电路芯片THMT001A和THMR001开始,到2007年,仅20年时间,曾烈光就主持设计开发了超大规模专用集成电路芯片12种,其中10种实现了批量生产和工程应用。他将工作做到了家,做到了心里。
  2007年,曾烈光根据自己对形势的判断,决定转向学术研究。“国内通信企业华为、中兴等崛起,他们都有自己的集成电路设计中心,有庞大的研究团队,而且资金雄厚。作为高校,我们之前是为他们解决问题、提供芯片,带他们闯一条路,20年后情况发生了变化,企业自身的科技能力越来越强,不再依赖我们,角色发生了变化。所以我们对自身的定位应该有所变化。”
  在这之后,他积极投身未来网络研究,承担了国家973、863、自然基金及重大专项等多项课题,积极参与国家中长期信息领域基础设施规划,重点研究近距离无线通信和新型网络技术及未来网络结构,为建设国家网络创新基础设施建设积累关键技术,验证网络创新和提供参考设计。
  实干精神也被曾烈光贯彻到了学术研究中。“研究未来网络离不开实验环境,现有互联网不能满足要求,所以我们自己搞了一个实验环境。”这个实验环境,就是TUNIE。
  TUNIE是基于虚拟技术建立的、拥有自主知识产权的未来网络创新实验环境。它的建立,为未来网络创新发展进行了有益探索,进行了网络创新实验,开发了基于平台和真实网络的应用,另外还积极参与了国际合作,实现了与GENI的互通,增强了我国在未来网络基础设施建设方面的国际影响力。作为973项目成果,TUNIE已通过课题验收,得到了专家组的高度评价。
  此外,多个项目的开展过程中,曾烈光还带领团队在UWB标准与芯片、UWB体域网、SDN(软件定义网络)、大数据研究等方面取得一系列成果。
  如今,虽然已经退休,但曾烈光仍有不少时间在学校办公。“手里的一些课题项目还没有结题,要继续做完。另外,带的博士生还有没毕业的,得继续盯着。”站好最后一班岗,是这位古稀老人对自己钟爱的中国通信事业的另一种坚守。