高頻脈衝電機的研發正式立項了。
檔案是從自動化控制中心發出來的，趙老師牽頭，聯合西軍電、長光所、西安電機廠，組成聯合攻關組。
專案名稱定得很樸實：《晶振同步高頻脈衝電機及其控制系統》。
積體電路實驗室接下了控制晶片的設計任務。
謝凱在驚雷專案組，宋顏教授和吳國華又要緊跟崑崙工程。
最終，呂辰與諸葛彪、錢蘭組成三人接下了設計任務。
這不是一個通用邏輯晶片能解決的問題。
通用晶片要兼顧各種應用場景，設計時必須做大量妥協。而
高頻脈衝電機的控制晶片，要求太具體。
要接收晶振的精確時鐘，要產生高頻脈衝序列，要接收光柵尺的實時反饋，要實現閉環控制演算法，最後還要驅動功率放大級。
每一項要求，都是硬指標。
這不是通用邏輯晶片，需要定製化設計。
呂辰從抽屜裡翻出一個新的筆記本，封皮是深藍色的硬殼紙，內頁帶著淡淡的方格。
扉頁上寫著一行字：高頻脈衝電機控制晶片設計手記。
第一頁，用工整的鋼筆字梳理著晶片的功能。
晶振介面，接收來自西軍電特製晶振的精確時鐘訊號，頻率穩定性優於10^-6級別。
分頻/倍頻單元，根據電機轉速要求，對晶振頻率進行分頻或倍頻，生成基準脈衝。
脈衝生成模組，產生步進脈衝序列，脈衝頻率決定電機轉速，脈衝數量決定步進角度。
反饋處理單元，接收光柵尺的位置反饋訊號，與理論位置進行實時比對。
閉環控制演算法，根據比對結果，計算誤差修正量，調整下一時刻的脈衝輸出。
功率驅動介面，將控制訊號放大到足夠驅動功率管的電平。
保護邏輯，過流、過壓、過熱情況下的緊急停機。
呂辰看著這些功能和需求，回憶著這段時間和趙老師、秦教授、長光所專家的討論。
趙老師關心動態響應，電機啟動、停止、變速的時候，控制訊號能不能跟得上？延遲不能超過多少微秒？
西軍電的專家反覆強調“溫度穩定性”，晶振再好，溫度一變也會漂。
晶片必須能對這個漂移做動態補償。
長光所的專家更關注“光柵尺介面”，反饋訊號怎麼處理？是直接讀脈衝，還是解碼成位置資料？要不要在晶片裡整合專用的解碼邏輯？
呂辰把這些問題一條一條寫在筆記本上。
然後在“反饋處理單元”旁邊加了一個括號：“建議整合增量式光柵尺解碼邏輯。”
他在“閉環控制演算法”旁邊又加了一行：“需包含PID控制器的硬體實現，或至少提供PID運算的硬體加速。”
他翻到第三頁，這裡畫著第一版晶片功能框圖。
時鐘輸入 → 分頻/倍頻 → 脈衝生成 → 反饋處理 → 功率驅動介面
他盯著這個框圖看了很久，然後在“分頻/倍頻”和“脈衝生成”之間，又加了一個小方框：“溫補介面”。
時鐘輸入，分頻倍頻，脈衝生成，反饋處理，驅動介面，溫補補償……
這些模組，要整合在一塊只有拇指蓋大小的晶片裡。
線寬五微米，面積不超過四十平方毫米，功耗控制在瓦級以內。
呂辰想起前世那些晶片，動輒幾億個電晶體，幾十個核心，幾百個介面。
而現在，他要在五微米工藝的限制下，用幾千個電晶體，實現一個完整的伺服控制系統。
就像一個木匠，手裡只有一把鋸子和一把刨子，卻要造出一座鐘表。
坐在對面的諸葛彪眉頭皺起來：“溫補介面？西軍電的晶振到底需要甚麼樣的補償曲線。還有光柵尺解碼，長光所那邊給的訊號格式，詳細文件甚麼時候到？”
錢蘭也皺著眉頭：“按你這個框圖，最少得兩千五百個電晶體。”
呂辰點頭：“五微米工藝，四十平方毫米，應該能放得下。”
“能放下。”諸葛彪說，“但問題是良率。管子越多，良率越低。這個規模，咱們的中試線怕是百分之十都做不到。”
諸葛彪說的是實話。
五微米工藝，缺陷密度擺在那裡。
晶片面積越大，電晶體越多，碰到缺陷的機率就越高。
良率不是線性下降，是指數下降。
“那就得取捨。”呂辰走回桌邊，“哪些功能必須片上，哪些可以外接？”
錢蘭道：“晶振介面、分頻倍頻、脈衝生成，這三塊必須片上。反饋處理可以簡化，只做脈衝計數和簡單比較，複雜的PID演算法放到外面。”
呂辰搖頭：“放外面延遲太大。反饋訊號要實時處理，過了幾十微秒再修正，電機可能已經抖起來了。”
諸葛彪點頭：“那就片上，但要留旁路模式。”
他進一步解釋：“正常工作時，用片上的PID。如果片上的PID不夠用，可以透過一個引腳切換，把反饋訊號直接引出去，讓外部電路處理。”
錢蘭點頭：“這個想法有道理，兼顧了整合度和靈活性，但PID演算法要乘加運算，要用運算放大器，要用反饋電容電阻。這一塊，佔的面積至少是分頻器的三倍。兩千五百個管子，一半都得用在這上頭。”
類比電路佔的面積，比數位電路大得多。
一個運算放大器，可能要幾十個管子，還要配電阻電容。
在五微米工藝下，這些元件佔的地方，能放幾百個數字門。
呂辰想了想：“如果砍掉PID，只用簡單的比較器，那控制精度就下來了。趙老師那邊要的是微米級定位，光靠比較器不行。”
三人沉默了。
圖紙攤在桌上，陽光從窗戶照進來，照在那張密密麻麻的草圖上。
過了好一會兒，諸葛彪開口了：“要不，脈衝發生器，用計數器加ROM查表實現？”
呂辰看向他：“甚麼意思？”
諸葛彪拿起筆，在紙上畫了個示意圖：“傳統的脈衝發生器，是用分頻器加邏輯閘，產生固定的步進脈衝。但咱們這個電機，要跑不同的速度，要加減速，要S曲線，靠純邏輯太複雜了。”
他在圖上畫了一個方框，標著“計數器”，又畫了一個方框，標著“ROM”。
“用計數器產生地址，ROM裡存著預先算好的脈衝時序。電機要跑甚麼速度，就從ROM裡讀出對應的脈衝序列。這樣，脈衝發生器這一塊，就可以做成數位電路，面積小，功耗低，還靈活。”
錢蘭眼睛亮了：“這個思路好。ROM可以用電晶體陣列實現，一個位元一個管子，比類比電路省地方多了。”
呂辰盯著那張圖，腦子裡飛快地轉著。
計數器加ROM查表，確實比純邏輯實現靈活得多。而且ROM是數位電路，面積小，工藝容錯性好。就算有幾個壞掉的儲存單元，也可以透過冗餘設計來彌補。
“PID那塊怎麼辦？”他問。
錢蘭想了想：“PID還是要片上。但可以把連續時間的模擬PID，改成離散時間的數字PID。”
呂辰愣了一下：“數字PID？”
“對。”錢蘭拿起筆，在紙上寫了個公式，“位置式PID演算法，u(k) = Kpe(k) + Kisum(e(j)) + Kd*(e(k)-e(k-1))。這個可以用加法器、乘法器、暫存器實現，全是數位電路。”
諸葛彪湊過來看那個公式，眉頭皺著：“數字PID……要用乘法器？乘法器佔地方也不小。”
“可以用移位加代替乘法。”錢蘭說，“Kp、Ki、Kd這些係數，事先量化成二進位制，然後透過移位和加法來實現。精度可能差一點，但對於電機控制足夠了。”
呂辰笑道：“你們兩個，今天這是開了竅了？一個ROM查表，一個數字PID，全是數字方案。”
諸葛彪也笑了：“被逼出來的。就那麼點地方，不往數字上靠，根本放不下。”
錢蘭在筆記本上飛快地記著：“那咱們就這麼定，晶振介面，用差分放大器加施密特觸發器。分頻器，用可程式設計計數器陣列。脈衝發生器，用計數器加ROM查表。反饋處理，用增量式光柵尺解碼邏輯加誤差比較器。PID控制器，用數字PID，係數可配置。功率驅動介面，用推輓輸出加過流保護。溫補介面，用溫度感測器加查表補償。”
她寫完，抬起頭，看著呂辰和諸葛彪：“還有甚麼要加的？”
呂辰想了想：“留測試介面。晶片流出來，要能測裡面每個模組的工作狀態。不然出了問題，都不知道是哪個模組壞了。”
錢蘭點點頭，在筆記本上加了一行：“測試介面：掃描鏈+關鍵節點引出。”
諸葛彪也說：“電源和地要多留幾個引腳。數位電路和類比電路要分開供電，減少干擾。”
錢蘭又加了一行：“分離供電：模擬VDD/數字VDD/驅動VDD。”
三個人圍著那張圖紙，一條一條地過。
時鐘輸入，分頻倍頻，脈衝生成，反饋處理，數字PID，功率驅動，溫補介面，測試介面，分離供電……
每一條都討論得清清楚楚，每一條都寫在筆記本上。
等到全部過完，已經快中午了。
呂辰直起腰，活動了一下僵硬的脖子：“差不多了。下午我把這個框圖整理成正式文件，明天咱們去找宋教授彙報。”
諸葛彪點點頭，把那些散亂的圖紙收起來。
錢蘭合上筆記本，笑道：“也難怪陳廠長他們要做這個，昨天我去看了GCA-201CGS，手動進給。操作員得憋著氣，一絲顫抖都不敢有，才能把線條對準。”
她比劃了一下：“一塊晶元放上去，曝光一百次，就是憋氣一百次。他們是真的做到了，內煉一口氣，外煉精骨皮。”
說完，大家都笑了起來。
諸葛彪道：“GCA-201CGS是半接觸式，多少還有電機驅動，已經算好的了，我們中試線那個原型機才真的是要了命。進給全造手動，那個搖柄就是個槓桿，對準了後就不敢鬆手，一鬆手就自動漂移，柳工就這樣用了半年，誰都沒告訴。還是一次陳志國來看了一眼，指出了槓桿原理，車了一個環形柄上去，才算解決，柳工激動得當場招婿。”
他說得熱鬧，大家都笑了起來。
呂辰道：“下一代光刻機，要自動進給，要微米級精度，要靠咱們這個電機。”
他頓了頓，聲音低下來：“如果咱們做不成，下一代光刻機就出不來。下一代光刻機出不來，兩微米工藝就上不去。兩微米工藝上不去，咱們的晶片就永遠停在五微米。五微米的晶片，做不了崑崙工程！”
錢蘭道：“所以咱們沒得選，必須做成。哪怕良率只有百分之五，哪怕流十顆只能出一顆，也要做。”
諸葛彪總結道：“這說明甚麼，說明咱們有用。”
三個人都笑了。
正扯著閒，方教授走了進來，臉色不太好。
三人起身打招呼。
呂辰道：“方教授，您怎麼來了？快請坐。”
方教授一臉疲憊，擺擺手道：“不坐了，我來找你，是有個事想讓你看看。”
“方教授，您說。”
方教授嘆了口氣：“長光所那邊在研發GCA-201CGS的下一代產品，我們工業監測實驗室，接了個任務，需要想辦法看到光刻機的曝光場景。”
呂辰三人對視一眼：“看到曝光場景？甚麼意思？”
方教授從兜裡掏出一個小本本，翻開。
“光刻機曝光的時候，掩模版上的圖案，要透過鏡頭投影到矽片上。這個過程，肉眼看不見。因為曝光時間很短，而且光刻膠對光敏感，不能拿眼睛直接看。”
他抬起頭：“但設計師想知道，曝光的時候，圖案到底是怎麼落在矽片上的？有沒有畸變？有沒有衍射？有沒有雜散光？這些問題，用理論計算能算個大概，但算不準。”
呂辰點點頭：“所以你們想直接看？”
“對。”方教授說，“我們構建了一個思路，用一條純淨的玻璃絲，把曝光臺的光訊號引出來。然後用一個增強管，把光子、甚至是紅外輻射，轉換成電子。電子經過高壓電場加速，撞擊微通道板，產生倍增效應。一個電子，變成成千上萬個電子。電子再轟擊熒光屏，重新變成光。這樣，影象就被放大了幾萬倍。”
呂辰聽著，腦子裡飛快地轉著。
玻璃絲傳光，光電轉換，電子倍增，熒光屏顯示……
這不就是微光夜視儀嗎？
方教授繼續說：“驗證機做出來了，但是突然遇到一個問題。我們模擬了GCA-201CGS的曝光臺，用那個增強管去看，只能看到雪花。曝光的時候，又是一片白光。等曝光結束，又變回雪花。”
他看著呂辰：“小呂，我苦思了很久，也不知道問題出在哪兒。十幾萬經費，就這麼打水漂了。”
呂辰沉默了幾秒。
然後他站起來：“方教授，您那驗證機，能讓我們看看嗎？”
方教授也站起來：“可以，就在我們實驗室。”