超低功耗集成電路技術研究

張晨龍

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西太原030024；2.中國人壽保險公司太原分公司，山西太原030024）

超低功耗集成電路技術研究

張晨龍1，2

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西太原030024；2.中國人壽保險公司太原分公司，山西太原030024）

詳細分析超低功率集成電路的概念及應用，對集成電路超低功耗的發展進行研究，闡述超低功耗集成電路的設計原理。

超低功耗；集成電路；技術研究

引言

集成電路在當前電子科技領域不斷發展的過程中，所具備的信息處理能力和運算速度隨著技術的發展越來越高，然而隨著運算速度和強度的增加，功耗也越來越大，而在集成電路設備的設計過程中，集成電路的設計及運用者只能從集成電路的性能和功耗中進行二選一或者折中選擇，對于當前集成電路在納米領域的發展產生了嚴重的制約，也影響了集成電路的超大規模集成發展。由于集成電路功耗降低方面的技術難題，阻礙了集成電路的繼續發展，因此對該技術難題的破解是當前學術界共同研究和探討的問題。

1 超低功率集成電路的概念及應用分析

1.1 集成電路的概念及應用

集成電路（Integrated circuit）是一種運用于電子設備中的微型電子零部件，具體來說就是把整體電路中所需的晶體管、電阻、電感和電容等元件和設備采用布線的方式進行連接，固定在一塊或者多塊介質模塊上，成為整體電路中的微型結構，與電路板中的所有元件形成一個整體，使電子元件可以在體積上更小、功耗更低，可靠性和智能化更優越。集成電路是在20世紀50年代半導體領域中發展起來的電路器件，通過半導體制作工藝，構成對整體電路有著一定功能的半導體元件（如圖1所示）。

集成電路主要運用于電路板之中，由于具備體積小、壽命長、重量小、性能高、成本低等優點，可以通過大規模批量生產，因此不僅在工業電子設備中得到大規模的使用，而且在計算機設備方面也得到廣泛的應用。目前我國從財政、資本市場、研發、進出口、人才培養等方面廣泛扶持集成電路產業的發展[1]。

圖1 集成電路電器元件示意圖

1.2 集成電路的功耗

功耗是指設備和器件在運行的過成中輸入和輸出功率之間的差額，簡而言之就是在設備與運行過程中功率的損耗，在集成電路中電路的功耗一般是指電子元件在運行過程中通過散熱、損耗等產生的能源消耗。由于集成電路密集的電子元件排列，對于功耗的降低是一個技術性的難題。

1.3 超低功耗集成電路的概念與技術

超低功耗集成電路也就是在集成電路的基礎上降低功耗，將整體電路的功耗降至最低。由于集成電路在不斷發展的過程中，追求超低功耗、降低電路功耗，需要在集成電路的材料、結構、系統以及功耗之間進行選擇和取舍，因此只能盡可能降低集成電路的功耗，超低功耗集成電路只是集成電路功耗方面的一個相對概念。

2 集成電路超低功耗的發展研究

2.1 現有超低功耗集成電路分析

由于集成電路是以密集的電子元件和介質模板進行連接的，整體結構的密集型導致功耗降低，是一項難以實現的綜合性工程，不僅僅需要考慮集成電路在硬件材料運用方面的散熱功能，而且還要考慮在運行中系統之間的耗能。因此在當前集成電路的運用方面，往往只能根據需求在電路的性能和功耗方面進行權衡和取舍。因此，超低功耗的集成電路是一個相對的概念[2]。

現有的超低功耗集成電路的設計一般是依據CMOS技術，在集成電路的耗能降低方面，對集成電路的整體結構和元件分布進行合理優化，通過對系統程序、系統結構、空間分布等方面進行綜合調整和優化分配來降低功耗，但是在集成電路實際運用的過程中，由于當前電子產品和元件的不斷更新換代，使得降低功耗的技術不能達到當前產品技術的要求，相對于當前高新技術迅猛發展的時期，現有低功耗的集成電路技術處于比較尷尬的地位。

2.2 降低集成電路功耗研究

隨著電子元件、集成電路技術的不斷發展，在納米尺度的發展空間中，集成電路的設計和研發取得了較大的突破，但是在集成電路的功耗方面問題也不斷增加，成為集成電路發展中的一個重要技術難題。降低集成電路的功耗成為集成電路創新和研發過程中的一個重要問題。在常規的集成電路設計中，往往通過超低功耗的設計方法，加上合理的元件分布，最大限度地降低集成電路整體功耗。

在當前超低功耗集成電路的研究中，主要采用降低集成電路中的電壓，通過控制電壓減少集成電路運行器件的熱量散發，以此來降低整體功耗；其次對集成電路采用柵控技術，控制集成電路中的元件運行，對于整體系統電路運行過程中的非工作元件實施休眠控制，減少運行所帶來的功耗。另外還可以對集成電路的材料進行控制，通過運用高科技材料形成有效的多閥值控制技術，對動態數據進行監測和控制，以減少無用功，有效減少元件的功耗[3]。

3 超低功耗集成電路的設計原理

3.1 電路材料的選擇

降低功耗、超低功耗一直是集成電路技術方面有待突破的難點和重點。集成電路中功耗的降低首先在于集成電路材料的選擇，電路的材料是影響和制約功耗降低的主要原因，在降低功耗的技術創新中，首要任務就是嚴格測試各類材料的具體功耗，選擇功耗相對較低的高科技材料在集成電路上予以運用，從而有效減少和降低元件功耗。

3.2 內部元件的排列

集成電路作為整體電路的一部分，如果要降低整個電路系統的功耗，那么集成電路每一部分的功耗都要降低。由于集成電路主要的功耗就是以發熱的形式消耗功的，因此在集成電路內部元件的排列方面要采取一定的優化措施，降低在各部分元件運行過程中的功耗，以此來降低整體電路功耗。

3.3 電源硬件的設計

集成電路的功耗還體現在電源的控制方面，如果集成電路的電源電壓過高，那么造成的功耗就會越大，因此在集成電路工作的過程中應該采用盡可能低的工作電壓。集成電路中芯片的核定電壓是0.85V，緩存電壓也只有0.9V，如果電路中的電壓過大會造成不必要的功耗。因此可以通過對電源的控制和設計來有效控制輸入電壓，采用額定和動態的電源供電技術對電路芯片的電壓進行有效控制，以此來實現節能減耗的目標。

3.4 系統功耗的控制

集成電路系統功耗的控制主要體現在系統程序的設計和運用中，通過對系統軟件的設計和管理，結合集成電路各部分硬件的設計特點，對程序運行過程中的等待過程進行控制，當系統處于非工作狀態時，對各部分電路實施低功耗的休眠控制模式，以忙時多用、閑時休眠、不用關閉的原則設計集成電路的系統控制。

對元件的控制也可以結合外部的電源開關進行，通過開關控制各部分元件的運行與停止。另外在各類設備對集成電路的運用中，以盡可能多的軟件來代替硬件也可以有效降低功耗。

4 結語

在集成電路發展的過程中，雖然創新和研發的速度不斷加快，但是降低功耗是集成電路發展過程中的技術難題。超低功耗集成電路技術的實現也是一項長久的綜合工程，需要考慮對集成電路的材料選擇和運用、電路之間的結構和空間排列、系統功耗的有效控制等多方面進行優化和完善。隨著當前高新技術的發展和材料的不斷研發，超低功耗集成電路的研究和突破還有待進步。

[1]郭宏泓.超低功率異步電路設計研究[D].鎮江:江蘇大學,2009.

[2]王椿珊.基于低功耗優化技術的16位MCU設計[D].西安:西安電子科技大學,2014.

[3]屈熹.低功耗快速相應的片上集成LDO研究[D].成都:電子科技大學,2014.

（編輯：賈娟）

Research on Ultra Low Power Integrated Circuit Technology

Zhang Chenlong1,2
(1.School of M ines of Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024;2.Taiyuan Branch of Chine Life,Taiyuan Shanxi030024)

This paper analyzes the concept and application of low power integrated circuits,and the developmentof integrated circuit of ultra-low power consumption,indicates integrated circuit design principle of ultra-low power consumption.

low power;integrated circuit;technology analysis

TN402

A

2095-0748(2016)16-0027-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.16.11

2016-07-06

張晨龍（1990—），男，山西大同人，畢業于太原理工大學物理與光電工程學院光信息科學與技術專業，現就職于中國人壽保險公司太原分公司，主要從事事故勘察定損工作。