超低功耗集成電路技術(shù)

文/蔣其躍 陳馮進 吳浩湧

超低功耗集成電路技術(shù)

文/蔣其躍 陳馮進 吳浩湧

伴隨著社會活動范圍的擴大，國家潛能越來越大，而面對世界市場中的各類競爭，因各國的經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)向資本密集型、信息技術(shù)型、服務產(chǎn)業(yè)型而出現(xiàn)了一種新的圍繞技術(shù)中的新型產(chǎn)業(yè)競爭。因而在這種大的背景之下，對高新信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中較為重要的集成電路及其相關技術(shù)加強研究與探討既有必要，也是滿足這種競爭需求，提高綜合競爭能力的必要條件，所以本次研究就選取與其發(fā)展關系密切的超低功耗集成電路技術(shù)作為主題展開論述。

超低功耗 集成電路 技術(shù) 研究

電子產(chǎn)品的發(fā)展速度快、更迭迅速，以集成電路的運用及其歷程分析，主要出現(xiàn)了MP3、MP4、EVD、液晶電視、計算機等。目前信息技術(shù)類的電子產(chǎn)品中所應用的集成電路逐漸趨向于“高、精、尖”這樣的發(fā)展潮流，因而在器件的規(guī)格、尺寸等控制技術(shù)方面也由原來的微米計量演進到了納米計量，既是創(chuàng)新也是升級換代，尤其是由此而產(chǎn)生的芯片承載方式，極大的令信息收集、存儲、傳輸獲得了前所未有的轉(zhuǎn)變，提供了比較實用的便利。下面進行具體說明。

1 集成電路中的功耗分析

集成電路中的功耗產(chǎn)生原因較多，主要是由于在集成電路方面具有一定的整體系統(tǒng)，而當基底技術(shù)、線路設置、內(nèi)外環(huán)境、電流電壓等某一個構(gòu)成要素發(fā)生不良反應或功能發(fā)揮不足則會直接對整體系統(tǒng)產(chǎn)生功率消耗。比如，以負載器件、電路元件為例，它的影響不僅大，而且是功耗產(chǎn)生的主要原因；根據(jù)模擬實驗可以實證阻抗功耗的存在，并且測出實際的電流損耗值。再如，以實際的運用為例，當集成電路處于應用過程時，內(nèi)外電容充放電，就會產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，發(fā)生功率消耗（包括通常所見的零內(nèi)阻器件短路現(xiàn)象）。因而在實際工作中應該注重無源、有源方面的點電壓與電流乘積，對其中的漏電流、偏置電流加強檢測與分析。

2 超低功耗集成電路中的設計分析

所謂超低功耗集成電路，即是實現(xiàn)集成電路運行工作過程中的低功耗。按照當前集成電路類產(chǎn)品的制造環(huán)節(jié)分析，雖然要經(jīng)過生產(chǎn)設計、材料運輸、生產(chǎn)加工、訂單處理、產(chǎn)品營銷、市場零售，但從利潤率與實際的產(chǎn)品功能角度分析，集成電路的產(chǎn)品制造中最重要的還是生產(chǎn)設計環(huán)節(jié)，而且占到了總工藝流程收益的90%。因此要通過一些優(yōu)化的方法在集成電路產(chǎn)品設計方面下功夫。比如，當前比較有效的就有兩種思維方式，前一種思路認為，對電源電壓實施控制；后一種思路認為，可以通過減少節(jié)點電平轉(zhuǎn)換次數(shù)和節(jié)點負載電容以達到優(yōu)化目的。采用比較方法可以觀察到，在前一種優(yōu)化思路之下，雖然能夠達到降功耗的目的，但降低范圍有限，很難滿足發(fā)展需求；但根據(jù)這種不足進一步分析發(fā)現(xiàn)，可以將優(yōu)化的重點集中到電路結(jié)構(gòu)層面，但由于系統(tǒng)兼容性等問題難于解決，因此不如后一種思路。因為在后一種思路之下，可以擴大發(fā)展空間；選擇算法程序、結(jié)構(gòu)劃分、邏輯優(yōu)化等多個路徑實現(xiàn)優(yōu)化。

比如，以操作優(yōu)化為例，就可以借助功能需求，從算法操作的減化方面入手，以此達到對執(zhí)行程序的優(yōu)化，既實用也易于操作。具體如某流程的操作需要通過算法與常數(shù)相乘的情況下，就可以通過操作方案的變換，將其轉(zhuǎn)化為加法操作、移位操作，其目的將1出現(xiàn)的頻率降低，以此令操作簡化。同時也可以通過公因式提取的辦法完成資源共享目標，由此實現(xiàn)對操作的優(yōu)化。尤其是當前對于大數(shù)據(jù)的運用極大的可以促進系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，然后按照排列組合實施高效化分布排列，由此完成流程化的統(tǒng)一操作，簡化操作程序等。以控制優(yōu)化為例，需要抓住信號，并對STG實施解析；這樣就能夠減少數(shù)據(jù)（如狀態(tài)數(shù)等），，并通過轉(zhuǎn)移概率實現(xiàn)重新分布，達到合理安排、優(yōu)化設置、有效控制。若轉(zhuǎn)移概率較大，則宜在編碼時注重對布爾間距的縮短，由此減少轉(zhuǎn)換電容提高功耗控制。以編碼優(yōu)化為例，它作為超低功耗集成電路的關鍵突破口，需要得到較好的解決。比如，在數(shù)據(jù)通道之中，就可以借助編碼實現(xiàn)補碼替換，然后通過編碼代表符的選擇，實現(xiàn)符號編碼在程序運行中的穩(wěn)定不變性，減少流程變化所產(chǎn)生的功耗，根據(jù)現(xiàn)在的實用效果觀察，它所減少的功耗比通常高于常規(guī)性的節(jié)省功耗。以資源配置化化為例，需要根據(jù)電容轉(zhuǎn)換的寄存器、功能單元、互連線進行資源評估，然后在減少連線過長、加強寄存器替換方法下實現(xiàn)資源優(yōu)化配置后的功率消耗降低目的。另外，需要注意的是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，還可以嘗試電容轉(zhuǎn)換頻率，重點解決由電平轉(zhuǎn)換負擔增加所產(chǎn)生的毛刺功耗，如樹型結(jié)構(gòu)的選擇就可以有效的規(guī)避多鏈型結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的能耗等。

3 集成電路的發(fā)展前景展望

在我國集成電路技術(shù)發(fā)展中雖然面對超低功耗類型的發(fā)展存在一定的阻礙，也面臨較大挑戰(zhàn)，但從產(chǎn)品生產(chǎn)制造的角度觀察，若能取法得當并借助產(chǎn)業(yè)鏈上、中、下游的利潤比例適當將研發(fā)重點集中到生產(chǎn)設計方面，實際上也可以通過資源投入逐步解決此類問題。比如，華為集團在近幾十年發(fā)展中在科研方面的占比越來越大，而且由于其技術(shù)的研究投入較多所產(chǎn)出的成果較快的推動了它在世界范圍內(nèi)的發(fā)展，也給高新信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一個重要發(fā)展路徑與可借鑒的榜樣。另外應該建立一個以生產(chǎn)設計為主導，整條超低耗集成電路技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展體系，由此帶動它的全面發(fā)展；這樣也有利于超低功耗集成電路技術(shù)的研發(fā)與消費市場實現(xiàn)有利對接，為其未來發(fā)展注入持續(xù)動力。

4 結(jié)束語

從集成電路的發(fā)展及技術(shù)的創(chuàng)新演變可以發(fā)現(xiàn)，它屬于綜合工程。因而在實踐方面，既要注重材料科學，也需要深入一步對其電路的構(gòu)造、系統(tǒng)的功耗等進行綜合型分析、多元化探索；尤其是要避免前期為了發(fā)展而采用的折中方法，因為在性能、耗能之間雖然可以達到均衡的發(fā)展，但作為一種生產(chǎn)要素中的比較優(yōu)勢，卻不利于其獲得持久的效益與較為核心的競爭力。因此建議在當前抓緊對無用電流做功損耗的科學研究與合理控制，以此在超低功耗集成電路技術(shù)方面邁出較為關鍵的一步，促進我國信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速轉(zhuǎn)型。

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[3]楊銀堂,朱海剛.BCD集成電路技術(shù)的研究與進展[J].微電子學,2015,36(03)：315-319.

作者單位 深圳遠征技術(shù)有限公司 廣東省深圳市518102