超低功耗集成電路技術研究

孫偉業

華北理工大學

超低功耗集成電路技術研究

孫偉業

華北理工大學

隨著電子技術的不斷快速發展，集成電路以其高效的信息處理能力得到了廣泛應用。然而集成電路信息處理能力提高的同時，其功耗也在不斷增加，這就使得電子設備設計人員必須處理好設備的性能和功耗矛盾，因此電子設備設計時在性能和功耗問題上只能進行折中處理，這將嚴重制約著電子設備元件納米化的發展進程，也制約著集成電路技術在電子設備中的大規模應用，超低功耗技術成為現階段集成電路發展中的重要難題。本文首先對超低功耗集成電路進行簡要介紹，隨后對其設計技術進行分析，最后研究了超低功耗集成電路的發展趨勢，以供廣大技術人員進行參考。

集成電路；超低功耗；技術分析

1 超低功耗集成電路的概念及應用分析

1.1 集成電路的概念及應用

集成電路是在上世紀50年代半導體領域中發展起來的一種新型電路設計技術，集成電路(Integrated circuit)是將微型電子零部件應用于各種電子設備中的一種電子元件集成技術，其主要方式是將電路設備中需要的各種電阻、晶體管、電容以及電感等一系列電子元件通過布線方式進行統一連接，從而將各種不同元件集中固定在一塊或多塊電路板上，組成電子設備某個部分的微電路結構。通過多個集成電路進行組合從而形成共同運作的電路整體，使得電子設備具有低功耗、高容量、體積小以及性能高等優勢。

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。

1.2 集成電路的功耗

一般情況下將電子設備中各電路元件在運行過程中輸出和輸出功率間的差額算作功耗，簡單的來說功耗便是電子設備在運行過程中的功率損耗。集成電路中電子元件功率的損耗主要通過設備運行中的發熱及做功產生的能量消耗。集成電路由于其電子元件在電路板上排布非常密集，進而降低其功耗成為了一項技術性難題。

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 超低功耗集成電路的設計技術

2.1 電路材料的選擇

在集成電路功號研究中，怎樣降低電子元件功率損耗并研究出超低功耗的集成電路是現階段技術方面進行突破的重點和難點。電路功率損耗很大一部分來源于電子元件的發熱，而電路材料則是影響電路整體發熱情況的主要因素，因此降低集成電路功率損耗的重點便是選擇合適的電路材料。在材料選擇過程中需要嚴格審核和測試各種材料的發熱狀況及具體功耗情況，選擇發熱少、性能高的低功耗高新材料，從而將有效減少集成電路中電子元件的功率損耗。

2.2 內部元件的排列

電子元件中集成電路作為其最基本的組成單元，降低電子設備整體功耗便需要降低內部各個部位的集成電路功耗。而集成電路的功耗主要以元件發熱的形式損耗，因此，在集成電路排列設計過程中需要對其排列方式進行優化，采取一定的優化方案降低集成電路元件的發熱，以此來降低整體電路的發熱損耗。

2.3 電源硬件的設計

電路硬件設施的供電電壓也是影響整體損耗的一個重要方面，集成電路功耗的大小與電路供電電壓成正比，因此在設計電源時盡可能采用低電壓電源進行供電，進而降低電路功耗。集成電路中供電電壓過大不僅會造成不必要的功率損失，而且會對電路硬件造成一定的損害，降低硬件的使用壽命。在電源電壓設計之初，可以通過對電源有效輸入電源進行控制，采用動態與額定電源供電技術進行輸入電壓的合理控制，以此來達到降低電路硬件損耗的目的。

2.4 系統功耗的控制

集成電路系統程序運行過程中的也會出現很大一部分的功率損耗，可以結合系統硬件與軟件的設計特點，對整體程序運行過程中的部分加載和等待過程進行優化，減少不必要的功率浪費。當系統在非工作狀態下時可控制各部分電路的進入低功耗休眠狀態，軟件設計遵循用時喚醒、閑時休眠以及不用的時候進行自我關閉的原則進行設計，以最大化的減少軟件運行過程中的功率損耗。也可以控制外部電源的開關狀態來控制軟件運行過程中的功耗，人為控制開關來使部分電路元件進行停止和運行，但是在實際應用中盡量多采用軟件來替代部分硬件，以更有效準確的控制整體電路的功率損耗。

3 超低功耗集成電路發展趨勢

超低功耗集成電路是目前電子設備電路研究和開發的主流趨勢，在未來超低功耗集成電路的發展過程中，電路設計人員仍然面臨著非常巨大的技術挑戰，要求電路設計者在確保電路高性能運行的前提下，科學合理的設計出低功耗的集成電路，這就需要電路設計者擁有電路設計方面的各種知識，不僅要技術過硬而且還要有創新意識，積極為集成電路發展做出應有的貢獻。隨著超低功耗集成電路的不斷快速發展，將帶動更多的相關產業進行技術創新，電子設備各方面及各領域進行相互交錯融合，共同促進技術發展。并結合互聯網技術、大數據以及信息存儲等相關行業領域，進行全新探索共同促進集成電路產業的快速發展。

4 結語

集成電路的發展過程中需要正確處理功耗與性能之間的矛盾，而超低功耗集成電路設計是一項綜合性技術，它集電路材料、空間布局、電路結構以及系統功耗等方面進行統一規劃和設計，因此需要電路設計者不斷進行技術難題攻關與創新，設計出功耗更低、性能更高的高科技集成電路。

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