新形勢下超低功耗集成電路技術研究

新形勢下超低功耗集成電路技術研究

張明文 武夷學院

新形勢下，各類高新信息產業的發展均需要集成電路的支持，在集成電路功能、荷載允許的基礎上實現產品創新。因此有必要大力發展集成電路產業，研究更高水平的集成電路技術，其中研發的突破口主要是這幾方面，芯片尺寸、運行速度、功率消耗等，隨著科技的發展以及行業之間競爭力度的不斷增大，使得對集成電路的功耗要求逐漸嚴格，因此，新形勢下超低功耗的技術開發成為發展主流。

超低功耗；集成電路；技術研究

本篇文章主要是針對集成電路的超低功耗技術進行了論述，對其重要性進行了解釋說明，闡述了其工作原理，對該類型的集成電路的設計進行了介紹，同時強調了它的性能的提升對整個高新信息產業的重要影響，主要目的是展示超低功耗集成電路的研究成果，爭取達到預期的低功耗效果，為其他相關行業提供發展基礎，同時大力推動我國集成電路行業更好更快的發展。

1.集成電路的發展

21世紀以來，電子信息行業的發展可謂是日新月異，種類越來越多，功能越來越全，比如說，MP3、MP4、DVD計算機、電視等等，然而這些高新產品都離不開集成電路的支持，他們本身的尺寸、存儲空間、荷載等都和集成電路的性能有關，所以說想要更好的發展這些產業，就必須加強對集成電路的創新研究。首先是對器件的外部尺寸進行縮小控制，其中最直接的方法就是縮短柵長，由微米計量到納米計量，這是一個大的飛躍，實現了許多企業的創新夢，豐富了人們生活產品，加快了科技發展的腳步。有理由相信在未來集成電路同樣會朝著小、快、系統的方向發展。

伴隨著集成電路的不斷發展，人們生產生活的更高要求，創新發展出嵌入式技術，即系統的進行電路集成，載體通常情況下是芯片，可以利用其進行整個產品系統的信息收集處理，十分方便。采用電路兼容工藝、軟硬件結合等實現更具實用性的集成電路，從而加快電子信息產業的發展。

新形勢下，對集成電路的要求和研究更偏向于低功耗方面，這是為了保證在電池容量不變的基礎上能夠使用更長的時間，并且能夠同時有效的維持功能的正常運行，這就是超低功耗集成電路。這是一個不小的技術挑戰，如果可以有效創新，將帶來很大的產業連鎖反應，推動整個社會的發展。

2. 超低功耗集成電路技術

2.1 功耗的產生原因分析

在實際技術應用過程中，產生功耗的原因有很多，例如：基底技術、線路設置、內外環境、電壓等因素，都會影響整個系統中的功率消耗。在這其中最常見也是最主要的功耗就是負載器件本身以及電路元件，經過大量的模擬試驗表明，相互之間會產生阻抗功耗，損耗電流。

要注意的還有在工作過程中的點電壓與電流的乘積是包括漏電流和偏置電流的，不管有源還是無源。實際應用過程中最大的功率消耗來源于內外的電容充放電，還有就是狀態的轉移，比方說零內阻器件在線路中間出現短路的情況，都會出現功耗。

2.2 超低功耗集成電路的設計

想要實現集成電路的低功耗運行工作，就必須對產品制造進行設計，也就是說要對集成電路進行優化，從而從根本上實現低功耗。首先要明確，此處的功耗指的是單位時間內集成電路消耗的能源數量。

想設計出低功耗的集成電路，就要對功率消耗進行優化，其中主要有兩種思路，也就是技術改進的兩個突破口，一是對電源電壓進行有效的控制，主要操作可以通過試驗得到最佳電源電壓，控制好可以有效降低功率消耗；但是利用電壓降低的功耗是有限的，還滿足不了人們的發展需求，因此又引出針對性的解決方法，就是從制作工藝上入手，優化電路結構，采用平行和流水線的結構來實現，這樣更加直接有效，但是它需要考慮的因素十分多，有系統兼容性等問題。二是減少節點電平轉換的次數和節點的負載電容，這同時也是更普遍的一種優化思路。這種思路的發展空間很大，非常有研究開發的必要，比方說：選擇開發出更為合適的算法程序，在結構方面劃分更為合理，優化邏輯結構等，均可以成為研究的突破口。

優化操作；集成電路的設計首先需要明確設計目的，需要實現什么樣的功能，因此基于給定功能，減少算法操作，優化執行程序是一種十分可行的方法。比方說，流程中有一算法是進行和常數進行相乘的操作，可以有效利用變換操作的方案，把他轉化為加法和移位的操作，在此基礎上，可以降低常數中1出現的頻率，可以減少操作次數。另外對于該例子，還可以采用公因式提取的方法，找尋共同點，實現資源共享，達到優化的目的。還可以根據系統進行數據分析，將相關高的數據高效安排，統一操作，最終實現操作流程的優化。

優化控制；集成電路的系統控制是十分關鍵的環節，對其進行優化同樣可以減少功耗。這里的控制主要針對于信號，合理將大的STG分解成多個小的，減少其中的狀態數等數據，再根據狀態轉移概率等進行重新控制和安排，比方說，在對待轉移概率大的狀態時，應當盡量在編碼時縮短布爾間距，這樣能夠有效減少轉換電容，實現功率消耗的縮減，符合新形勢下集成電路的發展要求。

優化編碼；當今社會，在信息高新生產發展過程均需要程序編碼，因此合適有效的編碼十分重要，同時也是發展集成電路，實現超低功耗的突破口。比方說數據通道，利用符號編碼去替換補碼，選擇其中一個編碼代表符號，其他的設置為大小方面的變量，程序運行過程中，會出現編碼的變化，其中符號編碼不翻轉，這樣就達到減少流程的目的，但是要格外注意一點就是，編碼時電路的消耗要小于節省的。

優化資源配置；在集成電路中實現電容轉換的主要有以下三種類型，寄存器、功能單元、以及互連線，對這三部分的資源配置合理程度影響著電容轉換的效率，也就是影響著集成電路系統的功率消耗，其中合理保持存儲器之間的距離可以防止連線過長，同時利用寄存器的替換也能在一定程度上優化功耗。

優化結構；前文提到過利用對電源電壓的有效控制來實現低功耗，這里則是從另一種設計思路出發，優化結構，減少電容轉換頻率。首先我們要知道電路不可避免的存在延時的現象，這使得在一些節點位置產生毛刺，換句話說，也就是增加了電平轉換的負擔，這也被稱為毛刺功耗；當然，有針對其采取的解決方法，其中的關鍵操作就是對通路進行平衡操作，首先有一點可以明確，樹型在結構上優于鏈型，能夠減少功耗，不過，同樣也有一定的弊端，就是樹型結構需要數量較多的寄存器來予以維持，這樣同樣也會增加電路負擔，因此實際運用過程中要綜合兩者優點，平衡進行考慮，，得出最佳的電路結構。還有在一些優化面積節省資源的操作過程中常采用重復使用的方法，雖然節省了面積但是增加了電容轉換，因此也需要找出合適的臨界點，維持功耗最小，達到結構優化的目的。

（6）優化邏輯；針對性的對邏輯進行優化，當然，必須在保證功能正常運行，命令照常執行的情況下，比方說，可以改變電路中寄存器的分布位置，同時保證邏輯合理，很大程度上可以阻擋毛刺現象的擴散，避免出現更嚴重的功率消耗問題。另外，有效時間內高效的應用邏輯內容，也就是，使用時則開啟，不用時則關閉，這樣電路功率被有效利用，減少損耗，當然可以適當的增加控制邏輯，目的在于節省邏輯使用功率的浪費，當然，在輔助邏輯設計注意功耗，盡量簡單、有效。

當然，第一種思路進行功耗控制也是能起到很大作用的，可以針對集成電路，組建科研隊伍，進行新型材料的開發和研究，能夠在現有基礎上降低電路功耗。有些人會誤將低功耗當作是省電，其中更主要的還是對集成電路熱量損耗的控制，這樣不僅是實現了超低能耗，還很好的保護了器件，延長集成電路系統的使用、工作時間，還能降低電磁、熱燥等不良因素的干擾，打造高品質的集成電路系統。

3.集成電路的未來發展

新形勢下，集成電路系統設計人員面臨著很大的挑戰，需要擁有基于運行功能降低電路功耗的設計能力，要求設計者不能單單集中于某一方面，應該立足整個電路，內外兼顧，還要積極引進先進的新興技術，為電路設計保駕護航、添磚加瓦。超低功耗是當今集成電路研究、開發的主導方向，以提高系統性能降低電路功率消耗為目的，加強研究力度。隨著集成電路的不斷創新和發展，會帶動許多的關聯產業的前進，比方說，電子信息機械行業、微光電行業各類芯片產業等，兩者能夠相互促進，相信在未來會實現共同發展。眾所周知摩爾定律在過去很長一段時間里都被運用在集成電路的低功耗技術的研究中，但是如今，這已趨于極限，很難再實現大的突破。為此響應智能化、互聯網、信息存儲等行業的號召，開始了新的探索，來有效推動集成電路的發展。

還有就是新形勢下的市場，集成電路產業正處于一個大的轉折點，正在向更高水平的市場發展，相信，未來的集成電路產業在計算模式上會有很大的改進。不過，該產業實現飛躍性發展的同時還會帶來一定的問題和矛盾，這種矛盾主要集中在市場終端和消費領域，特別是基于集成電路。

4.結語

新形勢下，我國微電子技術領域發展十分迅速，關聯企業也在其帶動下有了大的發展，為了能夠實現微電子產業鏈飛躍式的發展，迫切需要對集成電路制造技術進行創新，爭取早日掌握更高水平的設計方案和生產技術。引導微電子信息產業和集成電路技術形成良性循環，推動我國微電子信息產業更快更好的發展。

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張明文、漢、男、1986.02、河南南陽、碩士、助教、研究方向：集成電路設計與應用、學校：武夷學院。

深亞微米下高性能流水線型模數轉換器的系統級建模及仿真；編號：JB14100