超低功耗集成電路技術

文/蔣其躍 陳馮進 吳浩湧

超低功耗集成電路技術

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，因各國的經濟增長方式轉向資本密集型、信息技術型、服務產業型而出現了一種新的圍繞技術中的新型產業競爭。因而在這種大的背景之下，對高新信息技術產業發展中較為重要的集成電路及其相關技術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展關系密切的超低功耗集成電路技術作為主題展開論述。

超低功耗 集成電路 技術 研究

電子產品的發展速度快、更迭迅速，以集成電路的運用及其歷程分析，主要出現了MP3、MP4、EVD、液晶電視、計算機等。目前信息技術類的電子產品中所應用的集成電路逐漸趨向于“高、精、尖”這樣的發展潮流，因而在器件的規格、尺寸等控制技術方面也由原來的微米計量演進到了納米計量，既是創新也是升級換代，尤其是由此而產生的芯片承載方式，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，而當基底技術、線路設置、內外環境、電流電壓等某一個構成要素發生不良反應或功能發揮不足則會直接對整體系統產生功率消耗。比如，以負載器件、電路元件為例，它的影響不僅大，而且是功耗產生的主要原因；根據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，內外電容充放電，就會產生狀態轉移，發生功率消耗（包括通常所見的零內阻器件短路現象）。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品的制造環節分析，雖然要經過生產設計、材料運輸、生產加工、訂單處理、產品營銷、市場零售，但從利潤率與實際的產品功能角度分析，集成電路的產品制造中最重要的還是生產設計環節，而且占到了總工藝流程收益的90%。因此要通過一些優化的方法在集成電路產品設計方面下功夫。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，可以通過減少節點電平轉換次數和節點負載電容以達到優化目的。采用比較方法可以觀察到，在前一種優化思路之下，雖然能夠達到降功耗的目的，但降低范圍有限，很難滿足發展需求；但根據這種不足進一步分析發現，可以將優化的重點集中到電路結構層面，但由于系統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，可以擴大發展空間；選擇算法程序、結構劃分、邏輯優化等多個路徑實現優化。

比如，以操作優化為例，就可以借助功能需求，從算法操作的減化方面入手，以此達到對執行程序的優化，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相乘的情況下，就可以通過操作方案的變換，將其轉化為加法操作、移位操作，其目的將1出現的頻率降低，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，由此實現對操作的優化。尤其是當前對于大數據的運用極大的可以促進系統數據分析，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一操作，簡化操作程序等。以控制優化為例，需要抓住信號，并對STG實施解析；這樣就能夠減少數據（如狀態數等），，并通過轉移概率實現重新分布，達到合理安排、優化設置、有效控制。若轉移概率較大，則宜在編碼時注重對布爾間距的縮短，由此減少轉換電容提高功耗控制。以編碼優化為例，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，在數據通道之中，就可以借助編碼實現補碼替換，然后通過編碼代表符的選擇，實現符號編碼在程序運行中的穩定不變性，減少流程變化所產生的功耗，根據現在的實用效果觀察，它所減少的功耗比通常高于常規性的節省功耗。以資源配置化化為例，需要根據電容轉換的寄存器、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資源優化配置后的功率消耗降低目的。另外，需要注意的是在結構優化方面，還可以嘗試電容轉換頻率，重點解決由電平轉換負擔增加所產生的毛刺功耗，如樹型結構的選擇就可以有效的規避多鏈型結構所產生的能耗等。

3 集成電路的發展前景展望

在我國集成電路技術發展中雖然面對超低功耗類型的發展存在一定的阻礙，也面臨較大挑戰，但從產品生產制造的角度觀察，若能取法得當并借助產業鏈上、中、下游的利潤比例適當將研發重點集中到生產設計方面，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展中在科研方面的占比越來越大，而且由于其技術的研究投入較多所產出的成果較快的推動了它在世界范圍內的發展，也給高新信息技術產業的發展提供了一個重要發展路徑與可借鑒的榜樣。另外應該建立一個以生產設計為主導，整條超低耗集成電路技術產品的發展體系，由此帶動它的全面發展；這樣也有利于超低功耗集成電路技術的研發與消費市場實現有利對接，為其未來發展注入持續動力。

4 結束語

從集成電路的發展及技術的創新演變可以發現，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造、系統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展，但作為一種生產要素中的比較優勢，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方面邁出較為關鍵的一步，促進我國信息技術產業的快速轉型。

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作者單位 深圳遠征技術有限公司 廣東省深圳市518102