中心議題：

• 五種技術解決未來十年內IC功耗問題

功(gong)耗(hao)過(guo)高(gao)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)半(ban)導(dao)體(ti)製(zhi)程(cheng)尺(chi)寸(cun)進(jin)一(yi)步(bu)微(wei)縮(suo)的(de)主(zhu)要(yao)障(zhang)礙(ai)，並(bing)且(qie)嚴(yan)重(zhong)威(wei)脅(xie)所(suo)有(you)電(dian)子(zi)領(ling)域(yu)的(de)一(yi)切(qie)進(jin)展(zhan)。雖(sui)然(ran)根(gen)本(ben)原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)永(yong)恒(heng)不(bu)變(bian)的(de)物(wu)理(li)和(he)化(hua)學(xue)原(yuan)理(li)

，但(dan)工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)已(yi)經(jing)開(kai)發(fa)出(chu)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)創(chuang)新(xin)技(ji)術(shu)
，以(yi)用(yong)於(yu)減(jian)輕(qing)目(mu)前(qian)所(suo)麵(mian)臨(lin)的(de)問(wen)題(ti)
，並(bing)可(ke)望(wang)對(dui)振(zhen)興(xing)未(wei)來(lai)的(de)晶(jing)片(pian)產(chan)業(ye)有(you)所(suo)助(zhu)益(yi)。以(yi)下(xia)討(tao)論(lun)五(wu)種(zhong)可(ke)用(yong)於(yu)降(jiang)低(di)未(wei)來(lai)IC功耗的技術。這些技術目前已經在開發中，可望共同解決未來十年內將會麵臨的功耗問題。

擁抱協同設計

電子設計自動化(EDA)工(gong)具(ju)可(ke)讓(rang)設(she)計(ji)團(tuan)隊(dui)從(cong)一(yi)開(kai)始(shi)就(jiu)進(jin)行(xing)協(xie)同(tong)設(she)計(ji)
，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)化(hua)低(di)功(gong)耗(hao)設(she)計(ji)。事(shi)實(shi)上(shang)，業(ye)界(jie)最(zui)低(di)功(gong)耗(hao)的(de)處(chu)理(li)器(qi)和(he)係(xi)統(tong)級(ji)晶(jing)片(pian)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)不(bu)僅(jin)透(tou)過(guo)最(zui)佳(jia)化(hua)架(jia)構(gou)和(he)材(cai)料(liao)來(lai)實(shi)現(xian)優(you)勢(shi)，也(ye)采(cai)用(yong)協(xie)同(tong)設(she)計(ji)封(feng)裝(zhuang)、電源、射頻電路和軟體來降低功耗


，而不至於降低性能或增加成本。

“實現低功耗必須采用覆蓋技術、設計方法

、晶片架構和軟體的全麵性方法。”德州儀器(TI)公司設計技術與EDA部門總監David Greenhill表示。TI已yi經jing使shi用yong了le許xu多duo先xian進jin技ji術shu為wei每mei個ge子zi係xi統tong進jin行xing最zui佳jia化hua，從cong而er為wei低di功gong耗hao元yuan件jian提ti升sheng了le新xin標biao準zhun，例li如ru打da造zao自zi有you的de製zhi程cheng技ji術shu來lai平ping衡heng關guan斷duan模mo式shi的de漏lou電dian流liu與yu主zhu動dong電dian流liu性xing能neng
，或huo使shi用yong電dian壓ya與yu頻pin率lv擴kuo展zhan技ji術shu來lai定ding義yi各ge種zhong省sheng電dian工gong作zuo模mo式shi。
      
“diyibushicongxingnenghegonghaodeguandianlaiquerenchanpindemubiao。yidanzhexiemubiaoquedinghou，jiukeyikaishicaiyongzhuanyongdezhichengjishu
，yitigongsuoxudexingneng
，erbuzhiyuchaochushebeidegonghaoyusuan。”TI公司28nm平台經理Randy Hollingsworth指出。
       
EDA工具一直是實現這些更低功耗目標的關鍵，但有時需要圍繞設計回路進行一些反覆
，因為采用傳統EDA工具進行功耗估計隻在接近設計周期結束時才比較精確。對於未來的IC來說，必須在設計周期初期便進行精確的功耗估算。
      
一些專用工具的供應商已經拾起了接力棒。例如美國加州Atrenta公司推出一款名為Spyglass Power的工具，它可采用標準的暫存器傳輸級(RTL)描述來執行功耗估計、功耗降低與驗證。這些RTL描述在較早的設計周期就能從每種主要EDA工具獲得。“而今
，工程師希望能在較早的設計周期展開功耗估計。”Atrenta公司資深工程總監Peter Suaris表示，“你不能再等到設計臨近結束時才去估計功耗。你必須在RTL級就針對功耗進行協同設計，並為設計進行改動，以便能從一開始就實現節能效果。”
       
Atrenta公司宣稱，其專用的節能工具能以20%以內的精密度估計最終功耗預算，而功耗降低工具還可使最終設計功耗減少達50%。

降低工作電壓

微縮晶片尺寸通常能夠降低工作電壓
，從而實現節能。例如，三星公司(Samsung)最新的20nm‘綠色記憶體’晶片透過將工作電壓從1.5V降低至1.35V
，以節省67%的功耗。處理器和邏輯電路的工作電壓甚至低於記憶體元年，但工作電壓降低至1V以下時就不可避免地必須進一步改善半導體製程。IBM
、英特爾(Intel)、三星、 TI、台積電(TSMC)和其他每家半導體製造商均持續改善製程，以便能在更低電壓下作業

，不過，過去幾個製程世代以來的進展速度已開始減緩。
其關鍵在於電晶體daotongdeyuzhidianyazaishiyongbutongjingyuanshishibuyizhide

，yinweizaigengdachicunshizhichengdebianhuakeyihulve。eryouyuzaitedingdianyaxiaguanduanzhuangtaideloudianliuzaibutongyuzhishiyouhendadebianhua
，yincilixiangjingpianshijishangyaoshiyonggenjuqitexingdingzhidegongdiandianya。
     
英特爾公司聲稱已具有更好的解決方案──這是該公司花費近十年時間進行完善的一種方案。英特爾采用了所謂三閘(tri-gate)的3D FinFET電dian晶jing體ti架jia構gou，這zhe種zhong架jia構gou以yi三san維wei方fang式shi在zai電dian晶jing體ti通tong道dao周zhou圍wei環huan繞rao三san個ge金jin屬shu閘zha極ji，使shi電dian晶jing體ti處chu於yu這zhe些xie閘zha極ji的de電dian場chang之zhi下xia。這zhe種zhong技ji術shu可ke以yi抵di銷xiao阻zu止zhi工gong作zuo電dian壓ya低di於yu1V 的製程變化。“我們已經成功地展示我們的三閘電晶體結構，可將工作電壓減少到0.7V範圍，而且還能做得更低。”英特爾公司資深工程師Mark Bohr指出，“這些都是具有更陡峭次閾值斜率的完全耗盡型電晶體，可以更小的漏電流更快切斷

，同時以更低閾值導通電壓。”
     
資金雄厚的半導體製造商們專注於模擬英特爾公司的3D架構，但一些新創企業則致力於研發新型平麵製程，針對缺乏時間和資金來完善3D架構的半導體製造商重啟電壓調整進程。例如SuVolta公司已經發明出一種用於標準CMOS產品線的超低電壓平麵製程。
     
SuVolta並未使用3D閘極耗盡型電晶體
，改而采用一種未摻雜通道(帶摻雜的閾值和保護帶)以避免摻雜中的變化。深度耗盡型通道製程可在標準的平麵 CMOS產品線上實現。“透過使用平麵深度耗盡型通道製程

，我們已成功展示供電電壓可降低到0.6V，未來還能夠降得更低。”SuVolta公司技術長 Scott Thompson透露。SuVolta還取得了第一個授權協議──富士通半導體，該公司將在今年稍晚進行量產。有關該重要授權交易的進一步聲明可望在 2012年稍晚發布。

智慧調節功能

一般來說，供電電壓和時脈速度越低，功耗就越低。然而性能也受到影響。因此
，最新的微控製器和SoC開始尋求運用智慧電源管理單元，自動調整工作電壓與時脈速度來搭配工作負載。
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“dianyuanguanlidejibensilushidanduliditiaozhengjingpianbutongbufendegongdiandianyaheshimaisudu，yibianzairenhetedingshijiandiandounengpipeiqigongzuofuzai，tongshiguanbiweishiyongdedianlu。”即將接任Silicon Laboratories公司CEO的Tyson Tuttle表示。
     
dianyuanguanlidanyuantongchangyizhuangtaijimozudefangshijianzhi，nenggouxuanzexingdijiangdifeiguanjiangongnengdedianyaheshimaisudu。dansuizhebandaotijiedianbiandegengxianjin，jingpianzhongtianrugengduodedianjingti，yizhongsuowei「暗場矽晶」(dark silicon)的概念──大部份的晶片在需要使用以前均處於斷電狀態──這或許會是未來半導體的先驅設計理念。
     
“在未來更先進的製程節點，如22nm，SoC將整合進更多能同時導通的電晶體。”Rambus公司CTO Ely Tsern表示，“暗(an)矽(xi)的(de)概(gai)念(nian)就(jiu)是(shi)在(zai)晶(jing)片(pian)上(shang)製(zhi)作(zuo)許(xu)多(duo)特(te)殊(shu)用(yong)途(tu)的(de)功(gong)能(neng)，但(dan)在(zai)任(ren)何(he)時(shi)刻(ke)都(dou)隻(zhi)啟(qi)動(dong)所(suo)需(xu)的(de)功(gong)能(neng)，讓(rang)其(qi)它(ta)功(gong)能(neng)則(ze)保(bao)持(chi)黑(hei)暗(an)的(de)斷(duan)電(dian)狀(zhuang)態(tai)，什(shen)麼(me)事(shi)也(ye)不(bu)做(zuo)。” 英特爾在晶片電源管理方麵處於領先地位，能夠隨時時詳細地監視核心的溫度，允許透過提升時脈(turbo模式)以提高性能或降低速度來節省功耗。
     
danbingbushisuoyoudedianyuanguanligongnengdounengshifenjingjidiyizhidaojingpianshang。shishishang，zuizhihuihuadedianyuanguanlifanganshizaijingpianshanghewaibudianyuanguanlidanyuanzhijianhuafenrenwu。“針對外部電源管理存在經常性的需求，因為從功率密度來說，能夠加進晶片上的內容是有限的。”Enpirion公司CTO兼共同創辦人Ashraf Lotfi表示。
     
Enpirion公gong司si專zhuan門men生sheng產chan獨du立li式shi電dian源yuan管guan理li單dan元yuan，這zhe些xie電dian源yuan管guan理li單dan元yuan能neng從cong處chu理li器qi接jie收shou命ming令ling
，例li如ru當dang處chu理li器qi進jin入ru睡shui眠mian模mo式shi時shi降jiang低di處chu理li器qi的de電dian壓ya
，當dang處chu理li器qi被bei喚huan醒xing時shi再zai迅xun速su恢hui複fu電dian壓ya。

采用3D/光學互連

透過縮短互連線的長度並降低其電線，就能支援更小的驅動器電晶體，從而降低IC的功耗。縮短互連線長度的傳統方法是增加金屬層，因此目前有些晶片的金屬層多達10層。
     
然而，互連層設計最新創新成果是三維矽穿孔(TSV)，允(yun)許(xu)將(jiang)記(ji)憶(yi)體(ti)晶(jing)片(pian)堆(dui)疊(die)在(zai)處(chu)理(li)器(qi)之(zhi)上(shang)。這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)將(jiang)互(hu)連(lian)長(chang)度(du)減(jian)少(shao)到(dao)晶(jing)片(pian)間(jian)的(de)距(ju)離(li)，因(yin)此(ci)不(bu)需(xu)要(yao)大(da)功(gong)耗(hao)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)晶(jing)體(ti)和(he)長(chang)的(de)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)互(hu)連(lian)線(xian)。然(ran)而(er)，TSV的經濟性比較差，目前大多數晶片製造商的TSV時程都處於延後狀態。
     
“雖然矽穿孔(TSV)確實可透過縮短走線長度來降低功耗，但這是一種成本非常高的解決方案。”TI公司的Greenhill表示
，“為了更具經濟性
，TSV需要能夠彌補其它不足(如介麵性能)，才能讓它的成本較為合理。”
     
賽靈思公司(Xilinx nc.)是一家非常瞭解如何為TSV成本/性能取得平衡的公司，該公司正提供第一款使用TSV的商用晶片。相較於在PCB板(ban)上(shang)焊(han)接(jie)獨(du)立(li)元(yuan)件(jian)的(de)方(fang)式(shi)，賽(sai)靈(ling)思(si)公(gong)司(si)采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)具(ju)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)的(de)方(fang)案(an)不(bu)僅(jin)能(neng)降(jiang)低(di)晶(jing)片(pian)功(gong)耗(hao)，同(tong)時(shi)也(ye)提(ti)升(sheng)了(le)性(xing)能(neng)。此(ci)外(wai)，它(ta)還(hai)可(ke)為(wei)賽(sai)靈(ling)思(si)公(gong)司(si)的(de)客(ke)戶(hu)降(jiang)低(di)BOM成本，賽靈思公司資深總監Ephrem Wu表示。靈思公司透過使用矽中介層(interposer)回避了在PCB板上焊接各個FPGA的問題。這種矽中介層可在單一封裝內互連4個高密度的FPGA。
     
這種技術不僅能提升性能

，還能使功耗降低到19W，相形之下，傳統的PCB解決方案功耗還高達112W。另外一種前端技術是使用光學收發器。例如
，IBM公司的Power7超級電腦使用從傳統光學元件產生的板載光子互連。未來的晶片很可能使用Kotura公司和其它公司提供的專用光學解決方案
，將光子功能轉移到能夠附加處理器與記憶體晶片的微型光學晶片上。
     
“我們的低功耗矽鍺元件整合了透鏡、濾波器
、調變器以及你需要的所有其它光學元件於單顆晶片上。”Kotura公司行銷副總裁Arlon Martin指出。
     
Kotura 公司的矽光子製程使其得以將大約香煙盒大小約1萬美元的傳統光學收發器單元整合進最新款iPhone大小的500美元封裝中，使用的功耗更低4至20倍。 Kotura公司還展示該公司的SiGe收發器可透過堆疊式CMOS晶片間的氣隙傳送光學訊號，最終在堆疊晶片之間形成一個高速、低功耗的光學資料通道，適用於代替PCB走線。

試用新材料

采用更高遷移率的材料也能降低功耗。例如在標準CMOS產品線中已經加進了磁性材料，而像碳奈米管和石墨烯等‘神奇’的材料也開始浮出台麵。為了以鐵電 RAM(FRAM)製造嵌入式微控製器，TI在CMOS產品線中增加了磁性材料。從Ramtron International公司獲得授權的FRAM比起快閃記憶體更方便，因為它們既具有非揮發性，還支援隨機存取。

“與快閃記憶體相較，我們非揮發性的FRAM在讀寫能耗方麵更高效。”TI無線事業部CTO Baher Haroun指出。Enpirion公司也在其CMOS產品線中導入磁性材料，並計劃於2012年開始為其電源管理晶片製造整合型電感與變壓器。目前

，電感和變壓器還無法更經濟地整合在必須於高頻作業的晶片上，但Enpirion公司專有的磁性材料已經著眼於解決這方麵的問題。

“我們已經整合了不同的金屬合金，使我們的磁性材料可在很高的頻率下執行作業，同時還能保持高能效。”Enpirion公司的Lotfi透露。
     
與此同時，Semiconductor Research公司最近資助了IBM和美國哥倫比亞大學共同進行的一項研究計劃──將電感整合於處理器上。該公司聲稱能透過晶片穩壓功能在奈秒級時間內調節供電電壓，實現工作負載匹配，因而使能耗降幅高達20%。在不遠的將來
，CMOS產品線還可能增加的其它近期材料包括砷化銦镓(InGaAs)。英特爾公司計劃使用InGaAs增強未來三閘電晶體上的通道，據稱此舉可望使工作電壓降低至0.5V。然而，長期來看

，碳奈米管和平麵版的石墨烯很可能成為未來超低功耗元件的首選材料。