超低功耗集成電路技術(shù)研究

孫偉業(yè)

華北理工大學(xué)

超低功耗集成電路技術(shù)研究

孫偉業(yè)

華北理工大學(xué)

隨著電子技術(shù)的不斷快速發(fā)展，集成電路以其高效的信息處理能力得到了廣泛應(yīng)用。然而集成電路信息處理能力提高的同時(shí)，其功耗也在不斷增加，這就使得電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須處理好設(shè)備的性能和功耗矛盾，因此電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)在性能和功耗問(wèn)題上只能進(jìn)行折中處理，這將嚴(yán)重制約著電子設(shè)備元件納米化的發(fā)展進(jìn)程，也制約著集成電路技術(shù)在電子設(shè)備中的大規(guī)模應(yīng)用，超低功耗技術(shù)成為現(xiàn)階段集成電路發(fā)展中的重要難題。本文首先對(duì)超低功耗集成電路進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，隨后對(duì)其設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析，最后研究了超低功耗集成電路的發(fā)展趨勢(shì)，以供廣大技術(shù)人員進(jìn)行參考。

集成電路；超低功耗；技術(shù)分析

1 超低功耗集成電路的概念及應(yīng)用分析

1.1 集成電路的概念及應(yīng)用

集成電路是在上世紀(jì)50年代半導(dǎo)體領(lǐng)域中發(fā)展起來(lái)的一種新型電路設(shè)計(jì)技術(shù)，集成電路(Integrated circuit)是將微型電子零部件應(yīng)用于各種電子設(shè)備中的一種電子元件集成技術(shù)，其主要方式是將電路設(shè)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(guò)布線方式進(jìn)行統(tǒng)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(shè)備某個(gè)部分的微電路結(jié)構(gòu)。通過(guò)多個(gè)集成電路進(jìn)行組合從而形成共同運(yùn)作的電路整體，使得電子設(shè)備具有低功耗、高容量、體積小以及性能高等優(yōu)勢(shì)。

集成電路主要運(yùn)用于電路板之中，由于具備體積小、壽命長(zhǎng)、重量小、性能高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)大規(guī)模批量生產(chǎn)，因此不僅在工業(yè)電子設(shè)備中得到大規(guī)模的使用，而且在計(jì)算機(jī)設(shè)備方面也得到廣泛的應(yīng)用。目前我國(guó)從財(cái)政、資本市場(chǎng)、研發(fā)、進(jìn)出口、人才培養(yǎng)等方面廣泛扶持集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.2 集成電路的功耗

一般情況下將電子設(shè)備中各電路元件在運(yùn)行過(guò)程中輸出和輸出功率間的差額算作功耗，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)功耗便是電子設(shè)備在運(yùn)行過(guò)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(guò)設(shè)備運(yùn)行中的發(fā)熱及做功產(chǎn)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(jìn)而降低其功耗成為了一項(xiàng)技術(shù)性難題。

1.3 超低功耗集成電路的概念與技術(shù)

超低功耗集成電路也就是在集成電路的基礎(chǔ)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(fā)展的過(guò)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(jié)構(gòu)、系統(tǒng)以及功耗之間進(jìn)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(gè)相對(duì)概念。

2 超低功耗集成電路的設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 電路材料的選擇

在集成電路功號(hào)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(xiàn)階段技術(shù)方面進(jìn)行突破的重點(diǎn)和難點(diǎn)。電路功率損耗很大一部分來(lái)源于電子元件的發(fā)熱，而電路材料則是影響電路整體發(fā)熱情況的主要因素，因此降低集成電路功率損耗的重點(diǎn)便是選擇合適的電路材料。在材料選擇過(guò)程中需要嚴(yán)格審核和測(cè)試各種材料的發(fā)熱狀況及具體功耗情況，選擇發(fā)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(nèi)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(shè)備整體功耗便需要降低內(nèi)部各個(gè)部位的集成電路功耗。而集成電路的功耗主要以元件發(fā)熱的形式損耗，因此，在集成電路排列設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)其排列方式進(jìn)行優(yōu)化，采取一定的優(yōu)化方案降低集成電路元件的發(fā)熱，以此來(lái)降低整體電路的發(fā)熱損耗。

2.3 電源硬件的設(shè)計(jì)

電路硬件設(shè)施的供電電壓也是影響整體損耗的一個(gè)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(shè)計(jì)電源時(shí)盡可能采用低電壓電源進(jìn)行供電，進(jìn)而降低電路功耗。集成電路中供電電壓過(guò)大不僅會(huì)造成不必要的功率損失，而且會(huì)對(duì)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(shè)計(jì)之初，可以通過(guò)對(duì)電源有效輸入電源進(jìn)行控制，采用動(dòng)態(tài)與額定電源供電技術(shù)進(jìn)行輸入電壓的合理控制，以此來(lái)達(dá)到降低電路硬件損耗的目的。

2.4 系統(tǒng)功耗的控制

集成電路系統(tǒng)程序運(yùn)行過(guò)程中的也會(huì)出現(xiàn)很大一部分的功率損耗，可以結(jié)合系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)整體程序運(yùn)行過(guò)程中的部分加載和等待過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，減少不必要的功率浪費(fèi)。當(dāng)系統(tǒng)在非工作狀態(tài)下時(shí)可控制各部分電路的進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，軟件設(shè)計(jì)遵循用時(shí)喚醒、閑時(shí)休眠以及不用的時(shí)候進(jìn)行自我關(guān)閉的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以最大化的減少軟件運(yùn)行過(guò)程中的功率損耗。也可以控制外部電源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)控制軟件運(yùn)行過(guò)程中的功耗，人為控制開(kāi)關(guān)來(lái)使部分電路元件進(jìn)行停止和運(yùn)行，但是在實(shí)際應(yīng)用中盡量多采用軟件來(lái)替代部分硬件，以更有效準(zhǔn)確的控制整體電路的功率損耗。

3 超低功耗集成電路發(fā)展趨勢(shì)

超低功耗集成電路是目前電子設(shè)備電路研究和開(kāi)發(fā)的主流趨勢(shì)，在未來(lái)超低功耗集成電路的發(fā)展過(guò)程中，電路設(shè)計(jì)人員仍然面臨著非常巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，要求電路設(shè)計(jì)者在確保電路高性能運(yùn)行的前提下，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)出低功耗的集成電路，這就需要電路設(shè)計(jì)者擁有電路設(shè)計(jì)方面的各種知識(shí)，不僅要技術(shù)過(guò)硬而且還要有創(chuàng)新意識(shí)，積極為集成電路發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。隨著超低功耗集成電路的不斷快速發(fā)展，將帶動(dòng)更多的相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，電子設(shè)備各方面及各領(lǐng)域進(jìn)行相互交錯(cuò)融合，共同促進(jìn)技術(shù)發(fā)展。并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)以及信息存儲(chǔ)等相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域，進(jìn)行全新探索共同促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

集成電路的發(fā)展過(guò)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(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，它集電路材料、空間布局、電路結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功耗等方面進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)，因此需要電路設(shè)計(jì)者不斷進(jìn)行技術(shù)難題攻關(guān)與創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出功耗更低、性能更高的高科技集成電路。

[1]孟一聰.數(shù)字集成電路低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的研究及應(yīng)用[D].清華大學(xué)，2005.

[2]李駿.CMOS集成電路低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].大科技，2016(17).

[3]張興，杜剛，王源，等.超低功耗集成電路技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2012，42(12)：1544-1558.

[4]張晨龍.超低功耗集成電路技術(shù)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化.

[5]黃晗.超低功耗集成電路技術(shù)綜述[J].科技展望，2016，26(30).