新形势下超低功耗集成电路技术研究

新形势下超低功耗集成电路技术研究

张明文 武夷学院

新形势下，各类高新信息产业的发展均需要集成电路的支持，在集成电路功能、荷载允许的基础上实现产品创新。因此有必要大力发展集成电路产业，研究更高水平的集成电路技术，其中研发的突破口主要是这几方面，芯片尺寸、运行速度、功率消耗等，随着科技的发展以及行业之间竞争力度的不断增大，使得对集成电路的功耗要求逐渐严格，因此，新形势下超低功耗的技术开发成为发展主流。

超低功耗；集成电路；技术研究

本篇文章主要是针对集成电路的超低功耗技术进行了论述，对其重要性进行了解释说明，阐述了其工作原理，对该类型的集成电路的设计进行了介绍，同时强调了它的性能的提升对整个高新信息产业的重要影响，主要目的是展示超低功耗集成电路的研究成果，争取达到预期的低功耗效果，为其他相关行业提供发展基础，同时大力推动我国集成电路行业更好更快的发展。

1.集成电路的发展

21世纪以来，电子信息行业的发展可谓是日新月异，种类越来越多，功能越来越全，比如说，MP3、MP4、DVD计算机、电视等等，然而这些高新产品都离不开集成电路的支持，他们本身的尺寸、存储空间、荷载等都和集成电路的性能有关，所以说想要更好的发展这些产业，就必须加强对集成电路的创新研究。首先是对器件的外部尺寸进行缩小控制，其中最直接的方法就是缩短栅长，由微米计量到纳米计量，这是一个大的飞跃，实现了许多企业的创新梦，丰富了人们生活产品，加快了科技发展的脚步。有理由相信在未来集成电路同样会朝着小、快、系统的方向发展。

伴随着集成电路的不断发展，人们生产生活的更高要求，创新发展出嵌入式技术，即系统的进行电路集成，载体通常情况下是芯片，可以利用其进行整个产品系统的信息收集处理，十分方便。采用电路兼容工艺、软硬件结合等实现更具实用性的集成电路，从而加快电子信息产业的发展。

新形势下，对集成电路的要求和研究更偏向于低功耗方面，这是为了保证在电池容量不变的基础上能够使用更长的时间，并且能够同时有效的维持功能的正常运行，这就是超低功耗集成电路。这是一个不小的技术挑战，如果可以有效创新，将带来很大的产业连锁反应，推动整个社会的发展。

2. 超低功耗集成电路技术

2.1 功耗的产生原因分析

在实际技术应用过程中，产生功耗的原因有很多，例如：基底技术、线路设置、内外环境、电压等因素，都会影响整个系统中的功率消耗。在这其中最常见也是最主要的功耗就是负载器件本身以及电路元件，经过大量的模拟试验表明，相互之间会产生阻抗功耗，损耗电流。

要注意的还有在工作过程中的点电压与电流的乘积是包括漏电流和偏置电流的，不管有源还是无源。实际应用过程中最大的功率消耗来源于内外的电容充放电，还有就是状态的转移，比方说零内阻器件在线路中间出现短路的情况，都会出现功耗。

2.2 超低功耗集成电路的设计

想要实现集成电路的低功耗运行工作，就必须对产品制造进行设计，也就是说要对集成电路进行优化，从而从根本上实现低功耗。首先要明确，此处的功耗指的是单位时间内集成电路消耗的能源数量。

想设计出低功耗的集成电路，就要对功率消耗进行优化，其中主要有两种思路，也就是技术改进的两个突破口，一是对电源电压进行有效的控制，主要操作可以通过试验得到最佳电源电压，控制好可以有效降低功率消耗；但是利用电压降低的功耗是有限的，还满足不了人们的发展需求，因此又引出针对性的解决方法，就是从制作工艺上入手，优化电路结构，采用平行和流水线的结构来实现，这样更加直接有效，但是它需要考虑的因素十分多，有系统兼容性等问题。二是减少节点电平转换的次数和节点的负载电容，这同时也是更普遍的一种优化思路。这种思路的发展空间很大，非常有研究开发的必要，比方说：选择开发出更为合适的算法程序，在结构方面划分更为合理，优化逻辑结构等，均可以成为研究的突破口。

优化操作；集成电路的设计首先需要明确设计目的，需要实现什么样的功能，因此基于给定功能，减少算法操作，优化执行程序是一种十分可行的方法。比方说，流程中有一算法是进行和常数进行相乘的操作，可以有效利用变换操作的方案，把他转化为加法和移位的操作，在此基础上，可以降低常数中1出现的频率，可以减少操作次数。另外对于该例子，还可以采用公因式提取的方法，找寻共同点，实现资源共享，达到优化的目的。还可以根据系统进行数据分析，将相关高的数据高效安排，统一操作，最终实现操作流程的优化。

优化控制；集成电路的系统控制是十分关键的环节，对其进行优化同样可以减少功耗。这里的控制主要针对于信号，合理将大的STG分解成多个小的，减少其中的状态数等数据，再根据状态转移概率等进行重新控制和安排，比方说，在对待转移概率大的状态时，应当尽量在编码时缩短布尔间距，这样能够有效减少转换电容，实现功率消耗的缩减，符合新形势下集成电路的发展要求。

优化编码；当今社会，在信息高新生产发展过程均需要程序编码，因此合适有效的编码十分重要，同时也是发展集成电路，实现超低功耗的突破口。比方说数据通道，利用符号编码去替换补码，选择其中一个编码代表符号，其他的设置为大小方面的变量，程序运行过程中，会出现编码的变化，其中符号编码不翻转，这样就达到减少流程的目的，但是要格外注意一点就是，编码时电路的消耗要小于节省的。

优化资源配置；在集成电路中实现电容转换的主要有以下三种类型，寄存器、功能单元、以及互连线，对这三部分的资源配置合理程度影响着电容转换的效率，也就是影响着集成电路系统的功率消耗，其中合理保持存储器之间的距离可以防止连线过长，同时利用寄存器的替换也能在一定程度上优化功耗。

优化结构；前文提到过利用对电源电压的有效控制来实现低功耗，这里则是从另一种设计思路出发，优化结构，减少电容转换频率。首先我们要知道电路不可避免的存在延时的现象，这使得在一些节点位置产生毛刺，换句话说，也就是增加了电平转换的负担，这也被称为毛刺功耗；当然，有针对其采取的解决方法，其中的关键操作就是对通路进行平衡操作，首先有一点可以明确，树型在结构上优于链型，能够减少功耗，不过，同样也有一定的弊端，就是树型结构需要数量较多的寄存器来予以维持，这样同样也会增加电路负担，因此实际运用过程中要综合两者优点，平衡进行考虑，，得出最佳的电路结构。还有在一些优化面积节省资源的操作过程中常采用重复使用的方法，虽然节省了面积但是增加了电容转换，因此也需要找出合适的临界点，维持功耗最小，达到结构优化的目的。

（6）优化逻辑；针对性的对逻辑进行优化，当然，必须在保证功能正常运行，命令照常执行的情况下，比方说，可以改变电路中寄存器的分布位置，同时保证逻辑合理，很大程度上可以阻挡毛刺现象的扩散，避免出现更严重的功率消耗问题。另外，有效时间内高效的应用逻辑内容，也就是，使用时则开启，不用时则关闭，这样电路功率被有效利用，减少损耗，当然可以适当的增加控制逻辑，目的在于节省逻辑使用功率的浪费，当然，在辅助逻辑设计注意功耗，尽量简单、有效。

当然，第一种思路进行功耗控制也是能起到很大作用的，可以针对集成电路，组建科研队伍，进行新型材料的开发和研究，能够在现有基础上降低电路功耗。有些人会误将低功耗当作是省电，其中更主要的还是对集成电路热量损耗的控制，这样不仅是实现了超低能耗，还很好的保护了器件，延长集成电路系统的使用、工作时间，还能降低电磁、热燥等不良因素的干扰，打造高品质的集成电路系统。

3.集成电路的未来发展

新形势下，集成电路系统设计人员面临着很大的挑战，需要拥有基于运行功能降低电路功耗的设计能力，要求设计者不能单单集中于某一方面，应该立足整个电路，内外兼顾，还要积极引进先进的新兴技术，为电路设计保驾护航、添砖加瓦。超低功耗是当今集成电路研究、开发的主导方向，以提高系统性能降低电路功率消耗为目的，加强研究力度。随着集成电路的不断创新和发展，会带动许多的关联产业的前进，比方说，电子信息机械行业、微光电行业各类芯片产业等，两者能够相互促进，相信在未来会实现共同发展。众所周知摩尔定律在过去很长一段时间里都被运用在集成电路的低功耗技术的研究中，但是如今，这已趋于极限，很难再实现大的突破。为此响应智能化、互联网、信息存储等行业的号召，开始了新的探索，来有效推动集成电路的发展。

还有就是新形势下的市场，集成电路产业正处于一个大的转折点，正在向更高水平的市场发展，相信，未来的集成电路产业在计算模式上会有很大的改进。不过，该产业实现飞跃性发展的同时还会带来一定的问题和矛盾，这种矛盾主要集中在市场终端和消费领域，特别是基于集成电路。

4.结语

新形势下，我国微电子技术领域发展十分迅速，关联企业也在其带动下有了大的发展，为了能够实现微电子产业链飞跃式的发展，迫切需要对集成电路制造技术进行创新，争取早日掌握更高水平的设计方案和生产技术。引导微电子信息产业和集成电路技术形成良性循环，推动我国微电子信息产业更快更好的发展。

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张明文、汉、男、1986.02、河南南阳、硕士、助教、研究方向：集成电路设计与应用、学校：武夷学院。

深亚微米下高性能流水线型模数转换器的系统级建模及仿真；编号：JB14100