超低功耗集成电路技术

文/蒋其跃 陈冯进 吴浩湧

超低功耗集成电路技术

文/蒋其跃 陈冯进 吴浩湧

伴随着社会活动范围的扩大，国家潜能越来越大，而面对世界市场中的各类竞争，因各国的经济增长方式转向资本密集型、信息技术型、服务产业型而出现了一种新的围绕技术中的新型产业竞争。因而在这种大的背景之下，对高新信息技术产业发展中较为重要的集成电路及其相关技术加强研究与探讨既有必要，也是满足这种竞争需求，提高综合竞争能力的必要条件，所以本次研究就选取与其发展关系密切的超低功耗集成电路技术作为主题展开论述。

超低功耗 集成电路 技术 研究

电子产品的发展速度快、更迭迅速，以集成电路的运用及其历程分析，主要出现了MP3、MP4、EVD、液晶电视、计算机等。目前信息技术类的电子产品中所应用的集成电路逐渐趋向于“高、精、尖”这样的发展潮流，因而在器件的规格、尺寸等控制技术方面也由原来的微米计量演进到了纳米计量，既是创新也是升级换代，尤其是由此而产生的芯片承载方式，极大的令信息收集、存储、传输获得了前所未有的转变，提供了比较实用的便利。下面进行具体说明。

1 集成电路中的功耗分析

集成电路中的功耗产生原因较多，主要是由于在集成电路方面具有一定的整体系统，而当基底技术、线路设置、内外环境、电流电压等某一个构成要素发生不良反应或功能发挥不足则会直接对整体系统产生功率消耗。比如，以负载器件、电路元件为例，它的影响不仅大，而且是功耗产生的主要原因；根据模拟实验可以实证阻抗功耗的存在，并且测出实际的电流损耗值。再如，以实际的运用为例，当集成电路处于应用过程时，内外电容充放电，就会产生状态转移，发生功率消耗（包括通常所见的零内阻器件短路现象）。因而在实际工作中应该注重无源、有源方面的点电压与电流乘积，对其中的漏电流、偏置电流加强检测与分析。

2 超低功耗集成电路中的设计分析

所谓超低功耗集成电路，即是实现集成电路运行工作过程中的低功耗。按照当前集成电路类产品的制造环节分析，虽然要经过生产设计、材料运输、生产加工、订单处理、产品营销、市场零售，但从利润率与实际的产品功能角度分析，集成电路的产品制造中最重要的还是生产设计环节，而且占到了总工艺流程收益的90%。因此要通过一些优化的方法在集成电路产品设计方面下功夫。比如，当前比较有效的就有两种思维方式，前一种思路认为，对电源电压实施控制；后一种思路认为，可以通过减少节点电平转换次数和节点负载电容以达到优化目的。采用比较方法可以观察到，在前一种优化思路之下，虽然能够达到降功耗的目的，但降低范围有限，很难满足发展需求；但根据这种不足进一步分析发现，可以将优化的重点集中到电路结构层面，但由于系统兼容性等问题难于解决，因此不如后一种思路。因为在后一种思路之下，可以扩大发展空间；选择算法程序、结构划分、逻辑优化等多个路径实现优化。

比如，以操作优化为例，就可以借助功能需求，从算法操作的减化方面入手，以此达到对执行程序的优化，既实用也易于操作。具体如某流程的操作需要通过算法与常数相乘的情况下，就可以通过操作方案的变换，将其转化为加法操作、移位操作，其目的将1出现的频率降低，以此令操作简化。同时也可以通过公因式提取的办法完成资源共享目标，由此实现对操作的优化。尤其是当前对于大数据的运用极大的可以促进系统数据分析，然后按照排列组合实施高效化分布排列，由此完成流程化的统一操作，简化操作程序等。以控制优化为例，需要抓住信号，并对STG实施解析；这样就能够减少数据（如状态数等），，并通过转移概率实现重新分布，达到合理安排、优化设置、有效控制。若转移概率较大，则宜在编码时注重对布尔间距的缩短，由此减少转换电容提高功耗控制。以编码优化为例，它作为超低功耗集成电路的关键突破口，需要得到较好的解决。比如，在数据通道之中，就可以借助编码实现补码替换，然后通过编码代表符的选择，实现符号编码在程序运行中的稳定不变性，减少流程变化所产生的功耗，根据现在的实用效果观察，它所减少的功耗比通常高于常规性的节省功耗。以资源配置化化为例，需要根据电容转换的寄存器、功能单元、互连线进行资源评估，然后在减少连线过长、加强寄存器替换方法下实现资源优化配置后的功率消耗降低目的。另外，需要注意的是在结构优化方面，还可以尝试电容转换频率，重点解决由电平转换负担增加所产生的毛刺功耗，如树型结构的选择就可以有效的规避多链型结构所产生的能耗等。

3 集成电路的发展前景展望

在我国集成电路技术发展中虽然面对超低功耗类型的发展存在一定的阻碍，也面临较大挑战，但从产品生产制造的角度观察，若能取法得当并借助产业链上、中、下游的利润比例适当将研发重点集中到生产设计方面，实际上也可以通过资源投入逐步解决此类问题。比如，华为集团在近几十年发展中在科研方面的占比越来越大，而且由于其技术的研究投入较多所产出的成果较快的推动了它在世界范围内的发展，也给高新信息技术产业的发展提供了一个重要发展路径与可借鉴的榜样。另外应该建立一个以生产设计为主导，整条超低耗集成电路技术产品的发展体系，由此带动它的全面发展；这样也有利于超低功耗集成电路技术的研发与消费市场实现有利对接，为其未来发展注入持续动力。

4 结束语

从集成电路的发展及技术的创新演变可以发现，它属于综合工程。因而在实践方面，既要注重材料科学，也需要深入一步对其电路的构造、系统的功耗等进行综合型分析、多元化探索；尤其是要避免前期为了发展而采用的折中方法，因为在性能、耗能之间虽然可以达到均衡的发展，但作为一种生产要素中的比较优势，却不利于其获得持久的效益与较为核心的竞争力。因此建议在当前抓紧对无用电流做功损耗的科学研究与合理控制，以此在超低功耗集成电路技术方面迈出较为关键的一步，促进我国信息技术产业的快速转型。

[1]胡子一,周崟灏,陈岚等.用于无线传感网的低功耗集成电路技术[J].北京大学学报,2014,50(04)：664-674.

[2]顾墨琳,林守远.微波集成电路技 术-回 顾 与 展 望[J].微 波 学报,2014,16(03)：278-290.

[3]杨银堂,朱海刚.BCD集成电路技术的研究与进展[J].微电子学,2015,36(03)：315-319.

作者单位 深圳远征技术有限公司 广东省深圳市518102