五种降低未来IC功耗的技术

稍晚进行量产。有关该重要授权交易的进一步声明可望在2012年稍晚发佈。

智能调节功能

一般来说，供电电压和时脉速度越低，功耗就越低。然而性能也受到影响。因此，最新的微控制器和SoC开始寻求运用智能电源管理单元，自动调整工作电压与时脉速度来搭配工作负载。

"电源管理的基本思路是单独立地调整芯片不同部份的供电电压和时脉速度，以便在任何特定时间点都能匹配其工作负载，同时关闭未使用的电路。"即将接任SiliconLaboratories公司CEO的TysonTuttle表示。

电源管理单元通常以状态机模组的方式建置，能够选择性地降低非关键功能的电压和时脉速度。但随着半导体节点变得更先进，芯片中填入更多的电晶体，一种所谓「暗场硅晶」（darksilicon）的概念──大部份的芯片在需要使用以前均处于断电状态──这或许会是未来半导体的先驱设计理念。

"在未来更先进的制程节点，如22nm，SoC将整合进更多能同时导通的电晶体。"Rambus公司CTOElyTsern表示，"暗硅的概念就是在芯片上制作许多特殊用途的功能，但在任何时刻都只启动所需的功能，让其它功能则保持黑暗的断电状态，什么事也不做。"

英特尔在芯片电源管理方面处于领先地位，能够随时时详细地监视核心的温度，允许透过提升时脉（turbo模式）以提高性能或降低速度来节省功耗。

但并不是所有的电源管理功能都能十分经济地移植到芯片上。事实上，最智能化的电源管理方案是在芯片上和外部电源管理单元之间划分任务。"针对外部电源管理存在经常性的需求，因为从功率密度来说，能够加进芯片上的内容是有限的。"Enpirion公司CTO兼共同创办人AshrafLotfi表示。

Enpirion公司专门生产独立式电源管理单元，这些电源管理单元能从处理器接收命令，例如当处理器进入睡眠模式时降低处理器的电压，当处理器被唤醒时再迅速恢復电压。

采用3D/光学互连

透过缩短互连线的长度并降低其电线，就能支援更小的驱动器电晶体，从而降低IC的功耗。缩短互连线长度的传统方法是增加金属层，因此目前有些芯片的金属层多达10层。

然而，互连层设计最新创新成果是三维硅穿孔（TSV），允许将记忆体芯片堆叠在处理器之上。这种技术将互连长度减少到芯片间的距离，因此不需要大功耗的驱动电晶体和长的印刷电路板互连线。然而，TSV的经济性比较差，目前大多数芯片制造商的TSV时程都处于延后状态。

"虽然硅穿孔（TSV）确实可透过缩短走线长度来降低功耗，但这是一种成本非常高的解决方案。"TI公司的Greenhill表示，"为了更具经济性，TSV需要能够弥补其它不足（如介面性能），才能让它的成本较为合理。"
赛灵思公司（Xilinxnc.）是一家非常瞭解如何为TSV成本/性能取得平衡的公司，该公司正提供第一款使用TSV的商用芯片。相较于在PCB板上焊接独立元件的方式，赛灵思公司采用这种具成本效益的方案不仅能降低芯片功耗，同时也提升了性能。此外，它还可为赛灵思公司的客户降低BOM成本，赛灵思公司资深总监EphremWu表示。

赛灵思公司透过使用硅中介层（interposer）迴避了在PCB板上焊接各个FPGA的问题。这种硅中介层可在单一封装内互连4个高密度的FPGA。

这种技术不仅能提升性能，还能使功耗降低到19W，相形之下，传统的PCB解决方案功耗还高达112W。另外一种前端技术是使用光学收发器。例如，IBM公司的Power7超级电脑使用从传统光学元件产生的板载光子互连。未来的芯片很可能使用Kotura公司和其它公司提供的专用光学解决方案，将光子功能转移到能够附加处理器与记忆体芯片的微型光学芯片上。

"我们的低功耗硅锗元件整合了透镜、滤波器、调变器以及你需要的所有其它光学元件于单颗芯片上。"Kotura公司行销副总裁ArlonMartin指出。

Kotura公司的硅光子制程使其得以将大约香烟盒大小约1万美元的传统光学收发器单元整合进最新款iPhone大小的500美元封装中，使用的功耗更低4至20倍。Kotura公司还展示该公司的SiGe收发器可透过堆叠式CMOS芯片间的气隙传送光学讯号，最终在堆叠芯片之间形成一个高速、低功耗的光学资料通道，适用于代替PCB走线。

试用新材料

采用更高迁移率的材料也能降低功耗。例如在标准CMOS产品线中已经加进了磁性材料，而像碳纳米管和石墨烯等‘神奇’的材料也开始浮出檯面。

为了以铁电RAM（FRAM）制造嵌入式微控制器，TI在CMOS产品线中增加了磁性材料。从RamtronInternational公司获得授权的FRAM比起快闪记忆体更方便，因为它们既具有非挥发性，还支援随机存取。

"与快闪记忆体相较，我们非挥发性的FRAM在读写能耗方面更高效。"TI无线事业部CTOBaherHaroun指出。
Enpirion公司也在其CMOS产品线中导入磁性材料，并计划于2012年开始为其电源管理芯片制造整合型电感与变压器。目前，电感和变压器还无法更经济地整合在必须于高频作业的芯片上，但Enpirion公司专有的磁性材料已经着眼于解决这方面的问题。

"我们已经整合了不同的金属合金，使我们的磁性材料可在很高的频率下执行作业，同时还能保持高能效。"Enpirion公司的Lotfi透露。

与此同时，SemiconductorResearch公司最近资助了IBM和美国哥伦比亚大学共同进行的一项研究计划──将电感整合于处理器上。该公司声称能透过芯片稳压功能在奈秒级时间内调节供电电压，实现工作负载匹配，因而使能耗降幅高达20%。

在不远的将来，CMOS产品线还可能增加的其它近期材料包括砷化铟镓（InGaAs）。英特尔公司计划使用InGaAs增强未来三闸电晶体上的通道，据称此举可望使工作电压降低至0.5V。

然而，长期来看，碳纳米管和平面版的石墨烯很可能成为未来超低功耗元件的首选材料。

在乔治亚理工学院（GeorgiaTech）的实验室中，已经证明石墨烯的互连性能超过铜。IBM公司也已经展示使用碳纳米管或石墨烯材料，可制造出低功耗、超高速的电晶体。TI最近则展示石墨烯可望在晶圆级制造出来。
英特尔公司针对以碳材料实现更高电迁移率方面进行研究，但其结论则是这些材料的商用时机未到。

"使用纳米碳或石墨烯的碳互连结构具有非常吸引人的特性。"英特尔公司的Bohr指出，"不过，儘管大体积材料具有更低电阻，连接路径的电阻却不低。不过这是一种非常具有前景的材料，因此我希望在今后几年能够见到更多的业界相关研究。"

图1：Atrenta公司的工具可以很早就估计功耗；此处指出设计周期开始之初的潜在热点。
图片来源：Atrenta公司

图2：透过采用未掺杂电晶体通道（位于中间的白色区域，在浅绿色的轻掺杂阈值区以及深绿色的重掺杂筛选区上方），SuVolta公司的平面CMOS制程可望使半导体电压进一步降低。
来源：SuVolta公司

图3：英特尔的turbo模式可在高负载期间提升时脉以增加速度，并监控核心温度，在开始过热时逐渐降低时脉速度。
来源：英特尔

图4：赛灵思公司能够使用台积电的硅插入器在封装内互连4个FPGA，从而使功耗从112W降低到19W。
来源：赛灵思

图5：Enpirion公司的芯片上电感是采用专用制程以及独特的磁合金材料在硅晶圆上制造而成的。