为芯片节能 五种降低未来IC功耗的技术

　　SuVolta还取得了第一个授权协议──富士通半导体，该公司将在今年稍晚进行量产。有关该重要授权交易的进一步声明可望在2012年稍晚发布。

　　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复电压。

　　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.）是一家非常了解如何为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）回避了在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’的材料也开始浮出台面。

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