五種降低未來(lái)IC功耗的技術(shù)

試用新材料

采用更高遷移率的材料也能降低功耗。例如在標準CMOS產(chǎn)品線(xiàn)中已經(jīng)加進(jìn)了磁性材料，而像碳納米管和石墨烯等‘神奇’的材料也開(kāi)始浮出面。

為了以鐵電RAM(FRAM)制造嵌入式微控制器，TI在CMOS產(chǎn)品線(xiàn)中增加了磁性材料。從RamtronInternational公司獲得授權的FRAM比起快閃記憶體更方便，因為它們既具有非揮發(fā)性，還支援隨機存取。

“與快閃記憶體相較，我們非揮發(fā)性的FRAM在讀寫(xiě)能耗方面更高效。”TI無(wú)線(xiàn)事業(yè)部CTOBaherHaroun指出。

Enpirion公司也在其CMOS產(chǎn)品線(xiàn)中導入磁性材料，并計劃于2012年開(kāi)始為其電源管理芯片制造整合型電感與變壓器。目前，電感和變壓器還無(wú)法更經(jīng)濟地整合在必須于高頻作業(yè)的芯片上，但Enpirion公司專(zhuān)有的磁性材料已經(jīng)著(zhù)眼于解決這方面的問(wèn)題。

“我們已經(jīng)整合了不同的金屬合金，使我們的磁性材料可在很高的頻率下執行作業(yè)，同時(shí)還能保持高能效。”Enpirion公司的Lotfi透露。

與此同時(shí)，SemiconductorResearch公司最近資助了IBM和美國哥倫比亞大學(xué)共同進(jìn)行的一項研究計劃──將電感整合于處理器上。該公司聲稱(chēng)能透過(guò)芯片穩壓功能在奈秒級時(shí)間內調節供電電壓，實(shí)現工作負載匹配，因而使能耗降幅高達20%。

在不遠的將來(lái)，CMOS產(chǎn)品線(xiàn)還可能增加的其它近期材料包括砷化銦鎵(InGaAs)。英特爾公司計劃使用InGaAs增強未來(lái)三閘電晶體上的通道，據稱(chēng)此舉可望使工作電壓降低至0.5V。

然而，長(cháng)期來(lái)看，碳納米管和平面版的石墨烯很可能成為未來(lái)超低功耗元件的首選材料。

在喬治亞理工學(xué)院(GeorgiaTech)的實(shí)驗室中，已經(jīng)證明石墨烯的互連性能超過(guò)銅。IBM公司也已經(jīng)展示使用碳納米管或石墨烯材料，可制造出低功耗、超高速的電晶體。TI最近則展示石墨烯可望在晶圓級制造出來(lái)。

英特爾公司針對以碳材料實(shí)現更高電遷移率方面進(jìn)行研究，但其結論則是這些材料的商用時(shí)機未到。

“使用納米碳或石墨烯的碳互連結構具有非常吸引人的特性。”英特爾公司的Bohr指出，“不過(guò)，管大體積材料具有更低電阻，連接路徑的電阻卻不低。不過(guò)這是一種非常具有前景的材料，因此我希望在今后幾年能夠見(jiàn)到更多的業(yè)界相關(guān)研究。”

圖1：Atrenta公司的工具可以很早就估計功耗;此處指出設計周期開(kāi)始之初的潛在熱點(diǎn)。

圖2：透過(guò)采用未摻雜電晶體通道(位于中間的白色區域，在淺綠色的輕摻雜閾值區以及深綠色的重摻雜篩選區上方)，SuVolta公司的平面CMOS制程可望使半導體電壓進(jìn)一步降低。

圖3：英特爾的turbo模式可在高負載期間提升時(shí)脈以增加速度，并監控核心溫度，在開(kāi)始過(guò)熱時(shí)逐漸降低時(shí)脈速度。

圖4：賽靈思公司能夠使用臺積電的硅插入器在封裝內互連4個(gè)FPGA，從而使功耗從112W降低到19W。

圖5：Enpirion公司的芯片上電感是采用專(zhuān)用制程以及獨特的磁合金材料在硅晶圓上制造而成的。