半導體技術(shù)向低耗能發(fā)展

　　作者：沈曉光

　　半導體開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一是“低耗能技術(shù)”。通過(guò)降低半導體的耗能，可以延長(cháng)移動(dòng)產(chǎn)品電池的壽命、縮小電池的體積、抑制開(kāi)機狀態(tài)下機器產(chǎn)生的熱量。

　　半導體開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一是“低耗能技術(shù)”。通過(guò)降低半導體的耗能，可以延長(cháng)移動(dòng)產(chǎn)品電池的壽命、縮小電池的體積、抑制開(kāi)機狀態(tài)下機器產(chǎn)生的熱量。這樣有諸多好處，比如可以節省各種散熱措施，實(shí)現產(chǎn)品的小型化，搭載更多的元器件。

　　目前，主要降耗技術(shù)、設計手段大體有10種以上。半導體的耗能分為兩種，一種是為還原半導體原始功能所需要的“運行用電”；另一種是由于設計結構不合理等非主觀(guān)因素導致的“漏電”，特別是在使用微細處理技術(shù)的情況下“漏電”量會(huì )增大，所以采取防漏電措施將會(huì )有效降低耗電量。

　　減少上述兩種耗電現象的典型技術(shù)是“多電源技術(shù)”。不是通過(guò)一個(gè)電源驅動(dòng)系統LSI(大規模集成電路)，而是通過(guò)分別為每個(gè)電路提供最基本的電源，避免電源過(guò)剩，以此減少驅動(dòng)電源和漏電量。

　　另外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)還有：根據機器運行的負荷情況改變機器運轉頻率的技術(shù)，以及為實(shí)現某些功能而通過(guò)數學(xué)方法減少必要的半導體個(gè)數的技術(shù)。

　　各半導體廠(chǎng)商紛紛加大構筑系統的力度，開(kāi)發(fā)降耗技術(shù)和手段，引進(jìn)更加自動(dòng)化的優(yōu)化技術(shù)和手段，為EDA(電子自動(dòng)化設計)工具嵌入降耗技術(shù)。

　　汽車(chē)導航系統搭載圖像處理功能SoC

　　目前，制作“行駛支援系統”正風(fēng)行一時(shí)。這種產(chǎn)品對行駛信息進(jìn)行處理后傳達給駕駛員，為駕駛員的駕駛提供幫助。制作行駛支援型系統需要的技術(shù)包括圖像識別技術(shù)和圖像處理技術(shù)。以往有關(guān)行駛的信息多是通過(guò)人的眼睛獲得的，所以需要開(kāi)發(fā)可以替代甚至勝過(guò)人眼或大腦的圖像識別、處理技術(shù)。

　　目前已經(jīng)有一部分汽車(chē)導航系統具備了行駛支援型系統功能。這種產(chǎn)品通過(guò)在汽車(chē)尾部設置的4個(gè)攝像頭為駕駛人員提供汽車(chē)后方的路況信息，為車(chē)主倒車(chē)提供幫助。

　　這種通過(guò)攝像頭取得路況信息的形式還會(huì )進(jìn)一步發(fā)展，拍攝到的路況數據將在汽車(chē)導航系統內部進(jìn)一步演化、識別，將識別過(guò)的數據進(jìn)行某些處理后提供給駕駛人員，為其駕駛提供幫助。

　　上述產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)是圖像識別技術(shù)，只有對圖像進(jìn)行解析、識別，才能進(jìn)入后道處理。為了識別圖像，需要對圖像數據進(jìn)行詳細解析。要為行駛中的汽車(chē)提供支援必須進(jìn)行瞬間處理，所以系統必須具備極高的處理性能。

　　最近，支持圖像識別處理的下一代汽車(chē)導航系統LSI產(chǎn)品紛紛上市。

　　已經(jīng)有廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出搭載了圖像處理功能的 SoC(硅鍺芯片 )“SH77650”、面向下一代汽車(chē)導航系統的車(chē)載信息終端和安全行駛支援外設，并將于2008年10月投入量產(chǎn)。

　　新產(chǎn)品內置了日立公司生產(chǎn)的圖像識別處理IP。該IP是一種圖像處理專(zhuān)用硬件，它可以根據攝像頭拍攝到的圖像數據，對行車(chē)環(huán)境進(jìn)行識別，通過(guò)同步、即時(shí)地運行多個(gè)外部環(huán)境識別程序識別前方路況，探測和跟蹤前方車(chē)輛。該產(chǎn)品還有一個(gè)圖像識別數據庫，該數據庫儲存了近200種函數，為開(kāi)發(fā)圖像識別程序提供方便。

　　該產(chǎn)品的 CPU核采用SuperH家族最高級別的SH-4A，最大運行頻率為300MHz，光處理性能可達540MIPS，內置浮點(diǎn)運算器(FPU)，最大可進(jìn)行300MHz的運算。

　　除了圖像識別處理加速器外，產(chǎn)品中還內置了視頻輸入接口、顯示功能、專(zhuān)用DMA定時(shí)器、串行接口、CAN接口等豐富的外設。

　　為了提供到目前為止最高性能的平臺，NEC電子公司采用ARM多核技術(shù)開(kāi)發(fā)了“導航引擎”，采用英國ARM公司生產(chǎn)的兼具低耗能、高性能的SMP(對稱(chēng)式多核處理器)。它搭載了 4個(gè)相當 ARM核的400MHz、480MIPS性能的核，最大處理能力可達1920MIPS。通過(guò)這種高處理性能可以同步運行路況圖像識別、路線(xiàn)指引等多個(gè)功能。

　　該公司去年發(fā)布并量產(chǎn)了車(chē)載圖像識別及處理器產(chǎn)品“IMAPCAR”。通過(guò)并行處理l28個(gè)運算單元實(shí)現了性能5倍于目前市場(chǎng)上正在流通的圖像識別LSI的100GOPS(1GOPS為每秒運算10億次)。它可以實(shí)時(shí)識別白線(xiàn)、前方車(chē)輛、行人等圖像。所有圖像識別功能都是通過(guò)軟件實(shí)現的，所以功能的追加及修改很方便。

　　轉換技術(shù)重視高精度和高速轉換

　　在電子產(chǎn)品的數字化發(fā)展中，模擬數字轉換器(ADC)、數字模擬轉換器(DAC)、數據轉換IC的作用越來(lái)越大。

　　數字產(chǎn)品通過(guò)數字信號對各種信號進(jìn)行處理，而輸入輸出產(chǎn)品的信號大多是模擬信號。比如手機就是通過(guò)通信天線(xiàn)、喇叭、麥克風(fēng)，以模擬信號的形式輸入輸出的。所以數字產(chǎn)品需要將模擬信號轉換成數字信號、將數字信號轉換成模擬信號的“ADC”和“DAC”。這也使“ADC”和“DAC”的轉換精度和轉換速度成為左右產(chǎn)品本身性能的重要因素。特別在行業(yè)產(chǎn)品和醫療產(chǎn)品市場(chǎng)，數據轉換IC的性能是左右產(chǎn)品性能的關(guān)鍵元件之一。在這兩個(gè)市場(chǎng)，對高精度和高速轉換的性能需求和重視低耗能和小型化的需求格外明顯。

　　美國模擬器件公司正在開(kāi)發(fā)能夠分別滿(mǎn)足上述兩個(gè)需求的產(chǎn)品。該公司生產(chǎn)的高精度SAR(逐個(gè)比較)式AD轉換器“PulSAR”的最新產(chǎn)品“AD7980”，是面向醫療、行業(yè)產(chǎn)品的超低耗能ADC開(kāi)發(fā)的。

　　該產(chǎn)品耗電量是以往產(chǎn)品的1/l0，耗電量極低。它克服了以往通過(guò)監視輸出輸入的監測器提高精度的情況下耗能也會(huì )相應提高、高精度與低耗能不能兼顧的缺點(diǎn)，實(shí)現了業(yè)界最高的低耗能。這樣就需要多達1000個(gè)信道的ADC半導體探測器，通過(guò)大量使用高精度ADC可以大幅降低耗能。而且由于散熱很少，可以大大延長(cháng)桌上型醫療測試儀、移動(dòng)式醫療儀器電池的壽命。

　　美國模擬器件公司在利用AD7980的低耗能技術(shù)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的同時(shí)，還在進(jìn)行集成多信道、ADC以外功能的集成型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足產(chǎn)品小型化的需求。該公司特別投入力量重點(diǎn)開(kāi)發(fā)“具有控制馬達功能等特殊用途的ASSP產(chǎn)品”。

　　美國Linear技術(shù)公司不僅開(kāi)發(fā)出豐富的高性能ADC產(chǎn)品，還在開(kāi)發(fā)封裝了各種信號處理器件的信號處理模塊。除此之外，該公司還具備開(kāi)發(fā)ADC等各種高性能模擬IC、通過(guò)尖端的模擬電路技術(shù)實(shí)現產(chǎn)品的超小模塊化以及短時(shí)間內開(kāi)發(fā)出高性能信號處理電路的能力。

　　日本德州儀器公司為滿(mǎn)足各種數據轉換的市場(chǎng)需求，正準備通過(guò)左右轉換IC性能的半導體制造關(guān)鍵處理技術(shù)開(kāi)發(fā)新技術(shù)。

　　該公司開(kāi)發(fā)的、適應高精度要求的處理技術(shù)“HPA07”是融合了多年模擬IC領(lǐng)域生產(chǎn)經(jīng)驗和尖端CMOS技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的產(chǎn)品。其具有優(yōu)越的CMOS降噪特性和低耗能性能。作為模擬處理器，它最適合處理集成度很高的0.3微處理技術(shù)，這種特征還適合應對生產(chǎn)效率很高的200毫米晶圓生產(chǎn)線(xiàn)。為了避免滯后、降低電壓系數，產(chǎn)品中嵌入了由金屬與硅化物組成的電極原材料生產(chǎn)的精密電容、可以進(jìn)行精細激光調阻的薄膜電阻等高品質(zhì)被動(dòng)元件。