五种技术缓解未来十年内晶片功耗问题

五种技术缓解未来十年内晶片功耗问题

      其关键在于电晶体导通的阈值电压在使用不同晶圆时是不一致的，因为在更大尺寸时制程的变化可以忽略。而由于在特定电压下关断状态的漏电流在不同阈值时有很大的变化，因此理想晶片实际上要使用根据其特性定制的供电电压。
      英特尔公司声称已具有更好的解决方案──这是该公司花费近十年时间进行完善的一种方案。英特尔采用了所谓三闸(tri-gate)的3D FinFET电晶体架构，这种架构以三维方式在电晶体通道周围环绕三个金属闸极，使电晶体处于这些闸极的电场之下。这种技术可以抵销阻止工作电压低于1V 的制程变化。“我们已经成功地展示我们的三闸电晶体结构，可将工作电压减少到0.7V范围，而且还能做得更低。”英特尔公司资深工程师Mark Bohr指出，“这些都是具有更陡峭次阈值斜率的完全耗尽型电晶体，可以更小的漏电流更快切断，同时以更低阈值导通电压。”
      资金雄厚的半导体制造商们专注于模拟英特尔公司的3D架构，但一些新创企业则致力于研发新型平面制程，针对缺乏时间和资金来完善3D架构的半导体制造商重启电压调整进程。例如SuVolta公司已经发明出一种用于标准CMOS产品线的超低电压平面制程。
      SuVolta并未使用3D闸极耗尽型电晶体，改而采用一种未掺杂通道(带掺杂的阈值和保护带)以避免掺杂中的变化。深度耗尽型通道制程可在标准的平面CMOS产品线上实现。“透过使用平面深度耗尽型通道制程，我们已成功展示供电电压可降低到0.6V，未来还能够降得更低。”SuVolta公司技术长Scott Thompson透露。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。

      智慧调节功能

      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开始寻求运用智慧电源管理单元，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晶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Silicon Laboratories公司CEO的Tyson Tuttle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，晶片中填入更多的电晶体，一种所谓 「暗场矽晶」(dark silicon)的概念──大部份的晶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CTO Ely Tsern表示，“暗矽的概念就是在晶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。”英特尔在晶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晶片上。事实上，最智慧化的电源管理方案是在晶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，能够加进晶片上的内容是有限的。”Enpirion公司CTO兼共同创办人Ashraf Lotfi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。