半導體技術(shù)向低耗能發(fā)展

　　作者：沈曉光

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

　　半導體開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一是“低耗能技術(shù)”。通過降低半導體的耗能，可以延長移動產(chǎn)品電池的壽命、縮小電池的體積、抑制開機狀態(tài)下機器產(chǎn)生的熱量。這樣有諸多好處，比如可以節(jié)省各種散熱措施，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)不合理等非主觀因素導致的“漏電”，特別是在使用微細處理技術(shù)的情況下“漏電”量會增大，所以采取防漏電措施將會有效降低耗電量。

　　減少上述兩種耗電現(xiàn)象的典型技術(shù)是“多電源技術(shù)”。不是通過一個電源驅(qū)動系統(tǒng)LSI(大規(guī)模集成電路)，而是通過分別為每個電路提供最基本的電源，避免電源過剩，以此減少驅(qū)動電源和漏電量。

　　另外已經(jīng)開發(fā)出來的技術(shù)還有：根據(jù)機器運行的負荷情況改變機器運轉(zhuǎn)頻率的技術(shù)，以及為實現(xiàn)某些功能而通過數(shù)學方法減少必要的半導體個數(shù)的技術(shù)。

　　各半導體廠商紛紛加大構(gòu)筑系統(tǒng)的力度，開發(fā)降耗技術(shù)和手段，引進更加自動化的優(yōu)化技術(shù)和手段，為EDA(電子自動化設計)工具嵌入降耗技術(shù)。

　　汽車導航系統(tǒng)搭載圖像處理功能SoC

　　目前，制作“行駛支援系統(tǒng)”正風行一時。這種產(chǎn)品對行駛信息進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(tǒng)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人的眼睛獲得的，所以需要開發(fā)可以替代甚至勝過人眼或大腦的圖像識別、處理技術(shù)。

　　目前已經(jīng)有一部分汽車導航系統(tǒng)具備了行駛支援型系統(tǒng)功能。這種產(chǎn)品通過在汽車尾部設置的4個攝像頭為駕駛?cè)藛T提供汽車后方的路況信息，為車主倒車提供幫助。

　　這種通過攝像頭取得路況信息的形式還會進一步發(fā)展，拍攝到的路況數(shù)據(jù)將在汽車導航系統(tǒng)內(nèi)部進一步演化、識別，將識別過的數(shù)據(jù)進行某些處理后提供給駕駛?cè)藛T，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)，只有對圖像進行解析、識別，才能進入后道處理。為了識別圖像，需要對圖像數(shù)據(jù)進行詳細解析。要為行駛中的汽車提供支援必須進行瞬間處理，所以系統(tǒng)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導航系統(tǒng)LSI產(chǎn)品紛紛上市。

　　已經(jīng)有廠商開發(fā)出搭載了圖像處理功能的 SoC(硅鍺芯片 )“SH77650”、面向下一代汽車導航系統(tǒng)的車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(nèi)置了日立公司生產(chǎn)的圖像識別處理IP。該IP是一種圖像處理專用硬件，它可以根據(jù)攝像頭拍攝到的圖像數(shù)據(jù)，對行車環(huán)境進行識別，通過同步、即時地運行多個外部環(huán)境識別程序識別前方路況，探測和跟蹤前方車輛。該產(chǎn)品還有一個圖像識別數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫儲存了近200種函數(shù)，為開發(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(nèi)置浮點運算器(FPU)，最大可進行300MHz的運算。

　　除了圖像識別處理加速器外，產(chǎn)品中還內(nèi)置了視頻輸入接口、顯示功能、專用DMA定時器、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(對稱式多核處理器)。它搭載了 4個相當 ARM核的400MHz、480MIPS性能的核，最大處理能力可達1920MIPS。通過這種高處理性能可以同步運行路況圖像識別、路線指引等多個功能。

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

　　轉(zhuǎn)換技術(shù)重視高精度和高速轉(zhuǎn)換

　　在電子產(chǎn)品的數(shù)字化發(fā)展中，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換IC的作用越來越大。

　　數(shù)字產(chǎn)品通過數(shù)字信號對各種信號進行處理，而輸入輸出產(chǎn)品的信號大多是模擬信號。比如手機就是通過通信天線、喇叭、麥克風，以模擬信號的形式輸入輸出的。所以數(shù)字產(chǎn)品需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號、將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的“ADC”和“DAC”。這也使“ADC”和“DAC”的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)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(yī)療產(chǎn)品市場，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換IC的性能是左右產(chǎn)品性能的關(guān)鍵元件之一。在這兩個市場，對高精度和高速轉(zhuǎn)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發(fā)能夠分別滿足上述兩個需求的產(chǎn)品。該公司生產(chǎn)的高精度SAR(逐個比較)式AD轉(zhuǎn)換器“PulSAR”的最新產(chǎn)品“AD7980”，是面向醫(yī)療、行業(yè)產(chǎn)品的超低耗能ADC開發(fā)的。

　　該產(chǎn)品耗電量是以往產(chǎn)品的1/l0，耗電量極低。它克服了以往通過監(jiān)視輸出輸入的監(jiān)測器提高精度的情況下耗能也會相應提高、高精度與低耗能不能兼顧的缺點，實現(xiàn)了業(yè)界最高的低耗能。這樣就需要多達1000個信道的ADC半導體探測器，通過大量使用高精度ADC可以大幅降低耗能。而且由于散熱很少，可以大大延長桌上型醫(yī)療測試儀、移動式醫(yī)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)開發(fā)新產(chǎn)品的同時，還在進行集成多信道、ADC以外功能的集成型產(chǎn)品的開發(fā)，以滿足產(chǎn)品小型化的需求。該公司特別投入力量重點開發(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)公司不僅開發(fā)出豐富的高性能ADC產(chǎn)品，還在開發(fā)封裝了各種信號處理器件的信號處理模塊。除此之外，該公司還具備開發(fā)ADC等各種高性能模擬IC、通過尖端的模擬電路技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的超小模塊化以及短時間內(nèi)開發(fā)出高性能信號處理電路的能力。

　　日本德州儀器公司為滿足各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的市場需求，正準備通過左右轉(zhuǎn)換IC性能的半導體制造關(guān)鍵處理技術(shù)開發(fā)新技術(shù)。

　　該公司開發(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領域生產(chǎn)經(jīng)驗和尖端CMOS技術(shù)開發(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。為了避免滯后、降低電壓系數(shù)，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、可以進行精細激光調(diào)阻的薄膜電阻等高品質(zhì)被動元件。