半導(dǎo)體技術(shù)向低耗能發(fā)展

　　作者：沈曉光

　　半導(dǎo)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(dǎo)體的耗能，可以延長移動(dòng)產(chǎn)品電池的壽命、縮小電池的體積、抑制開機(jī)狀態(tài)下機(jī)器產(chǎn)生的熱量。

　　半導(dǎo)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(dǎo)體的耗能，可以延長移動(dòng)產(chǎn)品電池的壽命、縮小電池的體積、抑制開機(jī)狀態(tài)下機(jī)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(shí)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(shè)計(jì)手段大體有10種以上。半導(dǎo)體的耗能分為兩種，一種是為還原半導(dǎo)體原始功能所需要的“運(yùn)行用電”；另一種是由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理等非主觀因素導(dǎo)致的“漏電”，特別是在使用微細(xì)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(xiàn)象的典型技術(shù)是“多電源技術(shù)”。不是通過一個(gè)電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)LSI(大規(guī)模集成電路)，而是通過分別為每個(gè)電路提供最基本的電源，避免電源過剩，以此減少驅(qū)動(dòng)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(jī)器運(yùn)行的負(fù)荷情況改變機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的技術(shù)，以及為實(shí)現(xiàn)某些功能而通過數(shù)學(xué)方法減少必要的半導(dǎo)體個(gè)數(shù)的技術(shù)。

　　各半導(dǎo)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(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(shè)計(jì))工具嵌入降耗技術(shù)。

　　汽車導(dǎo)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(fēng)行一時(shí)。這種產(chǎn)品對(duì)行駛信息進(jìn)行處理后傳達(dá)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(shí)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(shí)別、處理技術(shù)。

　　目前已經(jīng)有一部分汽車導(dǎo)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(shè)置的4個(gè)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(huì)進(jìn)一步發(fā)展，拍攝到的路況數(shù)據(jù)將在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)一步演化、識(shí)別，將識(shí)別過的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)別技術(shù)，只有對(duì)圖像進(jìn)行解析、識(shí)別，才能進(jìn)入后道處理。為了識(shí)別圖像，需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)解析。要為行駛中的汽車提供支援必須進(jìn)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(shí)別處理的下一代汽車導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)的車載信息終端和安全行駛支援外設(shè)，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(shí)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(duì)行車環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，通過同步、即時(shí)地運(yùn)行多個(gè)外部環(huán)境識(shí)別程序識(shí)別前方路況，探測和跟蹤前方車輛。該產(chǎn)品還有一個(gè)圖像識(shí)別數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存了近200種函數(shù)，為開發(fā)圖像識(shí)別程序提供方便。

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

　　除了圖像識(shí)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(shí)器、串行接口、CAN接口等豐富的外設(shè)。

　　為了提供到目前為止最高性能的平臺(tái)，NEC電子公司采用ARM多核技術(shù)開發(fā)了“導(dǎo)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(duì)稱式多核處理器)。它搭載了 4個(gè)相當(dāng) ARM核的400MHz、480MIPS性能的核，最大處理能力可達(dá)1920MIPS。通過這種高處理性能可以同步運(yùn)行路況圖像識(shí)別、路線指引等多個(gè)功能。

　　該公司去年發(fā)布并量產(chǎn)了車載圖像識(shí)別及處理器產(chǎn)品“IMAPCAR”。通過并行處理l28個(gè)運(yùn)算單元實(shí)現(xiàn)了性能5倍于目前市場上正在流通的圖像識(shí)別LSI的100GOPS(1GOPS為每秒運(yùn)算10億次)。它可以實(shí)時(shí)識(shí)別白線、前方車輛、行人等圖像。所有圖像識(shí)別功能都是通過軟件實(shí)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(hào)對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行處理，而輸入輸出產(chǎn)品的信號(hào)大多是模擬信號(hào)。比如手機(jī)就是通過通信天線、喇叭、麥克風(fēng)，以模擬信號(hào)的形式輸入輸出的。所以數(shù)字產(chǎn)品需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)、將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)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(gè)市場，對(duì)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(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(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(huì)相應(yīng)提高、高精度與低耗能不能兼顧的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高的低耗能。這樣就需要多達(dá)1000個(gè)信道的ADC半導(dǎo)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(dòng)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(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(diǎn)開發(fā)“具有控制馬達(dá)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(hào)處理器件的信號(hào)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的超小模塊化以及短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出高性能信號(hào)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(zhǔn)備通過左右轉(zhuǎn)換IC性能的半導(dǎo)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(yīng)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(yàn)和尖端CMOS技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)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(yīng)對(duì)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(jìn)行精細(xì)激光調(diào)阻的薄膜電阻等高品質(zhì)被動(dòng)元件。