半導體技術向低耗能發(fā)展

　　作者：沈曉光

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

　　半導體開發(fā)的關鍵技術之一是“低耗能技術”。通過降低半導體的耗能，可以延長移動產品電池的壽命、縮小電池的體積、抑制開機狀態(tài)下機器產生的熱量。這樣有諸多好處，比如可以節(jié)省各種散熱措施，實現產品的小型化，搭載更多的元器件。

　　目前，主要降耗技術、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因素導致的“漏電”，特別是在使用微細處理技術的情況下“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象的典型技術是“多電源技術”。不是通過一個電源驅動系統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，以此減少驅動電源和漏電量。

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

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

　　汽車導航系統搭載圖像處理功能SoC

　　目前，制作“行駛支援系統”正風行一時。這種產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需要的技術包括圖像識別技術和圖像處理技術。以往有關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。

　　目前已經有一部分汽車導航系統具備了行駛支援型系統功能。這種產品通過在汽車尾部設置的4個攝像頭為駕駛人員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，拍攝到的路況數據將在汽車導航系統內部進一步演化、識別，將識別過的數據進行某些處理后提供給駕駛人員，為其駕駛提供幫助。

　　上述產品的關鍵技術是圖像識別技術，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，需要對圖像數據進行詳細解析。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LSI產品紛紛上市。

　　已經有廠商開發(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。

　　新產品內置了日立公司生產的圖像識別處理IP。該IP是一種圖像處理專用硬件，它可以根據攝像頭拍攝到的圖像數據，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。該產品還有一個圖像識別數據庫，該數據庫儲存了近200種函數，為開發(fā)圖像識別程序提供方便。

　　該產品的 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，產品中還內置了視頻輸入接口、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多核技術開發(fā)了“導航引擎”，采用英國ARM公司生產的兼具低耗能、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)布并量產了車載圖像識別及處理器產品“IMAPCAR”。通過并行處理l28個運算單元實現了性能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的，所以功能的追加及修改很方便。

　　轉換技術重視高精度和高速轉換

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

　　數字產品通過數字信號對各種信號進行處理，而輸入輸出產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。所以數字產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品本身性能的重要因素。特別在行業(yè)產品和醫(yī)療產品市場，數據轉換IC的性能是左右產品性能的關鍵元件之一。在這兩個市場，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發(fā)能夠分別滿足上述兩個需求的產品。該公司生產的高精度SAR(逐個比較)式AD轉換器“PulSAR”的最新產品“AD7980”，是面向醫(yī)療、行業(yè)產品的超低耗能ADC開發(fā)的。

　　該產品耗電量是以往產品的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的低耗能技術開發(fā)新產品的同時，還在進行集成多信道、ADC以外功能的集成型產品的開發(fā)，以滿足產品小型化的需求。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產品”。

　　美國Linear技術公司不僅開發(fā)出豐富的高性能ADC產品，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實現產品的超小模塊化以及短時間內開發(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據轉換的市場需求，正準備通過左右轉換IC性能的半導體制造關鍵處理技術開發(fā)新技術。

　　該公司開發(fā)的、適應高精度要求的處理技術“HPA07”是融合了多年模擬IC領域生產經驗和尖端CMOS技術開發(fā)經驗的產品。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，這種特征還適合應對生產效率很高的200毫米晶圓生產線。為了避免滯后、降低電壓系數，產品中嵌入了由金屬與硅化物組成的電極原材料生產的精密電容、可以進行精細激光調阻的薄膜電阻等高品質被動元件。