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利用新一代整合技术解决多媒体应用处理器设计问题

2008-12-12 14:09:10 来源:《半导体器件应用》2008年12月刊

制程的进展,对多媒体应用处理器的设计者来说,是相当重要的议题。因为无论是缩小处理器体积,使其可安置在愈来愈小的行动终端装置中,或是减少漏电问题,克服难缠的静态功耗增加,都对设计者有相当大的帮助,不过IC设计部份,也需配合改良,发挥制程最佳优势等。
随制程几何尺寸变化,功耗问题产生剧烈改变,从250nm到130nm,每个制程世代的漏电流都不甚明显,但到了90nm,漏电流突然跃升为几乎与动态功耗相等情况;65nm继续恶化,到了45nm漏电流几乎是动态功耗3倍。
据市调机构IBS计算,面对45nm制程,若漏电流状况无法改善,约有50%的芯片设计会因为严重的漏电流问题面临重新设计,换句话说,意味着极庞大的前期设计投资成本,将大幅增加。
当然多媒体应用处理器设计者,也面临这种窘境,想藉由重新设计求解,显然是缘木求鱼的方式,所以,从制造层面解决漏电流问题,是比较好的方式。德州仪器(TI)就在45nm制程经努力研究,成功找出大幅减少漏电问题的方法,而芯片设计也配合进行许多改善措施,相辅相成使制程微缩不再加剧功耗问题。
从制造问题着手 解决45nm制程漏电
德仪从硅层级开始,改采不同材料,即高介电系数(High-K)和金属闸极(Metal Gate),从材料层面克服漏电问题。到了IC层级,TI设计动态电压频率缩放(Dynamic Voltage Frequency Scaling)、顺向偏压(Forward Body-Bias;FBB)、逆向偏压(Reverse Body-Bias;RBB)、Retention Til Access(RTA)内存…等高度细密电源管理新技术。
内存是另1个例子,它也有待机电力问题。因为,在1个数组里有许多晶体管,但在任何1个时间点,我们只使用其中1个晶体管,大多数晶体管在此时只会存取于内存中的某一处。
例如,装置有1个很大的内存,可能包含数百万个晶体管,同时,每1个晶体管都在漏电。或许在任何1个时间点,装置只是存取其中的一小部分,其它绝大部分,其实都可以处在低电力状态。因此,必须为高速链路进行偏压处理,德仪有1项技术称为Retention Til Access(RTA)内存,可保留到实际存取时才加以使用。
利用前述技术,顾名思义,装置只会启动包含其实际所需信息的小区块,内存绝大部分保持在低电力模式,直到实际需要时,才会启动。每次只启动实际需要区块,而不会启动整个内存。当然记忆数据要加以保留,但还是可保持在比快速存取时更低的电力状态,藉此减少内存的平均电力消耗。
然后,再回到系统层级,德仪发展出许多突破性新技术。软件方面,藉由特制软件,可预测处理器执行为完成特定作业时须达到的速率。例如,以720p高画质处理影像时,必须比以VGA模式处理影像时更高的系统频率速度,若在VGA模式状态,透过软件减缓频率速度,对实际播放效能不减,消耗功率却能随之降低。
除此之外,降低频率速度时,电压也会降低,使电力消耗降得更低。高度细密的电源管理做法,从制程层级到电路设计层级和系统设计层级,全面性的电源管理做法,是TI减低45nm制程漏电现况的技术重点。
45nm制程开发漏电挑战
转移至新的芯片制程时,当然还是会遇到许多问题。特别是在45nm制程,因为这是业界第1使用浸润式微影(Immersion Lithography)新技术。此外,运用新材料,例如,金属闸极材料(Metal Gate)、高介电系数(High-K)材料,也都是芯片制程发展相关的挑战,但漏电现象是比较严重的问题。
数字芯片的节能设计经验,面对模拟功能就不见得行!德仪的芯片并不只具备数字功能,也加进模拟功能,模拟技术比数字技术更难转移到45nm制程,因为转移模拟技术,会对基本装置造成更多要求。举例来说,反向器(Flip-Flop)是1个逻辑装置,也是熟悉的逻辑组件,虽然这种逻辑组件只要花一些时间设计好,制作也不困难。但相对而言,操作放大器有好几百个参数必需注意,转移模拟功能难度与挑战反而比数位芯片更严苛。
除此之外,通常当芯片制程从130nm移转到90nm、65nm到45nm制程,电源供应器的电压会随之改变,通常会稍微下降,每个制程节点可能下降到100mV上下,并降低电源供应。由于这个现象,当动态范围改变,为晶体管进行偏压及运作晶体管各项功能的方式,也必须改变,这也使得模拟技术转移困难增加。
但降低功耗可使装置具有更高竞争优势,因为,就使用者观点而言,省电即代表装置可使用的时间更久。例如,拍摄影像时,对使用者而言,频率速度加倍可能并未带来显著差异,因此,这加倍频率形同浪费。但若电力能加倍,拍摄时间也随之加倍,对使用者而言是非常显而易见的好处。因此,如何在微层级管理电源,尽可能为使用者提供最长的装置使用时间,才是芯片设计的重点。
当然,达到效能基本要求,如提供高画质功能,也是相当重要的。但是一旦能达到最基本的要求,对行动装置而言,最重要的就是要提供使用者最长的电池使用时间。芯片在达到领先效能后,就得注重45nm产品的电源管理,兼顾这两者,才能设计出贴近使用者真实需求的组件与最终产品。

(转载:http://tech.digitimes.com.tw/)

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