半导体技术向低耗能发展

　　作者：沈晓光

　　半导体开发的关键技术之一是“低耗能技术”。通过降低半导体的耗能，可以延长移动产品电池的寿命、缩小电池的体积、抑制开机状态下机器产生的热量。

　　半导体开发的关键技术之一是“低耗能技术”。通过降低半导体的耗能，可以延长移动产品电池的寿命、缩小电池的体积、抑制开机状态下机器产生的热量。这样有诸多好处，比如可以节省各种散热措施，实现产品的小型化，搭载更多的元器件。

　　目前，主要降耗技术、设计手段大体有10种以上。半导体的耗能分为两种，一种是为还原半导体原始功能所需要的“运行用电”；另一种是由于设计结构不合理等非主观因素导致的“漏电”，特别是在使用微细处理技术的情况下“漏电”量会增大，所以采取防漏电措施将会有效降低耗电量。

　　减少上述两种耗电现象的典型技术是“多电源技术”。不是通过一个电源驱动系统LSI(大规模集成电路)，而是通过分别为每个电路提供最基本的电源，避免电源过剩，以此减少驱动电源和漏电量。

　　另外已经开发出来的技术还有：根据机器运行的负荷情况改变机器运转频率的技术，以及为实现某些功能而通过数学方法减少必要的半导体个数的技术。

　　各半导体厂商纷纷加大构筑系统的力度，开发降耗技术和手段，引进更加自动化的优化技术和手段，为EDA(电子自动化设计)工具嵌入降耗技术。

　　汽车导航系统搭载图像处理功能SoC

　　目前，制作“行驶支援系统”正风行一时。这种产品对行驶信息进行处理后传达给驾驶员，为驾驶员的驾驶提供帮助。制作行驶支援型系统需要的技术包括图像识别技术和图像处理技术。以往有关行驶的信息多是通过人的眼睛获得的，所以需要开发可以替代甚至胜过人眼或大脑的图像识别、处理技术。

　　目前已经有一部分汽车导航系统具备了行驶支援型系统功能。这种产品通过在汽车尾部设置的4个摄像头为驾驶人员提供汽车后方的路况信息，为车主倒车提供帮助。

　　这种通过摄像头取得路况信息的形式还会进一步发展，拍摄到的路况数据将在汽车导航系统内部进一步演化、识别，将识别过的数据进行某些处理后提供给驾驶人员，为其驾驶提供帮助。

　　上述产品的关键技术是图像识别技术，只有对图像进行解析、识别，才能进入后道处理。为了识别图像，需要对图像数据进行详细解析。要为行驶中的汽车提供支援必须进行瞬间处理，所以系统必须具备极高的处理性能。

　　最近，支持图像识别处理的下一代汽车导航系统LSI产品纷纷上市。

　　已经有厂商开发出搭载了图像处理功能的 SoC(硅锗芯片 )“SH77650”、面向下一代汽车导航系统的车载信息终端和安全行驶支援外设，并将于2008年10月投入量产。

　　新产品内置了日立公司生产的图像识别处理IP。该IP是一种图像处理专用硬件，它可以根据摄像头拍摄到的图像数据，对行车环境进行识别，通过同步、即时地运行多个外部环境识别程序识别前方路况，探测和跟踪前方车辆。该产品还有一个图像识别数据库，该数据库储存了近200种函数，为开发图像识别程序提供方便。

　　该产品的 CPU核采用SuperH家族最高级别的SH-4A，最大运行频率为300MHz，光处理性能可达540MIPS，内置浮点运算器(FPU)，最大可进行300MHz的运算。

　　除了图像识别处理加速器外，产品中还内置了视频输入接口、显示功能、专用DMA定时器、串行接口、CAN接口等丰富的外设。

　　为了提供到目前为止最高性能的平台，NEC电子公司采用ARM多核技术开发了“导航引擎”，采用英国ARM公司生产的兼具低耗能、高性能的SMP(对称式多核处理器)。它搭载了 4个相当 ARM核的400MHz、480MIPS性能的核，最大处理能力可达1920MIPS。通过这种高处理性能可以同步运行路况图像识别、路线指引等多个功能。

　　该公司去年发布并量产了车载图像识别及处理器产品“IMAPCAR”。通过并行处理l28个运算单元实现了性能5倍于目前市场上正在流通的图像识别LSI的100GOPS(1GOPS为每秒运算10亿次)。它可以实时识别白线、前方车辆、行人等图像。所有图像识别功能都是通过软件实现的，所以功能的追加及修改很方便。

　　转换技术重视高精度和高速转换

　　在电子产品的数字化发展中，模拟数字转换器(ADC)、数字模拟转换器(DAC)、数据转换IC的作用越来越大。

　　数字产品通过数字信号对各种信号进行处理，而输入输出产品的信号大多是模拟信号。比如手机就是通过通信天线、喇叭、麦克风，以模拟信号的形式输入输出的。所以数字产品需要将模拟信号转换成数字信号、将数字信号转换成模拟信号的“ADC”和“DAC”。这也使“ADC”和“DAC”的转换精度和转换速度成为左右产品本身性能的重要因素。特别在行业产品和医疗产品市场，数据转换IC的性能是左右产品性能的关键元件之一。在这两个市场，对高精度和高速转换的性能需求和重视低耗能和小型化的需求格外明显。

　　美国模拟器件公司正在开发能够分别满足上述两个需求的产品。该公司生产的高精度SAR(逐个比较)式AD转换器“PulSAR”的最新产品“AD7980”，是面向医疗、行业产品的超低耗能ADC开发的。

　　该产品耗电量是以往产品的1/l0，耗电量极低。它克服了以往通过监视输出输入的监测器提高精度的情况下耗能也会相应提高、高精度与低耗能不能兼顾的缺点，实现了业界最高的低耗能。这样就需要多达1000个信道的ADC半导体探测器，通过大量使用高精度ADC可以大幅降低耗能。而且由于散热很少，可以大大延长桌上型医疗测试仪、移动式医疗仪器电池的寿命。

　　美国模拟器件公司在利用AD7980的低耗能技术开发新产品的同时，还在进行集成多信道、ADC以外功能的集成型产品的开发，以满足产品小型化的需求。该公司特别投入力量重点开发“具有控制马达功能等特殊用途的ASSP产品”。

　　美国Linear技术公司不仅开发出丰富的高性能ADC产品，还在开发封装了各种信号处理器件的信号处理模块。除此之外，该公司还具备开发ADC等各种高性能模拟IC、通过尖端的模拟电路技术实现产品的超小模块化以及短时间内开发出高性能信号处理电路的能力。

　　日本德州仪器公司为满足各种数据转换的市场需求，正准备通过左右转换IC性能的半导体制造关键处理技术开发新技术。

　　该公司开发的、适应高精度要求的处理技术“HPA07”是融合了多年模拟IC领域生产经验和尖端CMOS技术开发经验的产品。其具有优越的CMOS降噪特性和低耗能性能。作为模拟处理器，它最适合处理集成度很高的0.3微处理技术，这种特征还适合应对生产效率很高的200毫米晶圆生产线。为了避免滞后、降低电压系数，产品中嵌入了由金属与硅化物组成的电极原材料生产的精密电容、可以进行精细激光调阻的薄膜电阻等高品质被动元件。