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工艺制程跑太快 电源技术问题愈发繁杂

导读: 随着技术不断进步,市场对设备秏电量的要求也越来越严格。小至移动装置、大到资料中心,低秏电的要求已经对半导体生态系统产生庞大压力。不仅既有的设计及架构需重新考量,应用的技术及验证方法需改变,甚至对结果的预期也需重新调整。即使如此,电力的问题还是如影随形,无法轻易解决。

  随着技术不断进步,市场对设备秏电量的要求也越来越严格。小至移动装置、大到资料中心,低秏电的要求已经对半导体生态系统产生庞大压力。不仅既有的设计及架构需重新考量,应用的技术及验证方法需改变,甚至对结果的预期也需重新调整。即使如此,电力的问题还是如影随形,无法轻易解决。

  据媒体报导,在过去,常面对的电源问题不外乎漏电流(current leakage)、电迁移(electromigration)、静电放电(electrostatic discharge)、电阻电容延迟(RC delay)或设计不良而缩短电池寿命等。而这些问题均由大型且复杂的工程团队负责处理。即使问题无法缓解,最后仍可要求制造厂调整制程解决。

  不过在55纳米制程跃升为物联网(IoT)设备主流后,及芯片设计要求运用多核心的趋势下,待解决的电力范畴常高达数百项,设计工程师不得不提升电源技术复杂度因应。

  同时,制造端也不似过往可轻易调整制程解决电源问题。为此,晶圆厂已尝试运用包括减少导线间闸极氧化层(Gate Oxide),或在16及14纳米制程增加动态电力密度,甚至采用更大型、更昂贵的次世代制程因应越趋复杂的设计,以解决秏电问题。

  据国际半导体技术发展蓝图(ITRS Roadmap)估测,当制程从45纳米降至10纳米,芯片效能将提升1.3倍,而耗电将减少4.5倍,电晶体的数量也能增加1倍。不过,这样的推估显然过于乐观。欲解决电力与效能问题,各个方面均需做出调整。

  电力与效能是一体二面。在过去,效能达标后电力设计即使不符要求,最后问题总能解决。但自从智能型手机出现,情况开始改观。一般来说,电力设计需考量四项重点,包括密度(热平衡)、输送(尖峰管理)、漏电(闲置耗电)及寿命(可靠性)等,而调整设计架构(Architecture)效果较为显著。

  举例来说,在思考架构时就需将电源纳入考量,并与后续设计做整合。同时,设计端也需对应架构的变化据以调整并降低秏电。

  此外,设计上也可采用近临界(Near-Threshold)或次临界(Sub-Threshold)技术协助。近临界或次临界技术是除了考量新封装方式、采用新型态存储器或客制芯片外,业界寻求解决秏电问题的方法之一。不过,这些方法大多仍在研发阶段,实际帮助有限。

  安谋(ARM)指出,在65~130纳米制程中,仅需考虑大约10项关于制程、电压和温度(Process, Voltage and Temperature;PVT)的制程临界参数(Corner)。但到了16或14纳米,PVT参数增至50项以上,大幅提升设计难度。再加上高达上百项的电源管控项目,传统验证工具及方法均不足以因应。

  明导国际(Mentor Graphics)高层指出,面对复杂的电源问题,需要新的工具协助工程师在设计系统单芯片(SoC)时即将电源纳入考量。好消息是,这些工具正在逐步改进,变得更有弹性。

  电源问题已经快速成为芯片设计时最棘手的问题之一。随着制程不断精进及更多元件的采用,电源问题只会变得更多、更繁杂且更需秏时解决。若无法适当因应,不仅开发时程将拉长,验证无法落实,甚至产品可靠性都将受质疑,影响巨大。 

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