原创利用新一代整合技术　解决多媒体应用处理器设计问题

 2008-11-5 18:53  2378 5 5 分类: MCU/ 嵌入式

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…

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。

利用这前述项技术，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率，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，这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。

但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，正反器(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实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，频率速度加倍并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。（本文作者Bill Krenik／德州仪器无线终端事业部技术长）