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
2008-11-4 22:26
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分类:
消费电子
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 (l 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 (l 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)
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