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[導(dǎo)讀]   歲末年初,當(dāng)我們回顧2014年產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展時,少不了IoT(物聯(lián)網(wǎng))和Big Data(大數(shù)據(jù))這兩個2014年科技界人們談?wù)撟疃?,捧的最高的科技名詞。在IEEE公布的2014 TOP10熱

  歲末年初,當(dāng)我們回顧2014年產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展時,少不了IoT(物聯(lián)網(wǎng))和Big Data(大數(shù)據(jù))這兩個2014年科技界人們談?wù)撟疃?,捧的最高的科技名詞。在IEEE公布的2014 TOP10熱搜排行榜上,他們也榜上有名。不過,撥開他們?nèi)A麗的外衣,我們看到的是隱于其背后的各種先進(jìn)的高性能及超低功耗半導(dǎo)體技術(shù)令人驚喜的發(fā)展。

  功耗成為HPC和Networking的關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)

  毫無疑問,IoT促進(jìn)了低功耗的發(fā)展,但是,這只是問題的一個方面。另一方面,無所不在的移動設(shè)備產(chǎn)生了巨大的數(shù)據(jù)洪流,越來越多的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)也產(chǎn)生了龐大的數(shù)據(jù)集,一些數(shù)據(jù)流只是在網(wǎng)絡(luò)上流過而已。而有些會進(jìn)行精細(xì)的分析,例如,從監(jiān)控圖像流中找出綁架了兒童的汽車牌照,或者每月才出現(xiàn)一次的希格斯玻色子等。大數(shù)據(jù)迫使我們大幅度提高網(wǎng)絡(luò)和計算帶寬。不過,在為數(shù)據(jù)中心加速的同時,功耗的問題就擺在眼前。

  “大多數(shù)人們對于能耗受限的深切認(rèn)識到來源于移動設(shè)備的電源續(xù)航能力的限制,這就給我們造成了一種錯覺,以為只有移動設(shè)備是功耗敏感的應(yīng)用,其實,在諸如數(shù)據(jù)中心等的高性能計算(HPC)及網(wǎng)絡(luò)(Networking)領(lǐng)域,對于功耗的要求更加的苛刻。”富士通半導(dǎo)體市場部經(jīng)理陳博宇(Alex Chen)先生在一年一度的中國集成電路設(shè)計業(yè)年會暨中國內(nèi)地與香港集成電路產(chǎn)業(yè)協(xié)作發(fā)展高峰論壇(簡稱ICCAD峰會)上表示。

  圖1. 富士通半導(dǎo)體市場部經(jīng)理陳博宇先生在ICCAD上演講

  和手機固定功率的電源不同,數(shù)據(jù)中心的電源是永遠(yuǎn)開啟的,整個機房的每個芯片無時無刻不在工作,對整個供電系統(tǒng),包括散熱系統(tǒng)的壓力巨大。據(jù)統(tǒng)計:當(dāng)服務(wù)器小于1萬臺,全年耗電約0.35億千瓦時(電是次要因素);當(dāng)服務(wù)器小于10萬臺,全年耗電約3.5億千瓦時(電是重要因素);當(dāng)服務(wù)器小于50萬臺,全年耗電約17.5億千瓦時(電是主要成本);當(dāng)服務(wù)器小于100萬臺,全年耗電約35億千瓦時(電是TOP1成本)。

  而和消費類的應(yīng)用非常不同,在通信領(lǐng)域,對每個板卡的功耗都有要求,只有達(dá)到每塊板卡的功耗要求,整個系統(tǒng)的功耗才能達(dá)標(biāo)。“在高性能應(yīng)用領(lǐng)域,億門級的設(shè)計規(guī)模使得芯片的復(fù)雜度增加,如何在功耗上進(jìn)行優(yōu)化,而又能達(dá)到性能要求,這是在大規(guī)模設(shè)計上特別要考慮的。” 陳博宇指出。

  多種方法應(yīng)對高性能設(shè)計的功耗挑戰(zhàn)

  現(xiàn)在的高速低功耗設(shè)計,最多有超過7億多門級電路和超過2GHz的工作頻率的設(shè)計。因此,設(shè)計人員需謹(jǐn)慎評估如何在最短的設(shè)計周期內(nèi),針對整個芯片的低功耗策略做定義及最佳化,并思考如何讓封裝設(shè)計滿足超高的功耗。

  大規(guī)模版圖設(shè)計能夠幫助設(shè)計人員應(yīng)對高速低功耗設(shè)計挑戰(zhàn),如下圖所示2,富士通半導(dǎo)體的協(xié)同設(shè)計技術(shù)優(yōu)化了芯片、IP、及從封裝到板級設(shè)計等所有方面。為使其達(dá)到性能最優(yōu)化,貫穿規(guī)劃,設(shè)計,建模和分析所有過程,富士通半導(dǎo)體使用了可以預(yù)估的電源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架,并使用了層次化的電源網(wǎng)絡(luò)分析,這種分析可以優(yōu)化電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,并且最小化全芯片的功耗。低噪聲的芯片架構(gòu)設(shè)計可以承受超過300瓦的功耗。

  圖2. 大規(guī)模版圖設(shè)計能夠幫助設(shè)計人員應(yīng)對高速低功耗設(shè)計挑戰(zhàn)

  此外,特別值得一提的是富士通半導(dǎo)體獨特的ASV(Adapter Support Voltage)技術(shù)。如下圖3所示,該技術(shù)用以監(jiān)控制程(process)的快慢。

  圖3. 全功耗設(shè)計解決方案應(yīng)對高速低功耗設(shè)計挑戰(zhàn)

  陳博宇進(jìn)一步解釋:“因為晶圓廠的制程存在快(fast)、慢(slow)、標(biāo)準(zhǔn)(typ)的狀態(tài),在芯片中放置’Process Monitor’,使得我們可以讀出制程的參數(shù),這樣就能知道電源的大小,例如,如果我們讀出是偏快的制程,就可以幫助降低電壓,因為功率是和電壓的平方成正比,所以降低電壓就能降低功耗,ASV技術(shù)就像一個彈簧一樣,把芯片拉向typ。”

  再次,高性能封裝解決方案在應(yīng)對功耗挑戰(zhàn)上必不可少。富士通半導(dǎo)體在高性能封裝市場也處于領(lǐng)先地位,在開發(fā)這些高可靠性封裝的過程中,富士通半導(dǎo)體進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪M,優(yōu)化了技術(shù)原型。如下圖4所示。

  圖4. 高性能封裝解決方案應(yīng)對高速低功耗設(shè)計挑戰(zhàn)

  “我們的球形封裝技術(shù)支持到超過4000個pin腳,并且每一邊的封裝尺寸可以到達(dá)60mm,我們的多層基板封裝設(shè)計可以支持到32層,對于BGA封裝,我們獨特的金屬TIM實現(xiàn)了超低Theta JC,Theta JC小于0.05度,并通過了最新的熱阻測量技術(shù)驗證。我們正在為中央處理器和服務(wù)器,研制新一代2.5和3D封裝技術(shù)。” 陳博宇表示。

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