功耗降十倍　ULV制程催生下世代物聯(lián)網(wǎng)SoC

超低電壓(ULV)制程將成物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。半導(dǎo)體廠除加緊投入先進(jìn)納米制程外，亦已積極開發(fā)超低電壓制程;相較于現(xiàn)今電壓約1伏特(V)的標(biāo)準(zhǔn)制程，超低電壓制程可降至0.7或0.3～0.4伏特，讓系統(tǒng)單芯片(SoC)動(dòng)態(tài)功耗縮減一半甚至十分之一，以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對更低耗電量的要求。

工研院資通所生醫(yī)與工業(yè)積體電路技術(shù)組低功耗混合訊號部組長朱元華表示，面對物聯(lián)網(wǎng)裝置設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體業(yè)者正積極開發(fā)新一代極低功耗的SoC，以發(fā)揮系統(tǒng)電源最大利用率。由于芯片動(dòng)態(tài)功耗與其工作頻率、電壓平方值息息相關(guān)，因此晶圓代工廠、矽智財(cái)(IP)和IC設(shè)計(jì)業(yè)者也紛紛投入布局超低電壓制程，并分頭從制程控制和電路設(shè)計(jì)著手，期加速實(shí)現(xiàn)以更低電壓運(yùn)作，且效能及良率穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)SoC。

據(jù)悉，臺積電日前發(fā)布的超低耗電(ULP)技術(shù)平臺，就是由超低電壓制程的設(shè)計(jì)概念衍伸而來。該公司率先將標(biāo)準(zhǔn)SoC制程大約落在1、1.2、1.5或1.8伏特電壓的水準(zhǔn)，降低至0.7伏特左右，大幅縮減一半以上的芯片動(dòng)態(tài)功耗，藉此發(fā)展出0.18微米到16納米鰭式電晶體(FinFET)等一系列超低耗電制程，協(xié)助客戶打造更低功耗且整合度更高的系統(tǒng)元件。

盡管SoC電源效率可望再提升一倍，但臺積電董事長張忠謀不諱言，這樣的規(guī)格與物聯(lián)網(wǎng)要求還有一段差距，從行動(dòng)世代跨入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)至少須達(dá)成功耗僅十分之一的制程技術(shù)，方能滿足下游IC設(shè)計(jì)、模組廠，以及系統(tǒng)業(yè)者提升產(chǎn)品電源效率的殷切需求，促進(jìn)萬物聯(lián)網(wǎng)的愿景加速來臨。

對此，朱元華指出，針對超低功耗物聯(lián)網(wǎng)SoC，半導(dǎo)體廠除了朝更先進(jìn)的20、16納米制程邁進(jìn)外，亦須基于芯片動(dòng)態(tài)功耗與電壓平方成正比的通用算式，進(jìn)一步投資發(fā)展0.3～0.4伏特超低電壓制程，以設(shè)計(jì)出工作電壓僅0.3伏特，動(dòng)態(tài)功耗也隨電壓下降，等比例降至約十分之一(0.3伏特平方約0.09伏特)的SoC。

朱元華強(qiáng)調(diào)，目前一線晶圓代工廠、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)(EDA)工具商、IP供應(yīng)商和IC設(shè)計(jì)業(yè)者皆加碼展開超低電壓制程研究，足見該技術(shù)已蔚為顯學(xué)。為協(xié)助臺商接軌此一設(shè)計(jì)潮流，卡位物聯(lián)網(wǎng)商機(jī)，工研院資通所亦馬不停蹄投入布局超低電壓制程控制、設(shè)計(jì)方法、芯片電路和邏輯架構(gòu)等專利，并已將位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器(LevelShift)、鎖相回路(PLL)等SoC周邊電源管理方案納入考量，全力推動(dòng)超低電壓制程商用腳步。

除搶布專利，幫助臺商掌握先機(jī)外，資通所更致力打造超低電壓制程芯片的創(chuàng)新應(yīng)用，期吸引更多國內(nèi)半導(dǎo)體廠聚焦，進(jìn)而拱大技術(shù)發(fā)展規(guī)模。朱元華透露，資通所已從三個(gè)層面著手，分別勾勒出超低電壓微控制器(MCU)、能源采集(EnergyHarvesting)器和資料轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)概念。

以MCU為例，目前業(yè)界雖可藉由軟體實(shí)現(xiàn)多元省電模式，但實(shí)際上MCU在各種工作頻率下，仍以相同電壓運(yùn)行，因此還是有一定的動(dòng)態(tài)功耗;朱元華認(rèn)為，未來芯片商導(dǎo)入超低電壓制程，才能在硬體設(shè)計(jì)層面就大幅降低動(dòng)態(tài)功耗，發(fā)揮更大的節(jié)能效益。

此外，資料轉(zhuǎn)換器在物聯(lián)網(wǎng)裝置不定時(shí)擷取到外界資訊時(shí)，必須不斷開啟、關(guān)閉以解析資料再休眠，若透過制程改善，讓資料轉(zhuǎn)換器以更低的電壓和頻率啟動(dòng)，對節(jié)省系統(tǒng)電源將有莫大助益。