節(jié)能成為芯片廠商未來發(fā)展的重中之重

最新一代的圖形處理器集成了30億個(gè)晶體管，耗能約為200瓦。這個(gè)數(shù)字確實(shí)令人印象深刻--迄今為止你可以想象人類的大腦就等同于一萬億個(gè)晶體管，耗能僅為20瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于點(diǎn)亮一個(gè)電燈泡的能耗。

半導(dǎo)體制造商希望在他們應(yīng)對(duì)行業(yè)中的最新挑戰(zhàn)時(shí)能擁有這樣令人羨慕的頭腦：在能效上更進(jìn)一步。這一直是芯片設(shè)計(jì)者關(guān)注的重點(diǎn)，但是當(dāng)降低能耗的常用技術(shù)正在逐漸喪失他們的效率時(shí)就必須采取新的手段了。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利工程學(xué)院的教授簡(jiǎn).若比本周在參加舊金山舉行的固態(tài)電路大會(huì)時(shí)表示"在過去十年間我們所采用的技術(shù)正在逐漸失去它的作用"。這不是一種抽象的關(guān)系。能效的穩(wěn)步提升是當(dāng)下功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)迅猛發(fā)展的主要助推器，特別是iPhone這樣的移動(dòng)設(shè)備，其電池的壽命是至關(guān)重要的。最大的收獲來自"處理器體積的縮小"或者說向更新的制造工藝發(fā)展，可以讓晶體管的體積越來越小。這種規(guī)則性的發(fā)展就是眾所周知的摩爾定律，但是每一代處理制程能改進(jìn)半導(dǎo)體每瓦的性能也是半導(dǎo)體行業(yè)追求的目標(biāo)。

數(shù)字設(shè)備公司，Broadcom和蘋果的前任芯片工程師DanDobberpuhl表示，制程工藝的進(jìn)步理論上來說可以將能效提高三倍，但是目前的發(fā)展只能將能效提高1.4倍。

三星電子公司總裁Oh-HyunKwon之前曾經(jīng)說過"低于30納米的話，我們就必須采用新的材料和架構(gòu)來降低晶體管的電壓"。

工程師一直在采用其他的方法來降低能耗，比如控制電流的泄漏，但是得到的回報(bào)也在不斷遞減。就有參加固態(tài)電路大會(huì)的與會(huì)者提議要將未來處理器的能耗降低10倍。

TSMC公司的首席技術(shù)官杰克.桑表示，最新的處理器設(shè)計(jì)能解決部分問題。他們的選擇是一種稱之為FinFET的設(shè)計(jì)，在每個(gè)晶體管上使用多個(gè)門柵，另外一種設(shè)計(jì)叫做無縫晶體管。

研究人員在FinFET的研發(fā)上取得了巨大的進(jìn)步，TSMC公司希望這種設(shè)計(jì)能用在未來的CMOS上，這也是半導(dǎo)體行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)硅芯片制造流程。

桑和其他參加討論的與會(huì)者還對(duì)稱之為3D堆棧的包裝技術(shù)充滿了信心，這種設(shè)計(jì)是芯片位于彼此的頂端而不是并排的排列方式。這樣就可以讓芯片以更短的距離互聯(lián)在一起，從而降低電子損耗。

不過這些技術(shù)中有很多依然處于研發(fā)階段，如果他們無法與目前的CMOS制造設(shè)備相兼容，那么實(shí)施成本將比較昂貴。

STMicroelectronics公司負(fù)責(zé)研發(fā)的副總裁PhilippeMagarshack表示，還有一種方法可以解決這個(gè)問題。目前的芯片非常的不靈活，因此這些芯片無法與他們的環(huán)境完全適應(yīng)。他提議了一種被他稱作"感覺和反饋"的方法。

智能手機(jī)芯片的需求變化的非常廣泛。芯片應(yīng)該根據(jù)智能手機(jī)是打電話還是顯示視頻來調(diào)節(jié)他們的電壓，時(shí)鐘頻率和其他的組件的高低。
 

Magarshack表示，目前是根據(jù)時(shí)鐘門控和電壓范圍來實(shí)施的，但是如果每個(gè)組件-比如天線，接收器等等要同步設(shè)計(jì)才能做得更好。

解決方案就是系統(tǒng)只在需要的時(shí)候才消耗能量。使用我們目前的工具要想實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是絕對(duì)不可能的。我們需要新一代的工具和方法。

Magarshack和桑都提議了一種稱之為輸入/輸出體系結(jié)構(gòu)的方法，可以允許多個(gè)組件來共享輸入/輸出設(shè)備。舉例來說，一個(gè)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片可以被配置在基礎(chǔ)處理器上，取代連續(xù)輸入/輸出執(zhí)行的方式并行處理。

前任DEC工程師Dobberpuhl表示，最大的收獲是來自于改進(jìn)的運(yùn)算法則和體系結(jié)構(gòu)，包括更加高效的并行設(shè)計(jì)。

英特爾移動(dòng)通訊公司的總裁Herman Eul表示，關(guān)鍵是通過類似處理器將功能轉(zhuǎn)移為數(shù)字形式。數(shù)字電路縮小規(guī)模要更容易一些，他們可以被重新編譯，從而一個(gè)單個(gè)的無線電收發(fā)器可以用于一部3G手機(jī)的所有五個(gè)頻率波段，來替代目前所使用的五個(gè)獨(dú)立的芯片。

"最具能效的晶體管是目前還沒有出現(xiàn)的晶體管"Eul表示?？偟膩碚f與會(huì)的討論者們看起來都比較樂觀，或許只是因?yàn)榘雽?dǎo)體工程的進(jìn)步已經(jīng)突破了過去的許多障礙。"概括而言就是工程師們從來都不曾放棄"Eul強(qiáng)調(diào)說。