如何优化便携式产品IC的功率

受移动和智能电话、便携式音乐和视频播放机、移动游戏系统和笔记本电脑等消费电子设备的推动，半导体产业近年来快速增长。消费者要求更小、更薄更轻的系统，具有额外的特性，同时要求比前一代产品更好的电池寿命，以满足他们的移动生活方式。

优化便携式系统的电池寿命对系统设计师来说是重大的工程设计挑战。系统设计师必须理解每个元件的功耗、功率状态和相关的时序问题，从而优化系统功率。这一信息被编入功率管理电路、固件及/或操作系统，然后经过彻底的测试，来确保鲁棒系统操作。系统设计师的第一步是分析并优化消耗最多功率的元件。在许多移动消费电子设备中，LCD背光消耗最多功率，通常使系统其它元件相形见绌。近来，高效LED背光技术的使用增加减少了消费设备的背光功耗。因此，系统设计师要比以往更为详细地分析半导体元件的功耗。

过去，半导体设备制造商能够通过缩小至更新更小的半导体工艺几何尺寸来使功耗最小化。较小的几何尺寸允许设备在较低的电压下运行，消耗较少功率。作为附加利益，更紧密的工艺尺寸使制造商能够增加频率，并切在一些设计上获得更多性能。其它优势还包括达到更高级别的片上功能集成能力，以满足空间约束的设计，并增加每晶圆裸片的数量，满足客户对降低价格的要求。不幸的是，在90纳米和更小尺寸下，一些元件的总体功率在上升。

半导体器件内的功耗有两大主要元件：有源功率和泄漏功率。

有源功率

有源功率，也称为开关功率，是器件电源电压、频率和电容的函数。当端接至较小的工艺尺寸时，器件的有源功率见效，主要因为较低的电源电压足够维持同样的频率。Transmeta率先提出的另外一个解决方案是通过动态控制频率和电压来控制有源功率。例如，当需要较少的性能时，系统能调低半导体器件的频率和电压。由于有源功率与频率和电压平方成正比，减少频率和电压能导致三次方地减少有源功率。

泄漏功率

泄漏功率是130纳米节点之前半导体工艺尺寸总体功率的无关紧要的一部分。然而，在90纳米及更小尺寸下，泄漏功率可能成为总体功率的重要来源，可能是半导体器件的主要问题。在一些情况下，90纳米半导体器件比130纳米下同样的器件消耗较小的有源功率，但90纳米的总体功耗却因为泄漏而高出后者。

泄漏类型

泄漏有多种类型：源和漏之间的亚阈值泄漏、漏和衬底之间的结泄露和门与衬底之间的门泄漏。亚阈值泄漏是一个主要成分，在90纳米及更小尺寸下呈指数增长。

造成亚阈值泄漏指数级增长的因素包括晶体管尺寸减小，阈值电压(Vth)相对于电源电压持续缩小。Vth定义了晶体管开通的电压---Vth越高，晶体管越慢；Vth约低，晶体管越快。然而，在90纳米及更小尺寸下，较低的Vth也导致亚阈值泄漏的指数增长。为了战胜亚阈值泄漏，一些代工厂商可能只提供三种工艺选择---高Vth、中等Vth和低Vth。只有三种选择迫使半导体器件制造商要不优化功率、频率或牺牲功率和频率取中间级。此外，半导体器件有多种多样的功率状态(待用，等等)，静态Vth只能针对一种功率状态优化。理想的解决方案可能是针对每种功率状态动态调整Vth，以优化功率和频率。此外，在90纳米及更小尺寸下，Vth不再是静态，但随环境变量移动，如温度，要求更大的频率保护带和功率规范。因此，为了减少泄漏，使半导体器件制造商能优化功率和频率，业内更需要能动态配置Vth的解决方案。

图：集成电路中的功率泄露

泄漏在部件预生产burn-in期间还引起问题。由于泄露与电压及温度呈指数关系，burn-in更高电压和温度的用户能导致功耗倍增。这一明显的电流可能需要更多昂贵的测试设备来处理额外的功率，更糟糕的是，在burn-in期间可能永远损坏部件。动态增加Vth来减少burn-in期间的泄漏能有助于防止这些问题。

此外，泄漏沿整片晶圆并不是恒定的。深亚微米光刻一个无法避免的问题是晶体管三维尺寸的统计分布及其它导致晶圆上每块裸片平均泄漏的多变性。平均泄漏的多变性导致功耗呈统计分布以及每块裸片能工作的最大频率。在90纳米和更小尺寸下，许多裸片可能无法满足设计的功率和频率目标，从而致使良品率损耗和器件成本上升。解决这一问题的潜在方案是动态调整每块裸片的Vth。对于裸片分布无法满足功率规格的情况，增大Vth将减少泄漏功率，从而使许多裸片符合功率规格。与此类似，对于无法满足频率规格的分布，减少Vth将增大晶体管的开关速度，使更多裸片符合频率规范。

总结

总的来说，为了使消费类器件的总体功耗最小化，所有不同的半导体元件必须针对有源功率和泄漏功率进行优化。为了在90纳米和更小尺寸下优化功率，针对每种功率状况动态控制Vth的解决方案符合人意。动态控制Vth的额外优势包括减少Burn-in泄漏，并动态调整频率和功率规范，以帮助改良总体的加工分布。

Transmeta率先推出的LongRun2是一套先进功率管理和泄漏控制技术，使半导体制造商轻而易举地翻新现有设计，并能动态优化Vth。Transmeta向半导体代工厂授权其LongRun2技术，目前已向NEC、富士通和索尼许可了该技术。

作者：Aashish Patel，Transmeta公司技术营销总监