超低功耗集成电路技术研究

孙伟业

华北理工大学

超低功耗集成电路技术研究

孙伟业

华北理工大学

随着电子技术的不断快速发展，集成电路以其高效的信息处理能力得到了广泛应用。然而集成电路信息处理能力提高的同时，其功耗也在不断增加，这就使得电子设备设计人员必须处理好设备的性能和功耗矛盾，因此电子设备设计时在性能和功耗问题上只能进行折中处理，这将严重制约着电子设备元件纳米化的发展进程，也制约着集成电路技术在电子设备中的大规模应用，超低功耗技术成为现阶段集成电路发展中的重要难题。本文首先对超低功耗集成电路进行简要介绍，随后对其设计技术进行分析，最后研究了超低功耗集成电路的发展趋势，以供广大技术人员进行参考。

集成电路；超低功耗；技术分析

1 超低功耗集成电路的概念及应用分析

1.1 集成电路的概念及应用

集成电路是在上世纪50年代半导体领域中发展起来的一种新型电路设计技术，集成电路(Integrated circuit)是将微型电子零部件应用于各种电子设备中的一种电子元件集成技术，其主要方式是将电路设备中需要的各种电阻、晶体管、电容以及电感等一系列电子元件通过布线方式进行统一连接，从而将各种不同元件集中固定在一块或多块电路板上，组成电子设备某个部分的微电路结构。通过多个集成电路进行组合从而形成共同运作的电路整体，使得电子设备具有低功耗、高容量、体积小以及性能高等优势。

集成电路主要运用于电路板之中，由于具备体积小、寿命长、重量小、性能高、成本低等优点，可以通过大规模批量生产，因此不仅在工业电子设备中得到大规模的使用，而且在计算机设备方面也得到广泛的应用。目前我国从财政、资本市场、研发、进出口、人才培养等方面广泛扶持集成电路产业的发展。

1.2 集成电路的功耗

一般情况下将电子设备中各电路元件在运行过程中输出和输出功率间的差额算作功耗，简单的来说功耗便是电子设备在运行过程中的功率损耗。集成电路中电子元件功率的损耗主要通过设备运行中的发热及做功产生的能量消耗。集成电路由于其电子元件在电路板上排布非常密集，进而降低其功耗成为了一项技术性难题。

1.3 超低功耗集成电路的概念与技术

超低功耗集成电路也就是在集成电路的基础上降低功耗，将整体电路的功耗降至最低。由于集成电路在不断发展的过程中，追求超低功耗、降低电路功耗，需要在集成电路的材料、结构、系统以及功耗之间进行选择和取舍，因此只能尽可能降低集成电路的功耗，超低功耗集成电路只是集成电路功耗方面的一个相对概念。

2 超低功耗集成电路的设计技术

2.1 电路材料的选择

在集成电路功号研究中，怎样降低电子元件功率损耗并研究出超低功耗的集成电路是现阶段技术方面进行突破的重点和难点。电路功率损耗很大一部分来源于电子元件的发热，而电路材料则是影响电路整体发热情况的主要因素，因此降低集成电路功率损耗的重点便是选择合适的电路材料。在材料选择过程中需要严格审核和测试各种材料的发热状况及具体功耗情况，选择发热少、性能高的低功耗高新材料，从而将有效减少集成电路中电子元件的功率损耗。

2.2 内部元件的排列

电子元件中集成电路作为其最基本的组成单元，降低电子设备整体功耗便需要降低内部各个部位的集成电路功耗。而集成电路的功耗主要以元件发热的形式损耗，因此，在集成电路排列设计过程中需要对其排列方式进行优化，采取一定的优化方案降低集成电路元件的发热，以此来降低整体电路的发热损耗。

2.3 电源硬件的设计

电路硬件设施的供电电压也是影响整体损耗的一个重要方面，集成电路功耗的大小与电路供电电压成正比，因此在设计电源时尽可能采用低电压电源进行供电，进而降低电路功耗。集成电路中供电电压过大不仅会造成不必要的功率损失，而且会对电路硬件造成一定的损害，降低硬件的使用寿命。在电源电压设计之初，可以通过对电源有效输入电源进行控制，采用动态与额定电源供电技术进行输入电压的合理控制，以此来达到降低电路硬件损耗的目的。

2.4 系统功耗的控制

集成电路系统程序运行过程中的也会出现很大一部分的功率损耗，可以结合系统硬件与软件的设计特点，对整体程序运行过程中的部分加载和等待过程进行优化，减少不必要的功率浪费。当系统在非工作状态下时可控制各部分电路的进入低功耗休眠状态，软件设计遵循用时唤醒、闲时休眠以及不用的时候进行自我关闭的原则进行设计，以最大化的减少软件运行过程中的功率损耗。也可以控制外部电源的开关状态来控制软件运行过程中的功耗，人为控制开关来使部分电路元件进行停止和运行，但是在实际应用中尽量多采用软件来替代部分硬件，以更有效准确的控制整体电路的功率损耗。

3 超低功耗集成电路发展趋势

超低功耗集成电路是目前电子设备电路研究和开发的主流趋势，在未来超低功耗集成电路的发展过程中，电路设计人员仍然面临着非常巨大的技术挑战，要求电路设计者在确保电路高性能运行的前提下，科学合理的设计出低功耗的集成电路，这就需要电路设计者拥有电路设计方面的各种知识，不仅要技术过硬而且还要有创新意识，积极为集成电路发展做出应有的贡献。随着超低功耗集成电路的不断快速发展，将带动更多的相关产业进行技术创新，电子设备各方面及各领域进行相互交错融合，共同促进技术发展。并结合互联网技术、大数据以及信息存储等相关行业领域，进行全新探索共同促进集成电路产业的快速发展。

4 结语

集成电路的发展过程中需要正确处理功耗与性能之间的矛盾，而超低功耗集成电路设计是一项综合性技术，它集电路材料、空间布局、电路结构以及系统功耗等方面进行统一规划和设计，因此需要电路设计者不断进行技术难题攻关与创新，设计出功耗更低、性能更高的高科技集成电路。

[1]孟一聪.数字集成电路低功耗设计技术的研究及应用[D].清华大学，2005.

[2]李骏.CMOS集成电路低功耗设计技术研究[J].大科技，2016(17).

[3]张兴，杜刚，王源，等.超低功耗集成电路技术[J].中国科学：信息科学，2012，42(12)：1544-1558.

[4]张晨龙.超低功耗集成电路技术研究[J].现代工业经济和信息化.

[5]黄晗.超低功耗集成电路技术综述[J].科技展望，2016，26(30).