超低功耗集成电路技术研究

张晨龙

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024；2.中国人寿保险公司太原分公司，山西太原030024）

超低功耗集成电路技术研究

张晨龙1，2

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024；2.中国人寿保险公司太原分公司，山西太原030024）

详细分析超低功率集成电路的概念及应用，对集成电路超低功耗的发展进行研究，阐述超低功耗集成电路的设计原理。

超低功耗；集成电路；技术研究

引言

集成电路在当前电子科技领域不断发展的过程中，所具备的信息处理能力和运算速度随着技术的发展越来越高，然而随着运算速度和强度的增加，功耗也越来越大，而在集成电路设备的设计过程中，集成电路的设计及运用者只能从集成电路的性能和功耗中进行二选一或者折中选择，对于当前集成电路在纳米领域的发展产生了严重的制约，也影响了集成电路的超大规模集成发展。由于集成电路功耗降低方面的技术难题，阻碍了集成电路的继续发展，因此对该技术难题的破解是当前学术界共同研究和探讨的问题。

1 超低功率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（Integrated circuit）是一种运用于电子设备中的微型电子零部件，具体来说就是把整体电路中所需的晶体管、电阻、电感和电容等元件和设备采用布线的方式进行连接，固定在一块或者多块介质模块上，成为整体电路中的微型结构，与电路板中的所有元件形成一个整体，使电子元件可以在体积上更小、功耗更低，可靠性和智能化更优越。集成电路是在20世纪50年代半导体领域中发展起来的电路器件，通过半导体制作工艺，构成对整体电路有着一定功能的半导体元件（如图1所示）。

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]。

图1 集成电路电器元件示意图

1.2 集成电路的功耗

功耗是指设备和器件在运行的过成中输入和输出功率之间的差额，简而言之就是在设备与运行过程中功率的损耗，在集成电路中电路的功耗一般是指电子元件在运行过程中通过散热、损耗等产生的能源消耗。由于集成电路密集的电子元件排列，对于功耗的降低是一个技术性的难题。

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 集成电路超低功耗的发展研究

2.1 现有超低功耗集成电路分析

由于集成电路是以密集的电子元件和介质模板进行连接的，整体结构的密集型导致功耗降低，是一项难以实现的综合性工程，不仅仅需要考虑集成电路在硬件材料运用方面的散热功能，而且还要考虑在运行中系统之间的耗能。因此在当前集成电路的运用方面，往往只能根据需求在电路的性能和功耗方面进行权衡和取舍。因此，超低功耗的集成电路是一个相对的概念[2]。

现有的超低功耗集成电路的设计一般是依据CMOS技术，在集成电路的耗能降低方面，对集成电路的整体结构和元件分布进行合理优化，通过对系统程序、系统结构、空间分布等方面进行综合调整和优化分配来降低功耗，但是在集成电路实际运用的过程中，由于当前电子产品和元件的不断更新换代，使得降低功耗的技术不能达到当前产品技术的要求，相对于当前高新技术迅猛发展的时期，现有低功耗的集成电路技术处于比较尴尬的地位。

2.2 降低集成电路功耗研究

随着电子元件、集成电路技术的不断发展，在纳米尺度的发展空间中，集成电路的设计和研发取得了较大的突破，但是在集成电路的功耗方面问题也不断增加，成为集成电路发展中的一个重要技术难题。降低集成电路的功耗成为集成电路创新和研发过程中的一个重要问题。在常规的集成电路设计中，往往通过超低功耗的设计方法，加上合理的元件分布，最大限度地降低集成电路整体功耗。

在当前超低功耗集成电路的研究中，主要采用降低集成电路中的电压，通过控制电压减少集成电路运行器件的热量散发，以此来降低整体功耗；其次对集成电路采用栅控技术，控制集成电路中的元件运行，对于整体系统电路运行过程中的非工作元件实施休眠控制，减少运行所带来的功耗。另外还可以对集成电路的材料进行控制，通过运用高科技材料形成有效的多阀值控制技术，对动态数据进行监测和控制，以减少无用功，有效减少元件的功耗[3]。

3 超低功耗集成电路的设计原理

3.1 电路材料的选择

降低功耗、超低功耗一直是集成电路技术方面有待突破的难点和重点。集成电路中功耗的降低首先在于集成电路材料的选择，电路的材料是影响和制约功耗降低的主要原因，在降低功耗的技术创新中，首要任务就是严格测试各类材料的具体功耗，选择功耗相对较低的高科技材料在集成电路上予以运用，从而有效减少和降低元件功耗。

3.2 内部元件的排列

集成电路作为整体电路的一部分，如果要降低整个电路系统的功耗，那么集成电路每一部分的功耗都要降低。由于集成电路主要的功耗就是以发热的形式消耗功的，因此在集成电路内部元件的排列方面要采取一定的优化措施，降低在各部分元件运行过程中的功耗，以此来降低整体电路功耗。

3.3 电源硬件的设计

集成电路的功耗还体现在电源的控制方面，如果集成电路的电源电压过高，那么造成的功耗就会越大，因此在集成电路工作的过程中应该采用尽可能低的工作电压。集成电路中芯片的核定电压是0.85V，缓存电压也只有0.9V，如果电路中的电压过大会造成不必要的功耗。因此可以通过对电源的控制和设计来有效控制输入电压，采用额定和动态的电源供电技术对电路芯片的电压进行有效控制，以此来实现节能减耗的目标。

3.4 系统功耗的控制

集成电路系统功耗的控制主要体现在系统程序的设计和运用中，通过对系统软件的设计和管理，结合集成电路各部分硬件的设计特点，对程序运行过程中的等待过程进行控制，当系统处于非工作状态时，对各部分电路实施低功耗的休眠控制模式，以忙时多用、闲时休眠、不用关闭的原则设计集成电路的系统控制。

对元件的控制也可以结合外部的电源开关进行，通过开关控制各部分元件的运行与停止。另外在各类设备对集成电路的运用中，以尽可能多的软件来代替硬件也可以有效降低功耗。

4 结语

在集成电路发展的过程中，虽然创新和研发的速度不断加快，但是降低功耗是集成电路发展过程中的技术难题。超低功耗集成电路技术的实现也是一项长久的综合工程，需要考虑对集成电路的材料选择和运用、电路之间的结构和空间排列、系统功耗的有效控制等多方面进行优化和完善。随着当前高新技术的发展和材料的不断研发，超低功耗集成电路的研究和突破还有待进步。

[1]郭宏泓.超低功率异步电路设计研究[D].镇江:江苏大学,2009.

[2]王椿珊.基于低功耗优化技术的16位MCU设计[D].西安:西安电子科技大学,2014.

[3]屈熹.低功耗快速相应的片上集成LDO研究[D].成都:电子科技大学,2014.

（编辑：贾娟）

Research on Ultra Low Power Integrated Circuit Technology

Zhang Chenlong1,2
(1.School of M ines of Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024;2.Taiyuan Branch of Chine Life,Taiyuan Shanxi030024)

This paper analyzes the concept and application of low power integrated circuits,and the developmentof integrated circuit of ultra-low power consumption,indicates integrated circuit design principle of ultra-low power consumption.

low power;integrated circuit;technology analysis

TN402

A

2095-0748(2016)16-0027-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.16.11

2016-07-06

张晨龙（1990—），男，山西大同人，毕业于太原理工大学物理与光电工程学院光信息科学与技术专业，现就职于中国人寿保险公司太原分公司，主要从事事故勘察定损工作。