德州儀器：最小化芯片級功耗

半導體產業長期以來奉“越小越好”為真理，但隨著工藝技術不斷向纖小型方向發展，功率問題也不斷出現，導致技術發展出現了瓶頸?；パa金屬氧化物半導體(CMOS)工藝技術是現代微處理器與數字信號處理器(DSP)產品所采用的主導技術。CMOS制造工藝技術從90納米向65納米乃至更小型方向過渡，芯片密度不斷提高，靜態與動態功耗常常會超過可接受的數值。采用電壓縮放技術可解決上述問題。

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根據摩爾定律，芯片級的晶體管密度和芯片復雜性每24個月就會翻一番，而集成電路的性能也將相應提高。因此，能夠在相同或更低的面積上集成更多的功能，并以更低的成本，實現更多的特性以及更高的速度。

與任何受益與摩爾定律的其他芯片類型一樣，DSP也實現了一系列新型多媒體應用，如便攜式媒體播放器、智能電話與各種影像設備等。同時，電信、無線通信以及網絡領域的基礎設施應用也受益匪淺。

CMOS技術是現代DSP與微處理器設計的常用技術。與其他技術相比，該技術的處理與縮放更為簡單易行。此外，它還可提供良好的性能功耗比。

盡管高級技術的縮放可在單位面積上實現更多的元件數量與更高的功能，但單位面積的功率（功率密度）也在同時增加。隨著硅芯片技術的穩步發展，推動CMOS工藝向65nm技術節點甚至更小的結構尺寸方向發展，芯片級的靜態與動態功率問題也日益突出。

靜態功耗是指器件上電閑置時的功耗，即沒有晶體管開關情況下的功耗。因此，靜態功耗與工作負載和使用情況無關。靜態功耗的主要來源在于漏電流IL，而影響漏電流的主要因素則是晶體管的類型，其中包括物理尺寸（長度、寬度）以及硅芯片制造工藝技術的各種特點等（如氧化層的厚度、摻雜配置）。

在晶體管方面，靜態功耗PS等于電源電壓Vss與IL的乘積。造成漏電流的因素為晶體管關閉時的次閾值漏電流（I）、結漏(IL、J)以及隧道漏電流(IL、GT)等。請參見圖1。

另一方面，動態功耗則是時鐘速度（晶體管開關速度）和晶體管電容負載的函數，它也取決于物理晶體管的尺寸。更具體地說，我們可以看到，I=CdV/dt，而PD=ID，Vcc=CfVcc2，這里的C為電容（晶體管與電線）負載，f等于開關頻率，而Vcc則等于電源電壓。理想情況下，靜態功耗為零，這樣總功耗就為PD。

圖2顯示了通過CMOS逆變器的漏電流和動態電流。采用高級工藝技術節點的情況下，靜態功耗的增幅比動態功耗的增幅更快。

圖1 具有漏電流現象的NMOS晶體管單元

圖2 具有電容負載的CMOS逆變器