五种降低未来IC功耗的技术

试用新材料

采用更高迁移率的材料也能降低功耗。例如在标准CMOS产品线中已经加进了磁性材料，而像碳纳米管和石墨烯等‘神奇’的材料也开始浮出面。

为了以铁电RAM(FRAM)制造嵌入式微控制器，TI在CMOS产品线中增加了磁性材料。从RamtronInternational公司获得授权的FRAM比起快闪记忆体更方便，因为它们既具有非挥发性，还支援随机存取。

“与快闪记忆体相较，我们非挥发性的FRAM在读写能耗方面更高效。”TI无线事业部CTOBaherHaroun指出。

Enpirion公司也在其CMOS产品线中导入磁性材料，并计划于2012年开始为其电源管理芯片制造整合型电感与变压器。目前，电感和变压器还无法更经济地整合在必须于高频作业的芯片上，但Enpirion公司专有的磁性材料已经着眼于解决这方面的问题。

“我们已经整合了不同的金属合金，使我们的磁性材料可在很高的频率下执行作业，同时还能保持高能效。”Enpirion公司的Lotfi透露。

与此同时，SemiconductorResearch公司最近资助了IBM和美国哥伦比亚大学共同进行的一项研究计划──将电感整合于处理器上。该公司声称能透过芯片稳压功能在奈秒级时间内调节供电电压，实现工作负载匹配，因而使能耗降幅高达20%。

在不远的将来，CMOS产品线还可能增加的其它近期材料包括砷化铟镓(InGaAs)。英特尔公司计划使用InGaAs增强未来三闸电晶体上的通道，据称此举可望使工作电压降低至0.5V。

然而，长期来看，碳纳米管和平面版的石墨烯很可能成为未来超低功耗元件的首选材料。

在乔治亚理工学院(GeorgiaTech)的实验室中，已经证明石墨烯的互连性能超过铜。IBM公司也已经展示使用碳纳米管或石墨烯材料，可制造出低功耗、超高速的电晶体。TI最近则展示石墨烯可望在晶圆级制造出来。

英特尔公司针对以碳材料实现更高电迁移率方面进行研究，但其结论则是这些材料的商用时机未到。

“使用纳米碳或石墨烯的碳互连结构具有非常吸引人的特性。”英特尔公司的Bohr指出，“不过，管大体积材料具有更低电阻，连接路径的电阻却不低。不过这是一种非常具有前景的材料，因此我希望在今后几年能够见到更多的业界相关研究。”

图1：Atrenta公司的工具可以很早就估计功耗;此处指出设计周期开始之初的潜在热点。

图2：透过采用未掺杂电晶体通道(位于中间的白色区域，在浅绿色的轻掺杂阈值区以及深绿色的重掺杂筛选区上方)，SuVolta公司的平面CMOS制程可望使半导体电压进一步降低。

图3：英特尔的turbo模式可在高负载期间提升时脉以增加速度，并监控核心温度，在开始过热时逐渐降低时脉速度。

图4：赛灵思公司能够使用台积电的硅插入器在封装内互连4个FPGA，从而使功耗从112W降低到19W。

图5：Enpirion公司的芯片上电感是采用专用制程以及独特的磁合金材料在硅晶圆上制造而成的。