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超大规模集成电路范文1
关键词：动态功耗 时钟树 clock gating技术
中图分类号：TP752 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）09-0000-00
随着半导体工业的发展和工艺的深入，VLSI（超大规模集成电路）设计正迅速地向着规模越来越大，工作频率越来越高方向发展。显而易见，规模的增大和频率的提高势必将产生更大芯片的功耗，这对芯片封装，冷却以及可靠性都将提出更高要求和挑战，增加更多的成本来维护这些由功耗所引起的问题。而在便携式设备领域，如智能手机、手提电脑等现在智能生活的必需品对芯片功耗的要求更为严格和迫切。
由于时钟树工作在高频状态，随着芯片规模增大，时钟树规模也迅速增大，通过集成clock gating电路降低时钟树功耗是目前时序数字电路系统设计时节省功耗最有效的处理方法。
Clock gating的集成可以在RTL设计阶段实现，也可以在综合阶段用工具进行自动插入。由于利用综合工具在RTL转换成门级网表时自动插入clock gating的方法简单高效，对RTL无需进行改动，是目前广为采用的clock gating 集成方法。
本文将详细介绍clock gating的基本原理以及适用的各种clock gating策略，在实际设计中，应根据设计的特点来选择合适的clock gating，从而实现面积和功耗的优化。
综合工具在对design自动插入clock gating是需要满足一定条件的：寄存器组（register bank）使用相同的clock信号以及相同的同步使能信号，这里所说的同步使能信号包括同步set/reset或者同步load enable等。图1即为没有应用clock gating技术的一组register bank门级电路，这组register bank有相同的CLK作为clock信号，EN作为同步使能信号，当EN为0时，register的输出通过选择器反馈给其输入端保持数据有效，只有当EN为1时，register才会输入新的DATA IN。可以看出，即使在EN为0时，register bank的数据处于保持状态，但由于clk一直存在，clk tree上的buffer以及register一直在耗电，同时选择电路也会产生功耗。
综合工具如果使用clock gating 技术，那么对应的RTL综合所得的门级网表电路将如图2所示。图中增加了由LATCH和AND所组成的clock gating cell，LATCH的LD输入端为register bank的使能信号，LG端（即为LATCH的时钟电平端）为CLK的反，LATCH的输出ENL和CLK信号相与（ENCLK）作为register bank的时钟信号。如果使能信号EN为高电平，当CLK为低时，LATCH将输出EN的高电平，并在CLK为高时，锁定高电平输出，得到ENCLK，显然ENCLK的toggle rate要低于CLK，register bank只在ENCLK的上升沿进行新的数据输出，在其他时候保持原先的DATA OUT。
从电路结构进行对比，对于一组register bank（n个register cell）而言只需增加一个clock gating cell，可以减少n个二路选择器，节省了面积和功耗。从时序分析而言，插入clock gating cell之后的register bank ENCLK的toggle rate明显减少，同时LATCH cell的引入抑制了EN信号对register bank的干扰，防止误触发。所以从面积/功耗/噪声干扰方面而言，clock gating技术都具有明显优势。
对于日益复杂的时序集成电路，可以根据design的结构特点，以前面所述的基本clock gating 技术为基础实现多种复杂有效的clock gating 技术，包括模块级别（module level）clock gating，增强型（enhanced）clock gating以及多级型和层次型clock gating技术。模块级别的clock gating技术是在design中搜寻具备clock gating条件的各个模块，当模块有同步控制使能信号和共同CLK时，将这些模块分别进行clock gating，而模块内部的register bank仍可以再进行独立的clock gating，也就是说模块级别clock gating技术是可以和基本的register bank clock gating同时使用。如果register bank只有2bit的register，常规基本的clock gating技术是不适用的，增强型和多级型clock gating都是通过提取各组register bank的共同使能信号，而每组register bank有各自的使能信号来实现降低toggle rate。而层次型clock gating技术是在不同模块间搜寻具备可以clock gating的register ，也即提取不同模块之间的共同使能信号和相关的CLK。
图1没有clock gating的register bank实现电路 图2 基于latch的clock gating 电路
综上所述，clock gating技术在超大规模集成电路的运用可以明显改善寄存器时钟的toggle rate 和减少芯片面积，从而实现芯片功耗和成本的降低。实际设计过程中，需要根据芯片电路的结构特点来选择，针对不同的电路结果选择合适的clock gating技术会实现不同效果。
参考文献
[1]L.Benini. P.Siegel， G.De Micheli “Automated synthesis of gated clocks for power reduction in Sequential circuits”， IEEE design and Test， winter 1994 pp.32-41.
[2]Power Compiler User Guide： Synopsys， Inc.， Y-2006.06， June 2006.
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1、第一代（1946~1957年）电子管时代。物理器件。
2、第二代（1958~1964年）晶体管的时代（出内现高级语言容）。
3、第三代（1965~1970年）中小规模集成电路时代（操作系统成熟）。
4、第四代（1971至今）大规模、超大规模集成电路（出现网络，使用面日益广泛）。
（来源：文章屋网 ）
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【关键词】现代；计算机技术；发展；方向；趋势
0引言
计算机是我们工作生活中一个比较常见的物品，又被人们习惯性地称为“电脑”，它不仅被应用于高速数据跟逻辑的运算，而且具备强大的存储与修改功能，是一种现代化的智能电子设备。计算机有两部分主体结构，一部分是硬件系统，另一部分是软件系统，共同保障计算机的正常运转。伴随着科技水平的不断提升，计算机技术也在随之发展，计算机作为一个综合型的生活办公工具应用到人们生活工作中的同时，其发展备受人们的关注，相关行业人员也在致力于计算机的发展研究过程中，计算机技术的发展已经逐渐走上了一个越来越成熟的轨道。但是，当前计算机技术的发展也受到了一定的阻碍，人们过于关注对计算机娱乐方面的应用，比如聊天、网络购物等内容，却忽视了现代计算机技术的发展与创新，甚至不了解。本文将带领大家一起去了解一下现代计算机技术的发展历程以及未来的发展动向。
1计算机的发展历程
世界上第一台计算机出现在1946年2月，埃克特和莫克利这两位美国的发明家在美国的宾夕法尼亚大学共同将它研制出来。世界上第一台计算机的问世开启了人类社会发展的新篇章，让社会发展迈出了一大步，开启了人们的新生活，带领人们进入了信息革命时期。世界上第一台计算机跟我们现在的计算机外形差距较大，那台计算机有好几间房子一样大，但是它的计算速度却并没有高于我们现在使用的微型计算机。从世界上第一台计算机问世到现在我们使用的计算机，无数的计算机研发人员一直在努力，尤其是科学家冯诺依曼在计算机技术的发展进程中发挥了重要的作用，被后人称为“现代计算机之父”。冯诺依曼开启了计算机发展的新时代，带动了广大科研人员对计算机技术的研究。随着时间的推移，计算机的发展可以分为四代：
1.1电子计算机
电子计算机时代是计算机发展的第一个时代，从1946年开始，到1957年结束。电子计算机与世界上第一台计算机有些类似，电子元件是计算机的主要器件，电子计算机也因此得名。电子管具的体积比较大，但是存储的容量相对较小，因此电子计算机的耗电比较快，不具备稳定性。这类计算机一般应用于科学研究过程中，而且在电子计算机时代，计算机一般使用机器语言或者是汇编语言，并不具备系统软件。
1．2晶体管计算机
随着科学技术的不断发展，量子力学和固体物理能带论的不断呈现，开启了半导体器件的计算机时代，理论研究给半导体器件的发展奠定了理论基础，提供了实践的依据。早在20世纪50年代上下，点接触晶体管就被两位科学家研制出来。随着科学的发展，结型晶体管又相继问世。自此之后，晶体管的发展就步入一个相对成熟的轨道，成功的应用与计算机的发展过程汇总，让计算机的发展进入了第二个时代，也就是我们所说的晶体管计算机时代。晶体管计算机时代从1958年开始，结束于1964年。晶体管具有相对优势，它虽然体积较小，但是质量比较轻，而且工作的效率相对较高，散热比较少，损耗较低，对于电子管的效能发挥到了一定的程度，因此，二代计算机的体积在不断减少，但是使用的年限却在增加，这就为计算机的发展奠定了基础。除此之外，晶体管计算机的创新之处在于它拥有浮点算法这一新应用，对于计算机运算水平是一个大的提升，让计算机在数据处理以及工业控制方面有了更大的突破。
1．3中小规模集成电路计算机
随着晶体管的呈现，使得集成电路的发展更加顺畅。不久之后，科研人员开始着手于研究晶体管以及其他电学元件，以此来制作更加复杂高端精密的集成电路。在1959年，有位著名的发明学家叫做罗伯特罗伊斯，他发明的集成电路更加复杂化，是通过平面工艺生产出来的，可以应用于商业领域。从那之后，计算机开始利用中小规模集成电路来进行技术发展，也就随之进入了第三个计算机时代，被人们称为中小规模集成电路计算机时代。中小规模集成电路计算机时代与之前存在的两个计算机时代相比，又有所不同，中小规模集成电路计算机的中心部分仍旧是存储器，但是计算机的体积开始不断减小，与此同时，计算机的能耗在不断降低，但是运算的速度以及可靠的程度却又在不断提升过程中。除此之外，中小规模集成电路计算机的外部设备得到完善与更新，它的功能组件强化，不仅可以应用于数据处理，还能够在企业管理、辅助设计、辅助制造跟自动控制领域进行充分的应用。
1．4大规模和超大规模集成电路计算机
伴随着我国经济水平的提升，工业制造水平也在逐步提升，集成电路的技术有了新的发展。摩尔定律表明，当价格不变的时候，集成电路上能够容纳的晶体管数目，每隔18个月就能够增加一倍，在这个过程中，它的性能水平也在提升，计算机的发展进入了一个全新的时代，被人们称为大规模和超大规模集成电路计算机时代。自从1970年之后，以大规模集成电路和超大规模集成电路为标志的计算机开启了第四个全新的计算机时代。升级发展之后的第四代计算机的性能有了明显的优势，存储的容量明显得到了提升，在一个一厘米的圆形芯片上可以容纳上百万的电子元件。在这一时期，第四代计算机时代呈现出一个关键性的分化，大规模、超大规模集成电路为依托不断发展起来的微处理器以及微型计算机。微型计算机的发展可以大致分为四个阶段。第一个阶段是1971年到1973年，微处理器主要有三种，分别为4004、4040以及8008这个类型。第二个阶段是1973年到1977年，这一个时间段是微型计算机的发展以及创新的时期。第三个阶段是从1978年开始到1983年结束，在这一时间段里，是十六位微型计算机的发展阶段。第四个阶段从1983年开始，也是三十二位微型计算机的发展阶段。
2计算机技术的新发展方向与趋势
时代在不断变革和发展，大规模和超大规模集成电路计算机也处在一个时刻发展与创新的过程中，但是随着经济水平以及科技水平的提升，现代各个领域的发展也随之进行着，无论是生物领域还是物理领域，以及一些新材料的出现，都为新型计算机的发展奠定着前提条件。一系列新型计算机已经在酝酿发展的过程中，比如生物计算机、量子计算机、光子计算机以及纳米计算机等。或者这些新型计算机的发展还未成型或者技术发展没有十分成熟，但是它们的呈现代表着计算机技术发展的新方向与新趋势。
2.1生物计算机
生物计算机是一种全新的计算机类型，还有一个别名叫做仿生计算机，它的创新之处在于使用了生物芯片替代了原本半导体上大量晶体管。生物计算机主要通过生物工程技术所出现的蛋白质分子来作为主要的原料以及生物芯片，所以被叫做生物计算机。脱氧核糖核苷酸上存在着一些遗传信息，它是一种双螺旋结构，因此，它具有强大的存储优势，而且运算能力非常强大，与传统硅片相比更是略胜一筹。数据显示，一毫克的DNA的存储能力与一万片的光碟片差不多大容量。除此之外，DNA还具有超能力，能够同时进行兆个运算指令。这一系列的优势因素都给生物计算机的成熟发展奠定了基础，让它具备了集成电路所没有的优势，大致可以归结于五点。第一点，生物计算机的体积比较小，但是容量却比较大。第二，生物计算机具有良好的可靠性，这主要得益于计算机的内部芯片，一旦出现问题，这个内部芯片可以自行进行恢复。第三，生物计算机的存储量比较大，有关数据显示，一立方米的生物大分子溶液里大约可以存储一万亿的二进制数据。第四，生物计算机的运算速度比较快，这主要得益于DNA能够同时处理兆个指令的特别优势。第五，生物计算机具有良好的并行性。跟过去的计算机不同的是，生物计算机得益于DNA与蛋白质，因此充分发挥并行功能。生物计算机以它独特的优势成为21世纪科学技术发展的一个重要工程，当前，生物计算机的发展方向主要有两个，一个是研制有机分子元件，利用它来替换半导体元件，为分子计算机的出现提供帮助。另一个是通过不断探究人脑结构跟思维规律来研究生物计算机的结构，为生物计算机的成熟呈现奠定基础。
2．2量子计算机
量子计算机也是新型计算机技术发展的产物，它是建立在量子力学规律以及依托量子效应和量子比特而进行的超速运算、强大存储的一种新型计算机装置。假如这个装置处理和运算时使用的是量子信息，那么在进行量子算法的时候，就是所谓的量子计算机。量子计算机与一般计算机的一个不同之处在于它不仅能够使用0和1进行存储，还能够用粒子的量子叠加来进行存储信息的汇总。有关数据显示，一个四十位元的量子计算机可以解开一千零二十四位的集成电路计算机需要花费几十年才能够解决的问题。量子计算机的运算速度令人惊叹。到现在为止，全球还没有呈现出一个成熟意义上的量子计算机，不同国家和地区的科研人员仍然没有放弃努力，致力于对量子计算机的研究过程中，呈现出许多跟量子计算机相关的科学方案以及科学假设。在实际研究过程中，这一系列的科学方案仍然存在着一些不成熟的地方，但是伴随着时代的进步，相信量子计算机终究会被攻克，完美地呈现在人们的生活中。
2．3光子计算机
科学技术的发展带动着光学的发展，科研人员开始着手用光子来替代电子，光运算开始慢慢取代电运算，一系列的光学元件开始取代电子元件与电子设备，不断应用于电子计算机的发展过程中。光子计算机主要是运用光信号进行数字运算、逻辑测算以及信息的存储处理等的新型计算机，主要的优势可以归纳为三个方面：第一，强可靠性，光子没有电荷，所以就不存在电磁相互作用，具有较强的可靠性。第二，光子计算机的运算速度极高，光子的并行性比较强，因此具有较强的处理能力，加上光子传播速度很快，进一步提升了光子计算机的运算速度。第三具有超大的存储容量，光子互联不受到电磁的干扰，因此具有较高的互联密度。
2．4纳米计算机
纳米材料作为一种新型的高科技材料，在薄膜晶体管中的应用解放了传统意义上的晶体管。纳米计算机解决了一些顽固的技术难题，与此同时，由于纳米材料研发的芯片具有更低的生产成本，因此，纳米计算机的发展前景更加乐观。作为21世纪科学技术发展的一个重要方向，相信随着科研人员的不断探索与发现，纳米计算机技术一定可以随着时间的推移走进我们老百姓的生活中，帮助我们解决日常生活中的一系列问题。
3总结
时代在不断发展，科学技术水平也在不断提升。社会的进步和发展对于现代计算机技术的发展要求越来越高，计算机作为人们工作生活中一个必不可少的辅助用品，必将走在不断发展的路上，微型、智能、多功能发展，生物计算机、量子计算机、光子计算机以及纳米计算机等一系列新型计算机，作为现代计算机技术的一个发展方向与趋势一定可以破除各种技术阻碍，通过科研人员坚持不懈的努力成为老百姓生活中的一部分，为美好生活的构建增添色彩。
【参考文献】
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超大规模集成电路范文4
关键词：计算机；发展趋势
1 研究目的与方法
通过网络、书籍调查资料，结合科幻影视作品和小说，从科学的角度预测分析未来计算机的发展趋势。
2 研究结果
2.1 未来计算机将有更高的性能
看计算机的发展过程，历经电子管计算机、晶体管计算机、大规模集成电路计算机、超大规模集成电路计算机4个发展阶段。受工艺的限制，大规模超大规模的集成电路不可能无限集成，因此集成电路的开发已经濒临极限。由于目前计算机硬件用的几乎都是半导体集成电路，以半导体材料生产集成电路或超大规模集成电路的工艺以及技术越来越接近其物理极限，在不远的将来，计算机的性能也将接近物理极限。
2.2 未来计算机将有更广的应用
⑴普适计算将无处不在。所谓普适计算指的是，无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式；无论何时何地，只要需要，就可以通过某种设备访问到所需的信息，普适计算强调把计算机嵌入到环境或日常工具中。
⑵电子娱乐。目前，不少娱乐公司已经开始在网上播放电影和电视节目，并打造数字家庭。
⑶生物识别技术。生物识别技术被广泛应用鉴于反计算机黑客、反病毒、网络过滤及识别盗贼等技术存在的问题，生物识别技术为其提供了可能的解决方案。指纹、虹膜、声音和面部特征等识别技术已经开始用于政府和公司的身份认证系统。
⑷精确农业。精确农业是指以计算机、全球定位系统（GPS）等信息技术控制的农业灌溉、播种、施肥和治虫以及水土保持等工作。鉴于精确农业具有可降低化学品使用量、保证农作物高产和环保等特点，预计精确农业技术将在未来10年内在国内得到广泛应用。
⑸远程医疗。常规检查将轻而易举，医药行业是最早被装备先进信息技术产品的行业。性能更好的信息技术产品将显著地降低医疗工作成本。专家预计，这些技术将在2015年形成气候，将显著降低数十亿美元的医疗费用，极大改善医疗保健，提供更便捷的医疗服务。
⑹纳米技术。纳米技术逐步形成规模在纳米级别上的科学研究与开发成果，使人类越来越有信心掌控微观世界，制造出功能更强的计算机和更有效的医疗手段。目前，已有数十亿美元的资金用于纳米技术及其产品的研发。专家预计，纳米技术的应用将在2015年左右形成规模，纳米技术的潜在市场将达兆亿级水平。
⑺机器人。机器人将落户寻常百姓家包括能与人交谈、从事更为艰苦工作等智能化机器人，正被加速开发。随着计算机技术以及仿真技术等发展，微型机器人不久将成为人类既经济又方便的助手。目前，日本和韩国已经出售了上百万的微型机器人，用于工业界、家庭事务、医疗保健、军事和休闲业。专家预计，机器人最早将于2020年被大规模采用。
⑻人造器官。人体诸多器官现在都可以用仿真器官来代替，包括人造皮肤、骨头、耳蜗、血管、心脏等。利用计算机芯片、微型机械、组织工程和其他新技术，仿生器官不久可以涵盖到整个人体。目前，利用芯片，人造胳膊和大腿可以与人神经系统相连，借助于传感器可以有触觉。专家预计，2017年到2027年，人造器官可以替代人体主要器官。
⑼智能交通。智能化高速公路将成为风景线，鉴于没完没了的交通拥堵现象，智能化高速公路以其更低的成本、更快的速度、更高的安全性被普遍看好。有关计算机模型显示，智能化公路将使目前高速公路通畅能力提高2―3倍，而每英里的成本不到1万美元。目前新的高速公路造价是每英里100万到1亿美元。智能车将装配无线通讯和传感器等设施，将使行驶车辆的速度、方向和刹车得以自动化控制。目前通用汽车公司已经成功测试了无人驾驶的速度为每小时112公里的智能车。预计，2020年―2030年期间，30%的高速公路将采用智能化公路。
2.3 未来计算机将有更深的智能
⑴人机交互。人类自然形成的与自然界沟通的认知习惯和形式必定是人机交互的发展方向，研究者们也正在努力让未来的计算机能听、能看、能说、能感觉。
⑵机器学习。机器学习是研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。它是人工智能的核心，是使计算机具有智能的根本途径，其应用遍及人工智能的各个领域。
⑶自然语言理解。自然语言理解就是要让计算机能够听懂人们说的话。自然语言理解技术的突破不光可以应用在计算机人机语音对话中，它的更大应用将是人工智能中的一个具有更大意义的领域──机器翻译。
⑷机器视觉。机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。特点是提高生产的柔性和自动化程度，而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。
[参考文献]
[1]邱志明.探索计算机科学与技术的发展趋势[J].黑龙江科技信息，2011年16期.
超大规模集成电路范文5
关键词:节能;减排;功率半导体
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。
功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。
随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。
目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。
2需求分析
消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。
根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。
在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。
总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。
3功率半导体技术发展趋势
四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。
从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。
在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。
1) 功率半导体(分立)器件
功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。
在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。
功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。
2) 功率集成电路(PIC)
功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。
3)功率系统集成
功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。
4我国功率半导体发展现状、
问题及发展建议
在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。
由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。
笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。
设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。
我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。
5结束语
总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。
我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线,拥有国际上最大规模的人才培养能力,但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和培养,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
超大规模集成电路范文6
关键词：集成电路 直流电阻检测法 总电流测量法 对地交、直流电压测量法
中图分类号：TN407 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）08-0208-01
1 集成电路的特点及分类
集成电路时在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管、电阻、电容等元件，并连接成能完成特定电子技术功能的电子线路。从外观上看，它已成为一个不可分割的完整的电子器件。
集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。
集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。
集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路。
2 集成电路的检测
集成电路常用的检测方法有在线测量法和非在线测量法（裸式测量法）。
在线测量法是通过万用表检测集成电路在路（在电路中）直流电阻，对地交、直流电压及工作电流是否正常，以判断该集成电路是否损坏。这种方法是检测集成电路最常用和实用的方法。
非在线测量法是在集成电路未接人电路时，用万用表测量接地引脚与集成电路各引脚之间对应的正、反向直流电阻值，然后将测量数值与已知的同型号正常集成电路各引脚的直流电阻值相比较，来确定它是否正常。非在线测量法测量一般把红表笔接地、黑表笔测量定义为正向电阻测量；把黑表笔接地、红表笔测量定义为反向电阻测量，选用的是指针式万用表，这也是行业中的俗定。下面介绍几种常用的检测方法。
2.1 直流电阻检测法
直流电阻检测法适用于非在线集成电路的测试。直流电阻检测法是一种用万用表直接测量元件和集成电路各引脚之间的正、反向直流电阻值，并将测量数据与正常数据相比较，来判断是否有故障的一种方法。
直流电阻测试法实际上是一个元器件的质量比较法。首先用万用表的欧姆档测试质量完好的单个集成电路各引脚对其接地端的阻值并做好记录，然后测试待测单个集成电路各引脚对其接地端的阻值，将测试结果进行比较，来判断被测集成电路的好坏。
当集成电路工作失效后，各引脚电阻值会发生变化，如阻值变大或者变小等。“鼎足检测法”要查出这些变化，根据这些变化判断故障部位，具体方法如下。
（1）通过查找相关资料，找出集成电路各引脚对地电阻值。
（2）将万用表置于相应的欧姆档，测量待测集成电路每个引脚与接地引脚之间的阻值，并与标准阻值进行比较。当所测对地电阻值与标准阻值基本相符时表示被测集成电路正常；如果出现某引脚或全部引脚对地电阻值与标准阻值相差太大时，即可认为被测集成电路已经损坏。
在路测量时，测量直流电阻之前要先断开电源，以免测试时损坏万用表。
2.2 总电流测量法
该法是通过检测集成电路电源进线的总电流，来判断集成电路好坏的一种方法。由于被测集成电路内部绝大多数为直接耦合，所以当被测集成电路出现损坏时（如某一个PN结击穿或开路），会引起后级饱和与截止，使总电流发生变化。所以通过测量总电流的方法可以判断集成电路的好坏。也可测量电源通路中电阻的电压降，用欧姆定律计算出总电流。
2.3 对地交、直流电压测量法
这是一种在通电情况下，用万用表直流电压挡对直流供电电压、元件的工作电压进行测量，检测集成电路各引脚对地直流电压值，并与正常值相比较，进而压缩故障范围，找出损坏元件的测量方法。
对于输出交流信号的输出端，此时不能用直流电压法来判断，要用交流电压法来判断。检测交流电压时要把万用表置于“交流档”，然后检测该脚对电路“地”的交流电压。如果电压异常，则可断开引脚连线，测量接线端电压，以判断电压变化是由元件引起的，还是由集成电路引起的。
对于一些多引脚的集成电路，不必检测每一个引脚的电压，只要检测几个关键引脚的电压值即可大致判断故障位置。开关电源集成电路的关键是电源脚VCC、激励脉冲输出脚VOUT、电压检测输人脚和电流检测输人端IL。
