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超大規模集成電路范文1
關鍵詞：動態功耗 時鐘樹 clock gating技術
中圖分類號：TP752 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）09-0000-00
隨著半導體工業的發展和工藝的深入，VLSI（超大規模集成電路）設計正迅速地向著規模越來越大，工作頻率越來越高方向發展。顯而易見，規模的增大和頻率的提高勢必將產生更大芯片的功耗，這對芯片封裝，冷卻以及可靠性都將提出更高要求和挑戰，增加更多的成本來維護這些由功耗所引起的問題。而在便攜式設備領域，如智能手機、手提電腦等現在智能生活的必需品對芯片功耗的要求更為嚴格和迫切。
由于時鐘樹工作在高頻狀態，隨著芯片規模增大，時鐘樹規模也迅速增大，通過集成clock gating電路降低時鐘樹功耗是目前時序數字電路系統設計時節省功耗最有效的處理方法。
Clock gating的集成可以在RTL設計階段實現，也可以在綜合階段用工具進行自動插入。由于利用綜合工具在RTL轉換成門級網表時自動插入clock gating的方法簡單高效，對RTL無需進行改動，是目前廣為采用的clock gating 集成方法。
本文將詳細介紹clock gating的基本原理以及適用的各種clock gating策略，在實際設計中，應根據設計的特點來選擇合適的clock gating，從而實現面積和功耗的優化。
綜合工具在對design自動插入clock gating是需要滿足一定條件的：寄存器組（register bank）使用相同的clock信號以及相同的同步使能信號，這里所說的同步使能信號包括同步set/reset或者同步load enable等。圖1即為沒有應用clock gating技術的一組register bank門級電路，這組register bank有相同的CLK作為clock信號，EN作為同步使能信號，當EN為0時，register的輸出通過選擇器反饋給其輸入端保持數據有效，只有當EN為1時，register才會輸入新的DATA IN。可以看出，即使在EN為0時，register bank的數據處于保持狀態，但由于clk一直存在，clk tree上的buffer以及register一直在耗電，同時選擇電路也會產生功耗。
綜合工具如果使用clock gating 技術，那么對應的RTL綜合所得的門級網表電路將如圖2所示。圖中增加了由LATCH和AND所組成的clock gating cell，LATCH的LD輸入端為register bank的使能信號，LG端（即為LATCH的時鐘電平端）為CLK的反，LATCH的輸出ENL和CLK信號相與（ENCLK）作為register bank的時鐘信號。如果使能信號EN為高電平，當CLK為低時，LATCH將輸出EN的高電平，并在CLK為高時，鎖定高電平輸出，得到ENCLK，顯然ENCLK的toggle rate要低于CLK，register bank只在ENCLK的上升沿進行新的數據輸出，在其他時候保持原先的DATA OUT。
從電路結構進行對比，對于一組register bank（n個register cell）而言只需增加一個clock gating cell，可以減少n個二路選擇器，節省了面積和功耗。從時序分析而言，插入clock gating cell之后的register bank ENCLK的toggle rate明顯減少，同時LATCH cell的引入抑制了EN信號對register bank的干擾，防止誤觸發。所以從面積/功耗/噪聲干擾方面而言，clock gating技術都具有明顯優勢。
對于日益復雜的時序集成電路，可以根據design的結構特點，以前面所述的基本clock gating 技術為基礎實現多種復雜有效的clock gating 技術，包括模塊級別（module level）clock gating，增強型（enhanced）clock gating以及多級型和層次型clock gating技術。模塊級別的clock gating技術是在design中搜尋具備clock gating條件的各個模塊，當模塊有同步控制使能信號和共同CLK時，將這些模塊分別進行clock gating，而模塊內部的register bank仍可以再進行獨立的clock gating，也就是說模塊級別clock gating技術是可以和基本的register bank clock gating同時使用。如果register bank只有2bit的register，常規基本的clock gating技術是不適用的，增強型和多級型clock gating都是通過提取各組register bank的共同使能信號，而每組register bank有各自的使能信號來實現降低toggle rate。而層次型clock gating技術是在不同模塊間搜尋具備可以clock gating的register ，也即提取不同模塊之間的共同使能信號和相關的CLK。
圖1沒有clock gating的register bank實現電路 圖2 基于latch的clock gating 電路
綜上所述，clock gating技術在超大規模集成電路的運用可以明顯改善寄存器時鐘的toggle rate 和減少芯片面積，從而實現芯片功耗和成本的降低。實際設計過程中，需要根據芯片電路的結構特點來選擇，針對不同的電路結果選擇合適的clock gating技術會實現不同效果。
參考文獻
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超大規模集成電路范文2
1、第一代（1946~1957年）電子管時代。物理器件。
2、第二代（1958~1964年）晶體管的時代（出內現高級語言容）。
3、第三代（1965~1970年）中小規模集成電路時代（操作系統成熟）。
4、第四代（1971至今）大規模、超大規模集成電路（出現網絡，使用面日益廣泛）。
（來源：文章屋網 ）
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【關鍵詞】現代；計算機技術；發展；方向；趨勢
0引言
計算機是我們工作生活中一個比較常見的物品，又被人們習慣性地稱為“電腦”，它不僅被應用于高速數據跟邏輯的運算，而且具備強大的存儲與修改功能，是一種現代化的智能電子設備。計算機有兩部分主體結構，一部分是硬件系統，另一部分是軟件系統，共同保障計算機的正常運轉。伴隨著科技水平的不斷提升，計算機技術也在隨之發展，計算機作為一個綜合型的生活辦公工具應用到人們生活工作中的同時，其發展備受人們的關注，相關行業人員也在致力于計算機的發展研究過程中，計算機技術的發展已經逐漸走上了一個越來越成熟的軌道。但是，當前計算機技術的發展也受到了一定的阻礙，人們過于關注對計算機娛樂方面的應用，比如聊天、網絡購物等內容，卻忽視了現代計算機技術的發展與創新，甚至不了解。本文將帶領大家一起去了解一下現代計算機技術的發展歷程以及未來的發展動向。
1計算機的發展歷程
世界上第一臺計算機出現在1946年2月，?？颂睾湍死@兩位美國的發明家在美國的賓夕法尼亞大學共同將它研制出來。世界上第一臺計算機的問世開啟了人類社會發展的新篇章，讓社會發展邁出了一大步，開啟了人們的新生活，帶領人們進入了信息革命時期。世界上第一臺計算機跟我們現在的計算機外形差距較大，那臺計算機有好幾間房子一樣大，但是它的計算速度卻并沒有高于我們現在使用的微型計算機。從世界上第一臺計算機問世到現在我們使用的計算機，無數的計算機研發人員一直在努力，尤其是科學家馮諾依曼在計算機技術的發展進程中發揮了重要的作用，被后人稱為“現代計算機之父”。馮諾依曼開啟了計算機發展的新時代，帶動了廣大科研人員對計算機技術的研究。隨著時間的推移，計算機的發展可以分為四代：
1.1電子計算機
電子計算機時代是計算機發展的第一個時代，從1946年開始，到1957年結束。電子計算機與世界上第一臺計算機有些類似，電子元件是計算機的主要器件，電子計算機也因此得名。電子管具的體積比較大，但是存儲的容量相對較小，因此電子計算機的耗電比較快，不具備穩定性。這類計算機一般應用于科學研究過程中，而且在電子計算機時代，計算機一般使用機器語言或者是匯編語言，并不具備系統軟件。
1．2晶體管計算機
隨著科學技術的不斷發展，量子力學和固體物理能帶論的不斷呈現，開啟了半導體器件的計算機時代，理論研究給半導體器件的發展奠定了理論基礎，提供了實踐的依據。早在20世紀50年代上下，點接觸晶體管就被兩位科學家研制出來。隨著科學的發展，結型晶體管又相繼問世。自此之后，晶體管的發展就步入一個相對成熟的軌道，成功的應用與計算機的發展過程匯總，讓計算機的發展進入了第二個時代，也就是我們所說的晶體管計算機時代。晶體管計算機時代從1958年開始，結束于1964年。晶體管具有相對優勢，它雖然體積較小，但是質量比較輕，而且工作的效率相對較高，散熱比較少，損耗較低，對于電子管的效能發揮到了一定的程度，因此，二代計算機的體積在不斷減少，但是使用的年限卻在增加，這就為計算機的發展奠定了基礎。除此之外，晶體管計算機的創新之處在于它擁有浮點算法這一新應用，對于計算機運算水平是一個大的提升，讓計算機在數據處理以及工業控制方面有了更大的突破。
1．3中小規模集成電路計算機
隨著晶體管的呈現，使得集成電路的發展更加順暢。不久之后，科研人員開始著手于研究晶體管以及其他電學元件，以此來制作更加復雜高端精密的集成電路。在1959年，有位著名的發明學家叫做羅伯特羅伊斯，他發明的集成電路更加復雜化，是通過平面工藝生產出來的，可以應用于商業領域。從那之后，計算機開始利用中小規模集成電路來進行技術發展，也就隨之進入了第三個計算機時代，被人們稱為中小規模集成電路計算機時代。中小規模集成電路計算機時代與之前存在的兩個計算機時代相比，又有所不同，中小規模集成電路計算機的中心部分仍舊是存儲器，但是計算機的體積開始不斷減小，與此同時，計算機的能耗在不斷降低，但是運算的速度以及可靠的程度卻又在不斷提升過程中。除此之外，中小規模集成電路計算機的外部設備得到完善與更新，它的功能組件強化，不僅可以應用于數據處理，還能夠在企業管理、輔助設計、輔助制造跟自動控制領域進行充分的應用。
1．4大規模和超大規模集成電路計算機
伴隨著我國經濟水平的提升，工業制造水平也在逐步提升，集成電路的技術有了新的發展。摩爾定律表明，當價格不變的時候，集成電路上能夠容納的晶體管數目，每隔18個月就能夠增加一倍，在這個過程中，它的性能水平也在提升，計算機的發展進入了一個全新的時代，被人們稱為大規模和超大規模集成電路計算機時代。自從1970年之后，以大規模集成電路和超大規模集成電路為標志的計算機開啟了第四個全新的計算機時代。升級發展之后的第四代計算機的性能有了明顯的優勢，存儲的容量明顯得到了提升，在一個一厘米的圓形芯片上可以容納上百萬的電子元件。在這一時期，第四代計算機時代呈現出一個關鍵性的分化，大規模、超大規模集成電路為依托不斷發展起來的微處理器以及微型計算機。微型計算機的發展可以大致分為四個階段。第一個階段是1971年到1973年，微處理器主要有三種，分別為4004、4040以及8008這個類型。第二個階段是1973年到1977年，這一個時間段是微型計算機的發展以及創新的時期。第三個階段是從1978年開始到1983年結束，在這一時間段里，是十六位微型計算機的發展階段。第四個階段從1983年開始，也是三十二位微型計算機的發展階段。
2計算機技術的新發展方向與趨勢
時代在不斷變革和發展，大規模和超大規模集成電路計算機也處在一個時刻發展與創新的過程中，但是隨著經濟水平以及科技水平的提升，現代各個領域的發展也隨之進行著，無論是生物領域還是物理領域，以及一些新材料的出現，都為新型計算機的發展奠定著前提條件。一系列新型計算機已經在醞釀發展的過程中，比如生物計算機、量子計算機、光子計算機以及納米計算機等?；蛘哌@些新型計算機的發展還未成型或者技術發展沒有十分成熟，但是它們的呈現代表著計算機技術發展的新方向與新趨勢。
2.1生物計算機
生物計算機是一種全新的計算機類型，還有一個別名叫做仿生計算機，它的創新之處在于使用了生物芯片替代了原本半導體上大量晶體管。生物計算機主要通過生物工程技術所出現的蛋白質分子來作為主要的原料以及生物芯片，所以被叫做生物計算機。脫氧核糖核苷酸上存在著一些遺傳信息，它是一種雙螺旋結構，因此，它具有強大的存儲優勢，而且運算能力非常強大，與傳統硅片相比更是略勝一籌。數據顯示，一毫克的DNA的存儲能力與一萬片的光碟片差不多大容量。除此之外，DNA還具有超能力，能夠同時進行兆個運算指令。這一系列的優勢因素都給生物計算機的成熟發展奠定了基礎，讓它具備了集成電路所沒有的優勢，大致可以歸結于五點。第一點，生物計算機的體積比較小，但是容量卻比較大。第二，生物計算機具有良好的可靠性，這主要得益于計算機的內部芯片，一旦出現問題，這個內部芯片可以自行進行恢復。第三，生物計算機的存儲量比較大，有關數據顯示，一立方米的生物大分子溶液里大約可以存儲一萬億的二進制數據。第四，生物計算機的運算速度比較快，這主要得益于DNA能夠同時處理兆個指令的特別優勢。第五，生物計算機具有良好的并行性。跟過去的計算機不同的是，生物計算機得益于DNA與蛋白質，因此充分發揮并行功能。生物計算機以它獨特的優勢成為21世紀科學技術發展的一個重要工程，當前，生物計算機的發展方向主要有兩個，一個是研制有機分子元件，利用它來替換半導體元件，為分子計算機的出現提供幫助。另一個是通過不斷探究人腦結構跟思維規律來研究生物計算機的結構，為生物計算機的成熟呈現奠定基礎。
2．2量子計算機
量子計算機也是新型計算機技術發展的產物，它是建立在量子力學規律以及依托量子效應和量子比特而進行的超速運算、強大存儲的一種新型計算機裝置。假如這個裝置處理和運算時使用的是量子信息，那么在進行量子算法的時候，就是所謂的量子計算機。量子計算機與一般計算機的一個不同之處在于它不僅能夠使用0和1進行存儲，還能夠用粒子的量子疊加來進行存儲信息的匯總。有關數據顯示，一個四十位元的量子計算機可以解開一千零二十四位的集成電路計算機需要花費幾十年才能夠解決的問題。量子計算機的運算速度令人驚嘆。到現在為止，全球還沒有呈現出一個成熟意義上的量子計算機，不同國家和地區的科研人員仍然沒有放棄努力，致力于對量子計算機的研究過程中，呈現出許多跟量子計算機相關的科學方案以及科學假設。在實際研究過程中，這一系列的科學方案仍然存在著一些不成熟的地方，但是伴隨著時代的進步，相信量子計算機終究會被攻克，完美地呈現在人們的生活中。
2．3光子計算機
科學技術的發展帶動著光學的發展，科研人員開始著手用光子來替代電子，光運算開始慢慢取代電運算，一系列的光學元件開始取代電子元件與電子設備，不斷應用于電子計算機的發展過程中。光子計算機主要是運用光信號進行數字運算、邏輯測算以及信息的存儲處理等的新型計算機，主要的優勢可以歸納為三個方面：第一，強可靠性，光子沒有電荷，所以就不存在電磁相互作用，具有較強的可靠性。第二，光子計算機的運算速度極高，光子的并行性比較強，因此具有較強的處理能力，加上光子傳播速度很快，進一步提升了光子計算機的運算速度。第三具有超大的存儲容量，光子互聯不受到電磁的干擾，因此具有較高的互聯密度。
2．4納米計算機
納米材料作為一種新型的高科技材料，在薄膜晶體管中的應用解放了傳統意義上的晶體管。納米計算機解決了一些頑固的技術難題，與此同時，由于納米材料研發的芯片具有更低的生產成本，因此，納米計算機的發展前景更加樂觀。作為21世紀科學技術發展的一個重要方向，相信隨著科研人員的不斷探索與發現，納米計算機技術一定可以隨著時間的推移走進我們老百姓的生活中，幫助我們解決日常生活中的一系列問題。
3總結
時代在不斷發展，科學技術水平也在不斷提升。社會的進步和發展對于現代計算機技術的發展要求越來越高，計算機作為人們工作生活中一個必不可少的輔助用品，必將走在不斷發展的路上，微型、智能、多功能發展，生物計算機、量子計算機、光子計算機以及納米計算機等一系列新型計算機，作為現代計算機技術的一個發展方向與趨勢一定可以破除各種技術阻礙，通過科研人員堅持不懈的努力成為老百姓生活中的一部分，為美好生活的構建增添色彩。
【參考文獻】
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關鍵詞：計算機；發展趨勢
1 研究目的與方法
通過網絡、書籍調查資料，結合科幻影視作品和小說，從科學的角度預測分析未來計算機的發展趨勢。
2 研究結果
2.1 未來計算機將有更高的性能
看計算機的發展過程，歷經電子管計算機、晶體管計算機、大規模集成電路計算機、超大規模集成電路計算機4個發展階段。受工藝的限制，大規模超大規模的集成電路不可能無限集成，因此集成電路的開發已經瀕臨極限。由于目前計算機硬件用的幾乎都是半導體集成電路，以半導體材料生產集成電路或超大規模集成電路的工藝以及技術越來越接近其物理極限，在不遠的將來，計算機的性能也將接近物理極限。
2.2 未來計算機將有更廣的應用
⑴普適計算將無處不在。所謂普適計算指的是，無所不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式；無論何時何地，只要需要，就可以通過某種設備訪問到所需的信息，普適計算強調把計算機嵌入到環境或日常工具中。
⑵電子娛樂。目前，不少娛樂公司已經開始在網上播放電影和電視節目，并打造數字家庭。
⑶生物識別技術。生物識別技術被廣泛應用鑒于反計算機黑客、反病毒、網絡過濾及識別盜賊等技術存在的問題，生物識別技術為其提供了可能的解決方案。指紋、虹膜、聲音和面部特征等識別技術已經開始用于政府和公司的身份認證系統。
⑷精確農業。精確農業是指以計算機、全球定位系統（GPS）等信息技術控制的農業灌溉、播種、施肥和治蟲以及水土保持等工作。鑒于精確農業具有可降低化學品使用量、保證農作物高產和環保等特點，預計精確農業技術將在未來10年內在國內得到廣泛應用。
⑸遠程醫療。常規檢查將輕而易舉，醫藥行業是最早被裝備先進信息技術產品的行業。性能更好的信息技術產品將顯著地降低醫療工作成本。專家預計，這些技術將在2015年形成氣候，將顯著降低數十億美元的醫療費用，極大改善醫療保健，提供更便捷的醫療服務。
⑹納米技術。納米技術逐步形成規模在納米級別上的科學研究與開發成果，使人類越來越有信心掌控微觀世界，制造出功能更強的計算機和更有效的醫療手段。目前，已有數十億美元的資金用于納米技術及其產品的研發。專家預計，納米技術的應用將在2015年左右形成規模，納米技術的潛在市場將達兆億級水平。
⑺機器人。機器人將落戶尋常百姓家包括能與人交談、從事更為艱苦工作等智能化機器人，正被加速開發。隨著計算機技術以及仿真技術等發展，微型機器人不久將成為人類既經濟又方便的助手。目前，日本和韓國已經出售了上百萬的微型機器人，用于工業界、家庭事務、醫療保健、軍事和休閑業。專家預計，機器人最早將于2020年被大規模采用。
⑻人造器官。人體諸多器官現在都可以用仿真器官來代替，包括人造皮膚、骨頭、耳蝸、血管、心臟等。利用計算機芯片、微型機械、組織工程和其他新技術，仿生器官不久可以涵蓋到整個人體。目前，利用芯片，人造胳膊和大腿可以與人神經系統相連，借助于傳感器可以有觸覺。專家預計，2017年到2027年，人造器官可以替代人體主要器官。
⑼智能交通。智能化高速公路將成為風景線，鑒于沒完沒了的交通擁堵現象，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。有關計算機模型顯示，智能化公路將使目前高速公路通暢能力提高2―3倍，而每英里的成本不到1萬美元。目前新的高速公路造價是每英里100萬到1億美元。智能車將裝配無線通訊和傳感器等設施，將使行駛車輛的速度、方向和剎車得以自動化控制。目前通用汽車公司已經成功測試了無人駕駛的速度為每小時112公里的智能車。預計，2020年―2030年期間，30%的高速公路將采用智能化公路。
2.3 未來計算機將有更深的智能
⑴人機交互。人類自然形成的與自然界溝通的認知習慣和形式必定是人機交互的發展方向，研究者們也正在努力讓未來的計算機能聽、能看、能說、能感覺。
⑵機器學習。機器學習是研究計算機怎樣模擬或實現人類的學習行為，以獲取新的知識或技能，重新組織已有的知識結構使之不斷改善自身的性能。它是人工智能的核心，是使計算機具有智能的根本途徑，其應用遍及人工智能的各個領域。
⑶自然語言理解。自然語言理解就是要讓計算機能夠聽懂人們說的話。自然語言理解技術的突破不光可以應用在計算機人機語音對話中，它的更大應用將是人工智能中的一個具有更大意義的領域──機器翻譯。
⑷機器視覺。機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。特點是提高生產的柔性和自動化程度，而且機器視覺易于實現信息集成，是實現計算機集成制造的基礎技術。
[參考文獻]
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關鍵詞:節能;減排;功率半導體
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
功率半導體芯片包括功率二極管、功率開關器件與功率集成電路。近年來,隨著功率MOS技術的迅速發展,功率半導體的應用范圍已從傳統的工業控制擴展到4C產業(計算機、通信、消費類電子產品和汽車電子),滲透到國民經濟與國防建設的各個領域。
功率半導體器件是進行電能處理的半導體產品。在可預見的將來,電能將一直是人類消耗的最大能源,從手機、電視、洗衣機、到高速列車,均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風電,甚至各種電池提供的化學電能,大部分均無法直接使用,75%以上的電能應用需由功率半導體進行變換以后才能供設備使用。每個電子產品均離不開功率半導體器件。使用功率半導體的目的是使用電能更高效、更節能、更環保并給使用者提供更多的方便。如通過變頻來調速,使變頻空調在節能70%的同時,更安靜、讓人更舒適。手機的功能越來越多,同時更加輕巧,很大程度上得益于超大規模集成電路的發展和功率半導體的進步。同時,人們希望一次充電后有更長的使用時間,在電池沒有革命性進步以前,需要更高性能的功率半導體器件進行高效的電源管理。正是由于功率半導體能將 ‘粗電’變為‘精電’,因此它是節能減排的基礎技術和核心技術。
隨著綠色環保在國際上的確立與推進,功率半導體的發展應用前景更加廣闊。據國際權威機構預測,2011年功率半導體在中國市場的銷售量將占全球的50%,接近200億美元。與微處理器、存儲器等數字集成半導體相比,功率半導體不追求特征尺寸的快速縮小,它的產品壽命周期可為幾年甚至十幾年。同時,功率半導體也不要求最先進的生產工藝,其生產線成本遠低于Moore定律制約下的超大規模集成電路。因此,功率半導體非常適合我國的產業現狀以及我國能源緊張和構建和諧社會的國情。
目前,國內功率半導體高端產品與國際大公司相比還存在很大差距,高端器件的進口替代才剛剛開始。因此國內半導體企業在提升工藝水平的同時,應不斷提高國內功率半導體技術的創新力度和產品性能,以滿足高端市場的需求,促進功率半導體市場的健康發展以及國內電子信息產業的技術進步與產業升級。
2需求分析
消費電子、工業控制、照明等傳統領域市場需求的穩定增長,以及汽車電子產品逐漸增加,通信和電子玩具市場的火爆,都使功率半導體市場繼續保持穩步的增長速度。同時,高效節能、保護環境已成為當今全世界的共識,提高效率與減小待機功耗已成為消費電子與家電產品的兩個非常關鍵的指標。中國目前已經開始針對某些產品提出能效要求,對冰箱、空調、洗衣機等產品進行了能效標識,這些提高能效的要求又成為功率半導體迅速發展的另一個重要驅動力。
根據CCID的統計,從2004年到2008年,中國功率器件市場復合增長率達到17.0%,2008年中國功率器件市場規模達到828億元,在嚴重的金融危機下仍然同比增長7.8%,預計未來幾年的增長將保持在10%左右。隨著整機產品更加重視節能、高效,電源管理IC、功率驅動IC、MOSFET和IGBT仍是未來功率半導體市場中的發展亮點。
在政策方面,國家中長期重大發展規劃、重大科技專項、國家863計劃、973計劃、國家自然科學基金等都明確提出要加快集成電路、軟件、關鍵元器件等重點產業的發展,在國家剛剛出臺的“電子信息產業調整和振興規劃”中,強調著重從集成電路和新型元器件技術的基礎研究方面開展系統深入的研究,為我國信息產業的跨越式發展奠定堅實的理論和技術基礎。在國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)中明確提出,功率器件及模塊技術、半導體功率器件技術、電力電子技術是未來5～15年15個重點領域發展的重點技術。在目前國家重大科技專項的“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品”和“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”兩個專項中,也將大屏幕PDP驅動集成電路產業化、數字輔助功率集成技術研究、0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發與產業化等功率半導體相關課題列入支持計劃。在國家973計劃和國家自然科學基金重點和重大項目中,屬于功率半導體領域的寬禁帶半導體材料與器件的基礎研究一直是受到大力支持的研究方向。
總體而言,從功率半導體的市場需求和國家政策分析來看,我國功率半導體的發展呈現以下三個方面的趨勢:① 硅基功率器件以實現高端產品的產業化為發展目標;② 高壓集成工藝和功率IC以應用研究為主導方向;③ 第三代寬禁帶半導體功率器件、系統功率集成芯片PSoC以基礎研究為重點。
3功率半導體技術發展趨勢
四十多年來,半導體技術沿著“摩爾定律”的路線不斷縮小芯片特征尺寸。然而目前國際半導體技術已經發展到一個瓶頸:隨著線寬的越來越小,制造成本成指數上升;而且隨著線寬接近納米尺度,量子效應越來越明顯,同時芯片的泄漏電流也越來越大。因此半導體技術的發展必須考慮“后摩爾時代”問題,2005年國際半導體技術發展路線圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一條半導體技術發展路線,即“More than Moore-超摩爾定律”, 如圖1所示。
從路線圖可以清楚看到,未來半導體技術主要沿著“More Moore”與“More Than Moore”兩個維度的方向不斷發展,同時又交叉融合,最終以3D集成的形式得到價值優先的多功能集成系統?！癕ore Moore”是指繼續遵循Moore定律,芯片特征尺寸不斷縮小(Scaling down),以滿足處理器和內存對增加性能/容量和降低價格的要求。這種縮小除了包括在晶圓水平和垂直方向上的幾何特征尺寸的繼續縮小,還包括與此關聯的三維結構改善等非幾何學工藝技術和新材料的運用等。而“More Than Moore”強調功能多樣化,更注重所做器件除了運算和存儲之外的新功能,如各種傳感功能、通訊功能、高壓功能等,以給最終用戶提供更多的附加價值。以價值優先和功能多樣化為目的的“More Than Moore”不強調縮小特征尺寸,但注重系統集成,在增加功能的同時,將系統組件級向更小型、更可靠的封裝級(SiP)或芯片級(SoC)轉移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技術即是“More Than Moore”思想的一種實現方式,它是以硅材料為基礎的,跨領域(包括電子、光學、力學、熱學、生物、醫藥等等)的復合型集成技術,其核心理念是電性能(“Si”)與光、力、熱、磁、生化(“α”)性能的組合,包括:顯示器/發光體(LCD、EL、LD、LED)+LSI的組合感光體、(PD、CCD、CMOS傳感器)+LSI的形式、MEMS/生化(傳感器、傳動器)+LSI等的結合。
在功能多樣化的“More Than Moore”領域,功率半導體是其重要組成部分。雖然在不同應用領域,對功率半導體技術的要求有所不同,但從其發展趨勢來看,功率半導體技術的目標始終是提高功率集成密度,減少功率損耗。因此功率半導體技術研發的重點是圍繞提高效率、增加功能、減小體積,不斷發展新的器件理論和結構,促進各種新型器件的發明和應用。下面我們對功率半導體技術的功率半導體器件、功率集成電路和功率系統集成三個方面的發展趨勢進行梳理和分析。
1) 功率半導體(分立)器件
功率半導體(分立)器件國內也稱為電力電子器件,包括:功率二極管、功率MOSFET以及IGBT等。為了使現有功率半導體(分立)器件能適應市場需求的快速變化,需要大量融合超大規模集成電路制造工藝,不斷改進材料性能或開發新的應用材料、繼續優化完善結構設計、制造工藝和封裝技術等,提高器件功率集成密度,減少功率損耗。目前,國際上在功率半導體(分立)器件領域的熱點研究方向主要為器件新結構和器件新材料。
在器件新結構方面,超結(Super-Junction)概念的提出,打破了傳統功率MOS器件理論極限,即擊穿電壓與比導通電阻2.5次方關系,被國際上譽為“功率MOS器件領域里程碑”。超結結構已經成為半導體功率器件發展的一個重要方向,目前國際上多家半導體廠商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用該技術生產低功耗MOS器件。對于IGBT器件,其功率損耗和結構發展如圖2所示。從圖中可以看到,基于薄片加工工藝的場阻(Field Stop)結構是高壓IGBT的主流工藝;相比于平面結結構(Planar),槽柵結構(Trench)IGBT能夠獲得更好的器件優值,同時通過IGBT的版圖和柵極優化,還可以進一步提高器件的抗雪崩能力、減小終端電容和抑制EMI特性。
功率半導體(分立)器件發展的另外一個重要方向是新材料技術,如以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料。寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強等特點,是高壓、高溫、高頻、大功率應用場合下極為理想的半導體材料。寬禁帶半導體SiC和GaN功率器件技術是一項戰略性的高新技術,具有極其重要的軍用和民用價值,因此得到國內外眾多半導體公司和研究結構的廣泛關注和深入研究,成為國際上新材料、微電子和光電子領域的研究熱點。
2) 功率集成電路(PIC)
功率集成電路是指將高壓功率器件與信號處理系統及接口電路、保護電路、檢測診斷電路等集成在同一芯片的集成電路,又稱為智能功率集成電路(SPIC)。智能功率集成作為現代功率電子技術的核心技術之一,隨著微電子技術的發展,一方面向高壓高功率集成(包括基于單晶材料、外延材料和SOI材料的高壓集成技術)發展,同時也向集成更多的控制(包括時序邏輯、DSP及其固化算法等)和保護電路的高密度功率集成發展,以實現功能更強的智能控制能力。
3)功率系統集成
功率系統集成技術在向低功耗高密度功率集成技術發展的同時,也逐漸進入傳統SoC和CPU、DSP等領域。目前,SoC的低功耗問題已經成為制約其發展的瓶頸,研發新的功率集成技術是解決系統低功耗的重要途徑,同時,隨著線寬的進一步縮小,內核電壓降低,對電源系統提出了更高要求。為了在標準CMOS工藝下實現包括功率管理的低功耗SoC,功率管理單元需要借助數字輔助的手段,即數字輔助功率集成技術(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技術是近幾年數字輔助模擬設計在功率集成方面的深化與應用,即采用更多數字的手段,輔助常規的模擬范疇的集成電路在更小線寬的先進工藝線上得到更好性能的電路。
4我國功率半導體發展現狀、
問題及發展建議
在中國半導體行業中,功率半導體器件的作用長期以來都沒有引起人們足夠的重視,發展速度滯后于大規模集成電路。國內功率半導體器件廠商的主要產品還是以硅基二極管、三極管和晶閘管為主,目前國際功率半導體器件的主流產品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先進的超結低功耗功率MOS尚無法生產,另一主流產品IGBT尚處于研發階段。寬禁帶半導體器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)為主,尚未有針對市場應用的寬禁帶半導體功率器件(電力電子器件)的產品研發。目前市場熱點的高壓BCD集成技術雖然引起了從功率半導體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關注,但目前尚未有成熟穩定的高壓BCD工藝平臺可供高性能智能功率集成電路的批量生產。
由于高性能功率半導體器件技術含量高,制造難度大,目前國內生產技術與國外先進水平存在較大差距,很多中高端功率半導體器件必須依賴進口。技術差距主要表現在:(1)產品落后。國外以功率MOS為代表的新型功率半導體器件已經占據主要市場,而國內功率器件生產還以傳統雙極器件為主,功率MOS以平面工藝的VDMOS為主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件優值的功率MOS器件產品,國際上熱門的以超結(Super junction)為基礎的低功耗MOS器件國內尚處于研發階段;IGBT只能研發基于穿通型PT工藝的600V產品或者NPT型1200V低端產品,遠遠落后于國際水平。(2)工藝技術水平較低。功率半導體分立器件的生產,國內大部分廠商仍采用IDM方式,采用自身微米級工藝線,主流技術水平和國際水平相差至少2代以上,產品以中低端為主。但近年來隨著集成電路的迅速發展,國內半導體工藝條件已大大改善,已擁有進行一些高端產品如槽柵功率MOS、IGBT甚至超結器件的生產能力。(3)高端人才資源匱乏,尤其是高端設計人才和工藝開發人才非常缺乏。現有研發人員的設計水平有待提高,特別是具有國際化視野的高端設計人才非常缺乏。(4)國內市場前十大廠商中無一本土廠商,半導體功率器件產業仍處在國際產業鏈分工的中低端,對于附加值高的產品如IGBT、AC-DC功率集成電路,現階段國內僅有封裝能力,不但附加值極低,還形成了持續的技術依賴。
筆者認為,功率半導體是最適合中國發展的半導體產業,相對于超大規模集成電路而言,其資金投入較低,產品周期較長,市場關聯度更高,且還沒有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業。但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面,應大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。
功率半導體芯片不同于以數字集成電路為基礎的超大規模集成電路,功率半導體芯片屬于模擬器件的范疇。功率器件和功率集成電路的設計與工藝制造密切相關,因此國際上著名的功率器件和功率集成電路提供商均屬于IDM企業。但隨著代工線的迅速發展,國內如華虹NEC、成芯8英寸線、無錫華潤上華6英寸線均提供功率半導體器件的代工服務,并正積極開發高壓功率集成電路制造平臺。功率半導體生產企業也應借鑒集成電路設計公司的成功經驗,成立獨立的功率半導體器件設計公司,充分利用代工線先進的制造手段,依托自身的銷售網絡,生產高附加值的高端功率半導體器件產品。
設計弱于芯片的局面起源于設計力量的薄弱。雖然國內一些功率半導體生產企業新近建設了6英寸功率半導體器件生產線,但生產能力還遠未達到設計要求。筆者認為其中的關鍵是技術人員特別是具有國際視野和豐富生產經驗的高級人才的不足。企業應加強技術人才的培養與引進,積極開展產學研協作,以雄厚的技術實力支撐企業的發展。
我國功率半導體行業的發展最終還應依靠功率半導體IDM企業,在目前自身生產條件落后于國際先進水平的狀況下,IDM企業不能局限于自身產品線的生產能力,應充分依托國內功率半導體器件龐大的市場空間,用技術去開拓市場,逐漸從替代產品向產品創新、牽引整機發展轉變;大力發展設計能力,一方面依靠自身工藝線進行生產,加強技術改造和具有自身工藝特色的產品創新,另一方面借用先進代工線的生產能力,壯大自身產品線,加速企業發展。
5結束語
總之,功率半導體技術自新型功率MOS器件問世以來得到長足進展,已深入到工業生產與人民生活的各個方面。與國外相比,我國在功率半導體技術方面的研究存在著一定差距,但同時日益走向成熟?？傮w而言,功率半導體的趨勢正朝著提高效率、多功能、集成化以及智能化、系統化方向發展;伴隨制造技術已進入深亞微米時代,新結構、新工藝硅基功率器件正不斷出現并逼近硅材料的理論極限,以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體器件也正不斷走向成熟。
我國擁有國際上最大的功率半導體市場,擁有迅速發展的半導體代工線,擁有國際上最大規模的人才培養能力,但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面。功率半導體行業應加強技術力量的引進和培養,大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。
超大規模集成電路范文6
關鍵詞：集成電路 直流電阻檢測法 總電流測量法 對地交、直流電壓測量法
中圖分類號：TN407 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）08-0208-01
1 集成電路的特點及分類
集成電路時在一塊極小的硅單晶片上，利用半導體工藝制作上許多晶體二極管、三極管、電阻、電容等元件，并連接成能完成特定電子技術功能的電子線路。從外觀上看，它已成為一個不可分割的完整的電子器件。
集成電路具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性能好等優點，同時成本低，便于大規模生產。它不僅在工、民用電子設備如收錄機、電視機、計算機等方面得到廣泛的應用，同時在軍事、通訊、遙控等方面也得到廣泛的應用。用集成電路來裝配電子設備，其裝配密度比晶體管可提高幾十倍至幾千倍，設備的穩定工作時間也可大大提高。
集成電路按其功能、結構的不同，可以分為模擬集成電路、數字集成電路和數/?；旌霞呻娐啡箢?。
集成電路按集成度高低的不同可分為小規模集成電路、中規模集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路、特大規模集成電路和巨大規模集成電路。
2 集成電路的檢測
集成電路常用的檢測方法有在線測量法和非在線測量法（裸式測量法）。
在線測量法是通過萬用表檢測集成電路在路（在電路中）直流電阻，對地交、直流電壓及工作電流是否正常，以判斷該集成電路是否損壞。這種方法是檢測集成電路最常用和實用的方法。
非在線測量法是在集成電路未接人電路時，用萬用表測量接地引腳與集成電路各引腳之間對應的正、反向直流電阻值，然后將測量數值與已知的同型號正常集成電路各引腳的直流電阻值相比較，來確定它是否正常。非在線測量法測量一般把紅表筆接地、黑表筆測量定義為正向電阻測量；把黑表筆接地、紅表筆測量定義為反向電阻測量，選用的是指針式萬用表，這也是行業中的俗定。下面介紹幾種常用的檢測方法。
2.1 直流電阻檢測法
直流電阻檢測法適用于非在線集成電路的測試。直流電阻檢測法是一種用萬用表直接測量元件和集成電路各引腳之間的正、反向直流電阻值，并將測量數據與正常數據相比較，來判斷是否有故障的一種方法。
直流電阻測試法實際上是一個元器件的質量比較法。首先用萬用表的歐姆檔測試質量完好的單個集成電路各引腳對其接地端的阻值并做好記錄，然后測試待測單個集成電路各引腳對其接地端的阻值，將測試結果進行比較，來判斷被測集成電路的好壞。
當集成電路工作失效后，各引腳電阻值會發生變化，如阻值變大或者變小等?！岸ψ銠z測法”要查出這些變化，根據這些變化判斷故障部位，具體方法如下。
（1）通過查找相關資料，找出集成電路各引腳對地電阻值。
（2）將萬用表置于相應的歐姆檔，測量待測集成電路每個引腳與接地引腳之間的阻值，并與標準阻值進行比較。當所測對地電阻值與標準阻值基本相符時表示被測集成電路正常；如果出現某引腳或全部引腳對地電阻值與標準阻值相差太大時，即可認為被測集成電路已經損壞。
在路測量時，測量直流電阻之前要先斷開電源，以免測試時損壞萬用表。
2.2 總電流測量法
該法是通過檢測集成電路電源進線的總電流，來判斷集成電路好壞的一種方法。由于被測集成電路內部絕大多數為直接耦合，所以當被測集成電路出現損壞時（如某一個PN結擊穿或開路），會引起后級飽和與截止，使總電流發生變化。所以通過測量總電流的方法可以判斷集成電路的好壞。也可測量電源通路中電阻的電壓降，用歐姆定律計算出總電流。
2.3 對地交、直流電壓測量法
這是一種在通電情況下，用萬用表直流電壓擋對直流供電電壓、元件的工作電壓進行測量，檢測集成電路各引腳對地直流電壓值，并與正常值相比較，進而壓縮故障范圍，找出損壞元件的測量方法。
對于輸出交流信號的輸出端，此時不能用直流電壓法來判斷，要用交流電壓法來判斷。檢測交流電壓時要把萬用表置于“交流檔”，然后檢測該腳對電路“地”的交流電壓。如果電壓異常，則可斷開引腳連線，測量接線端電壓，以判斷電壓變化是由元件引起的，還是由集成電路引起的。
對于一些多引腳的集成電路，不必檢測每一個引腳的電壓，只要檢測幾個關鍵引腳的電壓值即可大致判斷故障位置。開關電源集成電路的關鍵是電源腳VCC、激勵脈沖輸出腳VOUT、電壓檢測輸人腳和電流檢測輸人端IL。
