设计绿色环保的半导体设备

引言
人人都爱太阳能。它清洁、可再生，又是每天免费提供的。当人类在1858年打出第一口油井时，地球上储存有1万亿桶石油。绿色植物将太阳能转化为这些石油花费了数百万年，而自那以后，人类已烧光了其中的7500亿桶，而且大部分消耗都在较近的25年内。再加上煤炭燃烧，这场急切的燃烧化石燃料的盛宴释放出了大量CO2，令全球所有的海洋和森林都无法完全吸收。CO2像温室玻璃一样将太阳光滞留于大气以内，导致气候变化，威胁农作物、威胁海岸线、威胁所有东西。这也能够解释为什么找到减少能源使用的方法是我们这个时代较大的工程挑战之一。

半导体：沉默的耗能引擎
电子学的历史很短，只有大约100年，它始自真空管的发明，而真空管在早期的无线电发射装置中就有使用。但是，电子学的真正起步却是在过去的半个世纪随着半导体的发明而开始的。半导体激发了各种创新，比如人们可以随身携带的巴掌大的晶体管收音机，又比如可以帮助火箭登月的轻量级电脑。

从内置摄像头的手机、到懂得如何防滑的汽车，充斥在微型半导体器件内的能量已孕育了生活方式的革命。低成本、高性能的个人电脑和互联网的联姻还使我们获得了前所未有的机会，可以接触到几乎无限丰富的娱乐和信息。不幸的是，我们新发现的电子化生活方式的耗电量却非常惊人。

解决方案的一个部分
其实，芯片也可以帮助节省能源，其应用范围遍布从办公室到太空的各种场合。比如，使用数字恒温器和电子调节装置的智能建筑可以提高照明和供暖制冷系统的效率，这有望使美国商业建筑的能源使用面积减少近30%。利用电子学来提高全世界电动机的效率，也可以减少CO2的排放，仅中国每年就可以减少2亿吨，这相当于荷兰每年产生的CO2。在天上，卫星已经开始使用各种电子传感器来预测天气，以便更有效地分配发电资源。

汽车是较为人诟病的化石燃料消费大户之一，它上面的芯片也在推动效率的提升。直到20世纪60年代，电台仍是汽车上唯一重要的电子设备。而今天，大量的车载微处理器通过在自动变速箱中优化换档或控制引擎中燃烧的汽缸数等方法，可以使汽车燃烧更少的燃料。借助于计算机和通信技术的结合，人们甚至可以不再使用汽车，而是通过远程办公的方式工作，从而更显著地降低能耗。

过犹不及
但是，这个问题已变成一种数字赌博。电子用品的吸引力已经使全球消费者、商业和政府用户都为之着迷。今天，数十亿的用户使用着五花八门的电子技术和产品，离开互联网，似乎生活和商业都无法正常进行。

这些电子设备的功耗增长迅速(见图1)。一台典型的台式电脑，根据其配置，功耗通常为60W~250W，而一台17英寸的LCD显示器的功耗约为35W。再考虑非典型的系统，例如为电脑添加一块高端显卡可生成逼真的图像，以满足电脑游戏玩家的需求。但是，这将使系统功耗轻松翻番。全速工作时，光是较新的ATI Radeon HD 4870 X2显卡自身功耗就达到了惊人的250W。

另一个考虑因素是晶体管的数量。20世纪60年代初，集成电路中一般只包含几十个晶体管；而如今的高端芯片动辄集成十亿个以上的晶体管。例如，2008年6月，NVIDIA发布了其较新的GeForce GTX 280图形处理器(GPU)，该产品有240个处理内核，包含的晶体管数达到了天文级的14亿个。同样，英特尔推出的代号为Tukwila的四核处理器中集成了20亿个以上的晶体管。尽管这些更小更紧密集成的晶体管单个所消耗的能量减少了，但是陡增的晶体管数量令整个芯片消耗更多能量，同时产生更多热量。

数据洪水
从客厅到交易所、再到飞机驾驶舱，电子产品随处可见。除了这些之外，还有另一个潜伏的功耗大户——数据。据IDC统计，2006年全世界建立、捕获和复制的数字信息大约有160EB(1EB等于1万亿GB)，这些0和1构成了在全世界流动着的所有照片、视频、电子邮件、网页、即时消息、电话和其它数字内容。而且，目前世界上的数据总量将会每八个月翻一番。

所有这些数据都必须保存在某处。在全球各地，数据中心有时会有城市的街区般大小，它们包含着无数部电脑、存储设备、通信网络设备和互联网服务器。无论是在线游戏或在线航班预定，当收到存储和检索数据的请求时，这些电子设备不仅消耗大量能源，还会释放出惊人的热量，反过来又需要更多的能源经费用于为数据中心散热。例如，IBM必须为800万平方英尺(约74万平方米)的服务器进行散热。

无论普通的因特网用户如何看待，所有这些存储和检索都不是免费的。当有人在Google等搜索引擎上输入一条查询时，大量的服务器会在全球多个数据中心存储的像山一样的数据中进行搜索。实际上，Google每搜索一次平均要消耗4.5W的电力，而Google每天至少要处理4亿条查询，光是处理基本的搜索查询，每天就会使用18亿度电。此外，Google每天还要处理几PB(1PB等于10亿GB)的数据以执行其它任务，比如编制数十亿Web页的索引。

纳米之路上的奇怪现象
影响日益增长的电子产品功耗的另一个因素是使器件变小的物理性质。不久前，芯片上元件的尺寸是使用微米计量的。但是，为了提供客户所需的更多功能，同时维持价格不变，半导体制造商不得不大幅缩小元件的尺寸，使他们能在同样微小的硅片上集成更多的电路。因此，目前先进芯片上的元件通常用纳米计量。这些微细工艺中不可预测的物理效应给芯片设计师带来了各种新的麻烦。

较大的挑战之一就是静态功耗(泄漏功耗)。例如，在90nm上，晶体管栅极上的绝缘层变薄，电子很容易就能找到逃逸路线。这种无效流动的电流带来的结果是，除非工程师们采用能够降低功耗的方法进行设计，否则芯片在空闲时消耗的能量将会和全速运行时几乎一样多。这不仅浪费了大量的电力，还使设备变得更热，影响其稳定性，更需要使用散热系统或其它昂贵的封装或是噪音大又耗能的散热风扇。

除了浪费能源外，目前的芯片还有一个特点，大多微处理器及其支持芯片平均都只在10%~20%的时间内得到了利用，剩下的时间都处于空闲状况，但仍然在耗电。

更有甚者，估计在典型的美国家庭，为电子系统供电的能源有40%在这些设备关上时被消耗。这是因为，当今大部分电视、机顶盒及其它电子设备实际上并未完全关闭，而仅仅是处于休眠状态，而这也需要耗费电能。

绿色芯片
虽然电视新闻上可能会描述马路上长龙一样的汽车和冒烟的烟囱带来油耗或全球变暖的问题，但电视机顶盒上发光的LED或智能手机上的网页同样也是隐藏在当今贪婪的碳氢化合物消耗背后的根源之一。归根结底，当今绝大多数电子产品都浪费电力。

如何使电子产品更加节能，解决之道的一个关键是在它们的较核心之处，即芯片的设计上。比如，采用一些较新的电子设计自动化(EDA)技术，工程师们可以容易地解决看起来很简单但实际上极其复杂的问题(见图2)。

比如，在不用的时候关闭对芯片某些部分的供电。GPS就是一个实际的例子，工程师可以设计出一个逻辑，一旦地图画出，就关闭图形引擎，当用户移动地图时，立即恢复供电，持续时间只需等待刷新屏幕上改变的部分完成即可。

另一种先进的设计技术可以帮助选择由高速、高功耗晶体管还是低速、低功耗晶体管组成的单元(这取决于电路中各点的要求)，来构建具高能源效率的芯片。

有时，设计师以能源效率为首要目标对系统进行优化，在性能提高和功耗增大之间做出权衡。这有时会涉及到非常复杂的功耗管理方法，它们在芯片内动态调整工作电压，以降低各种使用场合的能耗。

Cadence公司意识到高能效半导体设计的重要性，开发出用于低功耗设计的端对端解决方案，除了使先进功耗管理更容易实现外，这些解决方案还包含先进的验证技术，也即通过软件来验证被物理实现后的芯片是否会按照设计意图进行工作。

Cadence公司也是各种行业行动计划的积极推动者，比如它发起了PFI(功率推进联盟)，建立了一个标准，使设计师具有节能观念，并确保在芯片整个设计和验证以及在整个系统上都能有效地实施。其策略已推广到芯片的封装及其对整个系统设计功耗特征的影响。

与传统的节能方法(如保持整个系统运行来实现浪费能源的休眠或待机模式)相比，工程师采用这些先进的技术和方法学能够在晶体管和芯片线路的层面上设计能源效率。这些绿色芯片设计已经得到证明能够降低20%~40%的功耗。这种节能方法不仅能帮助企业保护环境及其资源，还能使其产品在竞争日益激烈的市场保持差异性。

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