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高性能集成電路的概念范文1

“更快、更高、更強”是奧運的口號，高速則成為人們生活的不變追求。

4月，中國鐵路系統(tǒng)進行了第六次提速，旅行時間縮短后，乘坐火車旅行似乎成了一種享受。毫無疑問，這種大規(guī)模提速給鐵路系統(tǒng)帶來的整體運載能力的提升，極大地節(jié)省了社會的運輸成本，提升了工作效率。

虛擬世界的網(wǎng)絡(luò)也被稱為信息高速公路，多年來它也在進行著持續(xù)的提速，IP網(wǎng)絡(luò)速度從10M到100M再到1000M以至萬兆，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的延遲也是以10倍、100倍的速度下降。這使得網(wǎng)絡(luò)使用者擁有了越來越多的高速享受――網(wǎng)絡(luò)電視、高速下載、網(wǎng)絡(luò)視頻會議……

但是，IP網(wǎng)絡(luò)從業(yè)者在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)提速工程中，也在面對一個和交通系統(tǒng)完全不同的難題：網(wǎng)絡(luò)中，限制系統(tǒng)速度快速提升的關(guān)鍵不是網(wǎng)線的道路建設(shè)，而是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點性能。確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點持續(xù)的提升性能，特別是提升低速節(jié)點的性能，是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者最需要關(guān)注的內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備究竟應(yīng)該如何解決節(jié)點速度的瓶頸問題？

防火墻成為瓶頸

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品，特別是應(yīng)用最為廣泛的傳統(tǒng)硬件防火墻產(chǎn)品，經(jīng)常會成為網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸。這里不是說防火墻設(shè)備技術(shù)不好，而是由安全設(shè)備本身的工作性質(zhì)決定的。路由器類設(shè)備只是單純轉(zhuǎn)發(fā)，而且轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則和策略相對固定而單一。網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的工作則要復(fù)雜得多，它需要加載多項策略，除了對每個報文進行轉(zhuǎn)發(fā)外，還有可能進行各種拆包、組包、包頭分析、深入的內(nèi)容檢查，這使其工作量和復(fù)雜度遠大于純網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)類產(chǎn)品。這種天然的差異使得即使采用相同的硬件，防火墻的性能也會遠低于路由器的性能。

對于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，高性能要求的各種實時應(yīng)用越來越多，例如VoIP、視頻會議或者網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。根據(jù)IDC的一份預(yù)測報告，未來幾年即時通信類應(yīng)用會出現(xiàn)快速增長，并最終超過Email、Web等時效要求并不高的應(yīng)用。

這種應(yīng)用的變化對網(wǎng)絡(luò)性能的要求，不但關(guān)注傳統(tǒng)的帶寬的增長――10M、100M、1000M，也注重帶轉(zhuǎn)發(fā)延遲減小、小包處理性能等參數(shù)。其別重要的是轉(zhuǎn)發(fā)延遲――在有充足帶寬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，不同的延遲對于各種實時業(yè)務(wù)的影響是完全不同的。科學(xué)研究表明，人耳對10毫秒的聲音延遲會有分辨能力。這意味著在VoIP應(yīng)用中，如果IP電話通信線路上的所有設(shè)備網(wǎng)絡(luò)延遲總和大于10毫秒，人耳會聽見回聲或者明顯的聲音延誤。而很多性能較差的防火墻，其轉(zhuǎn)發(fā)延遲就可能是毫秒級別的。在視頻會議中，有時會出現(xiàn)視頻圖像的凍結(jié)或聲音的中斷或抖動。導(dǎo)致這個現(xiàn)象的原因可能是因為帶寬不足，但也很有可能是整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)延遲過大。

硬件提升是關(guān)鍵

隨著安全產(chǎn)品，特別是防火墻成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不可或缺的組成部分，越來越多的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)

計者會直接面對“性能-安全”矛盾，不要安全設(shè)備直接面對網(wǎng)上無休止的攻擊和蠕蟲導(dǎo)致了視頻系統(tǒng)的性能下降，可是安裝上防火墻后，轉(zhuǎn)發(fā)延遲迅速增大，也有可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降。面對這種情況，近年來各個防火墻廠商不斷在技術(shù)上解決防火墻的性能瓶頸問題，這包括各種安全算法的優(yōu)化、端口的擴容、負載均衡等，但其中從根本解決安全設(shè)備性能問題的方法是直接對防火墻硬件構(gòu)架進行提升，特別是安全芯片的固化、專用集成電路化。

從各種不同硬件構(gòu)架上看，傳統(tǒng)防火墻通常都是以x86或者一些通用CPU作為轉(zhuǎn)發(fā)核心的工控機。這類核心處理器最大的特點是通用性強，對于安全處理和轉(zhuǎn)發(fā)沒有特殊優(yōu)化處理。這使得傳統(tǒng)防火墻在轉(zhuǎn)發(fā)延遲和小包處理上面都顯得能力不足。

安全芯片之辨

近幾年，國內(nèi)部分較大的安全廠商推出了NP構(gòu)架的防火墻，試圖提升安全設(shè)備的性能。NP是專門為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理網(wǎng)絡(luò)流量而設(shè)計的處理器，其體系結(jié)構(gòu)和指令集對于路由常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等算法和操作都進行了專門的優(yōu)化，可以高效地完成TCP/IP棧的常用操作，并對網(wǎng)絡(luò)流量進行快速的并發(fā)處理，但是NP在安全領(lǐng)域的應(yīng)用也存在天然不足。

NP的概念是上世紀末推出的，在設(shè)計的理念上是面對主流路由器市場，當(dāng)時硬件防火墻并沒有形成規(guī)模應(yīng)用，因此NP對于安全防火墻的各種安全算法并沒有特別進行優(yōu)化和設(shè)計。因此設(shè)計NP防火墻時，絕大多數(shù)NP防火墻主板上必須配有傳統(tǒng)的x86 CPU，NP負責(zé)三層轉(zhuǎn)發(fā)等路由工作，x86 CPU負責(zé)安全處理――但只能達到傳統(tǒng)x86防火墻一樣的安全處理性能。這使得盡管在路由轉(zhuǎn)發(fā)時，NP防火墻都能實現(xiàn)線速轉(zhuǎn)發(fā)，但是在實際安全應(yīng)用中，不斷的報文安全處理使得NP還是有些力不從心。

ASIC芯片技術(shù)與NP有所區(qū)別，ASIC英文全稱為Application Specific Integrated Circuit――專用集成電路。從電子工程學(xué)上來講，ASIC并不是新概念，從有電路的一刻起，就開始了ASIC的開發(fā)與應(yīng)用。 ASIC采用硬接線的固定模式，最早的ASIC確實是完全量身訂造。可編程芯片則從上世紀70年代初期開始起步，可編程邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)經(jīng)歷了PLA、PAL、GAL、PEEL、EPLD、CPLD、SPLD、FPGA等階段，已經(jīng)進入可編程ASIC階段，將多個電路迭層(Layer)的多層的電路改成FPGA的形態(tài)(允許變動、調(diào)整電路)，并保留幾層為原有的傳統(tǒng)ASIC型態(tài)(不允許再行調(diào)整電路)，從而使現(xiàn)代ASIC設(shè)備既有硬件芯片級的高性能，又保證了充分的靈活性和可編程能力。

特別重要的是，安全ASIC芯片開發(fā)初衷就是安全專用的，它不具備其他功能。廠商自己開發(fā)的ASIC芯片更是完全按照廠商具體需求開發(fā)而成。大多數(shù)安全功能的加速算法是可以集成到芯片內(nèi)部的，從而實現(xiàn)快速的安全轉(zhuǎn)發(fā)。

ASIC防火墻也需要配置有傳統(tǒng)CPU，但是這時CPU主要是起管理作用和執(zhí)行與性能無關(guān)的業(yè)務(wù)，安全處理和轉(zhuǎn)發(fā)的加速則完全由ASIC來處理，從而確保了系統(tǒng)無論是在路由轉(zhuǎn)發(fā)還是網(wǎng)絡(luò)攻擊的環(huán)境中都能保證較高的帶寬。

鐵路的大提速，可能不單單是把火車運行速度提高，它是一個全方位的系統(tǒng)工程。同樣，網(wǎng)絡(luò)速率的提升也不單單是把端口從100M更換為1000M，它后面有一系列的工作，有網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化、網(wǎng)絡(luò)管理的變化，更有設(shè)備硬件構(gòu)架的本質(zhì)改變，它更需要各個參與者全方位的配合，只有這樣，才能真正給網(wǎng)絡(luò)用戶帶來高速度、高質(zhì)量、完全不同的網(wǎng)絡(luò)新體驗。

高性能集成電路的概念范文2

關(guān)鍵詞:節(jié)能;減排;功率半導(dǎo)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(dǎo)體芯片包括功率二極管、功率開關(guān)器件與功率集成電路。近年來,隨著功率MOS技術(shù)的迅速發(fā)展,功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的工業(yè)控制擴展到4C產(chǎn)業(yè)(計算機、通信、消費類電子產(chǎn)品和汽車電子),滲透到國民經(jīng)濟與國防建設(shè)的各個領(lǐng)域。

功率半導(dǎo)體器件是進行電能處理的半導(dǎo)體產(chǎn)品。在可預(yù)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(fēng)電,甚至各種電池提供的化學(xué)電能,大部分均無法直接使用,75%以上的電能應(yīng)用需由功率半導(dǎo)體進行變換以后才能供設(shè)備使用。每個電子產(chǎn)品均離不開功率半導(dǎo)體器件。使用功率半導(dǎo)體的目的是使用電能更高效、更節(jié)能、更環(huán)保并給使用者提供更多的方便。如通過變頻來調(diào)速,使變頻空調(diào)在節(jié)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(guī)模集成電路的發(fā)展和功率半導(dǎo)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(dǎo)體器件進行高效的電源管理。正是由于功率半導(dǎo)體能將 ‘粗電’變?yōu)椤姟?因此它是節(jié)能減排的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)。

隨著綠色環(huán)保在國際上的確立與推進,功率半導(dǎo)體的發(fā)展應(yīng)用前景更加廣闊。據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)預(yù)測,2011年功率半導(dǎo)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(shù)字集成半導(dǎo)體相比,功率半導(dǎo)體不追求特征尺寸的快速縮小,它的產(chǎn)品壽命周期可為幾年甚至十幾年。同時,功率半導(dǎo)體也不要求最先進的生產(chǎn)工藝,其生產(chǎn)線成本遠低于Moore定律制約下的超大規(guī)模集成電路。因此,功率半導(dǎo)體非常適合我國的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及我國能源緊張和構(gòu)建和諧社會的國情。

目前,國內(nèi)功率半導(dǎo)體高端產(chǎn)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(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在提升工藝水平的同時,應(yīng)不斷提高國內(nèi)功率半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新力度和產(chǎn)品性能,以滿足高端市場的需求,促進功率半導(dǎo)體市場的健康發(fā)展以及國內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)升級。

2需求分析

消費電子、工業(yè)控制、照明等傳統(tǒng)領(lǐng)域市場需求的穩(wěn)定增長,以及汽車電子產(chǎn)品逐漸增加,通信和電子玩具市場的火爆,都使功率半導(dǎo)體市場繼續(xù)保持穩(wěn)步的增長速度。同時,高效節(jié)能、保護環(huán)境已成為當(dāng)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(chǎn)品的兩個非常關(guān)鍵的指標(biāo)。中國目前已經(jīng)開始針對某些產(chǎn)品提出能效要求,對冰箱、空調(diào)、洗衣機等產(chǎn)品進行了能效標(biāo)識,這些提高能效的要求又成為功率半導(dǎo)體迅速發(fā)展的另一個重要驅(qū)動力。

根據(jù)CCID的統(tǒng)計,從2004年到2008年,中國功率器件市場復(fù)合增長率達到17.0%,2008年中國功率器件市場規(guī)模達到828億元,在嚴重的金融危機下仍然同比增長7.8%,預(yù)計未來幾年的增長將保持在10%左右。隨著整機產(chǎn)品更加重視節(jié)能、高效,電源管理IC、功率驅(qū)動IC、MOSFET和IGBT仍是未來功率半導(dǎo)體市場中的發(fā)展亮點。

在政策方面,國家中長期重大發(fā)展規(guī)劃、重大科技專項、國家863計劃、973計劃、國家自然科學(xué)基金等都明確提出要加快集成電路、軟件、關(guān)鍵元器件等重點產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,在國家剛剛出臺的“電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃”中,強調(diào)著重從集成電路和新型元器件技術(shù)的基礎(chǔ)研究方面開展系統(tǒng)深入的研究,為我國信息產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展奠定堅實的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。在國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)中明確提出,功率器件及模塊技術(shù)、半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、電力電子技術(shù)是未來5～15年15個重點領(lǐng)域發(fā)展的重點技術(shù)。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(chǔ)軟件產(chǎn)品”和“極大規(guī)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(qū)動集成電路產(chǎn)業(yè)化、數(shù)字輔助功率集成技術(shù)研究、0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化等功率半導(dǎo)體相關(guān)課題列入支持計劃。在國家973計劃和國家自然科學(xué)基金重點和重大項目中,屬于功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的基礎(chǔ)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(dǎo)體的市場需求和國家政策分析來看,我國功率半導(dǎo)體的發(fā)展呈現(xiàn)以下三個方面的趨勢:① 硅基功率器件以實現(xiàn)高端產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化為發(fā)展目標(biāo);② 高壓集成工藝和功率IC以應(yīng)用研究為主導(dǎo)方向;③ 第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件、系統(tǒng)功率集成芯片PSoC以基礎(chǔ)研究為重點。

3功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢

四十多年來,半導(dǎo)體技術(shù)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(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個瓶頸:隨著線寬的越來越小,制造成本成指數(shù)上升;而且隨著線寬接近納米尺度,量子效應(yīng)越來越明顯,同時芯片的泄漏電流也越來越大。因此半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展必須考慮“后摩爾時代”問題,2005年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一條半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)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(dǎo)體技術(shù)主要沿著“More Moore”與“More Than Moore”兩個維度的方向不斷發(fā)展,同時又交叉融合,最終以3D集成的形式得到價值優(yōu)先的多功能集成系統(tǒng)。“More Moore”是指繼續(xù)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(nèi)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(xù)縮小,還包括與此關(guān)聯(lián)的三維結(jié)構(gòu)改善等非幾何學(xué)工藝技術(shù)和新材料的運用等。而“More Than Moore”強調(diào)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(yōu)先和功能多樣化為目的的“More Than Moore”不強調(diào)縮小特征尺寸,但注重系統(tǒng)集成,在增加功能的同時,將系統(tǒng)組件級向更小型、更可靠的封裝級(SiP)或芯片級(SoC)轉(zhuǎn)移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技術(shù)即是“More Than Moore”思想的一種實現(xiàn)方式,它是以硅材料為基礎(chǔ)的,跨領(lǐng)域(包括電子、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、生物、醫(yī)藥等等)的復(fù)合型集成技術(shù),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(fā)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(jié)合。

在功能多樣化的“More Than Moore”領(lǐng)域,功率半導(dǎo)體是其重要組成部分。雖然在不同應(yīng)用領(lǐng)域,對功率半導(dǎo)體技術(shù)的要求有所不同,但從其發(fā)展趨勢來看,功率半導(dǎo)體技術(shù)的目標(biāo)始終是提高功率集成密度,減少功率損耗。因此功率半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)的重點是圍繞提高效率、增加功能、減小體積,不斷發(fā)展新的器件理論和結(jié)構(gòu),促進各種新型器件的發(fā)明和應(yīng)用。下面我們對功率半導(dǎo)體技術(shù)的功率半導(dǎo)體器件、功率集成電路和功率系統(tǒng)集成三個方面的發(fā)展趨勢進行梳理和分析。

1) 功率半導(dǎo)體(分立)器件

功率半導(dǎo)體(分立)器件國內(nèi)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(xiàn)有功率半導(dǎo)體(分立)器件能適應(yīng)市場需求的快速變化,需要大量融合超大規(guī)模集成電路制造工藝,不斷改進材料性能或開發(fā)新的應(yīng)用材料、繼續(xù)優(yōu)化完善結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝和封裝技術(shù)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(dǎo)體(分立)器件領(lǐng)域的熱點研究方向主要為器件新結(jié)構(gòu)和器件新材料。

在器件新結(jié)構(gòu)方面,超結(jié)(Super-Junction)概念的提出,打破了傳統(tǒng)功率MOS器件理論極限,即擊穿電壓與比導(dǎo)通電阻2.5次方關(guān)系,被國際上譽為“功率MOS器件領(lǐng)域里程碑”。超結(jié)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為半導(dǎo)體功率器件發(fā)展的一個重要方向,目前國際上多家半導(dǎo)體廠商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用該技術(shù)生產(chǎn)低功耗MOS器件。對于IGBT器件,其功率損耗和結(jié)構(gòu)發(fā)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(jié)構(gòu)是高壓IGBT的主流工藝;相比于平面結(jié)結(jié)構(gòu)(Planar),槽柵結(jié)構(gòu)(Trench)IGBT能夠獲得更好的器件優(yōu)值,同時通過IGBT的版圖和柵極優(yōu)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(dǎo)體(分立)器件發(fā)展的另外一個重要方向是新材料技術(shù),如以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)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(yīng)用場合下極為理想的半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體SiC和GaN功率器件技術(shù)是一項戰(zhàn)略性的高新技術(shù),具有極其重要的軍用和民用價值,因此得到國內(nèi)外眾多半導(dǎo)體公司和研究結(jié)構(gòu)的廣泛關(guān)注和深入研究,成為國際上新材料、微電子和光電子領(lǐng)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(tǒng)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(xiàn)代功率電子技術(shù)的核心技術(shù)之一,隨著微電子技術(shù)的發(fā)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(shù))發(fā)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(fā)展,以實現(xiàn)功能更強的智能控制能力。

3)功率系統(tǒng)集成

功率系統(tǒng)集成技術(shù)在向低功耗高密度功率集成技術(shù)發(fā)展的同時,也逐漸進入傳統(tǒng)SoC和CPU、DSP等領(lǐng)域。目前,SoC的低功耗問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸,研發(fā)新的功率集成技術(shù)是解決系統(tǒng)低功耗的重要途徑,同時,隨著線寬的進一步縮小,內(nèi)核電壓降低,對電源系統(tǒng)提出了更高要求。為了在標(biāo)準CMOS工藝下實現(xiàn)包括功率管理的低功耗SoC,功率管理單元需要借助數(shù)字輔助的手段,即數(shù)字輔助功率集成技術(shù)(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技術(shù)是近幾年數(shù)字輔助模擬設(shè)計在功率集成方面的深化與應(yīng)用,即采用更多數(shù)字的手段,輔助常規(guī)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(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀、

問題及發(fā)展建議

在中國半導(dǎo)體行業(yè)中,功率半導(dǎo)體器件的作用長期以來都沒有引起人們足夠的重視,發(fā)展速度滯后于大規(guī)模集成電路。國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件廠商的主要產(chǎn)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(dǎo)體器件的主流產(chǎn)品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先進的超結(jié)低功耗功率MOS尚無法生產(chǎn),另一主流產(chǎn)品IGBT尚處于研發(fā)階段。寬禁帶半導(dǎo)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(yīng)用的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件(電力電子器件)的產(chǎn)品研發(fā)。目前市場熱點的高壓BCD集成技術(shù)雖然引起了從功率半導(dǎo)體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關(guān)注,但目前尚未有成熟穩(wěn)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(chǎn)。

由于高性能功率半導(dǎo)體器件技術(shù)含量高,制造難度大,目前國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)與國外先進水平存在較大差距,很多中高端功率半導(dǎo)體器件必須依賴進口。技術(shù)差距主要表現(xiàn)在:(1)產(chǎn)品落后。國外以功率MOS為代表的新型功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)占據(jù)主要市場,而國內(nèi)功率器件生產(chǎn)還以傳統(tǒng)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(yōu)值的功率MOS器件產(chǎn)品,國際上熱門的以超結(jié)(Super junction)為基礎(chǔ)的低功耗MOS器件國內(nèi)尚處于研發(fā)階段;IGBT只能研發(fā)基于穿通型PT工藝的600V產(chǎn)品或者NPT型1200V低端產(chǎn)品,遠遠落后于國際水平。(2)工藝技術(shù)水平較低。功率半導(dǎo)體分立器件的生產(chǎn),國內(nèi)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(shù)水平和國際水平相差至少2代以上,產(chǎn)品以中低端為主。但近年來隨著集成電路的迅速發(fā)展,國內(nèi)半導(dǎo)體工藝條件已大大改善,已擁有進行一些高端產(chǎn)品如槽柵功率MOS、IGBT甚至超結(jié)器件的生產(chǎn)能力。(3)高端人才資源匱乏,尤其是高端設(shè)計人才和工藝開發(fā)人才非常缺乏。現(xiàn)有研發(fā)人員的設(shè)計水平有待提高,特別是具有國際化視野的高端設(shè)計人才非常缺乏。(4)國內(nèi)市場前十大廠商中無一本土廠商,半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)業(yè)仍處在國際產(chǎn)業(yè)鏈分工的中低端,對于附加值高的產(chǎn)品如IGBT、AC-DC功率集成電路,現(xiàn)階段國內(nèi)僅有封裝能力,不但附加值極低,還形成了持續(xù)的技術(shù)依賴。

筆者認為,功率半導(dǎo)體是最適合中國發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),相對于超大規(guī)模集成電路而言,其資金投入較低,產(chǎn)品周期較長,市場關(guān)聯(lián)度更高,且還沒有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業(yè)。但中國功率半導(dǎo)體的發(fā)展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設(shè)計的局面,應(yīng)大力發(fā)展設(shè)計技術(shù),以市場帶動設(shè)計、以設(shè)計促進芯片,以芯片壯大產(chǎn)業(yè)。

功率半導(dǎo)體芯片不同于以數(shù)字集成電路為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路,功率半導(dǎo)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(shè)計與工藝制造密切相關(guān),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(yè)。但隨著代工線的迅速發(fā)展,國內(nèi)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(dǎo)體器件的代工服務(wù),并正積極開發(fā)高壓功率集成電路制造平臺。功率半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)借鑒集成電路設(shè)計公司的成功經(jīng)驗,成立獨立的功率半導(dǎo)體器件設(shè)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(wǎng)絡(luò),生產(chǎn)高附加值的高端功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)品。

設(shè)計弱于芯片的局面起源于設(shè)計力量的薄弱。雖然國內(nèi)一些功率半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)新近建設(shè)了6英寸功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)線,但生產(chǎn)能力還遠未達到設(shè)計要求。筆者認為其中的關(guān)鍵是技術(shù)人員特別是具有國際視野和豐富生產(chǎn)經(jīng)驗的高級人才的不足。企業(yè)應(yīng)加強技術(shù)人才的培養(yǎng)與引進,積極開展產(chǎn)學(xué)研協(xié)作,以雄厚的技術(shù)實力支撐企業(yè)的發(fā)展。

我國功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展最終還應(yīng)依靠功率半導(dǎo)體IDM企業(yè),在目前自身生產(chǎn)條件落后于國際先進水平的狀況下,IDM企業(yè)不能局限于自身產(chǎn)品線的生產(chǎn)能力,應(yīng)充分依托國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件龐大的市場空間,用技術(shù)去開拓市場,逐漸從替代產(chǎn)品向產(chǎn)品創(chuàng)新、牽引整機發(fā)展轉(zhuǎn)變;大力發(fā)展設(shè)計能力,一方面依靠自身工藝線進行生產(chǎn),加強技術(shù)改造和具有自身工藝特色的產(chǎn)品創(chuàng)新,另一方面借用先進代工線的生產(chǎn)能力,壯大自身產(chǎn)品線,加速企業(yè)發(fā)展。

5結(jié)束語

總之,功率半導(dǎo)體技術(shù)自新型功率MOS器件問世以來得到長足進展,已深入到工業(yè)生產(chǎn)與人民生活的各個方面。與國外相比,我國在功率半導(dǎo)體技術(shù)方面的研究存在著一定差距,但同時日益走向成熟。總體而言,功率半導(dǎo)體的趨勢正朝著提高效率、多功能、集成化以及智能化、系統(tǒng)化方向發(fā)展;伴隨制造技術(shù)已進入深亞微米時代,新結(jié)構(gòu)、新工藝硅基功率器件正不斷出現(xiàn)并逼近硅材料的理論極限,以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體市場,擁有迅速發(fā)展的半導(dǎo)體代工線,擁有國際上最大規(guī)模的人才培養(yǎng)能力,但中國功率半導(dǎo)體的發(fā)展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設(shè)計的局面。功率半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)加強技術(shù)力量的引進和培養(yǎng),大力發(fā)展設(shè)計技術(shù),以市場帶動設(shè)計、以設(shè)計促進芯片,以芯片壯大產(chǎn)業(yè)。

高性能集成電路的概念范文3

關(guān)鍵詞 現(xiàn)場可編程門陣列；設(shè)計；可編程器件；發(fā)展

中圖分類號TN7 文獻標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2013）99-0077-02

近年來，伴隨著電子技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路的集成度越來越高，集成主板上的系統(tǒng)規(guī)模也不斷的提高，這也為系統(tǒng)設(shè)計帶來了新要求。現(xiàn)場可編程門陣列作為超大規(guī)模集成電路技術(shù)的一種，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在通信、圖形處理、計算機等多個領(lǐng)域之中，是當(dāng)前電子系統(tǒng)中最為重要的組成部分，F(xiàn)PGA器件設(shè)計也越來越受到人們重視。

1 FPGA概述

FPGA在目前的通信、遙控、計算機、圖形等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，已成為當(dāng)今電子系統(tǒng)中最為關(guān)鍵、最為重要的組成部分。伴隨著社會生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA器件的設(shè)計越來越受到關(guān)注，已成為電子技術(shù)工作人員設(shè)計的核心課題之一。

1.1 FPGA概念

FPGA是現(xiàn)場可編程門列陣的簡稱，它的出現(xiàn)是給電子技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計帶來了質(zhì)的變化。它是由它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件在社會發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的一種新產(chǎn)物，作為專用集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用而產(chǎn)生的一種定制電路不足現(xiàn)象，這也克服了傳統(tǒng)可編程器件門電路數(shù)有限的缺點，給集成電路技術(shù)的發(fā)展指明了新方向。

1.2 FPGA優(yōu)點

現(xiàn)場可編程門陣列是一種可編程使用的信號處理器件，它可以通過用戶來改變配置信息的功能的特點而受到社會各界人士的關(guān)注。FPGA與傳統(tǒng)的數(shù)字電路系統(tǒng)相比較，它具備著可編程、集成程度高、運行速度快、可靠性好的優(yōu)勢，可以通過配置有關(guān)器件內(nèi)部的邏輯功能和輸入、輸出端口來將其與原來的電路板連接起來，從而提高電路的性能，減少電路在運行中所產(chǎn)生的其他隱患，有效的提高工作的靈活性和效率。

它與ASIC相比較，具備著顯著的優(yōu)勢，如開發(fā)周期短、產(chǎn)品上市速度快、市場適應(yīng)能力強以及未來發(fā)展空間大的特點。在目前的社會發(fā)展中，一個產(chǎn)品在定型和投入市場之后，很難再對其進行改進和優(yōu)化，而在FPGA的設(shè)計工作中，我們可以迅速的將其轉(zhuǎn)變成為專用的芯片，從而進行生產(chǎn)。

2 FPGA的發(fā)展歷程

2.1 FPGA的過去發(fā)展

FPGA最早出現(xiàn)于上個世紀七十年代，它自誕生以來以其通用型能力好、適應(yīng)性強的優(yōu)勢得到了迅速的發(fā)展，同時也改變了傳統(tǒng)器件的固定功能，從根本上改變了傳統(tǒng)期間功能的研制和發(fā)展。在當(dāng)前社會發(fā)展中，采用FPGA進行工作的時候，用戶可以直接通過編程的方式來實現(xiàn)所需要的邏輯功能，而無需要依賴于傳統(tǒng)的芯片功能要求。

FPGA由于本身具備著門陣列器件的高度集成、通用性強的特點，又具備著用戶可編程靈活度高、在規(guī)模、密度上發(fā)展不受整體框架限制的優(yōu)勢在過去的幾十年時間里得到了飛速發(fā)展，并且取得了一定的成績。

2.2 FPGA的發(fā)展趨勢

時至今日，F(xiàn)PGA市場逐步趨于規(guī)范，早已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的那種繁雜無章的市場模式，今天的FPGA生產(chǎn)商家只剩下了為數(shù)不多的幾家，雖然仍然不時出現(xiàn)新的生產(chǎn)廠家，但是由于其技術(shù)底蘊無法與這些老牌常見比較，大多都是曇花一現(xiàn)的現(xiàn)象，而無法得到大力發(fā)展。但是就那些老牌的廠家生產(chǎn)和研究分析，F(xiàn)PGA存在著集成程度高、結(jié)構(gòu)靈活、結(jié)構(gòu)可靠的優(yōu)點而不斷的進行研制，且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的完善和發(fā)展，這一技術(shù)的應(yīng)用也越來越深入，相信在未來的發(fā)展中必然會迎來更進一步的發(fā)展。

3 FPGA設(shè)計技術(shù)

3.1可編程技術(shù)探討

在目前的FPGA設(shè)計工作中，我們常見的可編程技術(shù)主要包含有3種。

3.1.1 SRAM編程技術(shù)

SRAM編程技術(shù)被稱之為最基本的變成技術(shù)，是通過對傳輸管進行控制和存儲信息的讀寫來完成工作的。在設(shè)計的過程中，當(dāng)傳輸管道接通的時候，SRAM單元內(nèi)部的存儲信息可以通過數(shù)據(jù)傳輸端口來進行讀取或者改寫；而當(dāng)傳輸管道中斷的時候，存儲的信息也會隨之靜置，形成一個首尾相連的鎖定狀態(tài)。

3.1.2 Flash和E2PROM編程技術(shù)

Flash和E2PROM技術(shù)在應(yīng)用的過程中存在著穩(wěn)定性好、非易失性的特點，在設(shè)計的過程中及時關(guān)閉電源，其內(nèi)部存數(shù)的信息也不會發(fā)生損壞和丟失。在設(shè)計工作中，如果采用Flash進行設(shè)計，那么其內(nèi)部的存儲單元會自動取消E2PROM隧道型存儲單元選擇關(guān)，通過采用一個信號一次性擦除的方式來存儲信息，進而增加器件的繼承性。這一技術(shù)與SBAM相比較，它結(jié)合了非易失性和可重復(fù)性的變成特點，因此具備著工作效率高、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。

3.1.3反熔絲變成技術(shù)

反熔絲變成技術(shù)在編程應(yīng)用之前都是以開路狀態(tài)存在的，通過編程使得反熔絲結(jié)構(gòu)局部發(fā)生變化，在瞬間產(chǎn)生大量的熱損耗現(xiàn)象，從而使得薄絕層的物質(zhì)融化反應(yīng)，進而形成永久性的通道。這種技術(shù)在應(yīng)用的過程中可以說是集合了FPGA的非易失性和穩(wěn)定性雙重優(yōu)勢，使得信號傳輸路徑的電阻和電容問題得到了緩解，并且具備著安全性高的優(yōu)點。但是它在應(yīng)用中缺陷和極為明顯，主要表現(xiàn)在：無法重復(fù)變成、不能用于新產(chǎn)品開發(fā)；一次性進行編程且無法進行可靠檢測；在不同工藝下其所造成的工作差異也相當(dāng)大。

3.2 FPGA前沿設(shè)計技術(shù)與未來發(fā)展趨勢

時至今日，在社會發(fā)展中半導(dǎo)體產(chǎn)品的應(yīng)用越來越普遍，可謂是在各領(lǐng)域都已經(jīng)趨于普及，在應(yīng)用對于成本的控制都是以摩爾定律為基礎(chǔ)進行的，而作為半導(dǎo)體器件中最為關(guān)鍵的一部分——可編程邏輯器的應(yīng)用越來越普遍，它在每一次工藝升級中都出現(xiàn)了新的轉(zhuǎn)變，在產(chǎn)品的功耗、頻率以及密度方面都得到了重大轉(zhuǎn)變。

受到深亞微米半導(dǎo)體工藝影響，傳統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)工藝面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)，在工作中如果仍然采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，在未來社會發(fā)展中必然無法滿足時代要求，這就需要在工作中對其進行優(yōu)化和改進。這一工作的開展是以高密度、高性能為目標(biāo)開展的，對于片上的資源集成度進行了更深層次的優(yōu)化，為FPGA的技術(shù)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

為滿足用戶和市場日益變化的需求，F(xiàn)PGA不斷在密度、功能、性能和功耗等方面演變；面對深亞微米工藝帶來的各種不良影響，如漏電流、設(shè)計復(fù)雜度等，又迫切需要最切實際的解決方案。隨著挑戰(zhàn)的發(fā)展，可以預(yù)言，未來FPGA的設(shè)計技術(shù)必將繼續(xù)呈現(xiàn)出巨大的創(chuàng)新與進步。

參考文獻

高性能集成電路的概念范文4

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，EDA技術(shù)也不斷地推動著電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。IC設(shè)計產(chǎn)業(yè)在不斷高度發(fā)展的同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，產(chǎn)品上市周期越來越短、成本越來越低等要求都迫使設(shè)計者在進行電子設(shè)計時選用更高效的EDA技術(shù)。設(shè)計者在設(shè)計的過程中必須全面的考慮問題，不僅要考慮硬件的物理特性對設(shè)計時序及功能可靠性等的影響，同時也要選用合適的設(shè)計術(shù)語及抽象形式等數(shù)據(jù)來描述設(shè)計。EDA技術(shù)不僅需要測試深驗證亞微米技術(shù)的物理效應(yīng)的能力同時也需要提供抽象設(shè)計的能力。EDA技術(shù)的發(fā)展離不開計算機、電子系統(tǒng)設(shè)計及集成電路等，EDA技術(shù)的發(fā)展大致上可以分為計算機輔助階段、計算機輔助工程設(shè)計階段及電子設(shè)計自動化階段這三個階段。電子輔助階段主要是在計算機輔助的前提下進行的電路原理圖編輯，用PCB進行布線布局，從而使得設(shè)計師從傳統(tǒng)的繪圖工作中解放出來。計算機輔助工程設(shè)計階段主要是解決電路設(shè)計中的電路檢測等問題，CAE以邏輯模擬、故障仿真及定時分析等為核心，從而使得設(shè)計可以提前預(yù)知產(chǎn)品的相關(guān)性能及功能。電子設(shè)計自動化階段主要是通過高級描述語言、綜合技術(shù)及系統(tǒng)仿真等“自上而下”的完成設(shè)計前期的高層次設(shè)計。

2EDA技術(shù)的要點分析

2.1硬件描述語言硬件描述語言是一種進行電子系統(tǒng)硬件設(shè)計的計算機語言，它通過軟件編程來具體的描述電子系統(tǒng)中的電路結(jié)合、連接形式及邏輯功能等，硬件描述語言適應(yīng)于設(shè)計大規(guī)模的電子系統(tǒng)。高速集成電路（VHDL）硬件描述語言于1985年美國國防部推出的目的是為了克服EDA產(chǎn)品不兼容問題，同時也可以進行多層次設(shè)計。IEEE以VHDL為硬件描述語言柄灘以覆蓋之前的硬件描述語言的各種功能。IEEE是一種全方位的硬件描述語言，包括系統(tǒng)行為級、邏輯門級及寄存器傳輸?shù)榷鄠€設(shè)計層次，同時也支持數(shù)據(jù)流、結(jié)構(gòu)及行為等三種形式進行混合描述整個項目。VHDL硬件描述語言不僅移植性好，同時它的設(shè)計也方便了工藝間的轉(zhuǎn)換，而且VHDL使得設(shè)計人員的主要工作是進行實現(xiàn)與調(diào)試系統(tǒng)功能。

2.2ASIC設(shè)計在集成電路的設(shè)計中加入ASIC芯片可以解決電子系統(tǒng)集成電路存在的功耗的、可靠性差及體積大等主要問題。隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品市場的門檻不斷提高，ASIC芯片分為全定制或半定制ASIC及可編程，因此在設(shè)計ASIC芯片時應(yīng)該盡可能的是芯片獲得最優(yōu)的性能，從而達到高利用率、高速度及低耗能的目標(biāo)。

3EDA技術(shù)在電子設(shè)計流程

EDA技術(shù)是系統(tǒng)級的設(shè)計方法，是一種層次相對較高的電子設(shè)計方式，EDA技術(shù)以概念為驅(qū)動從而使電子設(shè)計工作者在設(shè)計時無需利用門級原理圖，電子設(shè)計工作者在確定設(shè)計目標(biāo)之后就可以用EDA技術(shù)來表述電路，這樣不僅可以減少電路細節(jié)的約束及限制，同時也可以使設(shè)計者的設(shè)計更具創(chuàng)造性。EDA系統(tǒng)在電子設(shè)計人員將概念構(gòu)思及高層次的描述輸入計算機之后在系統(tǒng)規(guī)則下完成對電子產(chǎn)品的設(shè)計。EDA技術(shù)的電子設(shè)計工作流程大致包括系統(tǒng)劃分、代碼級功能仿真、VHDL代碼或圖形的輸入、送配前時序仿真及ASIC實現(xiàn)部分。首先，電子設(shè)計借助文本或者圖形編輯器呈現(xiàn)出設(shè)計描述，也就是實現(xiàn)設(shè)計表述。其次，電子設(shè)計借助編譯器對設(shè)計進行錯排編譯，即輸入HDL程序。然后，設(shè)計人員需要溝通軟件和硬件設(shè)計，以便實施功能仿真，即綜合。最后，在確認仿真設(shè)計無誤時，通過FPGA或CPLD完成邏輯映射操作，即編程下載，系統(tǒng)級設(shè)計完成。基于EDA技術(shù)電子設(shè)計流程如圖。

4EDA技術(shù)的應(yīng)用

EDA技術(shù)在電子工程設(shè)計中扮演著非常重要的角色，它的作用體現(xiàn)在不同的方面。首先，電子自動化技術(shù)可以驗證電路設(shè)計方案的正確性，在進行電子設(shè)計時，待設(shè)計方案確定之后，會利用結(jié)構(gòu)模擬或者系統(tǒng)仿真等方式來驗證設(shè)計方案的正確性，在驗證過程中系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)確定之后設(shè)計方案便可以實現(xiàn)。這種系統(tǒng)仿真技術(shù)推廣到非電子專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計也會得到充分的發(fā)展。EDA技術(shù)在系統(tǒng)進行仿真之后的電路結(jié)構(gòu)進行模擬分析，從而使得電路設(shè)計方案的可行性及正確性得到充分的保障。其次，電子自動化字數(shù)也可以對電路特性進行優(yōu)化設(shè)計。電路的穩(wěn)定性能受到元器件容差及工作環(huán)境溫度等的影響。在傳統(tǒng)設(shè)計過程中難以對電路的整體進行優(yōu)化設(shè)計，也無法全面的分析電路穩(wěn)定性的影響因素。EDA技術(shù)中的溫度分析及統(tǒng)計分析等功能的應(yīng)用則可以全面的分析電路特性影響因素，從而對電路特性進行整體的優(yōu)化設(shè)計。最后，電子自動化技術(shù)也可以實現(xiàn)電路特性的全功能模擬測試。

5以EDA技術(shù)為基礎(chǔ)電子設(shè)計的注意事項

高性能集成電路的概念范文5

關(guān)鍵詞：自動化儀表；嵌入式系統(tǒng)；自動化；網(wǎng)絡(luò)化

信息化社會背景下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與微電子技術(shù)迅猛發(fā)展，自動化儀表也進行相應(yīng)升級和創(chuàng)新，通信信息技術(shù)和計算機技術(shù)、新型精密元件零件和智能化系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用一定程度上影響了自動化儀表結(jié)構(gòu)跳幀，通過運用嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了儀表遠程監(jiān)督和控制，實時傳輸和預(yù)報儀表運行故障以及上傳相關(guān)信息，在自動化儀表強化傳感測量計算、補償網(wǎng)絡(luò)與顯示等功能基礎(chǔ)上增加自動化信息處理、信息判斷、智能化運行以及自動診斷運行故障等功能，嵌入式系統(tǒng)為自動化儀表創(chuàng)新發(fā)展提供技術(shù)條件。

1軟硬件系統(tǒng)設(shè)計是新型儀表設(shè)計模式

常規(guī)儀表儀器設(shè)計流程和內(nèi)容是先對系統(tǒng)硬件進行設(shè)計，然后制定系統(tǒng)軟件，再對系統(tǒng)硬件和軟件進行反復(fù)測試調(diào)整。通常在系統(tǒng)流程或運行中發(fā)現(xiàn)故障和內(nèi)部元件錯誤后進行維修，會使得儀表修改難度加大甚至難以進行，所以需要進行重新設(shè)計，使得儀表開發(fā)進度受到影響，儀表開發(fā)周期延長，無形中增加成本費用。軟硬件協(xié)同設(shè)計是近年來作為新型設(shè)計模式，又可以稱為軟硬件一體化設(shè)計。自動化儀表嵌入式系統(tǒng)研發(fā)過程中，系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件開發(fā)緊密相關(guān)，互相作用。在研發(fā)過程中對軟件和硬件進行功能劃分需要結(jié)合系統(tǒng)功能描述內(nèi)容，在實際設(shè)計環(huán)節(jié)中首先對嵌入式系統(tǒng)進行功能運行測試，確保系統(tǒng)功能與實際需求相符合，進行軟硬件協(xié)同模式測試，實現(xiàn)軟件和硬件綜合開發(fā)。軟硬件系統(tǒng)設(shè)計模式具有功能分化清晰明確、軟件開發(fā)周期短等特征，對新型自動化儀表設(shè)計提供了技術(shù)指導(dǎo)，同時也符合市場發(fā)展和社會經(jīng)濟需求。嵌入式系統(tǒng)研發(fā)主要內(nèi)容是系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊劃分，軟件硬件設(shè)計、協(xié)同設(shè)計測試模擬主要分為四方面內(nèi)容：第一，協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)功能劃分需要先對系統(tǒng)各個功能進行了解采集，編制功能運行指令，例如使用無關(guān)語言的描述方式，初級數(shù)學(xué)公式或者算法級描述，對系統(tǒng)功能進行準確測試模擬。第二，軟件硬件功能劃分主要對系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容和限制條件進行掌握，對軟件和硬件功能仔細分類，確保系統(tǒng)設(shè)計方案科學(xué)合理。第三，系統(tǒng)協(xié)同測試模擬是對軟件和硬件設(shè)計綜合，運用通信技術(shù)實現(xiàn)對整個系統(tǒng)進行監(jiān)督和掌控，進行測試模擬相關(guān)數(shù)據(jù)分析，及時發(fā)展各種安全隱患和問題，并加以修改。第四，軟件和硬件設(shè)計綜合后，實施協(xié)同模擬測試，完成系統(tǒng)設(shè)計綜合集成。軟件構(gòu)件設(shè)計中包括編制、翻譯、匯總以及綜合四方面內(nèi)容、硬件構(gòu)件設(shè)計中包括邏輯設(shè)計、半途設(shè)計以及綜合設(shè)計等內(nèi)容。軟件硬件協(xié)調(diào)設(shè)計方案通過運用并行寫作設(shè)計概念，有效降低了方案設(shè)計時間，提高了設(shè)計質(zhì)量和效率。嵌入式系統(tǒng)軟件硬件協(xié)調(diào)設(shè)計在整個系統(tǒng)流程中可以分層為：首先，設(shè)計需求和產(chǎn)品定義，設(shè)計方案目的；其次，系統(tǒng)概念層級設(shè)計初級系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)流程設(shè)計，綜合軟件硬件協(xié)調(diào)測試模擬過程；最終，系統(tǒng)設(shè)計詳細層次，對軟件、硬件和系統(tǒng)界面設(shè)計，綜合評價系統(tǒng)設(shè)計。

2嵌入式處理器是新型自動化儀表設(shè)計核心內(nèi)容

隨著單片機及微型控制器智能化程度越來越高、系統(tǒng)技術(shù)越來越成熟以及使用功能越來越豐富等特點，被廣泛應(yīng)用越自動化儀表運行中。這對嵌入式處理器要求越發(fā)嚴格，在減少耗能和占地面積基礎(chǔ)上，引入芯片集成電路技術(shù)，有效控制處理器成本價格，確保高性能嵌入式處理器在新型自動化儀表發(fā)揮最大性能。自動化儀表設(shè)計要考慮數(shù)字信號頻譜分析和濾波技術(shù)、快速傅氏變換算法，運用效率較高編譯方法，制定速度快的運行指令。通過運用高性能集成處理器可以實現(xiàn)更多附加功能，例如三十二位內(nèi)核運算集成完成的通信系統(tǒng)，支持各種通信協(xié)議下的同步協(xié)議渠道。AcornRISCMachine微型處理器種類較多，從功能上分，主要用于通信功能的有DSP集成協(xié)同處理器、用來支持各類計算機平臺應(yīng)用軟件和專用網(wǎng)絡(luò)等，滿足了用戶多種需求，選擇高性能嵌入式處理器可以實現(xiàn)更多功能。

3嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)自動化儀表網(wǎng)絡(luò)信息化

實現(xiàn)自動化儀表網(wǎng)絡(luò)信息化需要采用高性能處理器和硬件系統(tǒng)，制定儀表連接網(wǎng)絡(luò)困難解決方案，采用多媒體信息交換機與單片機及微型控制器協(xié)議連接網(wǎng)絡(luò)。增設(shè)網(wǎng)關(guān)，緩解嵌入式系統(tǒng)上網(wǎng)難題，提高嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)管理工具，全面監(jiān)督和掌控嵌入式組織結(jié)構(gòu)和設(shè)備。通過運用嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)儀表網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、遠程控制監(jiān)督以及保存共享等功能，極大程度上發(fā)揮了系統(tǒng)性能，打破同一范圍內(nèi)信息采集分析與保存共享傳統(tǒng)模式，為網(wǎng)絡(luò)平臺和技術(shù)為依托，進行儀表遠程控制，用戶可以通過網(wǎng)頁瀏覽器獲取需要的數(shù)據(jù)信息。結(jié)合自動化儀表實際運行需求，從系統(tǒng)調(diào)度、內(nèi)存信息等環(huán)節(jié)進行管理，實時監(jiān)督系統(tǒng)任務(wù)切換或中斷。系統(tǒng)硬件引用高性能嵌入式處理器，提高硬件調(diào)度管理效率、系統(tǒng)軟件可以獨立完成計算分析和顯示儲存等功能，高度實現(xiàn)智能化處理模式，通過補償網(wǎng)絡(luò)調(diào)整校準自動化儀表準確程度，確保儀表自動化運營精準性。

4結(jié)束語

綜上所述，新型自動化儀表需要自主學(xué)習(xí)和處理多種復(fù)雜測試模擬程度，引用智能化嵌入式系統(tǒng)和高性能嵌入式處理器，科學(xué)開發(fā)設(shè)計新型自動化儀表。結(jié)合軟硬件協(xié)同設(shè)計模式和操作系統(tǒng)技術(shù)，實現(xiàn)新型自動化儀表高效平穩(wěn)運行。

參考文獻

[1]厲玉鳴.化工儀表及自動化.第3版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

高性能集成電路的概念范文6

硅與光的半世姻緣

1960年，Ted Maiman發(fā)明了第一個激光器，而這項發(fā)明在最初一段時間內(nèi)并無任何實際用途，人們還不知道激光可以用來做些什么。半個世紀之后，激光已經(jīng)成為醫(yī)藥、制造、娛樂領(lǐng)域的重要工具，并且推動了所有遠程通信的發(fā)展。然而，由于成本的限制，激光及相關(guān)的器件還沒有成為日常生活應(yīng)用的常客。

1959年，仙童半導(dǎo)體公司的Robert Noyce(英特爾公司的創(chuàng)始人之一)和德州儀器的工程師Jack Kilby幾乎同時發(fā)明了基于硅的集成電路，而前者的發(fā)明更加適合進行商業(yè)化。半個世紀之后，硅集成電路由當(dāng)初的2個晶體管發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)十億個晶體管，并不斷提高性能、降低計算成本，摩爾定律更推動著半導(dǎo)體芯片技術(shù)持續(xù)高速前進，取得一個又一個革命性的技術(shù)突破，我們的計算設(shè)備也從大型機、小型機，向著工作站、臺式機、筆記本電腦、平板電腦、智能手機這樣的小型化之路發(fā)展。

將半導(dǎo)體制造技術(shù)的大批量、低成本、高集成度、靈活擴展等特性，與激光器(及光纖)的超高帶寬、長距離、低功耗、無電磁干擾等特性結(jié)合起來，這個大膽的設(shè)想在英特爾的工程師腦中已經(jīng)孕育了近10年，并且在過去的六七年時間里一步一個腳印地解決了激光的發(fā)射、操縱、結(jié)合、分離和探測的技術(shù)難題，成功開發(fā)并產(chǎn)品化了LightPeak技術(shù)(公布于2009年9月24日的秋季IDF大會上)，為各種外部設(shè)備與PC之間的高速低成本光連接提供了成熟的解決方案。

英特爾公司首席技術(shù)官、高級院士兼英特爾研究院總監(jiān)賈斯汀在大會主題演講中向人們描繪了2015年利用高速光連線技術(shù)的驚人體驗。屆時，用戶將擁有150億個消費電子設(shè)備能夠提供電視內(nèi)容，可供播放的視頻將達到成百數(shù)千億個小時。LightPeak技術(shù)將提供10Gb，s的高帶寬，支持更小的設(shè)備接口以及更長、更細、更靈活的主流光連線技術(shù)，并可通過單根連線連接任何設(shè)備。

從電到光，潛力無窮

現(xiàn)在人們使用的計算機組件都是通過銅纜或電路板上的線路互相連接的。由于使用銅等金屬進行數(shù)據(jù)傳輸會產(chǎn)生信號衰減，這些纜線所允許的最大長度十分有限。這極大束縛了計算機的設(shè)計，迫使處理器、內(nèi)存和其他組件相互間的距離必須設(shè)置在幾英寸以內(nèi)。今天公布的研究成果，使我們向著以超輕超細光纖替代金屬連接線路的目標(biāo)又前進了一步，從而在更長的距離上傳輸更多的數(shù)據(jù)，徹底改變未來計算機的設(shè)計方式及數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)方式。

硅光電技術(shù)將在計算行業(yè)實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。例如，有了如此高速的數(shù)據(jù)傳輸速度，你可以想象家庭娛樂和視頻會議也能享受墻體般大小的3D屏幕，而且高清的體驗會讓你感覺演員或者家人似乎就在你身邊。未來數(shù)據(jù)中心或超級計算機的組件可能會分布在整個大樓甚至園區(qū)的不同位置，相互之間進行高速通信，完全不同于如今基于容量和傳輸距離有限的銅線的設(shè)計。這將幫助搜索引擎公司、云計算服務(wù)提供商或金融數(shù)據(jù)中心等數(shù)據(jù)中心用戶提高性能和容量、節(jié)約空間與能源成本；或者幫助科學(xué)家構(gòu)建更強大的超級計算機來解決世界面臨的重大問題。

英特爾首席技術(shù)官兼英特爾研究院總監(jiān)賈斯汀(Justin Rattner)在美國加州Monterey舉行的集成光電技術(shù)研究大會上展示了這款硅基光電聯(lián)結(jié)系統(tǒng)原型。這個傳輸速度高達50Gbps的聯(lián)結(jié)系統(tǒng)類似于一款“概念車”，讓英特爾研究人員可以在此聯(lián)結(jié)系統(tǒng)上測試新想法，基于成本低廉且易于制造的硅繼續(xù)開發(fā)利用光束在光纖上傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)，而不是使用像砷化鎵這樣的特殊材料做成的成本昂貴、制造困難的元件。盡管電信及其它領(lǐng)域已經(jīng)在使用激光來傳輸信息，但對于PC行業(yè)來說，目前的技術(shù)應(yīng)用成本還過于昂貴且元件體積過大。

賈斯汀表示：“我們的長期愿景是‘硅化’光子，把高帶寬、低成本的光通信引入未來的PC、服務(wù)器和消費設(shè)備中。這款全球首次利用集成混合硅激光器開發(fā)的50Gbps硅基光電聯(lián)結(jié)系統(tǒng)標(biāo)志著實現(xiàn)這一愿景的重要里程碑。”

下下一代的LiqhtPeak技術(shù)?

這個50Gbps硅基光電聯(lián)結(jié)系統(tǒng)原型是英特爾在硅光電學(xué)領(lǐng)域多年研究的結(jié)晶，其中包括了數(shù)個“世界第一”的研究成果。它包含一個硅發(fā)射器和一個接收器芯片，兩者都集成了所有必需的構(gòu)建模塊，并融入英特爾歷年來的多項突破性技術(shù)成果，包括與加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校合作開發(fā)的第一個混合硅激光器以及2007年的高速光調(diào)制器和光電探測器。

發(fā)射器芯片包括四個激光器，通過它們發(fā)射的光束分別進入一個光調(diào)制器，而后者則以12.5Gbps的速度對數(shù)據(jù)進行編碼。然后，這四條光束將被集中起來并輸出到一條光纖內(nèi)，總的數(shù)據(jù)傳輸速率將達到50Gbps。在聯(lián)結(jié)系統(tǒng)的另一端，接收器芯片會對這四條光束進行分離，并導(dǎo)人到各光電探測器中，后者把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回電信號。兩個芯片都使用PC行業(yè)常用的低成本制造技術(shù)進行裝配。通過提高調(diào)制器速度和增加每個芯片激光器數(shù)量的方式，英特爾研究人員正在努力提高數(shù)據(jù)傳輸速率，為未來的Tb/s級光學(xué)聯(lián)結(jié)系統(tǒng)鋪平道路。Tb/s級光學(xué)聯(lián)結(jié)系統(tǒng)可以在一秒鐘內(nèi)完成一臺筆記本電腦中所有內(nèi)容的傳輸。