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1、芯片功耗与摩尔定律的终结 清华大学计算机系清华大学计算机系EDAEDA实验室实验室 骆祖莹骆祖莹 博士后合作导师博士后合作导师: : 洪先龙教授洪先龙教授 IEEE FELLOWIEEE FELLOW Date1EDA Lab., Tsinghua University 报告内容 计算机科学发展与摩尔定律 集成电路功耗的组成与提高趋势 高功耗对集成电路性能与可靠性的影响 v供电系统（P/G） v封装与散热装置 v可靠性 芯片功耗与摩尔定律的终结 与芯片功耗相关的研究热点 Date2EDA Lab., Tsinghua University 计算机科学发展与摩尔定律 目前计算机科学发展的动力，
2、一部分来自计算机理论 的发展，但主要来自集成电路芯片性能的大幅提高。 集成电路芯片性能提高大致符合摩尔定律，即处理器 (CPU)的功能和复杂性每年(其后期减慢为18个月)会增 加一倍，而成本却成比例地递减。 集成电路生产工艺的提高(0.25/0.18/0.13/0.09um)， 缩小了单管的尺寸，提高了芯片的集成度与工作频率 ，降低了工作电压。 Date3EDA Lab., Tsinghua University Goal for Intel: 1TIPS by 2010 Shekhar Borkar, Circuit Research, Intel Labs Pentium Pro Arch
3、itecture Pentium 4 Architecture Pentium Architecture 486 386 286 8086 Date4EDA Lab., Tsinghua University Transistor Integration Capacity Shekhar Borkar, Circuit Research, Intel Labs Date5EDA Lab., Tsinghua University 报告内容 计算机科学发展与摩尔定律 集成电路功耗的组成与提高趋势 高功耗对集成电路性能与可靠性的影响 v供电系统（P/G） v封装与散热装置 v可靠性 芯片功耗与摩尔
4、定律的终结 与芯片功耗相关的研究热点 Date6EDA Lab., Tsinghua University CMOS集成电路功耗的组成 与其它工艺比较，CMOS电路以其低功耗，易于集成 的优点，在目前硅材料时代得到了最广泛的应用。 芯片功耗包括由CMOS管状态改变所产生的动态功耗 与由漏电流引起的静态功耗两部分。 动态功耗由三部分组成：A、电路逻辑操作所引起的 状态改变所需功耗；B、P管与N管阈值电压重叠所产 生的导通电流所需功耗；C、不同路径的时间延迟不 同所产生的竞争冒险所需功耗。 静态功耗也由三部分组成：A、CMOS管亚阈值电压漏 电流所需功耗；B、 CMOS管栅级漏电流所需功耗；C 、
5、 CMOS管衬底漏电流（BTBT）所需功耗。 Date7EDA Lab., Tsinghua University 静态功耗的三种成因 Date8EDA Lab., Tsinghua University The Power Crisis from Intel Shekhar Borkar, Circuit Research, Intel Labs Leakage Power is catching up with the active power in nano-scaled CMOS circuits. Date9EDA Lab., Tsinghua University The Powe
6、r Crisis from IBM David E. Lackey, IBM Date10EDA Lab., Tsinghua University Leakage power become focus in crisis Shekhar Borkar, Circuit Research, Intel Labs A. Grove, IEDM 2002 Date11EDA Lab., Tsinghua University CMOS电路功耗的优化方法 由于功耗已影响到CMOS电路设计方法学，所以功耗 在电路设计的各个阶段都必须得到优化。从程序汇 编到电路综合，再到逻辑级与版图级都是如此。我 的研
7、究集中在低层功耗优化，所以从以下两个方面 进行阐述。 动态功耗优化：A、时钟屏蔽技术；B、测试功耗优 化；C、竞争冒险消除；D、多输入逻辑门的低功耗 展开；D、分区供电。 静态功耗优化：A、多阈值多电压布放；B、虚拟供 电网络；C、最小漏电流输入向量；D、浮动衬底电 压；E、绝缘衬底（SOI）。 Date12EDA Lab., Tsinghua University 报告内容 计算机科学发展与摩尔定律 集成电路功耗的组成与提高趋势 高功耗对集成电路性能与可靠性的影响 v供电系统（P/G） v封装与散热装置 v可靠性 芯片功耗与摩尔定律的终结 与芯片功耗相关的研究热点 Date13EDA Lab
8、., Tsinghua University 高功耗对供电网络(P/G)的影响 以Intel公司下一代采用90nm工艺的Prescott为例，它 的Die面积为112mm2,共集成1.25亿只晶体管，功耗为 102W，供电电流为91A，供电电压为1.12V，工作频率 为3GHz以上（网上材料汇总）。 在3.4*10-10S的工作周期内,吸91A 电流，则充电速度 最小为2.6 *1011A/S，要求P/G网必须占有足够大的布 线面积。 为1.25亿只晶体管供电，P/G网必然非常复杂，必须使 用顶两层粗网与低两层细网，共占用4层布线资源。 3GHz工作频率要求，在P/G网分析中，必须采用复杂的
9、RLC等效电路模型。 Date14EDA Lab., Tsinghua University P/G网的拓扑形式级等效模型 Date15EDA Lab., Tsinghua University 高功耗对封装与散热装置的影响 102W的Prescott，标称工作温度为74度。 高功耗对芯片流片的热分析提出了更高更急迫的要求 。 高功耗需要导热性更佳的封装材料。 多PAD的P/G网对封装技术提出更高的要求。 风冷散热已勉为其难，再说台式机的CPU风扇噪音，已 经影响使用者的工作心情。已有人提出了半导体制冷+ 液态制冷的复合散热技术。 面对功耗越来越高的计算机（主要是CPU+散热装置） ，SUN公
10、司的科技人员就戏称，是他们的SPARC造成了 北美大停电。 Date16EDA Lab., Tsinghua University 复杂的CPU散热装置 半导体+风冷的 复合制冷装置 P4-2GHz的风扇 Date17EDA Lab., Tsinghua University 高功耗对芯片可靠性的影响 高功耗导致了高的工作温度。 高的工作温度使各种轻微物理缺陷所造成的故障显现 出来，如桥接故障。 高的工作温度使连线电阻变大，使线延时增加，时延 故障变得严重起来。 同时温度的提高，使漏电流增加，降低工作电压，使 门延时增加，同样使时延故障变得严重起来。同时漏 电流增加，还会导致P/G网的失效。
11、Date18EDA Lab., Tsinghua University 报告内容 计算机科学发展与摩尔定律 集成电路功耗的组成与提高趋势 高功耗对集成电路性能与可靠性的影响 v供电系统（P/G） v封装与散热装置 v可靠性 芯片功耗与摩尔定律的终结 与芯片功耗相关的研究热点 Date19EDA Lab., Tsinghua University 芯片功耗与摩尔定律的终结 摩尔定律的终结来自多方面，如投资、市场、设计复 杂性、材料及工艺，这里主要谈论芯片功耗的作用。 高功耗产生高温度，提高了封装成本，对摩尔定律的 成本按比例减低方面，产生终结效应。 高功耗产生高温度，产生了许多新的故障，加大了测
12、 试复杂度，提高了测试成本，同样会产生终结效应。 芯片及散热装置的高功耗，对国民经济的能源安全提 出了新的要求，这反过来对摩尔定律产生终结效应。 高的芯片功耗产生很多副面影响，而为了保证摩尔定 律，就要采用低功耗设计，这又反过来加大设计复杂 度，对摩尔定律产生终结效应。 Date20EDA Lab., Tsinghua University 报告内容 计算机科学发展与摩尔定律 集成电路功耗的组成与提高趋势 高功耗对集成电路性能与可靠性的影响 v供电系统（P/G） v封装与散热装置 v可靠性 芯片功耗与摩尔定律的终结 与芯片功耗相关的研究热点 Date21EDA Lab., Tsinghua U
13、niversity 与芯片功耗相关的研究热点 漏电流产生的静态功耗估计与优化，对于便携 设备尤其重要。 动态功耗方面：芯片的动态调度、门控时钟、 测试功耗优化。 电源线/地线网络的设计与优化。 芯片的热分析（国外最热的研究方向）。 高导热封装材料及先进的封装技术。 Date22EDA Lab., Tsinghua University 个人的研究简介 1999-2002，攻读博士学位期间，从事CMOS电路动态功耗估计与优化的研 究（在中科院计算所闵应骅研究员的指导下完成）。包括平均与最大动 态功耗快速估计、测试功耗优化、最大动态功耗宏模型的建模、和多输 入逻辑门的低功耗展开。 2002-今，从
14、事博士后研究工作，具体包括两个部分。一是从事P/G网的 分析与优化（指导一名博士，两名硕士）；二是独立开展漏电流静态功 耗的估计与优化（指导一名博士）。 共发表32篇学术论文并申请3项中国专利。其中包括2篇SCI文章（中国 科学与TCAD），18篇EI文章、2篇ACM文章。 基于“CMOS电路动态功耗估计与优化”，中科院计算所方面已申请到一 项863项目。 基于“漏电流静态功耗的估计与优化”，已申请到博士后基金，但申请 国家自然科学基金面上项目被拒。 基于“P/G网的分析与优化”，已申请到一项Intel公司资助，并与其它 院校联合申请到一项国家自然科学基金重点项目。 Date23EDA Lab., Tsinghua University Thank youThank you Happy new yearHappy new year Date24EDA Lab., Tsinghua University