半导体业者正积极开发新一代极低功耗的SoC,相较于现今电压约1伏特(V)的标准制程,超低电压制程可降至0.7或0.3~0.4伏特,让系统单芯片(SoC)动态功耗缩减一半甚至十分之一,以发挥系统电源利用率。由于芯片动态功耗与其工作频率、电压平方值息息相关,因此晶圆代工厂、矽智财(IP)和IC设计业者也纷纷投入布局超低电压制程,并分头从制程控制和电路设计着手,加速实现以更低电压运作,且效能及良率稳定的物联网SoC。
目前市场上的超低耗电(ULP)技术平台规格与物联网要求还有一段差距,以MCU为例,目前业界虽可藉由软体实现多元省电模式,但实际上MCU在各种工作频率下,仍以相同电压运行,因此还是有一定的动态功耗;未来芯片商导入超低电压制程,才能在硬体设计层面就大幅降低动态功耗,发挥更大的节能效益。
从行动世代跨入物联网时代,半导体产业至少须达成功耗仅十分之一的制程技术,方能满足下游IC设计、模组厂,以及系统业者提升产品电源效率的殷切需求,促进万物联网的愿景加速来临。
针对超低功耗物联网SoC,半导体厂除了朝更先进的20、16奈米制程迈进外,亦须基于芯片动态功耗与电压平方成正比的通用算式,进一步投资发展0.3~0.4伏特超低电压制程,以设计出工作电压仅0.3伏特,动态功耗也随电压下降,等比例降至约十分之一(0.3伏特平方约0.09伏特)的SoC。
目前一线晶圆代工厂、电子设计自动(EDA)工具商、IP供应商和IC设计业者皆加码展开超低电压制程研究,足见该技术已蔚为显学。为接轨此一设计潮流,卡位物联网商机,众多开发商马不停蹄投入布局超低电压制程控制、设计方法、芯片电路和逻辑架构等专利,并已将位准转换器(Level Shift)、锁相回路(PLL)等SoC周边电源管理方案纳入考量,全力推动超低电压制程商用脚步。
此外,资料转换器在物联网装置不定时撷取到外界资讯时,必须不断开启、关闭以解析资料再休眠,若透过制程改善,让资料转换器以更低的电压和频率启动,对节省系统电源将有莫大助益。
总而言之,超低电压(ULV)制程将成物联网发展的关键技术。以满足物联网应用对更低耗电量的要求。应对物联网装置设计挑战。