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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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正方形 Icon 創新之鑰 Innovation

超低電壓晶片技術

周世民

隨著「節能行動裝置」的概念不斷發展,如何有效降低電源消耗,以延長產品的工作時間,是未來發展重要課題。
工研院開發出超低電壓晶片技術(Ultra-Low Voltage Video Recording SoC),充分運用電路設計技術、電熱原理等設計,將有效優化能源管理及消耗的效能,並可以廣泛應用於電子、生醫、傳產等產業。

晶片產業競爭激烈,獲得傑出研究金牌獎十分不容易!」工研院資訊與通訊研究所技術組長朱元華指出,超低電壓晶片技術是某種程度預測未來發展走勢,不小心看錯技術方向就會徒勞無功,獲獎是對於這些日子相關技術團隊默默付出的肯定,但卻是也是壓力的開始。

事實上,超低電壓晶片並非最新的技術概念,該技術所使用的電路結構和設計方法並不相同於一般。因此,全世界相關技術研發仍在探索階段,工研院成功在極短的時間內運用65奈米製程,結合學界、業界與資源,成功開發出超低電壓晶片技術,不但成為業界焦點,未來更直接將此技術運用在各個領域之上。

超低電壓晶片 拓展3C應用新大陸

從技術的趨勢走向來看,不只在台灣IC產業競爭激烈,同時面臨到大陸廠商的追趕。雖然近年超低電壓晶片技術頗受注目,但實際上國際間所投入的研發還在萌芽階段。超低電壓晶片可以帶來低功耗,能直接從數學物理基礎去做驗證,然而因為牽涉到許多設計方式、電路,整個IC基礎都跟以往有所不同,在製程上也必然要有所突破。

朱元華回顧超低電壓晶片的開發,剛開始團隊只能借鏡一些國際論文,進而討論相關問題,但因為尚未實際操刀演練,所以也不清楚技術的困難點在哪邊,幾乎前一年的時間,都在進行摸索與嘗試,去探討這項技術可能會碰到的問題,當時完全沒有預想到,這項研發成果能受到極大的迴響與肯定。

「我覺得很幸運,我們掌握了幾個重要的突破點,並與學界密切聯繫,學界擅長的就是進行完整、有深度的探討。」朱元華舉例,SRAM有幾個問題,正好有同仁在國立清華大學攻讀博士班,進行相關研究;對於SRAM的特性,也獲得清華大學電機系教授張孟凡的多方指導,之後再與65奈米製程做搭配驗證,才真正了解製程效應影響電路的關係,並且即時進行量測與相關的調整。

時脈的產生,是影響功耗的關鍵因素,所以開始設計超低電壓鎖相迴路時,便捨棄了高壓耗電的石英震盪器(Crystal),換成以矽(Silicon)的方式來實現,用較低的電壓來產生頻率。

朱元華表示,這個看似短短三言兩語就說完的過程,仰賴不少學者的奧援,包括國立中央大學電機工程學系教授鄭國興、國立中興大學電機工程學系教授楊清淵、國立台北大學資訊工程學系副教授黃弘一、淡江大學電機工程學系助理教授楊維斌、高師羅有龍教授等,其中好幾位曾經是在工研院共同打拚的夥伴。

高凝聚力 讓學、研共創佳績

朱元華特別感謝合作最密切的兩支學界團隊,其中之一,著重在超低電壓的模組設計技術,包括PVT感知、SRAM、PLL、設計方法等,不論人力培養和技術支援,尤其在工研院團隊成立之初,給予強大的奧援。在去年底,學界、工研院雙方共同完成了可用於助聽器的數位語音處理器,內含四個處理核心,可以進行雜音迴音消除,及增減頻段的強弱等等,整體操作可以低於0.5V,功耗僅數百微瓦。

另一支學界團隊,著重在應用在超低電壓演算法到整合晶片的實現。在一開始進行研發時,團隊就布局超低電壓細胞元件庫的設計。接下來關鍵的一役,就是超低電壓自行車行車紀錄器系統晶片的設計與實現。

朱元華回憶,當時開發的全盛時期超過50位人員,其中包括學校的研究團隊、工研院三個技術組的人力,還有台積電和晶心科技的技術人力等。當時教授群沒有向工研院申請費用,台積電願意免費提供代工服務,晶心科技則免費提供微處理器核心,有如此高凝聚力的團隊支持,方能展現超低電壓的成就。

朱元華笑著說,工研院自掏腰包來執行這個計畫,沒有任何的委託案或經費支付給這個工作團隊:「那時50人團隊大家都是,本著對此技術的興趣而投入參與,這是非常難得的事。」

「雖然超低電壓全球研究團隊不多,但全都是聞名世界的實力派。國內的研究團隊與世界的技術連結度很高,幸好當時學界也願意與我們共同投入開發,才能有如此迅速的發展突破,這是相當幸運且關鍵的一環。」朱元華指出當時成功的關鍵。

掌握製程關鍵 發揮超低電壓特性

超低電壓牽涉到許多關於製程、電路設計、元件及諸多特性問題,所以更加提高了這技術的門檻。由於技術團隊對於製程的特性,有相當程度的掌握,例如電路設計部分,或許可以慢慢去發現、掌握,但製程變異就是不容易控制的。研發團隊在有限的經費下,面臨所費不貲的製程試驗,因此放棄太過前瞻的計畫,選擇了技術較成熟的65奈米製程,所幸已可以反應低功耗、低電壓所產生的製程問題,並想辦法從電路上去排除相關的各種問題。

「技術困難的地方不少,但團隊都勇於接受挑戰。」朱元華表示,隨後團隊採用「能量產生」技術,當初在設定低電壓計畫目標時,希望功耗可以低到能利用「光轉電」、「熱轉電」、「無線訊號轉電」、及「震動轉電」等方式,在能量上自給自足。

多方考量下,研發團隊深入「光轉電」及「熱轉電」這二大領域,將能量產生與能量使用的區塊進行對比。「我們最大的突破點,就是用聰明的辦法,以『最節省能量』這個條件,去追蹤到最大功耗的『點』。」

朱元華認為,超低電壓晶片技術的研發計畫,目前仍偏向電路設計端,技術真正成熟前仍面臨許多挑戰,包括與設計流程相關的超低電壓,要如何與EDA工具結合,以減少錯誤機率;另一就是屬於系統應用面,探討超低電壓技術最適合用於何種系統或應用領域。

產品應用涵蓋生醫、消費電子等領域

在未來的幾年之間,超低電壓要走向產業界的關鍵,就是要克服寬廣域電壓操作,並且符合流程需求。設計方式必須進行整合,才能符合產品即時上市的需求,當然電路本身也要更穩定,「雖然我們對於超低電壓在65奈米製程非常了解,但現在有更先進的製程,電路方面必須緩衝製程變異所帶來的挑戰,才能將整體良率往上提升!」

為了讓超低電壓新的技術能更快的導入產業界,工研院除了提供技術支援,尚須藉由學界的力量,共同進行推廣。工研院今年也與國家實驗研究院晶片中心(CIC)進行合作,同時CIC與學校有許多合作計畫連結,依循世界趨勢來發展技術的學界,相信超低電壓就是未來的主流,因此教授們也很樂意去嘗試。

「無論是演算法、電路實現技巧,都面臨不斷世代更新的挑戰,因此工研院與教授合作,可以獲得更多前瞻的技術,將超低電壓、廣域電壓落實到設計概念中,並藉由發表論文,或是進行產業的連結,將成果擴散出去。」朱元華認為,透過CIC將技術媒合給學界的研究團隊,來尋找新的應用、新的載具,進而將產業的技術連結起來,將超低電壓技術能夠發揮至更多元的應用。

超低電壓晶片的另一個機會,是類似Google眼鏡的產品應用,目前Google 眼鏡仍需仰賴一顆電池,但未來力求輕量、節能,現有的產品仍會進行改造,而低電壓、低功耗就扮演非常重要的角色,現在能夠做到的,就是影像的錄影、傳送,這些基礎技術,在工研院已經醞釀了一段時間。

讓消費性電子產品不用一直充電,就是低電壓、低功耗技術吸引市場的地方,畢竟一項很酷的電子產品,如果二個小時就得充電,那就一點也不酷了。朱元華相信,未來除了Google,還會有更多的廠商將推出類似產品,這樣的產品對於能量的控制需要更為謹慎的控制。

能夠拉長產品工作使用時間,是超低電壓晶片絕對的優勢,因此也非常適合應用於生醫產業下的健康照顧體系,讓產品長效且持續的監督心跳、血壓。現在很多健身房、健康中心需要長時間記錄每天的運動量,諸如此類應用產品,就會需要超低電壓晶片技術應用。

朱元華對此,寄予深深的期待:「如果這類產品再搭配熱電技術,就可以讓系統進行更長時間的工作,透過好的整合、好的元件設計,它就可以真的變成好的產品。」

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