如何应对芯片设计的能源危机？

当下，每每谈及芯片设计所面临的挑战时，总绕不开摩尔定律及后摩尔时代、EDA工具、越来越复杂的电路设计，及芯片架构等话题。而与此同时，所有这些挑战，又同时和节能减碳这个能耗问题密不可分。

芯片从生产到使用过程中都需要大量的能源供给。据相关数据显示，2019年台积电用掉了143.3亿度电,这些用电量相当于深圳约1300万的人口一年的用电量。万物互联网的数字时代，每一秒,世界上都有数以千亿计的芯片在高速运转，进一步降低芯片的能耗问题已经迫在眉睫。

从市场需求来看芯片节能降碳设计方向

芯片是现代工业产品的核心和灵魂，小到耳机手机，大到飞机火箭等，都离不开芯片。其中最常见的就是消费类芯片和汽车类芯片，此外还有应用于数据中心、工业、军工和国防等领域的芯片。

目前在国内，尤其是华南地区，消费类电子，包括物联网芯片、穿戴式芯片的发展非常快。这类终端的下一代产品趋势，首先是低功耗，因为它们的电池设备大多都是要保证较长的续航时间。其次就是降低成本。消费类电子市场竞争非常激烈，几乎所有的公司都在持续不断地去做成本降低。

而在智能监控这种需要进行边缘计算的应用领域，需要提高算力去做AI计算，实现人、物品的识别功能，芯片也演变的越发复杂。汽车ADAS芯片同样如此，很多应用的的算力高达数百T，比如雷达识别或者是特斯拉的视觉识别，对芯片性能的要求都是越来越高的。那么随之制程也一定是越来越先进的，可能会赶超手机、电脑、服务器等应用。

华邦电子大陆区产品营销处处长朱迪在接受EETOP采访时表示：“降低成本，不一定要采取牺牲产品性能的方式，制程降低同样可以有效降低成本，比如说从40nm，降到28nm、22nm，甚至到1X nm。其实汽车，尤其是现在的EV造车新势力，对于ADAS或者智能座舱的要求都非常高，芯片性能也越来越强。因此，制程一定同步发展，甚至可能会选择最先进的制程去做。”

除了制程之外，车机系统同样需要考虑功耗问题。在过去，大家都没有想到在汽车里面会需要搭载几百瓦的芯片，如今这些高性能芯片对整个系统的散热、整体功耗，以及外围器件和存储芯片的影响，都需要重新考虑。

“芯片的集成化将是主流的发展趋势，这也是内存厂商和主芯片厂商合作逐渐增多的领域。”多芯片合封技术同样是减少封装面积、减少能源消耗、降低客户成本、提升产品性价比方式。朱迪分享说，多芯片封装一方面可以通过降低封装材料使用，从而实现节能减碳；另一方面也契合现在整个电子产品，尤其是消费类产品的小型化要求。多芯片合封到一起之后，穿戴类或者是物联网模块类的产品尺寸都可以很小。单芯片，把里面的存储、PA、蓝牙等芯片都合封在一起，可以有效降低整体的成本，并且尺寸也更加轻薄短小。

据介绍，华邦目前就在和主芯片厂商合作进行SiP（多芯片合封技术）的开发，提供KGD产品跟客户的主芯片一起封装，在华邦进行测试，免去单独的封测环节。朱迪指出：“目前，节能减碳是全世界各国的共同趋势。华邦主要从两个方面来实现节能减碳的目标：首先是在产品设计时就实现低功耗，减少终端产品的能源消耗；其次，在产品制造过程中，通过先进工艺减少碳排放，同时工厂做好节能减排和水资源回收等。”

从具体产品设计看华邦的降耗思路

GP-BoostDRAM

目前，华邦专注于GP-Boost DRAM产品的研发及推广，GP-Boost DRAM意为Green Power Boost-DRAM，也就是低功耗的DRAM。相比过去几年在业内用得较多的标准型DRAM产品，例如SDRAM、DDR1、DDR2等，华邦的Green Power产品运行功耗会比常规产品低10%左右，待机功耗更是显著降低，可以比常规的SDRAM产品低60%到70%。同时性能也同样出众，GP-Boost DRAM的带宽较传统产品也有增加，如此一来就可以满足更多像边缘计算这种对算力有要求的应用场景。

除了产品本身的低功耗特性之外，产品封装上所用的化学原材料用量也与能源消耗息息相关。朱迪说：“华邦的每一颗芯片的外部都有厚厚的一层塑胶保护层，如果我们把封装做小就会减少化学物品的消耗。”据介绍，华邦最新推出的100BGA LPDDR4/4X就是一个在封装层面降低消耗的经典产品。相对于传统的200BGA，100BGA的封装，其体积缩小了一半左右，节约了整体材料成本，也减少在PCB的占用空间。

HYPERRAM

HYPERRAM产品具备超低功耗特性，运行功耗远低于同容量的CellularRAM和SDRAM，同时通过特有的混合睡眠模式（Hybrid Sleep Mode），HYPERRAM功耗可进一步降低。此外，HYPERRAM大多采用24BGA、 WLCSP这类没有外部塑料的封装，比传统的LPDDR产品封装还要都小很多，可以节约PCB面积、降低成本，同时降低消耗。

除了24BGA封装以外，WLCSP跟KGD封装非常小，可以算是“免封装”产品，相应的功耗也比较低。低功耗带来的另一个好处就是可使客户的产品功耗降低、提升产品续航能力，从而提升客户产品的竞争力。对于需要电池供电的产品来说，还能减少电池的消耗，有助于减小电池生产和回收的环境污染等。

1.2VNORFlash

低电压也是华邦所努力的方向之一。以NOR Flash 而言，目前的主流电压是3.3V，而可穿戴设备以及其他低功耗的应用，主流电压会达到到1.8V。华邦是全球第一家推出1.2V NOR Flash的厂家，并于2020年实现量产，目前已经有海外的大客户在批量生产采用1.2V NOR Flash的产品。

1.2V NOR Flash有以下好处：

• 可以同步配合主芯片厂商的制程的演进。因为制程越往下微缩，产品电压会持续下降，需要的I/O电压也持续下降，采用1.2V产品就可以很好地匹配，无需使用电平转换器即可直接和SoC连接，从而降低BOM成本和PCB占用空间。

• 可以有效降低功耗。此外从 1.8V 电压降至 1.2V，产品本身在运行上会降低50%的功耗，待机功耗也会减少33%，电池寿命、续航能力有大幅的增加，对于整机产品的功耗会有非常显著的改善。

  
  

相比传统 1.8V，1.2V 接口具有显著优势

朱迪总结说：“华邦当前的NOR Flash产品容量涵盖2Mb～2 GB、电压范围是1.2V～3V，且都通过AECQ100认证。虽然大容量NOR Flash的成本相对较高，但由于其高可靠性和高稳定性的特点，非常适合汽车的应用。同时华邦的产品目前也得到了国内一线汽车厂商的认证，并且已经有相关项目正在进行。”

从制作工艺角度实现节能减碳

在产品之外，华邦在制作工艺上也有积极探索。比如低温焊接 (Low Temperature Soldering，LTS) 制程，朱迪介绍说：“在存储行业，华邦很早就开始进行LTS制程的研发，推出配合低温焊接制程(~190C)的闪存产品。”

其实，低温焊接最早是由英特尔于2017年开始提出的。过去，出于环保的考虑，将原有的铅焊转变成无铅焊接，但付出的代价则是焊接温度从常规的210℃、220℃上升到260℃，近40℃的温度升高对能源消耗是巨大的。所以2017年英特尔主导研发了低温焊接的技术，最先在电脑和平板产品开始使用。

低温焊接技术的核心是焊接材料、芯片本身的需求以及低温焊接锡膏，好处就是温度可以从260℃降到190℃，能源消耗、碳排放都有显著减少。根据计算结果，将 SMT 温度从无铅制程的 220~260C 降到低温焊接制程的190℃，每 条 SMT 生产线的二氧化碳排放量一年可以减少 57 公吨，对于碳排放减量帮助非常明显。

除了节能减碳以外，对于有插件式组件的 PCB，因为插件式组件可以承受低温焊接制程的温度，SMT 就可以一次将所有组件组装到 PCB上，大幅简化及缩短 SMT 流程。而且随着焊接温度下降，芯片及 PCB 还可以选较低成本的低温材料，对于 SMT 生产成本帮助很大，根据统计 SMT 整体每年约可减少 40% 成本开销。

如何实现自身发展和环境保护之间的平衡，对于所有行业都是非常关键的。不过，要实现ESG和减碳目标带来的成本上升一定会降低产品的价格竞争力。现在整个行业，尤其是消费类电子行业的竞争非常激烈，并不是每个公司都愿意去牺牲价格优势，投入资金去做环保，所以这是一个相当大的挑战。朱迪表示：“华邦一直在研究更先进的技术，在不增加成本的前提下实现节能减碳。”