采用3D/光學互連

　　透過縮短互連線的長度并降低其電線，就能支援更小的驅(qū)動器電晶體，從而降低IC的功耗。縮短互連線長度的傳統(tǒng)方法是增加金屬層，因此目前有些芯片的金屬層多達10層。

　　然而，互連層設計最新創(chuàng)新成果是三維硅穿孔（TSV），允許將記憶體芯片堆疊在處理器之上。這種技術(shù)將互連長度減少到芯片間的距離，因此不需要大功耗的驅(qū)動電晶體和長的印刷電路板互連線。然而，TSV的經(jīng)濟性比較差，目前大多數(shù)芯片制造商的TSV時程都處于延后狀態(tài)。

　　“雖然硅穿孔（TSV）確實可透過縮短走線長度來降低功耗，但這是一種成本非常高的解決方案?！盩I公司的Greenhill表示，“為了更具經(jīng)濟性，TSV需要能夠彌補其它不足（如介面性能），才能讓它的成本較為合理?！?/p>

　　賽靈思公司（Xilinxnc.）是一家非常了解如何為TSV成本/性能取得平衡的公司，該公司正提供第一款使用TSV的商用芯片。相較于在PCB板上焊接獨立元件的方式，賽靈思公司采用這種具成本效益的方案不僅能降低芯片功耗，同時也提升了性能。此外，它還可為賽靈思公司的客戶降低BOM成本，賽靈思公司資深總監(jiān)EphremWu表示。

　　賽靈思公司透過使用硅中介層（interposer）回避了在PCB板上焊接各個FPGA的問題。這種硅中介層可在單一封裝內(nèi)互連4個高密度的FPGA。

　　這種技術(shù)不僅能提升性能，還能使功耗降低到19W，相形之下，傳統(tǒng)的PCB解決方案功耗還高達112W。另外一種前端技術(shù)是使用光學收發(fā)器。例如，IBM公司的Power7超級電腦使用從傳統(tǒng)光學元件產(chǎn)生的板載光子互連。未來的芯片很可能使用Kotura公司和其它公司提供的專用光學解決方案，將光子功能轉(zhuǎn)移到能夠附加處理器與記憶體芯片的微型光學芯片上。

　　“我們的低功耗硅鍺元件整合了透鏡、濾波器、調(diào)變器以及你需要的所有其它光學元件于單顆芯片上?！盞otura公司行銷副總裁ArlonMartin指出。

　　Kotura公司的硅光子制程使其得以將大約香煙盒大小約1萬美元的傳統(tǒng)光學收發(fā)器單元整合進最新款iPhone大小的500美元封裝中，使用的功耗更低4至20倍。Kotura公司還展示該公司的SiGe收發(fā)器可透過堆疊式CMOS芯片間的氣隙傳送光學訊號，最終在堆疊芯片之間形成一個高速、低功耗的光學資料通道，適用于代替PCB走線。

　　試用新材料

　　采用更高遷移率的材料也能降低功耗。例如在標準CMOS產(chǎn)品線中已經(jīng)加進了磁性材料，而像碳納米管和石墨烯等‘神奇’的材料也開始浮出臺面。

　　為了以鐵電RAM（FRAM）制造嵌入式微控制器，TI在CMOS產(chǎn)品線中增加了磁性材料。從RamtronInternational公司獲得授權(quán)的FRAM比起快閃記憶體更方便，因為它們既具有非揮發(fā)性，還支援隨機存取。

　　“與快閃記憶體相較，我們非揮發(fā)性的FRAM在讀寫能耗方面更高效?！盩I無線事業(yè)部CTOBaherHaroun指出。

　　Enpirion公司也在其CMOS產(chǎn)品線中導入磁性材料，并計劃于2012年開始為其電源管理芯片制造整合型電感與變壓器。目前，電感和變壓器還無法更經(jīng)濟地整合在必須于高頻作業(yè)的芯片上，但Enpirion公司專有的磁性材料已經(jīng)著眼于解決這方面的問題。

　　“我們已經(jīng)整合了不同的金屬合金，使我們的磁性材料可在很高的頻率下執(zhí)行作業(yè)，同時還能保持高能效。”Enpirion公司的Lotfi透露。

　　與此同時，SemiconductorResearch公司最近資助了IBM和美國哥倫比亞大學共同進行的一項研究計劃──將電感整合于處理器上。該公司聲稱能透過芯片穩(wěn)壓功能在奈秒級時間內(nèi)調(diào)節(jié)供電電壓，實現(xiàn)工作負載匹配，因而使能耗降幅高達20%。

　　在不遠的將來，CMOS產(chǎn)品線還可能增加的其它近期材料包括砷化銦鎵（InGaAs）。英特爾公司計劃使用InGaAs增強未來三閘電晶體上的通道，據(jù)稱此舉可望使工作電壓降低至0.5V。

　　然而，長期來看，碳納米管和平面版的石墨烯很可能成為未來超低功耗元件的首選材料。

　　在喬治亞理工學院（GeorgiaTech）的實驗室中，已經(jīng)證明石墨烯的互連性能超過銅。IBM公司也已經(jīng)展示使用碳納米管或石墨烯材料，可制造出低功耗、超高速的電晶體。TI最近則展示石墨烯可望在晶圓級制造出來。

　　英特爾公司針對以碳材料實現(xiàn)更高電遷移率方面進行研究，但其結(jié)論則是這些材料的商用時機未到。

　　“使用納米碳或石墨烯的碳互連結(jié)構(gòu)具有非常吸引人的特性。”英特爾公司的Bohr指出，“不過，盡管大體積材料具有更低電阻，連接路徑的電阻卻不低。不過這是一種非常具有前景的材料，因此我希望在今后幾年能夠見到更多的業(yè)界相關研究?！?/p>