CN101275977A

CN101275977A - 半导体器件的功率估计

Info

Publication number: CN101275977A
Application number: CNA2008100966632A
Authority: CN
Inventors: W·帕克斯; C·波斯塔克; J·伊格诺斯基
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2008-10-01
Also published as: US20080234953A1; JP2009042211A

Abstract

本文公开了基于芯片中的高温度和低温度来估计和/或控制芯片的功耗的不同实施例。本发明涉及半导体器件的功率估计。

Description

半导体器件的功率估计

背景技术

在各种半导体应用中，越来越有利的是能够监测芯片(或芯片的一部分)正消耗的功率量。例如，在一些应用中，可能强加了最大功耗需求，但是同时期望可以在尽可能接近该最大需求的情况下操作，以便获得改善的性能。现有的功耗监测(和/或估计)方法包括：测量电压和/或电流，然后计算功耗，但遗憾的是，这样的方法的成本可能较高，例如在用于实现这些方法的电路或者制造资源方面。因此，需要一种新颖的功耗监测方法。

附图说明

通过例子给出了本发明的一些实施例，但是本发明并不限于这些实施例，在附图的这些图中，同样的附图标记表示相似的元件。

图1是具有用于根据一些实施例来估计功耗的温度传感器的半导体器件的侧视图；

图2的流程图示出了一种用于根据一些实施例来估计图1中的半导体器件的功耗的方法；

图3的方框图示出了用于多核处理器的根据一些实施例的功率估计系统；

图4的流程图示出了一个用于估计图3中的处理器的功耗的例行程序；以及

图5是具有处理器芯片的计算机系统的方框图，该处理器芯片具有根据一些实施例的功率估计系统。

具体实施方式

如这里所教导的，本公开的基本思想在于：可以使用集成电路的结温(Tj)来估计芯片的功率消耗。一般已知的是：

T_j(hot)＝ψ_j-c·P+T_case

T_j(hot)是工作中的半导体器件的热的部分(如，最热的部分或相当地接近最热的部分)的温度(℃)；Ψ_j-c是从半导体器件的结到外壳的热阻；P是器件的消耗功率；以及T_case是半导体外壳的温度。(如这里所使用的，外壳对应于半导体芯片的外部，典型的是一个或多个用来将热从芯片传导走的表面。例如，它可以对应于热安装到芯片上的散热器的温度。)

已经观测到：外壳温度(T_case)一般相当地接近于工作芯片中的“凉的”区域，尤其对于诸如多核处理器芯片等较大芯片更是如此。因此，对于上面的等式，可以使用T_j(cool)来替换T_case。这样，根据这种替换，可以将P推导为：

P≈(T_j(hot)-T_j(cool))/Ψ_j-c

参考图1，可以使用这个近似法来估计半导体芯片在工作时的功耗。图1示出了热耦合到散热器104的芯片(例如，硅芯片)102的侧视图。(该图并不是按比例绘制的，并且不包括集成电路封装的所有元件。)芯片102可以是任何类型的芯片，包括片上系统(SOC)、微控制器、多核处理器、专用集成电路(ASIC)等，并且不仅限于此。然而，应该注意的是已经观测到：对于较大和/或较高功耗的芯片，本文所公开的功率估计方法一般更加精确。

半导体芯片102具有温度传感器电路106，其用于确定芯片中的比较低的温度，并且还具有温度传感器电路108，其用于确定芯片中的比较高的温度。它还具有一个逻辑(未示出)，该逻辑用于接收来自传感器的信号，以便使用上述近似法来计算芯片所消耗的估计功率。(注意：在一些实施例中，实际上并不需要除以热阻。也就是说，热阻是一个常数，因此可以例如使用高/低温度差来控制或者限制功耗，而不必计算实际的功率值。)

可以使用任何适合的温度感应电路来实现传感器106或108。存在各种不同类型的本领域技术人员所公知的温度感应电路。例如，在Doyle等人的标题名称为“THERMAL SENSING FOR INTEGRATED CIRCUITS”的美国专利申请公开No.20060265174中，批露了适合的温度感应电路和方案，并且并入此处作为参考。

逻辑(未示出)用于处理温度传感器信号并且用于使用上面的公式来确定功率估计值，该逻辑可以由芯片内的任何合适的电路来实现。例如，它可以利用板控制器中的固件指令来执行，或者它可以由专门的电路来执行，例如用于实现有限状态机的电路元件。

传感器106、108可以位于芯片中的足以获得可接受精度的功耗估计值的任何区域。例如，如图中所示，高温传感器108位于比较靠近中心的区域，例如，位于处理器的内核的内部，这里的工作温度最高。相反，低温传感器位于芯片的外部区域，该外部区域是芯片中的最凉部分，并且相当接近于散热器104的温度。然而，应该意识到，对于估计功率而言，并不一定需要最热的位置或最凉的位置，但是在一些实施例中，它们可以产生最精确的结果。

(对于这些方法，应该意识到，这里使用的术语“高温度”和“低温度”是相对的术语，并且不应该被限制为任何特定的温度范围。它们用来表示温度之间的关系，例如，高温度比低温度高，反之亦然。例如，100℃的读数相对于其它更高的温度是“低的”。同样，20℃相对于其它更低的温度是“高的”。)

在一些实施例中，可以使用结到外壳的热阻(Ψ_j-c)来进行功率估计。这是方便的，因为它已经是可利用的。可选地，可以使用不同的热阻值，特别是对应于高温传感器和低温传感器之间的热梯度的热阻值。它可以通过使用足够数量的芯片与所测量的实际功耗的特性来确定，从而可以获得该芯片类型的Ψ_h-c。

图2总体上示出了用于估计芯片(例如，图1中的芯片)的功率的例行程序。开始，在202，利用传感器108确定高温度。接着，在204，利用传感器106确定低温度。最后，在206，通过确定所述高温度和所述低温度之间的差并且将该结果除以Ψ来导出所消耗功率的估计值。

取决于芯片的类型、它的应用和复杂程度，可以将所估计的功率用于各种用途。在一些实施例中，它可以是足够精确的，从而在实际上能够控制芯片被非常严密地驱动，以便使芯片在最大额定功率(或接近于最大额定功率)下工作。在其它应用中，除了另外更加精确的方案以外，它可以用作辅助的功率监测方案，例如，作为失效保险方案。在其它应用中，它可以例如与移动设备的功率节约(conservation)模式合作使用。

图3示出了具有功率估计系统的多核处理器芯片300的方框图。它尤其包括内核302(内核0-内核3)、高速缓冲存储器模块304、以及用于管理这些内核工作的控制器305。它还包括用于确定低温度的四个温度传感器306(TSc0-TSc3)以及用于确定高温度的四个温度传感器308(TSh0-TSh3)。它们每一个都耦合到控制器305，从而控制器305可以接收到用于指示它们的温度的信号，以便估计芯片300的功耗。(注意：对于多核处理器，可以在每个内核的基础上使用每个内核的热点来进行功率估计。通过计算(例如，在每个内核中)每个热点的功率，可以估计出相对的每个内核的功率，从而允许在一些应用中更加精确地估计整个芯片的总功率，以及辅助各个内核之间的负载平衡等。)

这些内核相对地位于高速缓冲存储器304的中心，而高速缓冲存储器304位于芯片的外部区域。如图中所示，低温传感器306位于外部角落的附近，远离内核并且更加靠近高速缓冲存储器，这一般是芯片中的较凉的部分。相反，高温传感器308位于内核内，这一般是芯片中的较热的区域。

图4示出了用于估计图3中的多核芯片302的功耗的例行程序。在这个实施例中，该例行程序由控制器305来执行。开始，在402，轮询这些高温传感器308，以便识别芯片中的最高测量温度。在404，轮询这些低温传感器306，以便识别最低测量温度。(这些任务可以以任意顺序进行。)在406，通过获得所述最高测量温度和所述最低测量温度之间的差，并且将该差除以热阻Ψ来计算消耗功率的估计值。

所采用的Ψ可以是芯片的单个热阻(例如，结到外壳的Ψ，或者是芯片内不同的、具有特定特性的点到点的Ψ)。可选地，它可以从一组热阻值Ψ中选择，该组热阻值的特征在于每个高温传感器到低温传感器的梯度组合。

图5示出了具有如图3所示的功率估计系统的计算机系统的实例。它通常包括多核处理器芯片502，该多核处理器芯片502耦合到电源504以及外部存储器506。(它还可以经由网络接口耦合到多个客户机，未示出。)它耦合到电源504，以在工作时从电源504接收功率，并且它耦合到存储器506，该存储器506用作额外的随机存取存储器。处理器502具有功率估计系统(PES)503，例如图3中所公开的功率估计系统503，以便估计芯片502的功耗。在一些实施例，它可以作为用于避免“过大功率”状况的备用。

应该注意的是，所描述的系统可以以不同的形式实现。也就是说，它可以实现在单芯片模块、电路板或具有多个电路板的机架中。类似地，它可以构成一个或多个完整的计算机，或者可选地，它可以构成用在计算系统内的部件。

本发明并不限于所述的实施例，而是它可以在所附权利要求的精神和范围内进行修改和改变。例如，应该意识到，本发明适用于所有类型的半导体集成电路(“IC”)芯片。这些IC芯片的例子包括但不仅限于处理器、控制器、芯片组部件、可编程逻辑阵列(PLA)、存储器芯片、网络芯片等。

而且，应该意识到，虽然已经给出了示例性的尺寸/模型/数值/范围，但是本发明并不限于此。制造技术(例如，光刻)随着时间的成熟，有望可以制造出更小尺寸的器件。另外，为了使说明和论述简便，可以在附图中示出或者不示出连接到IC芯片上的公知电源/地以及其它部件，从而不会使本发明不清楚。此外，装置可以以方框图的形式示出，以便避免发明不清楚，并且还鉴于以下事实：关于实现这样的方框图装置的细节非常依赖于本发明所实施的平台，即，这样的细节应该在本领域技术人员所公知的范围内。这里阐述了特定的细节(例如，电路)，以便描述本发明的示例性实施例，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下或者在改变这些特定细节的情况下实施本发明。因此，应该将该描述看作是说明性的，而不是限制性的。

Claims

1、一种芯片，包括：

两个或者更多个温度传感器电路，用于为估计芯片功耗提供高温度信息和低温度信息。

2、如权利要求1所述的芯片，其中所述两个或更多个温度传感器中的第一温度传感器用于感测低温度，并且被放置在所述芯片的外部区域。

3、如权利要求1所述的芯片，其中所述两个或更多个传感器提供用于指示它们的温度的模拟信号。

4、如权利要求1所述的芯片，包括耦合到所述两个或更多个传感器的控制器，以接收信息并且计算功率估计值。

5、如权利要求4所述的芯片，其中所述控制器通过生成所述高温度和所述低温度之间的差并且将所述差除以与所述芯片相关联的热阻值，来生成所述功率估计值。

6、如权利要求5所述的芯片，其中所述热阻值是结到外壳的值。

7、如权利要求5所述的芯片，其中所述热阻值是根据多个芯片的特性导出的。

8、如权利要求1所述的芯片，其中所述两个或更多个温度传感器包括两个或更多个用于提供高温度信息的传感器电路、以及两个或更多个用于提供低温度信息的传感器电路。

9、如权利要求1所述的芯片，其中所述功率估计值是基于从所述传感器电路接收到的最高温度和最低温度来确定的。

10、一种芯片，包括：

多个处理器内核，其具有至少一个用于提供高温度信息的高温传感器；

至少一个用于提供低温度信息的低温传感器；以及

用于接收所述高温度信息和所述低温度信息，以便基于所述高温度信息和所述低温度信息之间的差来改变所述芯片的功耗的电路。

11、如权利要求10所述的芯片，其中所述电路形成了控制器的至少一部分。

12、如权利要求11所述的芯片，其中所述控制器具有相关联的指令来使它轮询所述高温传感器和至少一个所述低温传感器，以便识别最高温度和最低温度，从而确定温度信息差。

13、如权利要求11所述的芯片，其中所述控制器用于确定功率估计值。

14、如权利要求13所述的芯片，其中所述控制器用于将所导出的温度信息差除以热阻值，其中该热阻值是根据所述芯片的相关联的热阻特性导出的。

15、如权利要求13所述的芯片，其中所述控制器用于将所述温度信息差除以一个与所选择的高温度和低温度相关联的热阻值。

16、如权利要求10所述的芯片，其中所述至少一个低温传感器被放置在所述芯片的外部区域中。

17、如权利要求16所述的芯片，其与电源和一个或更多个存储器芯片结合，作为计算机系统的一部分。

18、一种方法，包括：

确定芯片中的高温度；

确定所述芯片中的低温度；以及

基于所述确定的高温度和低温度来估计所述芯片的功耗。

19、如权利要求18所述的方法，其中通过计算所述高温度和所述低温度之间的差并且将该差除以与所述芯片相关联的热阻值来估计所述功耗。

20、如权利要求18所述的方法，其中通过利用多个不同的温度传感器识别出最低的温度来确定所述低温度，所述多个不同的温度传感器是所述芯片的一部分。

21、如权利要求20所述的方法，其中通过利用多个不同的温度传感器识别出最高的温度来确定所述高温度，所述多个不同的温度传感器是所述芯片的一部分。

22、如权利要求18所述的方法，包括基于所述估计的功耗来调节所述芯片的功耗。