CN108469861A - 基于所监测的芯片温度动态调整电源电压 - Google Patents

基于所监测的芯片温度动态调整电源电压 Download PDF

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Abstract

本发明的各实施方式总体上涉及基于所监测的芯片温度动态调整电源电压。具体地，在一个实施例中，一种方法包括监测半导体芯片的温度、以及基于所监测的温度为该半导体芯片调整电源电压。可以由位于芯片上或芯片外的温度传感器对该温度进行监测。调整该电源电压包括随着所监测的温度降低而增大该电源电压。只有当所监测的温度低于阈值温度时，才发生该电源电压的增大。该电源电压调整通过具有与温度的负斜率的线性关系来确定。

Description

基于所监测的芯片温度动态调整电源电压
本申请是申请号为“201410503442.8”，申请日为“2014年9月26日”，发明名称为“基于所监测的芯片温度动态调整电源电压”的发明专利申请的分案申请。
背景技术
在半导体芯片设计工艺中，通常一直是设备最坏情况的延迟处于高温角落的情况。已经使用最近的先进处理技术(40nm及以下)对逆温现象进行了观察。这种现象是设备性能在低温时恶化的现象。
晶体管性能与电源电压高度相关，即，更高的电压意味着更高的性能。芯片功率耗散由两种成分(动态和泄露)组成。动态功率随着电源电压的平方而增大并且对温度不敏感。泄露功率也随电源电压而增大并且与温度呈指数。
发明内容
由于本披露的方式，基于在低温区域内为芯片增大电源电压解决了逆温的问题。相应地，示例实施例可以在低温提高晶体管性能。
在一个实施例中，一种方法包括监测半导体芯片的温度、以及基于所监测的温度为该半导体芯片调整电源电压。可以由位于芯片上或芯片外的温度传感器对该温度进行监测。调整该电源电压包括随着所监测的温度降低而增大该电源电压。只有当所监测的温度低于阈值温度时，才可能发生该电源电压的增大。该电源电压调整通过具有与温度的负斜率的线性关系来确定。
在另一实施例中，一种装置包括用于监测半导体芯片的温度的温度传感器、以及被配置成用于基于所监测的温度为该半导体芯片调整电源电压的控制器。在某些实施例中，该温度传感器和该控制器位于该半导体芯片上。在其他实施例中，该温度传感器和该控制器位于该半导体芯片外。
该控制器可以被配置成用于向电压调节器模块(VRM)发送控制信号以使得该VRM调整该电源电压。该控制器可以通过随着所监测的温度降低而增大该电源电压来调整该电源电压。只有当所监测的温度低于阈值温度时，该控制器才可以增大该电源电压。
在某些实施例中，该装置可以包括片上热敏二极管，该热敏二极管耦合至该温度传感器，该温度传感器对该芯片上的结温度进行监测。
该控制器可以被配置成用于将该电源电压调整为通过具有负斜率的线性关系来确定。
附图说明
上述内容将从本发明的示例实施例的以下更具体的说明中明显，如在这些附图中所展示的，其中，贯穿这些不同的视图，相似的参考字符是指相同的部分。附图不一定按比例，而是着重于展示本发明的实施例。
图1是电源电压调整电路的第一示例实施例的框图。
图2是展示了示例电源电压调整电路的电源电压和温度之间的关系的折线图。
图3是电源电压调整电路的第二示例实施例的框图。
图4是电源电压调整电路的第三示例实施例的框图。
具体实施方式
以下是本发明的示例实施例的说明。
本发明的实施例涉及对控制块进行馈送的片上温度传感器。该控制块在代数方程的基础上可以指示外部电压调节器模块(VRM)增大或降低芯片电源电压。当芯片处于相对较低的温度时，VRM提供更高的电源电压，从而弥补低温对晶体管性能的影响，结果是可以更恒定地跨温度维持芯片性能。重要的是这是动态的这一事实。芯片电压不能一直增大，因为当芯片较热时，它将牵引最多的功率，并且增大的电源电压将导致超过芯片的功率规格。当芯片较冷时，可以增大电源电压，因为来自泄露的减小的功率可以与来自更高的电源电压的增大的功率进行折中。因此，由于在低温极大减少的泄露，所以芯片的总功率包络将不会增大。当较冷时，还可以允许超过所述的功率包络，因为对功率耗散的基本考虑是保持芯片冷却。当芯片冷却时，这不是问题。
应该注意的是，增大电源电压不一定增大系统时钟频率。在没有本技术的情况下，需要在最低温度对芯片进行测试以对时钟进行表征。由于本技术，最糟糕情况下的温度很可能在阈值温度。
图1是电源电压调整电路的第一示例实施例的框图。该调整电路包括热敏二极管104、温度传感器106、控制器108、和电压调节器模块(VRM)110。热敏二极管104、温度传感器106、和控制器108嵌入在半导体芯片102上。VRM 110在芯片102外部。
热敏二极管104提供芯片上的结温度的指示，并被耦合在温度传感器106的输入112A、112B处。温度传感器106被配置成用于监测热敏二极管104所提供的结温度。温度传感器106的输出是有符号的8位信号114。这个8位信号114允许以1度的增量读取-128摄氏度(C)至+127摄氏度之间的温度。每当例如约每微秒数量级发生一次温度采集时，温度传感器输出114会改变。
将温度传感器输出114作为输入提供给控制器108。控制器108被配置成用于控制来自VRM 110的电源电压(Vdd)118输出。具体地，控制器108指示VRM 110基于所监测的提供给控制器108的温度信号114来动态地增大或减小电源电压Vdd。控制器108通过连接116指示VRM 110以当所监测的温度低于阈值温度时随着降低的温度而增大电源电压Vdd。以下为一种示例关系：
Vdd＝标称_Vdd+最小值(0，温度-阈值)*斜率 (Eq.1)
标称_Vdd、阈值和斜率可以是可编程的值，其通过写控制/状态寄存器(CSR)或通过熔断一个或多个一次性可编程(OTP)保险丝来进行控制。针对28nm过程的值可以是例如：
标称_Vdd＝900mV
阈值＝50C
斜率＝-1mV/C
本领域技术人员应当理解的是，虽然(Eq.1)包括线性函数，但是可以使用非线性函数使电源电压随着降低的温度而增大。
在一个实施例中，控制器108和VRM 110之间的连接116使用功率管理总线(PMBus)，开放标准功率管理协议。在其他实施例中，可以使用串行VID接口(SVID)规格或其他合适的协议来提供该连接。VRM 110可以是例如英特锡尔(Intersil)零件号ISL6367或其他类似器件。
图2是展示了示例电源电压调整电路的电源电压和温度之间的关系的折线图，基于(Eq.1)并在给定上述的示例值的情况下控制该示例电源电压调整电路。如所示的，电源电压Vdd当在0摄氏度时增大50mV，并且当在-40摄氏度时增大90mV。用于将电源电压保持在标称值900mV的平坦或恒定区域对于50摄氏度的阈值以上的温度发生。在该阈值以下，曲线以负斜率呈线性。
图3是电源电压调整电路的第二示例实施例的框图。该调整电路包括热敏二极管304、温度传感器306、控制器308、和电压调节器模块(VRM)310。热敏二极管304被嵌入在半导体芯片302上。温度传感器306、控制器308和VRM 310在芯片302外部。热敏二极管304提供芯片上的结温度的指示，并被耦合在温度传感器306的输入312A、312B处。温度传感器306被配置成用于监测热敏二极管304所提供的结温度。从许多来源可获得外部温度传感器，包括德州仪器公司(Texas Instruments)、美信公司(Maxim)、美国模拟器件公司(AnalogDevices)和美国国家半导体公司(National Semiconductor)。例如，德州仪器公司的TMP421温度传感器是合适的。VRM 310可以是英特锡尔的零件号ISL6367或其他类似器件。
温度传感器306的输出是有符号的8位信号314。这个8位信号314允许以1度的增量读取-128摄氏度至+127摄氏度之间的温度。每当例如约每微秒数量级发生一次温度采集时，温度传感器输出314会改变。
将温度传感器输出314作为输入提供给控制器308。控制器308被配置成用于控制来自VRM 310的电源电压(Vdd)318输出。具体地，控制器308指示在连接316上的VRM 310以基于所监测的提供给控制器308的温度信号314来动态地增大或减小电源电压Vdd。控制器308指示VRM 310以当所监测的温度低于阈值温度时基于该关系(Eq.1)随着降低的温度而增大电源电压Vdd。
图4是电源电压调整电路的第三示例实施例的框图。该调整电路包括热敏二极管404、温度传感器406、控制器408、和电压调节器模块(VRM)410。热敏二极管404和控制器408被嵌入在半导体芯片402上。温度传感器406和VRM 410在芯片402外部。热敏二极管404提供芯片上的结温度的指示，并被耦合在温度传感器406的输入412A、412B处。温度传感器406被配置成用于监测热敏二极管404所提供的结温度。类似于上文针对图3所描述的实施例，德州仪器公司的TMP 421温度传感器和英特锡尔的零件号ISL6367分别是温度传感器406和VRM 410的合适器件。
温度传感器406的输出是有符号的8位信号414，该信号允许以1度的增量来读取-128摄氏度至+127摄氏度之间的温度。每当例如约每微秒数量级发生一次温度采集时，温度传感器输出414会改变。
温度传感器输出414被作为输入通过芯片402上的两线串行接口(TWSI)而提供给控制器408。控制器408被配置成用于通过指示连接416(例如，PMBus或SVID)上的VRM 410以基于所监测的提供给控制器408的温度信号414而动态地增大或减小电源电压Vdd来控制来自VRM 340的电源电压(Vdd)418。控制器408指示VRM 410以当所监测的温度低于阈值温度时基于该关系(Eq.1)来随着降低的温度而增大电源电压Vdd。
尽管本发明已经参照其示例实施例做了具体的展示和说明，本领域技术人员将理解到通过在不偏离由所附的权利要求书涵盖的本发明的范围下可以从中做出在形式和细节上的不同的变化。

Claims (16)

1.一种方法，包括：
监测半导体芯片的温度；
基于所监测的温度为所述半导体芯片调整电源电压；其中，调整所述电源电压包括：随着所监测的温度降低而增大所述电源电压，并且只有当所监测的温度低于阈值温度时，才发生增大所述电源电压，并且其中调整所述电源电压通过在所监测的温度低于所述阈值温度的情况下具有负斜率的线性关系来确定；
其中调整所述电源电压是根据以下公式来进行：
Vdd＝标称_Vdd+最小值(0，所监测的温度-所述阈值温度)*所述负斜率；并且
其中Vdd是所述电源电压，其中所述负斜率的值是可编程的值，并且其中所述方法还包括：通过写寄存器以改变所述可编程的值来控制具有所述负斜率的所述线性关系。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述温度通过片上温度传感器来监测。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述温度通过片外温度传感器来监测。
4.如权利要求1所述的方法，其中，监测所述半导体芯片的温度包括：通过片上热敏二极管来监测所述温度，所述片上热敏二极管被耦合至温度传感器，所述温度传感器对所述芯片上的结温度进行监测。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述标称_Vdd和所述阈值温度是可编程的值。
6.一种装置，包括：
温度传感器，所述温度传感器用于监测半导体芯片的温度；
控制器，被配置成用于基于所监测的温度为所述半导体芯片调整电源电压；
其中，调整所述电源电压包括：随着所监测的温度降低而增大所述电源电压，并且只有当所监测的温度低于阈值温度时，才发生增大所述电源电压，并且所述控制器还被配置成将所述电源电压调整为通过在所监测的温度低于所述阈值温度的情况下具有负斜率的线性关系来确定；
其中调整所述电源电压是根据以下公式来进行：
Vdd＝标称_Vdd+最小值(0，所监测的温度-所述阈值温度)*所述负斜率；并且
其中Vdd是所述电源电压，其中所述负斜率的值是可编程的值，并且其中所述控制器还被配置成通过写寄存器以改变所述可编程的值来控制具有所述负斜率的所述线性关系。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述温度传感器和所述控制器位于所述半导体芯片上。
8.如权利要求6所述的装置，其中，所述温度传感器和所述控制器位于所述半导体芯片外。
9.如权利要求6所述的装置，其中，所述控制器被配置成用于向电压调节器模块(VRM)发送控制信号以使得所述VRM调整所述电源电压。
10.如权利要求6所述的装置，还包括片上热敏二极管，所述片上热敏二极管被耦合至所述温度传感器，所述温度传感器对所述芯片上的结温度进行监测。
11.如权利要求6所述的装置，其中所述标称_Vdd和所述阈值温度是可编程的值。
12.一种装置，包括：
用于监测半导体芯片的温度的装置；
用于基于所监测的温度为所述半导体芯片调整电源电压的装置；
其中，调整所述电源电压包括：随着所监测的温度降低而增大所述电源电压，并且只有当所监测的温度低于阈值温度时，才发生增大所述电源电压，并且用于调整所述电源电压的所述装置基于在所监测的温度低于所述阈值温度的情况下具有负斜率的线性关系而运行；
其中调整所述电源电压是根据以下公式来进行：
Vdd＝标称_Vdd+最小值(0，所监测的温度-所述阈值温度)*所述负斜率；并且
其中Vdd是所述电源电压，其中所述负斜率的值是可编程的值，并且其中所述用于调整所述电源电压的所述装置被配置成通过写寄存器以改变所述可编程的值来控制具有所述负斜率的所述线性关系。
13.如权利要求12所述的装置，其中，用于监测的所述装置是片上温度传感器。
14.如权利要求12所述的装置，其中，用于监测的所述装置是片外温度传感器。
15.如权利要求12所述的装置，其中，用于监测所述半导体芯片的所述温度的所述装置包括通过片上热敏二极管来监测所述温度，所述片上热敏二极管被耦合至温度传感器，所述温度传感器对所述芯片上的结温度进行监测。
16.如权利要求12所述的装置，其中所述标称_Vdd和所述阈值温度是可编程的值。
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