DE102013206300B4

DE102013206300B4 - Hardware Performance Monitor für Mikroelektronische Schaltungen mit adaptiver Spannungsversorgungsregelung

Info

Publication number: DE102013206300B4
Application number: DE102013206300.8A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Höppner; Holger Eisenreich
Original assignee: Racyics GmbH
Current assignee: Racyics GmbH
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: DE102013206300A1

Abstract

HPM-Schaltung zum Regeln der Spannungsversorgung einer mikroelektronischen Schaltung, wobei die HPM-Schaltung einen Regelkreis aufweist, dessen Regelstrecke eine Replikation der zeitkritischen Pfade der mikroelektronischen Schaltung ist, wobei die Replikation die Abhängigkeit des Zeitverhaltens der mikroelektronischen Schaltung von Versorgungsspannung und Temperatur abbildet; dessen Regelgröße die zeitliche Verzögerung der Regelstrecke ist; dessen Führungsgröße eine Zeitreferenz ist und dessen Stellgröße die Spannung der Regelstrecke ist; wobei die zu stellende Spannung sowohl die Versorgungsspannung der Regelstrecke, als auch die Versorgungspannung der mikroelektronischen Schaltung in einem Betriebsmodus ist, wobei die Regelstrecke als digital gesteuerter Ringoszillator (11) ausgebildet ist, der aus mindestens zwei Verzögerungsketten (12, 13) aufgebaut ist, welche jeweils unterschiedliche Gattertypen enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hardware Performance Monitor für mikroelektronische Schaltungen mit adaptiver Spannungsversorgungsregelung.
Das adaptive Skalieren der Versorgungsspannung in mikroelektronischen Schaltkreisen (Adaptive Voltage Scaling AVS) ist eine effektive Maßnahme zur Erhöhung der Energieeffizienz. Dabei wird die Schaltung stets mit der minimalen Versorgungsspannung betrieben, die zur Sicherstellung der Funktionalität (speziell Timing) bei einer gegebenen Taktfrequenz nötig ist. Diese Spannung wird dabei während des Betriebes durch eine geschlossene Regelschleife adaptiv eingestellt. Als Sensor wirkt dabei eine Hardware Performance Monitor Schaltung (HPM), welche das Timing der Logik unter den gegebenen Randbedingungen (Prozessrealisierung des individuellen Chips, Temperatur, Versorgungsspannung) analysiert, und somit jeweils eine Erhöhung oder Reduktion der Versorgungsspannung verlangt. Der Begriff „Hardware Performance Monitor Schaltung” (HPM) ist dabei ein fachüblicher Begriff. Da die HPM Verzögerungsschaltung selbst nicht Bestandteil der Logik des Prozessorkerns ist, diese aber überwachen soll, muss sie eine Kopie (Replica) der kritischen Logikpfade darstellen, d. h. die Abhängigkeit der Verzögerungszeit von Versorgungsspannung und Temperatur muss der der kritischen Logikpfade entsprechen.
Kombiniert mit der Skalierung der Frequenz, was fachüblicherweise als Adaptive Voltage and Frequency Scaling (AVFS) bezeichnet wird, können integrierte Mikro-prozessoren je nach Rechenlast, die durch die lösenden Rechenaufgaben (Task) bestimmt wird, bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, wobei die Versorgungsspannung jeweils auf den minimalen Wert geregelt wird. Dies erhöht die Energieeffizienz von Tasks ohne strenge Zeitvorgaben.
Stand der Technik sind Verzögerungsschaltungen, basierend auf CMOS Gattern, welche auf dem Chip an dasselbe Versorgungsspannungsnetz angeschlossen sind, wie der zu überwachende Prozessorkern. Sie sind dabei entweder als Verzögerungsleitung (Delay Line) [1] oder Ringoszillator [2] verschaltet. Die Verzögerung durch die Gatterkette wird dabei mit einer Zeitreferenz (z. B. das Taktsignal des Prozessors) verglichen. Aus der Differenz der Durchlaufzeiten zur Zeitreferenz wird eine Erhöhung oder Verringerung der Versorgungsspannung abgeleitet. Es kommen dabei u. a. sog. Critical Path Replicas zum Einsatz. Das sind Verzögerungsschaltungen, die identische Logikelemente wie der kritische Pfad enthalten [3,4], um somit eine identische Abhängigkeit der Verzögerungszeit von Versorgungsspannung und Temperatur zu erreichen. Weiterhin werden HPMs verwendet, welche verschiedene Verzögerungsleitungen für alle verwendeten Schwellspannungsvarianten enthalten [5].
Zur Anpassung an lokale Prozessvariationen können die HPM-Schaltungen kalibriert werden, d. h. ihre Verzögerungszeit (z. B. Anzahl der Delay Elemente) kann für jeden Chip individuell angepasst werden.
Bisherige HPM-Konzepte sind speziell auf die Logik des Prozessors zugeschnitten (Replica des kritischen Pfades) und bieten somit wenig Flexibilität in ASIC_Entwürfen, insbesondere wenn unterschiedliche Gattertypen (z. B. mit verschiedenen Schwellspannungen, Logikpfade mit hohen oder niedrigen kapazitiven Lasten) verwendet werden. Unterschiedliche Logiktypen besitzen unterschiedliche Abhängigkeiten der Verzögerungszeit von Temperatur und Versorgungsspannung. Der HPM muss dieses Verhalten imitieren um einen fehlerfreien AVFS-Betrieb zu gewährleisten. Speziell ist dabei das Temperaturverhalten der Logikpfade kritisch. Bei Entwürfen mit unterschiedlichen Schwellspannungen existieren auf einem Chip zumeist Pfade, deren Verzögerungszeit sich bei Temperaturerhöhung vergrößert und solche, deren Verzögerung sich verringert (Temperaturinversion). Dazu kommen bisher u. a. komplexe Replika-Strukturen zum Einsatz, die alle möglichen Logikelemente beinhalten. Dies erfordert sowohl genaue Kenntnis über den Logikteil des Chips beim Entwurf des HPM als auch eine große Chipfläche zur Realisierung des HPM.
Wird ein System mit AVFS betrieben, so muss bei der Erhöhung der Frequenz auch die Versorgungsspannung erhöht werden. Ein Umschalten der Frequenz ist binnen kurzer Zeit möglich, während die Versorgungsspannung durch die AVFS-Regelschleife relativ langsam auf ihren Zielwert eingestellt wird. Speziell bei Frequenzerhöhungen wird somit der Prozessor über eine gewisse Zeit bei zu geringer Spannung betrieben, sodass kein fehlerfreier Betrieb möglich ist. Aus diesem Grund erfolgt ein Anhalten des Prozessors bei AVFS-Frequenzerhöhung, solange bis die Zielspannung eingestellt ist. Dies reduziert den Datendurchsatz des Gesamtsystems.

[1] A. Drake, R. Senger, H. Deogun, G. Carpenter, S. Ghiasi, T. Nguyen, N. James, M. Floyd und V. Pokala. ”A Distributed Critical-Path Timing Monitor for a 65 nm High-Performance Microprocessor”. In: Solid-State Circuits Conference, 2007. ISSCC 2007. Digest of Technical Papers. IEEE International. Feb. 2007, S. 398–399. DOI: 1O.1l09/ISSCC.2007.373462.
[2] P. Macken, M. Degrauwe, M. Van Paemel und H. Oguey. ”A voltage reduction technique for digital systems”. In: Solid-State Circuits Conference, 1990. Digest of Technical Papers. 37th ISSCC., 1990 IEEE International. Feb. 1990, S. 238–239. DOI: 10.1 109/ISSCC.1990.l 1 0213.
[3] A. Wang und S. Naffziger. Adaptive techniques for dynamic processor optimization: theory and practice. Series on integrated circuits and systems. Springer, 2008. ISBN: 9780387764719.
[4] J. Park und J. Abraham. ”A fast, accurate and simple critical path monitor for improving energy-delay product in DVS systems”. In: Low Power Electronics and Design (ISLPED) 2011 International Symposium on. Aug. 2011, S. 391–396. DOI: 1O.1109/ISLPED.201 1.5993672.
[5] A. Inoue, H. Okano, T. Shiota, Y. Kawabe, W. Shibamoto und T. Hashimoto. ”Supply Voltage Adjustment Technique with Process-Voltage Conversion Table for Low Power Consumption”. In: Integrated Circuit Design and Technology, 2007. ICICDT '07. IEEE International Conference on. Juni 2007, S. 1–4. DOI: 1O.1109/ICICDT.2007.4299557.

US 2011/0068858 A1 betrifft ein System-on-Chip (SoC), wobei eine adaptive Spannungs-/Frequenzskalierungsschaltung eine Replikation der kritischen Pfade des SoC aufweist. Die Replikation der kritischen Pfade generiert ein Margensignal und die AVFS-Schaltung reagiert auf das Margensignal durch Herabsetzen der Biasspannung, mit welcher der digitale Bereich des SoC betrieben wird zur Wiederherstellung der verfügbaren Marge. Bezüglich des Aufbaus der Replikation wird auf Drake et. al. „A distributed Critical-Path Timing Monitor for a 65 nm High-Perfomance Microprocessor”, ISSCC 2007, Session 22, pages 398–399, 22.1.1 verwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universelle HPM-Schaltung zu realisieren, die im gefertigten Chip flexibel an die Spannungs- und Temperaturcharakteristik von ASIC-Designs anpassbar ist, und dabei einen möglichst geringen Flächenbedarf hat.
Diese Aufgabe wird durch eine HPM-Schaltung gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch gelöst.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kalibrieren der universellen HPM-Schaltung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Verfahrensanspruch 10 gelöst.
Der Erfindung liegt des Weiteren insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine HPM-Schaltung zu realisieren, mit welcher eine Frequenzerhöhung so realisiert werden kann, dass der Prozessor mit der momentanen niedrigen Frequenz weiter betrieben werden kann und nach der Frequenzerhöhung fehlerfrei arbeitet.
Diese Aufgabe wird mit einer HPM-Schaltung gemäß Anspruch 10 und einem Verfahren zum Regeln der Spannungsversorgung einer mikroelektronischen Schaltung mit einer HPM-Schaltung gemäß dem Verfahrensanspruch 11 gelöst.
Die Erfindung betrifft eine HPM-Schaltung zum Regeln der Spannungsversorgung einer mikroelektronischen Schaltung. Die HPM-Schaltung weist einen Regelkreis auf, dessen Regelstrecke eine Replikation der zeitkritischen Pfade der mikroelektronischen Schaltung ist, wobei die Replikation die Abhängigkeit des Zeitverhaltens der mikroelektronischen Schaltung von Versorgungsspannung und Temperatur abbildet. Die Regelgröße ist die zeitliche Verzögerung der Regelstrecke. Die Führungsgröße ist eine Zeitreferenz, bspw. ein einzustellender Takt der mikroelektronischen Schaltung. Die Stellgröße der Regelstrecke ist die Spannung der Regelstrecke; wobei die zu stellende Spannung sowohl die Versorgungsspannung der Regelstrecke, als auch die Versorgungspannung der mikroelektronischen Schaltung in einem Betriebsmodus ist.
Replikation und zu regelnde mikroelektronische Schaltung werden mithin mit derselben Versorgungsspannung betrieben und sind denselben thermischen Einflüssen ausgesetzt. In Abhängigkeit der Temperatur gibt es für die mikroelektronische Schaltung einen Bereich von zulässigen Spannungen, indem diese fehlerfrei funktioniert. Die Trennlinie zwischen dem Bereich von zulässigen und unzulässigen Spannungen kann in einem Temperatur-Spannungszusammenhang als Grenzlinie (Isolinie) der mikroelektronischen Schaltung aufgefasst werden. Die Replikation bildet diese Isolinie ab, mithin repliziert sie den Temperatur-Spannungs-Zusammenhang der mikroelektronischen Schaltung an der Zulässigkeitsgrenze. Die Grenzlinie kann sowohl einen steigenden Verlauf als auch einen fallenden Verlauf haben, je nachdem, welche Art von Gattern in der mikroelektronischen Schaltung Verwendung finden.
Hat die Grenzlinie einen positiven Verlauf, d. h. es existiert eine proportionaler Temperatur-Spannungs-Zusammenhang und erfolgt eine Temperaturerhöhung, so ist eine höhere Versorgungsspannung notwendig, damit die mikroelektronische Schaltung richtig arbeitet. Die Änderung der Versorgungsspannung wird mit der HPM-Schaltung ermittelt. Die Replikation weist bei einem Temperaturanstieg zunächst eine zu hohe Verzögerung (zu niedrige Taktfrequenz) im Vergleich mit der Zeitreferenz auf, da die momentane Versorgungsspannung der Replikation bezogen auf die erhöhte Temperatur zu niedrig ist. Durch den Regelkreis stellt sich die Änderung der Versorgungsspannung derart ein, dass die Zeitverzögerung (Taktfrequenz) der Replikation der Zeitreferenz entspricht. Da die Zeitverzögerung der Replikation identisch mit der Zeitverzögerung der zu regelnden mikroelektronischen Schaltung ist, ist die Versorgungsspannung der mikroelektronischen Schaltung auf den im Rahmen der Regelung ermittelten Wert der Versorgungsspannung der Replikation zu setzen.
Bei fallendem Verlauf der Grenzlinie, d. h. bei indirekt proportionalem Temperatur-Spannungs-Zusammenhang, ist bei einem Temperaturrückgang eine Erhöhung der Versorgungsspannung notwendig, damit die mikroelektronische Schaltung fehlerfrei arbeitet.
Es ist vorgesehen, dass die Regelstrecke als digital gesteuerter Ringoszillator ausgebildet ist, der aus mindestens zwei Verzögerungsketten aufgebaut ist, welche verschiedene Gattertypen enthalten. Mittels zweier Verzögerungsketten mit jeweils unterschiedlichen Gattertypen gelingt es, verschiedene Steilheiten der Grenzlinie, insbesondere sowohl direkt als auch indirekt-proportionale Temperatur-Spannungs-Zusammenhänge abzubilden.
Die Kettenlänge dieses Ringoszillators kann individuell pro Chip kalibriert werden, um sie an den kritischen Pfad der mirkoelektronischen Schaltung anzupassen.
Durch die Verwendung eines digital gesteuerten Ringoszillators ist die HPM-Schaltung im gefertigten Chip flexibel an die Spannungs- und Temperaturcharakteristik von ASIC-Designs anpassbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung können sich die Schwellspannungen der Gatter der einen Verzögerungskette von denen der anderen Verzögerungskette unterscheiden.
In einer Ausgestaltung der HPM-Schaltung ist vorgesehen, dass die Kettenlänge der Verzögerungsketten individuell konfigurierbar ist. Auf diese Weise ist Möglichkeit der Änderung/Adaption der HPM-Charakteristik im gefertigten Chip oder im Betrieb der Schaltung möglich.
Zur Adaption der HPM-Charakteristik an beliebige Temperatur-Spannungs-Zusammenhange, d. h. solche, die sowohl fallende, als auch als steigende Abschnitte beinhalten, ist es notwendig verschieden steile Grenzlinien zu kombinieren. In einer Ausgestaltung der HPM Schaltung ist daher vorgesehen, dass die Regelstrecke als digital gesteuerter Ringoszillator ausgebildet ist, der aus mindestens vier Verzögerungsketten besteht. Jeweils zwei Verzögerungsketten bilden einen direkt proportionalen und zwei Verzögerungsketten einen indirekt proportionalen Spannungs-Temperatur-Zusammenhang der mikroelektronischen Schaltung ab. Die Kettenlängen der Verzögerungsketten sind derart konfiguriert, dass der Ringoszillator einen Gesamt-Spannungs-Temperatur-Zusammenhang aufweist, für den die mikroelektronische Schaltung mit ausreichend hoher Spannung versorgt ist.
In einer Ausgestaltung der HPM-Schaltung ist vorgesehen, dass diese zwei Frequenzteilerschaltungen aufweist, die jeweils den Takt der Zeitreferenz um den Faktor M und den Takt des Ringoszillators um den Faktor N teilen. In diesem Fall ist der geteilte Takt der Zeitreferenz die Führungsgröße, der geteilte Takt des Ringoszillators die Regelgröße und die Differenz der geteilten Takte die Regelabweichung des Regelkreises. Anhand der Differenz der geteilten Takte wird die nötige Änderungsrichtung der Versorgungsspannung ermittelt. Die Teilerverhältnisse M und N sind während des laufenden Betriebs veränderbar, um virtuell höhere oder niedrigere Zeitreferenzen zu erzeugen. Eine virtuell höhere Zeitreferenz wird bspw. benötigt, wenn die mikroelektronische Schaltung höher getaktet werden soll, um die Versorgungsspannung auf einen Wert anzuheben, der der höheren Taktfrequenz entspricht, während der Prozessor mit dem momentanen niedrigen Takt weiterarbeiten kann.
In einer Ausgestaltung der HPM-Schaltung ist vorgesehen, dass die zu stellende Spannung so geregelt wird, dass die Bedingung T_DCO·N = T_CORE·M erfüllt ist, wobei T_DCO die Periode des Ringoszillators ist und T_CORE die Periode der Zeitreferenz ist, so dass bei T_DCO·N < T_CORE·M die Spannung erhöht wird und bei T_DCO·N > T_CORE·M die Spannung abgesenkt wird. Damit wird erreicht, dass die Periode des Oszillators der Frequenz der mikroelektronischen Schaltung, skaliert um M und N, entspricht, so dass die mikroelektronische Schaltung fehlerfrei arbeiten kann.
In einer Ausgestaltung der HPM-Schaltung ist vorgesehen, dass diese zur Erhöhung der Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung von einer momentanen Taktfrequenz auf eine Zieltaktfrequenz so konfiguriert ist, dass die mikroelektronische Schaltung zunächst mit der momentanen Taktfrequenz weiterbetrieben wird. Die Versorgungsspannung der mikroelektronischen Schaltung wird zunächst auf der zur momentanen Taktfrequenz im Betriebsmodus gestellten Spannung belassen. Die Regelstrecke wird in einem Vorhersagemodus mit der zu der Zieltaktfrequenz korrespondierenden Zeitreferenz als Führungsgröße betrieben. Erst nach Erreichen eines eingeschwungenen Zustandes des Regelkreises wird die Versorgungsspannung der mikroelektronischen Schaltung auf die zur Zielfrequenz gestellte Spannung der Regelstecke gesetzt und anschließend die Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung auf die Zieltaktfrequenz erhöht. Für den Fall einer Taktfrequenzerhöhung der mikroelektronischen Schaltung auf eine Zieltaktfrequenz ist es notwendig, die zur Zieltaktfrequenz notwendige Versorgungsspannung im Voraus zu ermitteln, da bei gleichzeitigem Erhöhen der Taktfrequenz und Regeln der Versorgungsspannung mit der HPM-Schaltung die Versorgungsspannung für den Zeitraum, in dem noch kein neu eingeschwungener Zustand des Regelkreises erreicht ist, die gestellte Spannung der Regelstrecke, mithin die Versorgungsspannung der mikroelektronischen Schaltung einen unzulässigen Wert aufweisen würde, so dass die mikroelektronische Schaltung für diesen Zeitraum nicht fehlerfrei arbeitet. Im Gegensatz zum Stand der Technik muss die mikroelektronische Schaltung nicht angehalten werden, sondern kann zunächst auf der niedrigeren Taktfrequenz weiterarbeiten.
Im Vorhersagemodus werden Versorgungsspannung von mikroelektronischer Schaltung und Regelstrecke mithin entkoppelt und die virtuelle Zieltaktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung emuliert.
In einer Ausgestaltung der HPM-Schaltung ist vorgesehen, dass die Frequenzteiler auf einen Wert programmiert sind, der der Relation (N/M)_pred/(N/M)_operation = f_core,target/f_core entspricht, wobei (N/M)_pred das Teilerverhältnis des Vorhersagemodus, (N/M)_operation das Teilerverhältnis des Betriebsmodus, f_core,target die Zieltaktfrequenz und f_core die aktuelle Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung ist.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Kalibrieren einer oben beschriebenen HPM-Schaltung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die HPM-Schaltung bei einer kritischen Versorgungsspannung betrieben wird und die Kettenlänge derart justiert wird, dass folgende Bedingung erfüllt ist: N·T_DCO = M·T_CORE.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Regeln der Spannungsversorgung einer mikroelektronischen Schaltung mittels einer oben beschriebenen HPM-Schaltung, wobei zur Erhöhung der Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung von einer momentanen Taktfrequenz auf eine Zieltaktfrequenz

a) die mikroelektronische Schaltung zunächst mit der momentanen Taktfrequenz und mit der zur momentanen Taktfrequenz im Betriebsmodus gestellten Spannung als Versorgungsspannung weiterbetrieben wird,
b) die Regelstrecke in einem Vorhersagemodus mit der zu der Zieltaktfrequenz korrespondierenden Zeitreferenz als Führungsgröße betrieben wird und nach Erreichen eines eingeschwungenen Zustand des Regelkreises
c) die Versorgungsspannung der mikroelektronischen Schaltung auf die zur Zielfrequenz gestellten Spannung der Regelstrecke gesetzt wird und
d) die Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung auf die Zieltaktfrequenz erhöht wird.

Die Erfindung betrifft zudem eine HPM-Schaltung zum Regeln der Spannungsversorgung einer mikroelektronischen Schaltung, wobei die HPM-Schaltung einen Regelkreis aufweist, dessen Regelstrecke eine Replikation der zeitkritischen Pfade der mikroelektronischen Schaltung ist, wobei die Replikation die Abhängigkeit des Zeitverhaltens der mikroelektronischen Schaltung von Versorgungsspannung und Temperatur abbildet; dessen Regelgröße die zeitliche Verzögerung der Regelstrecke ist; dessen Führungsgröße eine Zeitreferenz ist und dessen Stellgröße die Spannung der Regelstrecke ist; wobei die zu stellende Spannung sowohl die Versorgungsspannung der Regelstrecke, als auch die Versorgungspannung der mikroelektronischen Schaltung in einem Betriebsmodus ist.
Die HPM-Schaltung ist zur Erhöhung der Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung von einer momentanen Taktfrequenz auf eine Zieltaktfrequenz so konfiguriert, dass die mikroelektronische Schaltung zunächst mit der momentanen Taktfrequenz und mit der zur momentanen Taktfrequenz im Betriebsmodus gestellten Spannung als Versorgungsspannung weiterbetrieben wird, die Regelstrecke in einem Vorhersagemodus mit der zu der Zieltaktfrequenz korrespondierenden Zeitreferenz als Führungsgröße betrieben wird und nach Erreichen eines eingeschwungenen Zustand des Regelkreises die Versorgungsspannung der mikroelektronischen Schaltung auf die zur Zielfrequenz gestellten Spannung der Regelstecke gesetzt wird und anschließend die Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung auf die Zieltaktfrequenz erhöht wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 einen HPM-Ringoszillator mit zwei Verzögerungsketten;
2 ein Blockschaltbild einer HPM-Schaltung;
3 Grenzlinien von Temperatur-Spannungs-Zusammenhängen; und
4 einen Programmablaufplan zur Regelung der Spannungsversorgung bei Erhöhung der Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung.
Die HPM-Schaltung, 2, dient zum Regeln der Versorgungsspannung eines Prozessors. Sie weist einen Regelkreis mit einem digital gesteuerten Ringoszillator (DCO) 21 als Regelstrecke auf, welcher den Temperatur-Spannungs-Zusammenhang des Prozessors in seinem Zulässigkeitsbereich repliziert, siehe 3a.
1 zeigt den digital gesteuerten Ringoszillator 11. Dieser besteht aus einer ersten Verzögerungskette 12 mit Gattern niedriger Schwellspannung (LVT) und einer zweiten Verzögerungskette 13 mit Gattern hoher Schwellspannung (HVT). Der Ringoszillator muss die Steilheit der Grenzlinie des Temperatur-Spannungs-Zusammenhangs des kritischen Pfades wie in 3 anhand dreier unterschiedlicher Verläufe dargestellt, nachbilden. Dazu muss die Kettenlänge der ersten Verzögerungskette 12 und zweiten Verzögerungskette konfiguriert werden. Ein Kettenglied besteht aus einem Nor-Gatter und einem Multiplexer. Die Konfiguration der Kette geschieht durch die Signale 15 und 16 für jedes Kettenglied. Die Gesamtkettenlänge cref des DCO stellt den Referenzwert für den Betrieb dar. Sie wird für jeden Chip individuell kalibriert und repräsentiert somit die Länge von einem oder mehreren kritischen Pfaden. Dabei setzt sich die Kettenlänge aus den Elementen der beiden Verzögerungsketten mit verschiedenen Schwellspannungen zusammen (cref = chvt + clvt).
2 zeigt ein Block-Schaltbild der HPM-Schaltung. Die HPM-Schaltung beinhaltet zwei Frequenzteilerschaltungen, wobei der erste Frequenzteiler 22 den Prozessortakt 24 (Zeitreferenz) um den Faktor M und der zweite Frequenzteiler 23 den DCO Takt um den Faktor N teilen. Es erfolgt dann der Vergleich 25 der geteilten Frequenzen um auf die nötige Änderungsrichtung der Versorgungsspannung zu ermitteln. Zielwert ist dabei die Bedingung T_DCO·N = T_Core·M herzustellen, wobei T_DCO die Periode des DCO und T_Core die Periode des Prozessors ist. Damit wird erreicht, dass die Periode des Oszillators 21 der Prozessorfrequenz 24, skaliert um M und N entspricht, damit der Prozessor fehlerfrei arbeiten kann. Die Länge der Oszillatorkette cref entspricht derjenigen des kritischen Pfades entspricht. Ein Erhöhen der Spannung erfolgt bei T_DCO·N < T_Core·M, und ein Absenken der Spannung bei T_DCO·N > T_Core·M.
Die HPM-Schaltung kann zum Kalibrieren des DCO verwendet werden. Hierbei wird für eine bestimmte Taktfrequenz, Versorgungspannung und Temperatur des Prozessors in Abhängigkeit der Kettenlängen für die erste und zweite Verzögerungskette des DCO die Regelabweichung 26 bestimmt und die Kettenlängen so variiert, dass der Wert der Regelabweichung 26 null ergibt. Diese Versorgungspannung entspricht dem Wert der Isolinie der mikroelektronischen Schaltung bei dieser Temperatur. Es ist die kritische Spannung, bei der die Schaltung gerade noch fehlerfrei funktioniert. Diese wird mit einem geeigneten Testverfahren gesondert ermittelt.
Zum Kalibrieren dient ein Kalibrierungscontroller, welcher den Wert für die Gesamtkettenlänge des DCO 21 ausgibt. Die relative Anzahl der Gatter niedriger Schwellspannung ALVT 210 für die erste Kette und die relative Anzahl der Gatter hoher Schwellspannung AHVT 211 für die zweite Kette sind Eingangssignale des DCO-Decoders 29, welcher in Abhängigkeit der Gesamtanzahl der Kettenglieder CREF die Steuersignale sel_lvt 216 und sel_hvt 215 zur Konfiguration des DCO 21 setzt. Die Signale sel_hvt und sel_lvt stellen dabei die zu 1 aus N dekodierte absolute Anzahl der Gatter mit hoher Schwellspannung (CHVT) und niedriger Schwellspannung (CLVT) dar. Der Kalibrierungsdecoder arbeitet derart, dass CREF = CHVT + CLVT und CHVT/CLVT ungefähr AHVT/ALVT ist. AHVT und ALVT stellt somit das Verhältnis beider Gattertypen ein, nicht aber die absolute Anzahl der Gatter (Kettenglieder einer Kette). Diese wird bei der Kalibrierung (CAL) in Form von CREF ermittelt. Ist die Regelabweichung für gewählte Kettenlängen null, so wird die kalibrierte Gesamtkettenlänge CREF(CAL) 214 mittels des Kalibrierungscontrollers 28 ausgegeben. Im Normalbetrieb kann die so ermittelte Gesamtkettenlänge verwendet werden. Hierzu wird die operative Gesamtkettenlänge CREF (OP) eingestellt und der Multiplexer 212 so konfiguriert, dass die operative Gesamtkettenlänge CREF (OP) vom DCO Decoder zusammen mit den ermittelten Wert für die Verhältnisse AHVT 211 zu ALVT 210 zur Anzahl der Gatter sel_lvt 216 und sel_hvt 215 (CLVT, CHVT) decodiert wird.
Die Teilerverhältnisse M und N der Frequenzteiler 22 und 23 sind während des Betriebs veränderbar. Durch geeignete Wahl von M und N können für die HPM-Schaltung virtuell höhere Zeitreferenzen erzeugt werden, um die Versorgungsspannung auf einen Wert anzuheben, der einer höheren Taktfrequenz entspricht, während der Prozessor in mit der geringeren Frequenz ununterbrochen weiter arbeiten kann. Zum Erhöhen der Taktfrequenz wird die HPM-Schaltung in einen Vorhersagemodus (Prediction Mode) geschalten wobei eine virtuelle Taktfrequenz des Prozessors emuliert wird, während die Eingangsfrequenz unverändert bleibt (d. h. der Prozessor normal weiterarbeitet). Hierbei werden die Teiler Mund N auf einen Wert programmiert der der Relation (N/M)_pred/(N/M)_operation = f_core,target/f_core entspricht, wobei f_core die aktuelle (kleinere) Frequenz des Prozessors ist und f_core,target die hohe Zielfrequenz. Damit wird erreicht, dass der DCO nach erfolgter AVFS-Spannungsregelung bei einer Frequenz schwingt, die der höheren Zielfrequenz des Prozessors entspricht, während der Prozessor dabei noch bei der niedrigen Frequenz sicher arbeitet. Die Spannung wurde dabei durch die AVFS-Regelung soweit erhöht, dass auch der Prozessorkern bei der Zielfrequenz arbeiten kann. Erst wenn die Zielspannung erreicht ist wird die Taktfrequenz des Prozessors umgeschaltet und M und N auf ihren ursprünglichen Wert zurückgesetzt. Dieser Ablauf ist in Abbildung 4 dargestellt.
Zur Verringerung der Taktfrequenz bleiben M und N unverändert. Die Taktfrequenz wird reduziert und die AVFS-Regelung reduziert die Versorgungsspannung auf ihren minimalen Wert, während der Prozessor weiter arbeitet.
Bezugszeichenliste

11: digital gesteuerter Ringoszillator
12: erste Verzögerungskette
13: zweite Verzögerungskette
14: Kettenglied
15: Steuersignal zum Auswählen des NOR-Gatters
16: Steuersignal zum Auswählen des Multiplexers
21: digital gesteuerter Ringoszillator (DCO)
22: erste Frequenzteiler
23: zweite Frequenzteiler
24: Prozessortakt
25: Frequenzvergleich
26: Regelabweichung
27: Timer
28: Kalibrierungscontroller
29: DCO-Decoder
210: Konfigurationssignal zur relativen Anzahl der Gatter niedriger Schwellspannung ALVT
211: Konfigurationssignal zum relativen Anzahl der Gatter hoher Schwellspannung AHVT
212: Multiplexer
213: operationale Kettenlänge
214: kalibrierte Kettenlänge
215: Steuersignal zur Konfiguration der Anzahl Gatter niedriger Schwellspannung CLVT (sel_lvt)
216: Steuersignal zur Konfiguration der Anzahl Gatter hoher Schwellspannung CHVT (sel_hvt)

Claims

HPM-Schaltung zum Regeln der Spannungsversorgung einer mikroelektronischen Schaltung, wobei die HPM-Schaltung einen Regelkreis aufweist, dessen Regelstrecke eine Replikation der zeitkritischen Pfade der mikroelektronischen Schaltung ist, wobei die Replikation die Abhängigkeit des Zeitverhaltens der mikroelektronischen Schaltung von Versorgungsspannung und Temperatur abbildet; dessen Regelgröße die zeitliche Verzögerung der Regelstrecke ist; dessen Führungsgröße eine Zeitreferenz ist und dessen Stellgröße die Spannung der Regelstrecke ist; wobei die zu stellende Spannung sowohl die Versorgungsspannung der Regelstrecke, als auch die Versorgungspannung der mikroelektronischen Schaltung in einem Betriebsmodus ist, wobei die Regelstrecke als digital gesteuerter Ringoszillator (11) ausgebildet ist, der aus mindestens zwei Verzögerungsketten (12, 13) aufgebaut ist, welche jeweils unterschiedliche Gattertypen enthalten.
HPM-Schaltung nach Anspruch 1, wobei sich die Schwellspannungen der Gatter der einen Verzögerungskette (12) von der anderen Verzögerungskette (13) unterscheiden.
HPM-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kettenlängen der Verzögerungsketten (12, 13) individuell konfigurierbar sind.
HPM-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Regelstrecke als digital gesteuerter Ringoszillator (11) ausgebildet ist, der aus mindestens vier Verzögerungsketten besteht, wobei jeweils zwei Verzögerungsketten einen direkt proportionalen und zwei Verzögerungsketten einen indirekt proportionalen Spannungs-Temperatur-Zusammenhang der mikroelektronischen Schaltung abbilden und die Kettenlängen der Verzögerungsketten derart konfiguriert sind, dass der Ringoszillator einen Gesamt-Spannungs-Temperatur-Zusammenhang aufweist, für den die mikroelektronische Schaltung mit ausreichend hoher Spannung versorgt ist.
HPM-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die HPM-Schaltung zwei Frequenzteilerschaltungen (22, 23) aufweist, die jeweils den Takt der Zeitreferenz (24) um den Faktor M und den Takt des Ringoszillators (21) um den Faktor N teilen.
HPM-Schaltung nach Anspruch 5, wobei die zu stellende Spannung so geregelt wird, dass die Bedingung T_DCO·N = T_CORE·M erfüllt ist, wobei T_DCO die Periode des Ringoszillators ist und T_CORE die Periode der Zeitreferenz ist, so dass bei T_DCO·N < T_CORE·M die Spannung erhöht wird und bei T_DCO·N > T_CORE·M die Spannung abgesenkt wird.
HPM-Schaltung nach Anspruch 1, die zur Erhöhung der Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung von einer momentanen Taktfrequenz auf eine Zieltaktfrequenz so konfiguriert ist, dass die mikroelektronische Schaltung zunächst mit der momentanen Taktfrequenz und mit der zur momentanen Taktfrequenz im Betriebsmodus gestellten Spannung als Versorgungsspannung weiterbetrieben wird, die Regelstrecke in einem Vorhersagemodus mit der zu der Zieltaktfrequenz korrespondierenden Zeitreferenz als Führungsgröße betrieben wird und nach Erreichen eines eingeschwungenen Zustand des Regelkreises die Versorgungsspannung der mikroelektronischen Schaltung auf die zur Zielfrequenz gestellten Spannung der Regelstecke gesetzt wird und anschließend die Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung auf die Zieltaktfrequenz erhöht wird.
HPM-Schaltung nach Anspruch 5 und 7, wobei die Frequenzteiler (22, 23) auf einen Wert programmiert sind, der der Relation (N/M)_pred/(N/M)_operation = f_core,target/f_core entspricht, wobei (N/M)_pred das Teilerverhältnis des Vorhersagemodus, (N/M)_operation das Teilerverhältnis des Betriebsmodus, f_core,target die Zieltaktfrequenz und f_core die aktuelle Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung ist.
Verfahren zum Kalibrieren einer HPM-Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die HPM-Schaltung bei einer kritischen Versorgungsspannung betrieben wird und die Kettenlänge derart justiert wird, dass folgende Bedingung erfüllt ist: N·T_DCO = M·T_CORE
HPM-Schaltung zum Regeln der Spannungsversorgung einer mikroelektronischen Schaltung, wobei die HPM-Schaltung einen Regelkreis aufweist, dessen Regelstrecke eine Replikation der zeitkritischen Pfade der mikroelektronischen Schaltung ist, wobei die Replikation die Abhängigkeit des Zeitverhaltens der mikroelektronischen Schaltung von Versorgungsspannung und Temperatur abbildet; dessen Regelgröße die zeitliche Verzögerung der Regelstrecke ist; dessen Führungsgröße eine Zeitreferenz ist und dessen Stellgröße die Spannung der Regelstrecke ist; wobei die zu stellende Spannung sowohl die Versorgungsspannung der Regelstrecke, als auch die Versorgungspannung der mikroelektronischen Schaltung in einem Betriebsmodus ist, wobei die HPM-Schaltung zur Erhöhung der Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung von einer momentanen Taktfrequenz auf eine Zieltaktfrequenz so konfiguriert ist, dass die mikroelektronische Schaltung zunächst mit der momentanen Taktfrequenz und mit der zur momentanen Taktfrequenz im Betriebsmodus gestellten Spannung als Versorgungsspannung weiterbetrieben wird, die Regelstrecke in einem Vorhersagemodus mit der zu der Zieltaktfrequenz korrespondierenden Zeitreferenz als Führungsgröße betrieben wird und nach Erreichen eines eingeschwungenen Zustand des Regelkreises die Versorgungsspannung der mikroelektronischen Schaltung auf die zur Zielfrequenz gestellten Spannung der Regelstecke gesetzt wird und anschließend die Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung auf die Zieltaktfrequenz erhöht wird.
Verfahren zum Regeln der Spannungsversorgung einer mikroelektronischen Schaltung mit einer HPM-Schaltung aufweisend einen Regelkreis, dessen Regelstrecke eine Replikation der zeitkritischen Pfade der mikroelektronischen Schaltung ist, wobei die Replikation die Abhängigkeit des Zeitverhaltens der mikroelektronischen Schaltung von Versorgungsspannung und Temperatur abbildet; dessen Regelgröße die zeitliche Verzögerung der Regelstrecke ist; dessen Führungsgröße eine Zeitreferenz ist und dessen Stellgröße die Spannung der Regelstrecke ist; wobei die zu stellende Spannung sowohl die Versorgungsspannung der Regelstrecke, als auch die Versorgungspannung der mikroelektronischen Schaltung in einem Betriebsmodus ist, wobei zur Erhöhung der Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung von einer momentanen Taktfrequenz auf eine Zieltaktfrequenz a) die mikroelektronische Schaltung zunächst mit der momentanen Taktfrequenz und mit der zur momentanen Taktfrequenz im Betriebsmodus gestellten Spannung als Versorgungsspannung weiterbetrieben wird, b) die Regelstrecke in einem Vorhersagemodus mit der zu der Zieltaktfrequenz korrespondierenden Zeitreferenz als Führungsgröße betrieben wird und nach Erreichen eines eingeschwungenen Zustand des Regelkreises c) die Versorgungsspannung der mikroelektronischen Schaltung auf die zur Zielfrequenz gestellten Spannung der Regelstrecke gesetzt wird und d) die Taktfrequenz der mikroelektronischen Schaltung auf die Zieltaktfrequenz erhöht wird.