DE102014014494A1

DE102014014494A1 - Dynamisches Verstellen der Versorgungsspannung auf der Basis der überwachten Chiptemperatur

Info

Publication number: DE102014014494A1
Application number: DE102014014494.1A
Authority: DE
Inventors: David A. Carlson; Manan Salvi; Curtis Miller
Original assignee: Cavium LLC
Current assignee: Marvell Asia Pte Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: CN104516384A; US9507369B2; CN108469861A; JP6002728B2; HK1207430A1; DE102014014494B4; JP2015109420A; US20150091638A1; KR20150035446A

Abstract

Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren das Überwachen einer Temperatur eines Halbleiterchips und Verstellen einer Versorgungsspannung zum Halbleiterchip auf der Basis der überwachten Temperatur. Die Temperatur kann durch einen Temperatursensor überwacht werden, der sich auf dem Chip oder außerhalb des Chips befindet. Das Verstellen der Versorgungsspannung beinhaltet das Erhöhen der Versorgungsspannung als Funktion der überwachten Temperaturabnahme. Die Zunahme der Versorgungsspannung erfolgt nur, falls die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt. Die Versorgungsspannungsverstellung wird durch eine lineare Beziehung bestimmt, die eine negative Steigung mit der Temperatur aufweist.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei der Halbleiterchip-Designverarbeitung ist es allgemein der Fall gewesen, dass die Worst-Case-Verzögerung für ein Bauelement in der Hochtemperaturecke vorliegt. Bei den jüngsten fortgeschrittenen Prozesstechnologien (40 nm und darunter) wurde ein Temperaturinversionsphänomen beobachtet. Dieses Phänomen liegt dort vor, wo sich die Bauelementleistung bei kalter Temperatur verschlechtert.
Es besteht eine hohe Korrelation zwischen der Transistorleistung und der Versorgungsspannung, das heißt, eine höhere Spannung bedeutet eine höhere Leistung. Die Chipverlustleistung besteht aus zwei Komponenten, dynamischer und Streukomponente. Die dynamische Leistung nimmt mit dem Quadrat der Versorgungsspannung zu und ist temperaturunempfindlich. Die Verlustleistung nimmt auch mit der Versorgungsspannung zu und verläuft exponential zur Temperatur.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Mit der Annäherung der vorliegenden Offenbarung wird das Problem mit der Temperaturinversion auf der Basis dessen behandelt, dass eine Versorgungsspannung zum Chip in einem Gebiet geringer Temperatur erhöht wird. Dementsprechend können die Ausführungsbeispiele die Transistorleistung bei niedrigen Temperaturen erhöhen.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren das Überwachen einer Temperatur eines Halbleiterchips und Verstellen einer Versorgungsspannung zum Halbleiterchip auf der Basis der überwachten Temperatur. Die Temperatur kann durch einen Temperatursensor überwacht werden, der sich auf dem Chip oder außerhalb des Chips befindet. Das Verstellen der Versorgungsspannung beinhaltet das Erhöhen der Versorgungsspannung als Funktion der überwachten Temperaturabnahme. Die Zunahme der Versorgungsspannung erfolgt möglicherweise nur, falls die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt. Die Versorgungsspannungsverstellung wird durch eine lineare Beziehung bestimmt, die eine negative Steigung mit der Temperatur aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform beinhaltet eine Vorrichtung einen Temperatursensor zum Überwachen einer Temperatur eines Halbleiterchips und einen Controller, der konfiguriert ist zum Verstellen einer Versorgungsspannung zum Halbleiterchip auf der Basis der überwachten Temperatur. Bei einigen Ausführungsformen befinden sich der Temperatursensor und der Controller auf dem Halbleiterchip. Bei anderen Ausführungsformen befinden sich der Temperatursensor und der Controller außerhalb des Chips.
Der Controller kann konfiguriert sein zum Senden eines Steuersignals an ein Spannungsreglermodul (VRM – Voltage Regulator Module), um zu bewirken, dass das VRM die Versorgungsspannung verstellt. Der Controller kann die Versorgungsspannung verstellen, indem er die Versorgungsspannung als Funktion der überwachten Temperaturabnahme erhöht. Der Controller erhöht die Versorgungsspannung möglicherweise nur, falls die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung eine chipinterne thermische Diode enthalten, die an den Temperatursensor gekoppelt ist, der eine Übergangstemperatur auf dem Chip überwacht.
Der Controller kann konfiguriert sein zu Verstellen der Versorgungsspannung, wie durch eine lineare Beziehung bestimmt, die eine negative Steigung aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Das oben Gesagte ergibt sich aus der folgenden, eingehenderen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie durch die beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht, in denen sich gleich Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten auf die gleichen Teile beziehen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei stattdessen die Betonung darauf gelegt wird, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen.
1 ist ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer Versorgungsspannungsverstellungsschaltungsanordnung.
2 ist ein Liniendiagramm, das eine Beziehung zwischen der Versorgungsspannung und der Temperatur für eine beispielhafte Versorgungsspannungsverstellungsschaltungsanordnung veranschaulicht.
3 ist ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Versorgungsspannungsverstellungsschaltungsanordnung.
4 ist ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels einer Versorgungsspannungsverstellungsschaltungsanordnung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen chipinternen Temperatursensor, der einen Steuerblock speist. Der Steuerblock kann auf der Basis einer algebraischen Gleichung ein externes Spannungsreglermodul (VRM) dahingehend anweisen, die Chipversorgungsspannung zu erhöhen oder zu senken. Eine höhere Versorgungsspannung wird durch das VRM geliefert, wenn sich der Chip auf relativ niedrigen Temperaturen befindet, um den Effekt einer niedrigeren Temperatur auf die Transistorleistung mit dem Ergebnis zu kompensieren, dass die Chipleistung über Temperaturen hinweg konstanter gehalten werden kann. Die Tatsache, dass dies dynamisch ist, ist wichtig. Die Chipspannung kann nicht die ganze Zeit erhöht werden, weil, wenn der Chip heiß ist, er die meiste Leistung zieht und ein Erhöhen der Versorgungsspannung dazu führt, dass die Leistungsspezifikation des Chips überschritten wird. Das Erhöhen der Versorgungsspannung, wenn der Chip kalt ist, ist möglich, da die reduzierte Leistung aus einem Streuverlust durch die vergrößerte Leistung von der höheren Versorgungsspannung kompensiert werden kann. Somit nimmt der Gesamtstromverbrauch des Chips wegen des stark reduzierten Streuverlusts bei niedrigen Temperaturen nicht zu. Es kann auch zulässig sein, den angegebenen Stromverbrauch, wenn kalt, zu übersteigen, weil das Hauptproblem für die Verlustleistung darin besteht, den Chip kühl zu halten. Dies ist kein Problem, wenn der Chip kalt ist.
Es sei angemerkt, dass das Erhöhen der Versorgungsspannung nicht notwendigerweise die Systemtaktfrequenz erhöht. Ohne den vorliegenden Ansatz müssen die Chips bei der niedrigsten Temperatur getestet werden, um den Takt zu kennzeichnen. Mit dem vorliegenden Ansatz ist es wahrscheinlich, dass sich die Worst-Case-Temperatur bei der Schwellwerttemperatur befindet.
1 ist ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer Versorgungsspannungsverstellungsschaltungsanordnung. Die Verstellungsschaltungsanordnung enthält eine thermische Diode 104, einen Temperatursensor 106, einen Controller 108 und ein Spannungsreglermodul (VRM) 110. Die thermische Diode 104, der Temperatursensor 106 und der Controller 108 sind auf einem Halbleiterchip 102 eingebettet. Das VRM 110 befindet sich außerhalb des Chips 102.
Die thermische Diode 104 liefert eine Anzeige der Übergangstemperatur auf dem Chip und ist an Eingänge 112A, 112B des Temperatursensors 106 gekoppelt. Der Temperatursensor 106 ist konfiguriert zum Überwachen der durch die thermische Diode 104 gelieferten Übergangstemperatur. Eine Ausgabe des Temperatursensors 106 ist ein mit einem Vorzeichen versehenes 8 Bit-Signal 114. Dieses 8 Bit-Signal 114 gestattet das Ablesen von Temperaturen zwischen –128 Grad C und +127 Grad C mit einem 1-Grad-Inkrement. Die Temperatursensorausgabe 114 ändert sich immer dann, wenn eine Temperaturerfassung erfolgt, z. B. in der Größenordnung jeder Millisekunde.
Die Temperatursensorausgabe 114 wird als Eingabe zum Controller 108 geliefert. Der Controller 108 ist konfiguriert zum Steuern einer von dem VRM 110 ausgegebenen Versorgungsspannung (Vdd) 118. Insbesondere weist der Controller 108 das VRM 110 an, die Versorgungsspannung Vdd auf der Basis des an den Controller 108 gelieferten überwachten Temperatursignals 114 zu erhöhen oder zu senken. Der Controller 108 weist das VRM 110 über eine Verbindung 116 an, die Versorgungsspannung Vdd mit abnehmender Temperatur zu erhöhen, wenn die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt. Folgendes ist eine beispielhafte Beziehung: Vdd = Nominal_Vdd + MINIMUM(0, Temperatur – Schwellwert)·Steigung (Gleichung 1)
Nominal_Vdd, Schwellwert und Steigung können programmierbare Werte sein, die gesteuert werden, indem ein Control/Status-Register (CSR) geschrieben wird oder indem eine oder mehrere OTP-Sicherungen (OTP – One-Time Programmable) durchgebrannt werden. Werte für einen 28 nm Prozess können beispielsweise wie folgt lauten:
Nominal Vdd = 900 mV
Schwellwert = 50 C
Steigung = –1 mV/C
Es ist für den Fachmann zu verstehen, dass (Gleichung 1) zwar eine lineare Funktion beinhaltet, nichtlineare Funktionen verwendet werden können, um eine Erhöhung bei der Versorgungsspannung bei abnehmender Temperatur zu bewirken.
Bei einer Ausführungsform verwendet die Verbindung 116 zwischen dem Controller 108 und dem VRM 110 einen PMBus (Power Management Bus), ein Leistungsmanagementprotokoll mit offenem Standard. Bei anderen Ausführungsformen kann die Verbindung unter Verwendung einer SVID-Schnittstellenspezifikation (SVID – Serial VID) oder eines anderen geeigneten Protokolls bereitgestellt werden. Das VRM 110 kann beispielsweise ein Intersil-Bauelement, Teilenummer ISL6367, oder ein anderes ähnliches Bauelement sein.
2 ist ein Liniendiagramm, das eine Beziehung zwischen der Versorgungsspannung und der Temperatur für eine beispielhafte Versorgungsspannungsverstellungsschaltungsanordnung darstellt, die auf der Basis von (Gleichung 1) gesteuert wird und mit den oben angegebenen beispielhaften Werten versehen ist. Wie gezeigt, steigt die Versorgungsspannung Vdd um 50 mV bei 0 Grad C und 90 mV bei –40 Grad C. Ein flaches oder konstantes Gebiet zum Halten der Versorgungsspannung auf dem Nennwert 900 mV tritt für Temperaturen über dem Schwellwert von 50 Grad C auf. Unter dem Schwellwert ist die Kurve linear mit einer negativen Steigung.
3 ist ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Versorgungsspannungsverstellungsschaltungsanordnung. Die Verstellungsschaltungsanordnung enthält eine thermische Diode 304, einen Temperatursensor 306, einen Controller 308 und ein Spannungsreglermodul (VRM) 310. Die thermische Diode 304 ist auf einem Halbleiterchip 302 eingebettet. Der Temperatursensor 306, der Controller 308 und das VRM 310 befinden sich außerhalb des Chips 302. Die thermische Diode 304 liefert eine Anzeige der Übergangstemperatur auf dem Chip und ist an Eingänge 312A, 312B des Temperatursensors 306 gekoppelt. Der Temperatursensor 306 ist konfiguriert zum Überwachen der durch die thermische Diode 304 gelieferten Übergangstemperatur. Externe Temperatursensoren sind von einer Reihe von Quellen erhältlich, einschließlich Texas Instruments, Maxim, Analog Devices und National Semiconductor. Beispielsweise eignet sich ein Temperatursensor TMP421 von Texas Instruments. Das VRM 310 kann ein Intersil-Bauelement, Teilenummer ISL6367, oder ein anderes ähnliches Bauelement sein.
Eine Ausgabe des Temperatursensors 306 ist ein mit einem Vorzeichen versehenes 8 Bit-Signal 314. Dieses 8 Bit-Signal 314 gestattet das Ablesen von Temperaturen zwischen –128 Grad C und +127 Grad C mit einem 1-Grad-Inkrement. Die Temperatursensorausgabe 314 ändert sich immer dann, wenn eine Temperaturerfassung erfolgt, z. B. in der Größenordnung jeder Millisekunde.
Die Temperatursensorausgabe 314 wird als Eingabe zum Controller 308 geliefert. Der Controller 308 ist konfiguriert zum Steuern einer von dem VRM 310 ausgegebenen Versorgungsspannung (Vdd) 318. Insbesondere weist der Controller 308 das VRM 310 auf der Verbindung 316 an, die Versorgungsspannung Vdd auf der Basis des an den Controller 308 gelieferten überwachten Temperatursignals 314 zu erhöhen oder zu senken. Der Controller 308 weist das VRM 310 an, die Versorgungsspannung Vdd mit abnehmender Temperatur zu erhöhen, wenn die überwachte Temperatur auf der Basis der Beziehung unter einer Schwellwerttemperatur liegt (Gleichung 1).
4 ist ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels einer Versorgungsspannungsverstellungsschaltungsanordnung. Die Verstellungsschaltungsanordnung enthält eine thermische Diode 404, einen Temperatursensor 406, einen Controller 408 und ein Spannungsreglermodul (VRM) 410. Die thermische Diode 404 und der Controller 408 sind auf einem Halbleiterchip 402 eingebettet. Der Temperatursensor 406 und das VRM 410 befinden sich außerhalb des Chips 402. Die thermische Diode 404 liefert eine Anzeige der Übergangstemperatur auf dem Chip und ist an Eingänge 412A, 412B des Temperatursensors 406 gekoppelt. Der Temperatursensor 406 ist konfiguriert zum Überwachen der durch die thermische Diode 404 gelieferten Übergangstemperatur. Ähnlich der oben für 3 beschriebenen Ausführungsform sind der Temperatursensor TMP421 von Texas Instruments und ein Intersil-Bauelement, Teilenummer ISL6367, geeignete Bauelemente für den Temperatursensor 406 bzw. das VRM 410.
Ein Ausgang des Temperatursensors 406 ist ein mit einem Vorzeichen versehenes 8 Bit-Signal 414, das das Ablesen von Temperaturen zwischen –128 Grad C und +127 Grad C mit einem 1-Grad-Inkrement gestattet. Die Temperatursensorausgabe 414 ändert sich immer dann, wenn eine Temperaturerfassung erfolgt, zum Beispiel in der Größenordnung jeder Millisekunde.
Die Temperatursensorausgabe 414 wird als Eingabe zum Controller 408 über eine zweiadrige serielle Schnittstelle (TWSI – Two-Wire Serial Interface) auf dem Chip 402 bereitgestellt. Der Controller 408 ist konfiguriert zum Steuern einer von dem VRM 410 ausgegebenen Versorgungsspannung (Vdd) 418 durch Anweisen des VRM 410 auf der Verbindung 416 (z. B. PMBus oder SVID), die Versorgungsspannung Vdd auf der Basis des an den Controller 408 gelieferten überwachten Temperatursignals 414 dynamisch zu erhöhen oder zu senken. Der Controller 408 weist das VRM 410 an, die Versorgungsspannung Vdd bei sinkender Temperatur zu erhöhen, wenn die überwachte Temperatur auf der Basis der Beziehung unter einer Schwellwerttemperatur liegt (Gleichung 1).
Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ihre Ausführungsbeispiele besonders gezeigt und beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass daran verschiedene Änderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung, den die beigefügten Ansprüche umfassen, abzuweichen.

Claims

Verfahren, das Folgendes umfasst: Überwachen einer Temperatur eines Halbleiterchips; Verstellen einer Versorgungsspannung zum Halbleiterchip auf der Basis der überwachten Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur von einem chipinternen Temperatursensor überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur durch einen chipexternen Temperatursensor überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verstellen der Versorgungsspannung das Erhöhen der Versorgungsspannung als Funktion der überwachten Temperaturabnahme beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Erhöhen der Versorgungsspannung nur auftritt, falls die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verstellen der Versorgungsspannung durch eine lineare Beziehung bestimmt wird, die eine negative Steigung aufweist.
Vorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Temperatursensor zum Überwachen einer Temperatur eines Halbleiterchips; einen Controller, der konfiguriert ist zum Verstellen einer Versorgungsspannung zum Halbleiterchip auf der Basis der überwachten Temperatur.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei sich der Temperatursensor und der Controller auf dem Halbleiterchip befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei sich der Temperatursensor und der Controller außerhalb des Halbleiterchips befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Controller konfiguriert ist zum Senden eines Steuersignals an ein Spannungsreglermodul (VRM – Voltage Regulator Module), um zu bewirken, dass das VRM die Versorgungsspannung verstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Controller konfiguriert ist zum Verstellen der Versorgungsspannung durch Erhöhen der Versorgungsspannung als Funktion der überwachten Temperaturabnahme.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Controller konfiguriert ist zum Erhöhen der Versorgungsspannung, nur falls die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, weiterhin umfassend eine chipinterne thermische Diode, die an den Temperatursensor gekoppelt ist, der eine Übergangstemperatur auf dem Chip überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Controller konfiguriert ist zum Verstellen der Versorgungsspannung, wie durch eine lineare Beziehung bestimmt, die eine negative Steigung aufweist.
Vorrichtung, die Folgendes umfasst: Mittel zum Überwachen einer Temperatur eines Halbleiterchips; Mittel zum Verstellen einer Versorgungsspannung zum Halbleiterchip auf der Basis der überwachten Temperatur.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Mittel zum Überwachen ein chipinterner Temperatursensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Mittel zum Überwachen ein chipexterner Temperatursensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Mittel zum Verstellen Mittel zum Erhöhen der Versorgungsspannung als Funktion der überwachten Temperaturabnahme beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Mittel zum Erhöhen der Versorgungsspannung dahingehend arbeitet, nur dann zu erhöhen, falls die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Mittel zum Verstellen der Versorgungsspannung auf der Basis einer linearen Beziehung arbeitet, die eine negative Steigung aufweist.