DE102014014494B4 - Dynamisches Verstellen der Versorgungsspannung auf der Basis der überwachten Chiptemperatur - Google Patents
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Abstract
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 exponentiell zur Temperatur.
Dabei sei insbesondere auf US 2012 / 0 319 759 A1 verwiesen, die eine integrierte Halbleiterschaltung und ein Operationssteuerungsverfahren hierfür offenbart. Die Halbleiterschaltung weist einen Kontrollabschnitt zur Feedback-Kontrolle eines Kontrollparameters eines Schaltungsabschnitts basierend auf einer Temperatur oder einer Betriebsgeschwindigkeit des Schaltungsabschnitts auf. Dazu kommen ein Altdatenregister zur Speicherung historischer Daten einschließlich erster und zweiter historischer Daten, die Zeitreihendaten der Temperatur und des Steuerparameters sind, sowie ein Abschnitt zur Wirksamkeitsbestimmung der Feedback-Kontrolle aus den historischen Daten.
Außerdem zeigt US 2014 / 0 022 003 A1 eine integrierte Halbleiterschaltung, deren Betriebsspannung im eingebauten Zustand von einer elektronischen Vorrichtung zu einer niedrigen Spannung unterdrückt werden kann. Dabei senkt ein Versorgungsstromkreis die Versorgungsspannung gemäß einer Temperaturerhöhung gemessen an der Halbleiterschaltung. - KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 4 und eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungen 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, wobei die Versorgungsspannung über der Schwellwerttemperatur konstant gehalten wird.
- 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, wobei die Versorgungsspannung über der Schwellwerttemperatur konstant gehalten wird.
- 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.
- Figurenliste
- 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.
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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.
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1 ist ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer Versorgungsspannungsverstellungsschaltungsanordnung. Die Verstellungsschaltungsanordnung enthält eine thermische Diode104 , einen Temperatursensor106 , einen Controller108 und ein Spannungsreglermodul (VRM)110 . Die thermische Diode104 , der Temperatursensor106 und der Controller108 sind auf einem Halbleiterchip102 eingebettet. Das VRM110 befindet sich außerhalb des Chips102 . - Die thermische Diode
104 liefert eine Anzeige der Übergangstemperatur auf dem Chip und ist an Eingänge112A ,112B des Temperatursensors106 gekoppelt. Der Temperatursensor106 ist konfiguriert zum Überwachen der durch die thermische Diode104 gelieferten Übergangstemperatur. Eine Ausgabe des Temperatursensors106 ist ein mit einem Vorzeichen versehenes 8 Bit-Signal114 . Dieses 8 Bit-Signal114 gestattet das Ablesen von Temperaturen zwischen -128 Grad C und +127 Grad C mit einem 1-Grad-Inkrement. Die Temperatursensorausgabe114 ändert sich immer dann, wenn eine Temperaturerfassung erfolgt, z.B. in der Größenordnung jeder Millisekunde. - Die Temperatursensorausgabe
114 wird als Eingabe zum Controller108 geliefert. Der Controller108 ist konfiguriert zum Steuern einer von dem VRM110 ausgegebenen Versorgungsspannung (Vdd)118 . Insbesondere weist der Controller108 das VRM110 an, die Versorgungsspannung Vdd auf der Basis des an den Controller108 gelieferten überwachten Temperatursignals114 zu erhöhen oder zu senken. Der Controller108 weist das VRM110 über eine Verbindung116 an, die Versorgungsspannung Vdd mit abnehmender Temperatur zu erhöhen, wenn die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt. Folgendes ist eine beispielhafte Beziehung: - 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 Controller108 und dem VRM110 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 VRM110 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 Diode304 , einen Temperatursensor306 , einen Controller308 und ein Spannungsreglermodul (VRM)310 . Die thermische Diode304 ist auf einem Halbleiterchip302 eingebettet. Der Temperatursensor306 , der Controller308 und das VRM310 befinden sich außerhalb des Chips302 . Die thermische Diode304 liefert eine Anzeige der Übergangstemperatur auf dem Chip und ist an Eingänge312A ,312B des Temperatursensors306 gekoppelt. Der Temperatursensor306 ist konfiguriert zum Überwachen der durch die thermische Diode304 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 TMP421von Texas Instruments. Das VRM310 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-Signal314 . Dieses8 Bit-Signal314 gestattet das Ablesen von Temperaturen zwischen -128 Grad C und +127 Grad C mit einem 1-Grad-Inkrement. Die Temperatursensorausgabe314 ändert sich immer dann, wenn eine Temperaturerfassung erfolgt, z.B. in der Größenordnung jeder Millisekunde. - Die Temperatursensorausgabe
314 wird als Eingabe zum Controller308 geliefert. Der Controller308 ist konfiguriert zum Steuern einer von dem VRM310 ausgegebenen Versorgungsspannung (Vdd)318 . Insbesondere weist der Controller308 das VRM310 auf der Verbindung316 an, die Versorgungsspannung Vdd auf der Basis des an den Controller308 gelieferten überwachten Temperatursignals314 zu erhöhen oder zu senken. Der Controller308 weist das VRM310 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 Diode404 , einen Temperatursensor406 , einen Controller408 und ein Spannungsreglermodul (VRM)410 . Die thermische Diode404 und der Controller408 sind auf einem Halbleiterchip402 eingebettet. Der Temperatursensor406 und das VRM410 befinden sich außerhalb des Chips402 . Die thermische Diode404 liefert eine Anzeige der Übergangstemperatur auf dem Chip und ist an Eingänge412A ,412B des Temperatursensors406 gekoppelt. Der Temperatursensor406 ist konfiguriert zum Überwachen der durch die thermische Diode404 gelieferten Übergangstemperatur. Ähnlich der oben für3 beschriebenen Ausführungsform sind der Temperatursensor TMP421 von Texas Instruments und ein Intersil-Bauelement, Teilenummer ISL6367, geeignete Bauelemente für den Temperatursensor406 bzw. das VRM410 . - Ein Ausgang des Temperatursensors
406 ist ein mit einem Vorzeichen versehenes 8 Bit-Signal414 , das das Ablesen von Temperaturen zwischen -128 Grad C und +127 Grad C mit einem 1 -Grad-Inkrement gestattet. Die Temperatursensorausgabe414 ändert sich immer dann, wenn eine Temperaturerfassung erfolgt, zum Beispiel in der Größenordnung jeder Millisekunde. - Die Temperatursensorausgabe
414 wird als Eingabe zum Controller408 über eine zweiadrige serielle Schnittstelle (TWSI - Two-Wire Serial Interface) auf dem Chip402 bereitgestellt. Der Controller408 ist konfiguriert zum Steuern einer von dem VRM410 ausgegebenen Versorgungsspannung (Vdd)418 durch Anweisen des VRM410 auf der Verbindung416 (z.B. PMBus oder SVID), die Versorgungsspannung Vdd auf der Basis des an den Controller408 gelieferten überwachten Temperatursignals414 dynamisch zu erhöhen oder zu senken. Der Controller408 weist das VRM410 an, die Versorgungsspannung Vdd bei sinkender Temperatur zu erhöhen, wenn die überwachte Temperatur auf der Basis der Beziehung unter einer Schwellwerttemperatur liegt (Gleichung 1).
Claims (11)
- Verfahren, das Folgendes umfasst: Überwachen einer Temperatur eines Halbleiterchips; und Verstellen einer Versorgungsspannung zum Halbleiterchip auf der Basis der überwachten Temperatur; wobei das Verstellen der Versorgungsspannung das Erhöhen der Versorgungsspannung als Funktion der überwachten Temperaturabnahme beinhaltet; wobei das Erhöhen der Versorgungsspannung nur auftritt, falls die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt; wobei das Verstellen der Versorgungsspannung durch eine lineare Beziehung bestimmt wird, die eine negative Steigung aufweist, falls die überwachte Temperatur unter der Schwellenwerttemperatur liegt; und wobei die Versorgungsspannung über der Schwellwerttemperatur konstant gehalten wird.
- 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. - Vorrichtung, die Folgendes umfasst: 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; wobei der Controller weiterhin konfiguriert ist zum Verstellen der Versorgungsspannung durch Erhöhen der Versorgungsspannung als Funktion der überwachten Temperaturabnahme; Erhöhen der Versorgungsspannung, nur falls die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt; und zum Verstellen der Versorgungsspannung, wie durch eine lineare Beziehung bestimmt, die eine negative Steigung aufweist, falls die überwachte Temperatur unter der Schwellenwerttemperatur liegt, wobei die Versorgungsspannung über der Schwellwerttemperatur konstant gehalten wird.
- Vorrichtung nach
Anspruch 4 , wobei sich der Temperatursensor und der Controller auf dem Halbleiterchip befinden. - Vorrichtung nach
Anspruch 4 , wobei sich der Temperatursensor und der Controller außerhalb des Halbleiterchips befinden. - Vorrichtung nach
Anspruch 4 , 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 4 , weiterhin umfassend eine chipinterne thermische Diode, die an den Temperatursensor gekoppelt ist, der eine Übergangstemperatur auf dem Chip überwacht. - Vorrichtung, die Folgendes umfasst: Mittel zum Überwachen einer Temperatur eines Halbleiterchips; und Mittel zum Verstellen einer Versorgungsspannung zum Halbleiterchip auf der Basis der überwachten Temperatur; wobei das Mittel zum Verstellen Mittel zum Erhöhen der Versorgungsspannung als Funktion der überwachten Temperaturabnahme beinhaltet; wobei das Mittel zum Erhöhen der Versorgungsspannung dahingehend arbeitet, nur dann zu erhöhen, falls die überwachte Temperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt; wobei das Mittel zum Verstellen der Versorgungsspannung auf der Basis einer linearen Beziehung arbeitet, die eine negative Steigung aufweist; und wobei die Versorgungsspannung über der Schwellwerttemperatur konstant gehalten wird.
- Vorrichtung nach
Anspruch 9 , wobei das Mittel zum Überwachen ein chipinterner Temperatursensor ist. - Vorrichtung nach
Anspruch 9 , wobei das Mittel zum Überwachen ein chipexterner Temperatursensor ist.
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