JP2005331517A - 熱計測システム及び熱測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩＣの熱の計測する際、熱ダイオードを設けてＩ／Ｏピンを利用すると、ピンの利用効率に改善の余地がある。
【解決手段】 ＩＣ回路の温度を測定する。まず、熱ダイオードの両端電圧を生成する。レベルセンス型の温度センサ３０１により、この熱ダイオードの両端電圧がしきい値を超えたかどうかを確認する。その両端の電圧が数値のレベルと関連づけられる。電圧レベルセンサを利用し、Ｃ４の入力／出力ピンの使用を回避する。
【選択図】 図３

Description

本発明は熱の検出に関し、とくに半導体集積回路における熱の検出に関する。

大規模集積回路（ＶＬＳＩ）チップは、異なる設計の下、様々な機能をもって動作することができる。しかし、その結果チップ内で温度の勾配が生じる。さらに、チップの温度は処理の負荷の変化に応じて変動する。一般に、チップの動作温度を計測する方法を持つことは重要である。なぜなら、動作温度はチップの許容性能に対して制約として働きうるためである。計測されたチップ温度は、例えばシステムのファンのスピードやチップの動作速度を低下させるなど、チップの環境の修正に用いることができる。この修正により、チップの温度を動作可能範囲及び長期信頼性の制限範囲にとどめることができる。

従来の技術では、チップの温度計測のために線形熱ダイオードが使われる。一般に線形熱ダイオードには定電流が流され、定電圧がかかる。そしてその熱ダイオードの両端の電圧が計測される。この電圧は、熱ダイオードの温度に比例する。その結果、チップの環境温度が計算でき、必要な環境変化を実施することができる。しかし、熱ダイオードはその両端に接続された二つの入力／出力（Ｉ／Ｏ）ピン（Ｃ４）を必要とする。電圧は外部チップまたは他の装置によって計測され、チップの温度が測定される。Ｃ４技術とは、マイクロプロセッサのダイ上に配線のための接点を設け、ダイの外側に必要となる配線用のボンディングパッドを省くことにより、ダイサイズの小型化を図るものである。

しかし、ＶＬＳＩチップのサイズが大きくなるにしたがい、チップの温度はチップ上のいろいろな個所で異なる傾向にある。また、処理の負荷が変化するとチップの異なる場所が活動しうるため、チップ上のいずれかの点が、常に通常最も熱い点になる、ということがない。

処理の負荷およびチップサイズの問題のために、温度計測のために複数の熱ダイオードを備えることが重要である。しかし、Ｃ４のＩ／Ｏピンはチップの限られた面積の中で非常にコストがかさみ、かつ温度計測のために第２のチップや他の装置を必要とする。しかも、ダイオードとＣ４のＩ／Ｏピンを経由して信号を配線することにより、チップ内のバスラインの長さが望ましくないほど伸びることがある。このことはさらに、電磁輻射の問題その他を引き起こしうる。これらに加え、Ｃ４ピンは、熱の状態を監視するハードウェアに使うよりも、ＩＣから他の情報を伝達する用途に開放しておく方が有用である。

したがって、Ｃ４のＩ／Ｏピンを多数使用することなく、かつ従来のＩＣの温度監視システムにおける問題点の少なくとも一部に対応可能な、ＩＣチップの複数領域におけるチップ温度計測方法が必要になっている。

本発明はチップの温度を測定するものである。まず、レベルセンス型の熱センサの両端の電圧が生成される。つづいて、この熱センサの両端の電圧がしきい値を超えているかどうかが測定される。この電圧は数値のレベルに関連づけられる。この熱センサの両端電圧がしきい値を超えたかどうかの測定結果は、別の熱センサの両端電圧と数値レベルとの関係に関連づけられる。

本発明によれば、実装面積、コストまたは機能面で優れた温度計測技術を提供することができる。

以下の説明において、特定の詳細例がいくつか本発明の理解のために紹介される。しかし、当業者であればこうした特定の詳細例がなくとも、本発明を実施することができる。いくつかの例では、本発明を不必要に詳細に説明することによってその主旨が不明確にならないよう、周知の構成は簡単な回路図またはブロック図で表している。さらに、本発明を十分理解するために必要ではないと思われる範囲で、以下の説明の大半において、ネットワーク通信、電磁的な信号生成技術その他について省略している。これらの詳細は、当業者には十分に理解できるところである。

特に注意しない限り、以下の全ての機能はハードウェアまたはソフトウェアにより、さらにはそれらの組み合わせにより実施することができる。しかし、いくつかの好ましい実施形態においては、特に断らない限り、それらの機能はコンピュータプログラムやソフトウェアなどのコードにしたがって動作するコンピュータや電子データプロセッサなどのプロセッサ、またはそれらの機能を実行するようコーディングされた集積回路の少なくとも一方により実行される。

図１は、熱ダイオード１１０を示す。この熱ダイオード１１０は第１のＣ４ピン１２０と第２のＣ４ピン１３０に接続される。図示しない外部のチップまたは他の装置がこれらのピンの間の電圧を計測し、その電圧から温度計測値が推定される。この電圧は連続値を示し、これがアナログの電圧レベルへ変換される。例えば、３．５ボルトは６５．４度Ｆを示し、４．６ボルトは７０．４度Ｆを示すなどである。しかし、Ｃ４ピンを使用すると、他の装置によってより有益に使用されるべきＩ／Ｏの貴重な用途が減ってしまう。

図２は、温度レベルセンサ２００を示す。この温度レベルセンサ２００は、図１と同じ熱ダイオードを採用するが、異なる用い方をする。局所的な温度を測定するために熱ダイオードの出力をアナログ的に計測する代わりに、ＩＣ回路２１０の中でより単純なデジタルの二値論理が用いられる。熱ダイオード２２０の電圧特性が計測されるとき、熱ダイオードの両端の電圧が所定のしきい値以下であれば、電圧比較器２３０により、値「０」が生成される。逆に、熱ダイオードの両端の電圧が所定のしきい値を超えるときは、電圧比較器２３０により、値「１」が生成される。しきい値の設定方法自体は当業者には理解されるところである。電圧比較器２３０はチップ２１０上に形成することができ、その結果Ｃ４のＩ／Ｏ接続が不要となる。しかも、比較がチップ２１０の外部ではなく、内部で実行されるため、従来のシステムのように常に別のチップで実行される必要はなく、例えばオペレーティングシステムなど、チップ２１０上で実行されるソフトウェアや、チップ２１０と関連して実行されるソフトウェアによって環境の制御を実施することができる。

センサ２００において、十分に一定の電流がチップ２１０で生成され、熱ダイオード２２０に流される。熱ダイオードの両端の電圧は温度の関数として変動する。熱ダイオード２２０の両端の電圧は電圧比較器２３０によって計測され、特定のしきい値と比較される。電圧がしきい値よりも低ければ値「０」が生成される。電圧がしきい値を上回れば、値「１」が生成される。生成された値は次に、ＩＣ２１０内のラッチまたはメモリーへ伝えられ、ソフトウェアから利用される。電圧比較器２３０のロジックはＩＣチップ２１０内部に集積される。

概括的にいえば、センサ２００は温度が、特定の温度に対応する特定の電圧値以上であるか以下であるかを測定することができる。この情報はチップ２１０上で生成されかつ使用されるため、貴重なＣ４のＩ／Ｏ信号線を必要としない。

図３は、システム３００を示す。このシステム３００は、温度が第１のしきい値以下であるか、第１のしきい値と第２のしきい値の間であるか、第２のしきい値と第３のしきい値の間であるか、または第３のしきい値を超えるかを測定する。各レベルセンス型電圧比較器３１０、３２０、３３０は、温度センサ３０１内で近接して配置され、図示しない熱ダイオードに接続されている。各電圧比較器３１０、３２０、３３０の出力は、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）３４０へ入力される。これらの信号はそれぞれ、熱ダイオードの両端の電圧が所定のしきい値以上であるか以下であるかを示す。次に、この信号は出力信号に変換される。各装置３１０、３２０、３３０が同様の動作をする。これらの装置は、ＩＣチップ３００に内蔵される。

例えば、三つの信号の全てが、電圧、すなわち温度が全てのしきい値よりも低いことを示したとき、出力信号は「００」としてＡＤＣ３４０から出力される。もし、第１の電圧しきい値Ｔ１を超え、しかし第２のしきい値Ｔ２以下の場合、信号「０１」がＡＤＣ３４０から出力される。さらに第２のしきい値Ｔ２を超え、しかし第３のしきい値Ｔ３を超えないとき、ＡＤＣ３４０から値「１０」が出力される。最後に、電圧が第３のしきい値Ｔ３に一致したかまたは超えたとき、ＡＤＣ３４０から値「１１」が出力される。

ＡＤＣ３４０から出力されたこれらの値「００、０１、１０、１１」は、熱フィルタ及び監視器（ＴＦＭ３５０）へ入力される。ＴＦＭ３５０は、例えば一時的に誤った数値の読み込みに起因するスパイクを信号から取り除くフィルタ処理を行う。ＴＦＭ３５０は、この情報を記憶し、温度を変更ないし制御するためにＩＣチップ内で実行すべきアクション、またはオペレーティングシステムに実行させるべき指示を出すためのアクションを決定する。

図４はシステム４００のひとつの実施の形態を示す。システム４００は、レベルセンサ２００と線形センサ１００の両方を利用する。ＩＣチップ４１０は、内部にレベルセンサ４２１〜４３０を集積する。センサ４２１〜４３０は、上述のシステム３００で説明したごとく、電圧（したがって温度）しきい値に到達したか否かの情報を送出する。この情報はつづいてソフトウェアコードへ渡され、チップの異なる個所における温度が測定される。さらに別の実施の形態では、２個のＣ４のＩ／Ｏポートを有する線形の熱ダイオード電圧センサ４４０が設けられる。レベルセンサ４２１〜４３０は、図３の温度センサ３０１に対応する。この例では、さらに線形センサ４４０が設けられる。

この実施の形態では、異なる温度のレベルが異なる種類のセンサによって計測でき、それらが互いに関連づけられる。例えば、線形熱ダイオードセンサ４４０によって計測された任意の温度は、異なるレベルセンサ熱ダイオード４２１〜４３０に対し、異なる温度しきい値を示すことができる。例えば、線形熱ダイオード４４０によって計測された温度が７０度であるとき、この計測結果は、センサ４２１〜４２５は第１のしきい値を超えたが、第２または第３のしきい値は超えず、かつセンサ４２６〜４３０は第１、第２、第３のいずれのしきい値も超えないということを意味するよう、計測に関するヒストリカルデータに関連づけをすることができる。一方、線形熱ダイオード４４０によって計測された温度が７４度であるとき、この計測結果は、センサ４２１〜４２５は第２のしきい値を超えたが第３のしきい値は超えておらず、かつセンサ４２６〜４３０は第１のしきい値のみを超えたということを意味するよう計測に関するヒストリカルデータに関連づけすることが可能である。こうしたデータは、最少の線形熱ダイオード計測システムを利用してチップの振る舞いに関する統計的なモデルを生成する際に有益である。

本発明は、いろいろな形式や実施の形態を取りうる。したがって、本発明の概念や範囲から離れることなく、前述の技術において種々の変形技術が存在する。ここで説明した技術的可能性の延長として、さまざまなプログラミングモデルの可能性がある。しかしながら、本開示はいずれか特定のプログラミングモデルを好んで採用するように読まれるべきではなく、そうしたプログラミングモデルが構築される基本構造を指向しているものと理解されるべきである。

以上、本発明をいくつかの好ましい実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は、本来発明の内容を例示するものであって、限定するものではない。また、以上の開示内容から、変形例、修正例、変更または置換が考えられ、またいくつかの実施例においては、本発明のいくつかの構成要素が対応する他の構成要素を使用することなく実現可能であることも理解されるところである。そうした多くの変形例や修正例は、好ましい実施の形態の説明に鑑み、当業者によってなされることは望まれるところである。したがって、添付の特許請求の範囲は、広くかつ本発明の範囲と一貫する方法で解釈されるべきである。

Ｃ４のＩ／Ｏピンに接続された熱ダイオードの使用例に関する従来の技術を示す図である。 レベルセンス型温度センサの構成を示す図である。 フィルタに接続され、異なるしきい値電圧で動作する温度センサの構成を示す図である。 単一のチップ内に設けられたステップセンサおよび線形センサを採用したシステムの構成を示す図である。

符号の説明

２００ 温度レベルセンサ、 ２１０，４１０ ＩＣ回路、 ２２０ 熱ダイオード、 ２３０ 電圧比較器、 ３００，４００ 熱計測システム、 ３０１ 温度センサ、 ３１０，３２０，３３０ レベルセンス型電圧比較器、 ３４０ アナログデジタルコンバータ、 ３５０ 熱フィルタおよび監視器、 ４２１〜４３０ レベルセンサ、 ４４０ 線形センサ。

Claims (14)

1. 半導体集積回路においてレベルセンス型の熱センサを用いて温度を計測するシステムであって、
   熱ダイオードと、
   前記熱ダイオードの両端の電圧が特定のしきい値を超えたか否かに関する情報を出力するように構成された電圧比較器と、
   を備え、前記熱ダイオードと電圧比較器の少なくとも一方が前記半導体集積回路の一部を構成することを特徴とする熱計測システム。
2. 前記表示は、前記両端の電圧が前記特定のしきい値以上のときに生成されることを特徴とする請求項１に記載の熱計測システム。
3. 前記表示は、前記両端の電圧が前記特定のしきい値以下のときに生成されることを特徴とする請求項１に記載の熱計測システム。
4. 前記熱ダイオードの両端の電圧は温度の関数として生成されることを特徴とする請求項１に記載の熱計測システム。
5. 前記熱ダイオードに関連づけられた複数の電圧比較器をさらに備え、これらの電圧比較器が前記半導体集積回路の少なくとも一部であることを特徴とする請求項１に記載の熱計測システム。
6. 前記複数の電圧比較器はそれぞれ固有のしきい値を持つことを特徴とする請求項５に記載の熱計測システム。
7. 前記複数の電圧比較器の数が３であることを特徴とする請求項６に記載の熱計測システム。
8. 複数のレベルセンス型の熱センサが前記半導体集積回路に内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載の熱計測システム。
9. 前記半導体集積回路に内蔵される線形熱センサをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱計測システム。
10. 前記線形熱センサの出力及びレベルセンス型の熱センサの出力を関連づけるよう構成された熱フィルタ及び監視器をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の熱計測システム。
11. 前記熱フィルタ及び監視器が前記半導体集積回路の外部に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の熱計測システム。
12. チップ内の温度を測定するために設けられた線形熱ダイオードの両端の電圧を測定し、測定された電圧を、同チップ内に設けられた複数のレベルセンス型の熱センサに対し、温度しきい値を示す値として前記複数のレベルセンス型の熱センサの出力と関連づけることを特徴とする熱測定方法。
13. コンピュータプログラムが記録された記憶媒体を含み、チップの温度を測定するコンピュータプログラムであって、
    チップ内の温度を測定するために設けられた線形熱ダイオードの両端の電圧を測定し、測定された電圧を、同チップ内に設けられた複数のレベルセンス型の熱センサに対し、温度しきい値を示す値として前記複数のレベルセンス型の熱センサの出力と関連づける機能をコンピュータに実行せしめることを特徴とするコンピュータプログラム。
14. コンピュータプログラムを含み、チップの温度を測定するプロセッサであって、前記コンピュータプログラムは、
    チップ内の温度を測定するために設けられた線形熱ダイオードの両端の電圧を測定し、測定された電圧を、同チップ内に設けられた複数のレベルセンス型の熱センサに対し、温度しきい値を示す値として前記複数のレベルセンス型の熱センサの出力と関連づける機能をコンピュータに実行せしめることを特徴とするプロセッサ。

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