JP2015069652A - 拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのシステムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】半導体デバイスの動作を初期化するシステム方法であり、半導体デバイスがリセット状態にある間に外部リセット信号のアサート停止を検出する工程と、半導体デバイスの温度レベルをモニタリングする工程と、温度レベルが、半導体デバイスが最大性能レベルにおいて動作することを可能にする所定の最小動作温度レベルを下回る間、半導体デバイスをリセット状態のままにする工程、および半導体デバイスに対して熱を生成するため、半導体デバイスに対する少なくとも1つの動作パラメータを上昇レベルにおいてアサートする工程と、温度レベルが少なくとも所定の最小動作温度レベルにあるときにリセット状態を解放する工程とを含む。動作パラメータはクロック周波数もしくは供給電圧レベルまたはそれらの組合せでよい。【選択図】図1

Description

本開示は、概して周囲温度範囲内でのシステム動作制約に関し、より詳細には、極端に低い周囲温度を含む拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのシステムおよび方法に関する。
半導体デバイスの従来の製造方法では、多くの場合、異なるバージョンの半導体デバイスは異なる動作仕様に従って設計および製造されることが要求されてきた。たとえば、商用グレードの部品は商業規格を満たすように設計されており、一方で軍用グレードの部品は、過酷な条件にある間に、またはより過酷な環境下で動作することを可能にするために、より厳密な軍用規格を満たすように設計されていた。商用グレードの部品は、たとえば、0℃のような相対的に穏やかな温度レベルまでしか至らない程度で最大性能レベルにおいて動作するように規定されており、一方で、軍用グレードの部品は、−40℃に至るような拡大周囲温度範囲内で最大性能レベルにおいて動作するように規定されていた。
複数バージョンの同じデバイスを、異なる複数の仕様を満たすように製造することは効率的でなく、費用がかかる。さらに、多くの企業顧客は、商用グレードのデバイスが、拡大動作温度範囲のように、同じパワーエンベロープ内で動作しながら、より過酷な動作条件下で動作することを可能にするためにより厳格な規格を満たすことを要求してきている。たとえば、商用無線ネットワークの基地局は、極端な気象条件にさらされることが多い。民間航空機は、高高度においては常に極寒温度にさらされている。パワーエンベロープは最大温度(たとえば、85℃)における最大周波数の関数であるのに対して、顧客は、その部品が通常の周囲温度範囲を下回る温度にさらされているときでさえ最大周波数および/または最大性能レベルにおいて動作すると期待していることが多い。これらの条件が、動作コーナーの両端を満たす十分な歩留まりのシリコンを得ることを困難にしている。
商用電子デバイスを所定の最小動作レベルまで加熱し、システムが最大性能において動作し得るようにするために、外部ヒータまたは加熱パッドなどのような外部構成要素が、多くの場合設けられていた。そのような外部デバイスは費用がかかり、場合によっては、安全上の懸念をさらに増すことがあった。たとえば、航空機の電子機器を加熱するためのヒータまたは加熱パッドは、さらに火災の原因となる危険性をもたらしていた。
本発明は例として示されており、添付の図面によって限定されない。図面において、同様の参照符号は類似の要素を示す。図面内の要素は簡潔かつ明瞭にするために示されており、必ずしも原寸に比例して描かれてはいない。
半導体デバイスを加熱するためのクロック周波数を使用した、一実施形態に応じた拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのコールドスタートシステムおよび方法を組み込んだ半導体デバイスの簡略ブロック図。 一実施形態に応じた図1の半導体デバイスの順序論理の動作を示すフローチャート図。 半導体デバイスを加熱するために上昇供給電圧を使用した、一実施形態に応じた拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのコールドスタートシステムおよび方法を組み込んだ半導体デバイスの簡略ブロック図。 一実施形態に応じた図3の半導体デバイスの順序論理の動作を示すフローチャート図。 半導体デバイスを加熱するために上昇周波数および/または上昇供給電圧の任意の選択された組合せを使用した、一実施形態に応じた拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのコールドスタートシステムおよび方法を組み込んだ半導体デバイスの簡略ブロック図。 一実施形態に応じた図5の半導体デバイスの順序論理の動作を示すフローチャート図。 加熱プロセス中に外部冷却系の動作を制御することを含む、一実施形態に応じた拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのコールドスタートシステムおよび方法を組み込んだ半導体デバイスの簡略ブロック図。 一実施形態に応じた図7の半導体デバイスの順序論理の動作を示すフローチャート図。 複数の高周波ブロックおよび対応するクロック信号を用いた、一実施形態に応じた拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのコールドスタートシステムおよび方法を組み込んだ半導体デバイスの簡略ブロック図。
本発明者は、最大利用周波数が、周囲および/または動作温度によって制約されることが多いと認識している。いくつかの場合において、プロセス技術に応じて、周囲温度が低くなるほど、最大動作周波数および対応する性能がより制約されるようになる。それゆえ、本発明者は、デバイスの動作温度をコールドスタートから増大させ、それゆえ、拡大周囲温度範囲にわたる最大性能を正当に獲得するためのシステムおよび方法を開発した。たとえば、本発明者は、デバイスの動作温度をコールドスタートから増大させ、それゆえ、拡大周囲温度範囲にわたる最大周波数および/または最大性能を正当に主張するためのシステムおよび方法を開発した。このように、たとえデバイスの動作温度範囲が拡大温度範囲よりも小さくなり得るとしても、拡大周囲温度範囲内で最大周波数および/または性能を獲得することができる。
図1は、一実施形態に応じた拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのコールドスタートシステムおよび方法を組み込んだ、集積回路(IC)または半導体チップもしくはダイなどのような半導体デバイス100の簡略ブロック図である。半導体デバイス100は、1つ以上のプロセッサ、マイクロコントローラおよび/またはマイクロプロセッサなどを含むような処理機能を含む、任意のタイプの機能を実行するように実装されてもよい。半導体デバイス100は、システム・オン・チップ(SOC)の一部であるかもしくはその中に組み込まれてもよく、または、内蔵処理システムなどの一部としてのものであってもよい。
半導体デバイス100は、外部信号または電圧などを受信するための、ポートまたはピンなどのような複数の入出力(I/O)インターフェースを含む。図示のように、半導体デバイス100は、外部の電圧調整器102からの調整供給電圧VREGを受信するVDD供給ピンを含む。半導体デバイス100は、外部リセット信号RSTを受信するリセットピンなどをさらに含み、外部リセット信号RSTは、内部で外部リセット(ER)信号として内部の順序(SEQ)論理104に搬送される。RST信号は、ネゲートまたはアサート停止されるときは外部起動信号とみなされてもよい。順序論理104は、本明細書においてさらに説明するようなパワー・オン・リセット(POR)機能を実行するために設けられている。半導体デバイス100は、本発明を完全に理解するために必要ないものとして本明細書においては説明されていない多くの他のサブシステムおよびI/Oインターフェースを含んでもよい。
RST信号が外部システムまたはデバイス(図示せず)によってアサートされている間、半導体デバイス100は、概してリセット状態に保持されている。VREGは、最初は調整レベルにおいて確立され得、その後、RSTは、半導体デバイス100を動作させるために電源投入するためにネゲートまたは他の様態でアサート停止される。RSTがアサート停止されると、順序論理104は、個々の構成要素を立ち上げるかまたはイネーブルすること、および、クロックをイネーブルすることなどを含む、半導体デバイス100の電源投入を制御するように構成されている。半導体デバイス100は、しかしながら、0℃を下回り、さらには、マイナス40℃(−40℃)のような、拡大温度範囲の最小温度に至るような、温度が極端な、極限のまたは過酷な環境におかれる場合がある。半導体デバイス100のコールドスタート中、1つ以上の部分が動作温度範囲を下回り、したがって、対処を怠れば即座の起動を阻害する場合がある。
順序論理104は、概してアナログデバイスなどまたは低周波デジタル構成要素を含む半導体デバイス100のインフラストラクチャロジックの一部である。このように、順序論理104は、性能制限なしに拡大温度範囲内で動作することが可能である。例示されている実施形態において、半導体デバイス100は、少なくとも1つの高周波(HF)ブロック106をさらに含む。順序論理104は、本明細書においてさらに説明するように、諸条件がHFブロック106が動作することを可能にするのに適したものになるまで、HFブロック106をPOR(たとえば、RSTのネゲート)のときのリセット状態に保持するために、内部リセット信号(IR)をHFブロック106にアサートする。HFブロック106は、プロセッサコア、相互接続、メモリキャッシュなどのうちのいずれか1つ以上のような、半導体デバイス100の1つ以上の高周波機能ブロックを表す。
HFブロック106は、−40℃のような、拡大温度範囲の最小温度においては制限された性能で動作することが可能であり得るが、所定の最大性能レベルで動作することは不可能な場合がある。HFブロック106の性能は、その動作周波数に関係し、それによって、周波数が高くなるほど、性能レベルが高くなる。HFブロック106は、その最大性能レベルを達成するための最小動作温度にも関連付けられる。一実施形態において、たとえば、HFブロック106は、その動作温度が0℃の最小動作温度以上であるときは、最大性能を達成するために所定の最大周波数レベルにおいて操作され得る。一般的な製造プロセスにおいて、多くの半導体ダイは、拡大温度範囲の最小温度にあるときは、最大性能レベルにおいて正確に動作することは不可能である。
半導体デバイス100は、HFブロック106の温度レベルをモニタリングするための温度モニタ108をさらに含む。図示のように、1つ以上の温度センサ110が、HFブロック106の温度状態を測定および評価するためにHFブロック106内に分散されて、温度モニタ108に結合されている。温度センサ110および温度モニタ108は、拡大温度範囲全体の中で動作することも可能である。一実施形態において、温度モニタ108は、温度センサ110によって提供される値(たとえば、読み値または信号など)を変換し、それらの値を、所定の誤差範囲内で正確である1つ以上の温度値に変換するように構成されている。
一実施形態において、各温度センサ値は、対応するTEMP値に変換され、温度モニタ108によって1つ以上の温度値が生成されて、信号TEMP(S)を介して順序論理104に提供される。順序論理104は、温度モニタ108から受信された複数の温度値を平均して平均温度値を計算することができる。平均温度値は、HFブロック106の特定の実施態様に適したものであり得る。代替的に、順序論理104は、TEMP値の最小値および/または最大値に基づいてHFブロック106の温度状態を判定する。最小TEMP値および最大TEMP値を決定することによって、そうでなければHFブロック106の首尾よい動作を阻害し得る「コールドスポット」および/または「ホットスポット」の検出が可能になる。
温度モニタ108は、計算論理などを組み込んでもよい。この場合、温度モニタ108は、温度センサ110から受信された値を平均して、順序論理104に提供される平均温度値にするように構成されてもよい。代替的に、温度モニタ108は、温度値を評価して、TEMP(S)信号を、HFブロック106の温度状態を示す1つ以上の評価パラメータとして提供するように構成されてもよい。たとえば、そのような評価パラメータは、TEMPLO値(平均温度または少なくとも1つの温度値が最小動作温度レベルを下回る)、TEMPHI値(平均温度または少なくとも1つの温度値が最大動作温度レベルを上回る)、TEMPOK値(平均温度またはすべての温度値が動作温度範囲内にある)などを含んでもよい。
半導体デバイス100は、少なくとも1つのクロック信号CLKを生成する位相ロックループ(PLL)ブロック112をさらに含む。CLK信号は、HFブロック106内に分散されているクロックツリー114に提供される。例示されている実施形態において、順序論理104は、PLL112をイネーブルするために、および/またはCLK信号の周波数を設定もしくはプログラムするために、1つ以上の周波数制御信号FQ CTLをPLL112に提供する。一実施形態において、順序論理104は、CLKの周波数を確立するために乗算器などを用いてPLL112をプログラムしてもよい。CLKの周波数がそのプログラムされた周波数で安定すると、PLL112は、LOCK信号を順序論理104にアサートする。
図2は、一実施形態に応じた半導体デバイス100の順序論理104の動作を示すフローチャート図である。第1のブロック202において、外部リセット信号ERがアサート停止され(RSTを示す)、それによって、半導体デバイス100を動作させるためにイネーブルすることが所望される。内部リセット信号IRは、本明細書においてさらに説明するように、順序論理104によってアサート停止されるまでアサートされたままである。次のブロック204において、半導体デバイス100の温度状態が動作に適しているか否かが問い合わされる。例示されている実施形態において、アナログブロックおよび/または低周波機能ブロック(たとえば、温度モニタ、順序論理など)は、拡大動作温度範囲において動作するように構成されているために、それらの温度をモニタリングする必要はない。かわりにHFブロック106の温度状態が温度モニタ108によってモニタリングされる。HFブロック106が最大性能動作のための通常動作温度範囲内にあるとき、値TEMPOKは真であるが、そうでない場合、偽である。
本明細書に記載のように、通常動作温度範囲は、拡大温度範囲よりも狭い。それにもかかわらず、半導体デバイス100の周囲温度が拡大温度範囲内にあるときに、半導体デバイス100を最大性能レベルにおいて操作することが所望される。一実施形態において、たとえば、通常動作温度範囲の最小温度は0℃であり、一方で拡大温度範囲の最小温度は−40℃である。
TEMPOKが偽であり、それによって、HFブロック106の温度状態が通常動作温度範囲外であることをTEMP(S)信号が示す場合、動作はブロック206に進み、温度が高すぎるか否かが問い合わされる。図示のように、値TEMPHIが真であり、温度は高すぎ、それによって、熱すぎてHFブロック106をイネーブルすることができない場合がある。そうである場合、動作はブロック208に進み、高温プロセスが実行される。たとえば、1つ以上の誤り状態がアサートされ得、かつ/または外部冷却系702(図7)が起動され得るか、もしくはその冷却動作が増大(たとえば、ファン速度が増大)されて、高温状態が低減され得る。高温プロセスのさらなる説明は、本開示の範疇を超えるため、記載されない。
ブロック206において判定されるものとしてTEMPHIも偽である場合、動作はブロック210に進み、IRがアサートされたままである間にCLKを上昇周波数において動作させるように、PLL112がイネーブルおよび/または他の様態でプログラムされる。この場合、温度は通常動作温度範囲の最小レベルを下回っている(したがって、低すぎて動作をイネーブルすることができない)。「上昇周波数(elevated frequency)」という用語は、CLKの周波数が、HFブロック106が通常動作温度範囲を下回っている間に正確に動作することができる最大周波数レベルよりも大きいことを意味するように定義される。言い換えれば、HFブロック106は、低温かつ高周波数においてはまったく動作することができないか、または適切に動作することができなくなるかのいずれかである。
CLKの上昇周波数レベルでの動作は、HFブロック106の温度を増大させるためにクロックツリー114の抵抗加熱を利用する。シリコンベースのデバイスは、より高い温度レベルにあるときはより高い周波数レベルにおいて動作することが可能であることは明らかである。CMOS処理技術を含む半導体処理技術は、22ナノメートル(nm)、20nm、14nmなどを含む、より小さいデバイス形状へと進歩し続けている。形状のサイズが縮小すると、概して漏れ電流は増大している。漏れ電流は、電力消費の相当の割合を占める場合があり、漏れ電流によって生じる電力レベルは、概して熱として散逸される。クロックツリーは、概して、起動またはオンされるときで、かつクロック信号によって励起される前に、著しいレベルの静的漏れ電流を生成する相当数のトランジスタデバイス(たとえば、NMOSおよびPMOSトランジスタなど)を組み込んでいる。クロックツリーのトランジスタデバイスにクロック信号が印加されると、さらなる動的な電力が生成され、それによって、さらなる熱エネルギーが発生する。動的な熱生成は、クロックツリーに印加されるCLK信号の周波数が増大するとともに増大する。
このように、上昇周波数レベルにおいてクロックツリー114に印加されるCLK信号によって、HFブロック106の熱生成が増大または他の様態で最大化する。IR信号はアサートされたままであり、それによって、HFブロック106はリセット状態にあるままであり、それによって、機能障害に対する懸念はない。上昇周波数によって、HFブロック106の温度状態が通常動作温度範囲の最小温度レベルに達するかまたは他の様態で超えるための時間が低減する。たとえ半導体デバイス100が拡大温度範囲の最小温度レベルへと下がっているコールドスタート状態にあっても、CLKが上昇周波数レベルにある間にHFブロック106の温度はほんの数ミリ秒(ms)の間に通常動作温度範囲の最小温度レベルへと上昇する場合があることに留意されたい。
一実施形態において、上昇周波数レベルは、通常動作温度範囲の所定の最大性能レベルを達成するため、CLK信号の所定の最大周波数レベルと同じであってもよい。加えて、または代替形態において、上昇周波数レベルは、PLL112によって生成されることが可能な最大周波数レベルであってもよい。概して、HFブロック106の通常動作温度範囲の最小温度に達する時間を低減または他の様態で最小化するために熱生成を増大または他の様態で最大化することが所望される。
動作はブロック212に進み、LOCK信号が提供されているか否か、かつ、TEMPOK条件が満たされているか否かが問い合わされる。LOCK信号は、CLKがその設定またはプログラムされている周波数レベルにおいて安定していることを示す。HFブロック106の温度レベルが通常動作温度範囲内にあるとき、TEMPOKは真である。これらの条件のうちのいずれかが満たされていないとき、ブロック212において動作はループする。
LOCKおよびTEMPOKが両方とも真であるとき、動作はブロック214に進み、最大性能を達成するためにCLKを所定の最大周波数において動作させるようにPLL112が設定またはプログラムされる。上記のように、上昇周波数は、HFブロック106が動作することが可能な最大周波数よりも高いものであり得、それによって、ブロック214においてCLKの周波数を低減することができる。その後、動作はブロック216に進み、PLL112がCLKの新たな周波数を安定させる間、動作はブロック216においてループする。LOCKがPLL112によってアサートされると、動作はブロック218に進み、順序論理104は、半導体デバイス100の動作をイネーブルするために内部リセット信号IRをアサート停止する。
破線220は、上昇周波数レベルおよび最大性能に対する所定の最大周波数が同じである場合に関する代替的な構成を示す。この場合、通常動作温度が達成されるとPLL112を調整する必要はなく、それによって、ブロック214および216をバイパスすることができる。この場合、LOCKおよびTEMPOKは両方とも真であり、動作は半導体デバイス100の動作を開始するためにブロック218へと直接進む。さらに、ブロック204においてTEMPOKが真である場合、予備加熱が不要であるため、所望の動作レベルにおける周波数を設定するために、動作はブロック214に直接進む。
図3は、一実施形態に応じた、拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのコールドスタートシステムおよび方法を組み込んだ半導体デバイス300の簡略ブロック図である。半導体デバイス300は、1つ以上のプロセッサ、マイクロコントローラおよび/またはマイクロプロセッサなどを含むような処理機能を含む、任意のタイプの機能を実行するようにも実装されてもよく、また、システム・オン・チップ(SOC)の一部であるかもしくはその中に組み込まれてもよく、または、内蔵処理システムなどの一部としてのものであってもよい。半導体デバイス300は、半導体デバイス100と同様の構成要素を含んでもよい。図示のように、半導体デバイス300は、温度モニタ108および1つ以上の温度センサ110を含む。順序論理104が同様の順序論理304に置き換えられている。温度モニタ108は、同様に順序論理304にTEMP(S)信号を提供し、順序論理304は同様にIR信号を制御する。
VREGを半導体デバイス300のVDD供給電圧入力に提供する電圧調整器102が図示されている。また、外部RST信号がリセット入力ERに提供され、これは、同様に順序論理304に提供される。半導体デバイス300は、VREGをプログラミングまたは他の様態で調整するために、I/Oピンを介して電圧調整器102に電圧識別(VID)値を提供する電圧制御ブロック302をさらに含む。VID値は、VREGの電圧レベルを設定するための複数ビットを含むデジタル値である。さらに、順序論理304は、電圧制御オーバーライド値VHIを電圧制御ブロック302にアサートする。
半導体デバイス300は、HFブロック106のような高周波論理を含んでもよいし、または含まなくてもよい。IR信号は、半導体デバイス300をリセット状態のままにするように動作し、提供される場合は、高周波論理に提供されてもよい。温度センサ110は、半導体デバイス300のダイ上に分散されており、提供される場合は、高周波論理内に含まれてもよい。温度センサ110は温度モニタ108に結合されており、実質的に同じように動作する。概して、半導体デバイス300は、半導体デバイス100と同様に、温度が通常動作温度範囲の最小温度レベルを下回るときは最大性能レベルにおいて動作することができない。
図4は、一実施形態に応じた、半導体デバイス300の順序論理304の動作を示すフローチャート図である。動作ブロック202、204、206および208が含まれており、実質的に同じであり、さらに説明はしない。ブロック206において判定されるものとして温度が低すぎるとき、動作はブロック410に進み、順序論理304は内部リセット信号IRがアサートされている間にVHIオーバーライドをアサートする。この場合、電圧制御ブロック302は、電圧調整器102に、VREGを所定の上昇電圧レベルまで増大するよう命令するためにVID値をアサートする。VHIは、コールド状態の間の電源投入またはリセット中にVREGの通常動作電圧レベルに優先するためのオーバーライドとみなされ得る。
「上昇電圧(elevated voltage)」という用語は、VREGの電圧レベルが半導体デバイス300の通常動作電圧レベルよりも大きいことを意味するように定義される。供給電圧は、内部構成要素もしくは回路にストレスを加えるか、または他の様態で構成要素を危険にさらすかもしくは損傷を引き起こすほど高くはならないように可能な限り高くなるように増大されてもよい。VREGの上昇レベルは、供給電圧の増大によって引き起こされる熱生成を増大するかまたは他の様態で最大化するのに十分である。電力レベル生成および/または散逸は関係CVFに基づくことに留意されたい。式中、「C」はキャパシタンスを示し、「V」は電圧を示し、「F」は周波数を示す。このように、たとえ供給電圧の増大が1ボルト(V)から1.05Vのように5%であったとしても、電力レベル消費は約25%増大することになる。電力レベル全体のうちの相当部分が熱として散逸される。
その後、動作はブロック412へと進み、いつ最小動作温度に達するかを判定するために半導体デバイス300の温度状態がモニタリングされる。TEMPOKが偽である間は、動作はブロック412においてループする。TEMPOKが真であるとき、動作はブロック318に進み、順序論理304は、通常電圧レベルに対するVHIオーバーライドをアサート停止し、IR信号をアサート停止して、半導体デバイス300の動作を開始する。ブロック204においてTEMPOKがすでに真である場合、動作はブロック318に直接進んで、供給電圧レベルを増大させることなく半導体デバイス300の動作が開始される。
図5は、一実施形態に応じた拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのコールドスタートシステムおよび方法を組み込んだ半導体デバイス500の簡略ブロック図である。半導体デバイス500は、1つ以上のプロセッサ、マイクロコントローラおよび/またはマイクロプロセッサなどを含むような処理機能を含む、任意のタイプの機能を実行するように実装されてもよく、システム・オン・チップ(SOC)の一部であるかもしくはその中に組み込まれてもよく、または、内蔵処理システムなどの一部としてのものであってもよい。
この事例において、半導体デバイス500は、半導体デバイス100と実質的に同様であり、半導体デバイス300の追加の機能をさらに含む。半導体デバイス500は、電圧調整器102からVDD供給電圧ピンを介してVREGを受信し、ERピンを介してRSTを受信し、HFブロック106と、温度モニタ108と、温度センサ110と、CLKをクロックツリー114に提供するPLL112と、VIDを電圧調整器102に提供する電圧制御ブロック302とを含む。順序論理104は順序論理504に置き換えられ、これは、順序論理104と順序論理304とを組み合わせた機能を組み込んでいる。順序論理504は、FQ CTLをPLL112に提供し、LOCKを受信し、ERおよびTEMP(S)を受信し、IRを提供する。順序論理504はさらに、VHIオーバーライドを電圧制御ブロック302に提供する。
図6は、一実施形態に応じた半導体デバイス500の順序論理504の動作を示すフローチャート図である。動作ブロック202、204、206および208が含まれており、実質的に同じであり、さらに説明はしない。ブロック206において判定されるものとして温度が低すぎるとき、動作はブロック510に進み、順序論理504が、PLL112がCLKを上昇周波数において操作することを可能にするか、または他の様態でPLL112をそのようにプログラムし、および/または、内部リセット信号IRがアサートされている間にVHIオーバーライドをアサートする。
この事例における「および/または(and/or)」という用語は、上昇電圧および上昇電圧技法のいずれかまたは両方が採用されてもよいことを意味するように意図されている。したがって、一事例において、VHIがアサートされていない間にCLKの周波数が上昇されてもよく、それによって、高周波加熱のみが加えられる。代替的に、高電圧加熱のためにCLKの周波数が上昇されていない間にVHIがアサートされてもよい。高電圧加熱についてさえ、PLL112は、より高い上昇周波数レベルにおいてではなく最大性能のための所定の最大周波数にCLKを設定するように、なおPLL112を制御することができる。POR時に遅延またはさらに加熱することなくCLKを開始することが有利であり得る。代替的に、熱生成を最大化し、RSTがアサート停止されてからの始動遅延を最小限に抑えるために、上昇周波数および上昇電圧の両方の技法が同時に適用されてもよい。
動作はブロック212に進み、LOCKおよびTEMPOKがモニタリングされて、両方が真であるとき、動作はブロック214に進み、前述したものと同様に最大性能を達成するために所定の最大周波数においてCLKを操作するように、PLL112が設定またはプログラムされる。その後、動作は前述と同様に進むか、あるいはブロック216においてループする。その後、動作はブロック318に進み、VHIが(以前にアサートされていた場合)アサート停止され、それによって、VREGがその通常動作レベルに落とされる。破線220が示す代替的な経路は、上昇周波数レベルおよび最大性能に対する所定の最大周波数が同じであるときの代替的な構成を示し、この場合、動作はLOCKおよびTEMPが真であるときブロック212からブロック318へと直接進む。
図7は、一実施形態に応じた拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのコールドスタートシステムおよび方法を組み込んだ半導体デバイス700の簡略ブロック図である。半導体デバイス700は、1つ以上のプロセッサ、マイクロコントローラおよび/またはマイクロプロセッサなどを含むような処理機能を含む、任意のタイプの機能を実行するように実装されてもよく、システム・オン・チップ(SOC)の一部であるかもしくはその中に組み込まれてもよく、または、内蔵処理システムなどの一部としてのものであってもよい。
この事例において、半導体デバイス700は、半導体デバイス100と実質的に同様であり、外部冷却系702をさらに含む。外部冷却系702は、冷却ファンなどのような任意の適切な様式で実装されてもよい。半導体デバイス700は、電圧調整器102からVDD供給電圧ピンを介してVREGを受信し、ERピンを介してRSTを受信し、HFブロック106と、温度モニタ108と、温度センサ110と、CLKをクロックツリー114に提供するPLL112とを含む。順序論理104は、順序論理704に置き換えられており、これは順序論理104と同様であるが、COOL SYS OFFオーバーライド信号をアサートするための論理をさらに含む点が異なっている。順序論理704は、FQ CTLをPLL112に提供し、LOCKを受信し、ERおよびTEMP(S)を受信し、IRを提供する。この事例において、温度モニタ108はピンなどを介して外部冷却系702に結合されており、冷却系制御(COOL SYS CTL)を提供する。冷却系制御は、単純なオン/オフ機能であってもよく、または代替的に、温度モニタ108が可変制御のための論理を含んでもよい。代替的な実施形態において、温度モニタ108ではなく、順序論理704または他の論理(図示せず)のような他の論理が、冷却系制御論理を含んでもよい。
図8は、一実施形態に応じた半導体デバイス700の順序論理704の動作を示すフローチャート図である。動作ブロック202、204、206および208が含まれており、実質的に同じであり、さらに説明はしない。ブロック206において判定されるものとして温度が低すぎるとき、動作はブロック810に進み、順序論理704が、PLL112がCLKを上昇周波数において操作することを可能にするか、または他の様態でPLL112をそのようにプログラムし、さらに、内部リセット信号IRがアサートされている間にCOOL SYS OFFオーバーライドをアサートする。
この事例において、COOL SYS OFFオーバーライドは、外部冷却系702がPORプロセス中にオフにされることを保証する。外部冷却系702がPORプロセス中にオフにされることを保証することによって、そうでなければ半導体デバイス700の予備加熱に反作用することになる冷却効果が回避される。動作はそれ以外は順序論理104のものと実質的に同様であるが、ブロック218が、動作温度に達した後にCOOL SYS OFFオーバーライド信号をアサート停止することをさらに含むブロック818に置き換えられている点が異なっている。低温を所与とすると、外部冷却系702はいずれにせよオンにされなくてもよいことが理解される。しかしながら、外部冷却系702が他の理由から低速で起動またはオンにされ得る場合、COOL SYS OFFオーバーライドが、加熱中の逆効果になる冷却動作を妨げる。前述のように、オーバーライドは数ミリ秒だけ続くような一時的なものに過ぎず、それによって、外部冷却系702の遮断はそれ以外、重大なものではない。
図9は、一実施形態に応じた拡大周囲温度範囲内で最大性能動作を可能にするためのコールドスタートシステムおよび方法を組み込んだ半導体デバイス900の簡略ブロック図である。半導体デバイス900は、1つ以上のプロセッサ、マイクロコントローラおよび/またはマイクロプロセッサなどを含むような処理機能を含む、任意のタイプの機能を実行するように実装されてもよく、システム・オン・チップ(SOC)の一部であるかもしくはその中に組み込まれてもよく、または、内蔵処理システムなどの一部としてのものであってもよい。
半導体デバイス900は、半導体デバイス100、500および700のいずれかと実質的に同様であり、前述の同様の機能構成要素を含む。半導体デバイス900は、前述の順序論理104、504および704のいずれかと実質的に同様に実装されてもよい順序論理904を含む。この事例において、半導体デバイス900は、HF1、HF2、HF3などと個々にラベリングされている複数のHFブロックとしての高周波ブロック106を含む。任意の数の高周波ブロック106が含まれてもよく、各々が、プロセッサコア、相互接続、メモリキャッシュなどのいずれかであってもよい。各高周波ブロック106は、前述と同様に1つ以上の温度センサ110を含む。温度センサ110は、前述と同様に温度モニタ108に結合されている。PLL112はPLL912に置き換えられており、これは、各々が高周波ブロック106のうちの対応するもののクロックツリー114に分散されている複数のクロック信号CLK1、CLK2、CLK3などを提供する。
半導体デバイス900は、任意の所与の構成において、各々が同じまたは異なる周波数を有する対応するクロック信号を受信する、2つ以上の高周波ブロックが含まれてもよいことを示している。したがって、クロック信号CLK1、CLK2、CLK3などは、同じ周波数を有してもよく、または異なるクロック周波数を有してもよい。この事例において、IRがアサートされたままである間にRSTがアサート停止されると、順序論理904は、クロック信号CLK1、CLK2、CLK3などの各々を上昇周波数レベルにおいてアサートするように、PLL912を制御する。
さらに、上昇周波数は同じであってもよく、または異なってもよい。いずれにせよ、高周波ブロック106の温度状態は、予備加熱プロセス中に互いに対して異なっている場合がある。また、高周波ブロック106の最小動作温度は、互いに対して異なっている場合があり、それによって、半導体デバイス900の異なるブロックまたは部分は、リセット条件がネゲートされて動作が開始されるとき、同じまたは異なる所定の最小温度レベルまで上昇され得る。たとえば、HF1は−5℃の最小動作温度を有する場合があり、HF2は−10℃の最小動作温度を有する場合があり、HF3は−0℃の最小動作温度を有する場合がある、などである。温度モニタ108は、温度センサ110の別個の温度および/または高周波ブロック106の各々の別個の温度状態を別個に報告するように構成されてもよく、順序論理904は、IRをアサート停止する前に、高周波ブロック106の各々がその最小動作温度に達しているときを判定するように構成される。
単純な処理構成において、順序論理904は、各温度または温度状態が、半導体デバイス900の最大性能レベルを達成するために高周波ブロック106の各々に適した所定の共通の最小動作レベルに達したときに、IRをアサート停止する。
一実施形態に応じた半導体デバイスの動作を初期化する方法は、半導体デバイスがリセット状態にある間に外部リセット信号のアサート停止を検出する工程と、半導体デバイスの温度レベルをモニタリングする工程と、温度レベルが、半導体デバイスが最大性能レベルにおいて動作することを可能にする所定の最小動作温度レベルを下回っている間に、半導体デバイスをリセット状態のままにする工程、および、半導体デバイスに対して熱を生成するために、半導体デバイスに対する少なくとも1つの動作パラメータを上昇レベルにおいてアサートする工程と、温度レベルが少なくとも所定の最小動作温度レベルにあるときにリセット状態を解放する工程とを含む。
多くの電子システムは、ファンなどのような外部冷却系を含む。方法は、予備加熱プロセス中に逆効果になる冷却を回避するために、リセット状態が解放されるまで外部冷却系がオフになっているよう命令する工程をさらに含んでもよい。
一実施形態に応じた半導体デバイスは、温度モニタと順序論理とを含む。温度モニタは、半導体デバイスの温度をモニタリングし、それを示す温度値を提供する。順序論理は、温度が所定の最小動作温度レベルを下回っていることを温度値が示すときに外部リセット信号がアサート停止されることに応答して、半導体デバイスの少なくとも1つの動作パラメータを、内部リセット状態を維持しながら半導体デバイス上で熱を生成するために上昇レベルにおいて動作するように命令する。順序論理は、温度が少なくとも所定の最小動作温度レベルであることを温度値が示すとき、半導体デバイスが最大性能レベルにおいて動作することを可能にするために、リセット状態を解放する。
本明細書に記載のように、動作パラメータは、少なくとも1つのクロック信号の周波数レベルもしくは半導体デバイスに提供される供給電圧、またはそれら両方の組合せであってもよい。上昇周波数レベルは、半導体デバイスの温度が所定の最小動作温度レベルよりも低いときに半導体デバイスが動作することが不可能であるように、十分高い。上昇周波数レベルは、最大性能レベルを達成する最大周波数レベルと同じであってもよい。上昇電圧レベルは、内部構成要素もしくは回路にストレスを加えるか、または他の様態で構成要素を危険にさらすかもしくは損傷を引き起こすほど高くはならないように可能な限り高くてもよい。リセット状態中に上昇周波数および/または電圧を使用することによって、半導体デバイス上で熱が生成され、それによって、動作をイネーブルするために所定の最小動作温度レベルに迅速に達することができる。
上昇周波数は、上昇周波数においてクロック信号によって刺激されると抵抗加熱を生成するクロックツリーを含む高周波ブロックなどに提供されてもよい。特定の構成に応じて各々が同じまたは異なる周波数における同じまたは異なるクロック信号を受信する、複数の高周波ブロックが企図されている。各高周波ブロックは、最大性能動作を可能にするのに適した同じまたは異なる最小動作温度レベルを有してもよい。
本発明をいくつかの実施形態に関連して説明してきたが、本発明は、本明細書に記載した特定の形態に限定されるようには意図されていない。逆に、添付の特許請求の範囲によって画定されるような本発明の範囲内に合理的に含まれ得るものとしての、そのような代替形態、変更形態、および均等物を包含することが意図されている。たとえば、様々な正論理または負論理が様々な実施形態において使用されてもよく、本発明は、特定の論理極性、デバイスタイプまたは電圧レベルなどに限定されない。
「1つの(“a”or“an”)」という用語は、本明細書において使用される場合、1つまたは2つ以上として定義される。また、特許請求の範囲にいて「少なくとも1つの」および「1つ以上の」のような前置きの語句が使用されている場合、これは、不定冠詞「1つの」による別の特許請求項要素の導入が、そのように導入されている特許請求項要素を含む任意の特定の特許請求項を、たとえ同じ特許請求項が前置きの語句「1つ以上の」または「少なくとも1つの」および不定冠詞「1つの」を含む場合であっても、1つのみのそのような要素を含む発明に限定することを暗示するように解釈されるべきではない。同じことが、定冠詞の使用にも当てはまる。別途記載されない限り、「第1の」および「第2の」のような用語は、そのような用語が説明する要素間で適宜区別するように使用される。したがって、これらの用語は必ずしも、このような要素の時間的なまたは他の優先順位付けを示すようには意図されていない。

Claims (20)

  1. 半導体デバイスの動作を初期化する方法であって、
    前記半導体デバイスがリセット状態にある間に外部リセット信号のアサート停止を検出する工程と、
    前記半導体デバイスの温度レベルをモニタリングする工程と、
    前記温度レベルが、前記半導体デバイスが最大性能レベルにおいて動作することを可能にする所定の最小動作温度レベルを下回っている間に、
    前記半導体デバイスを前記リセット状態のままにする工程、および
    前記半導体デバイスに対して熱を生成するために、前記半導体デバイスに対する少なくとも1つの動作パラメータを上昇レベルにおいてアサートする工程と、
    前記温度レベルが少なくとも前記所定の最小動作温度レベルにあるときに前記リセット状態を解放する工程と、
    を備える方法。
  2. 前記半導体デバイスに対する少なくとも1つの動作パラメータを上昇レベルにおいてアサートする前記工程は、上昇周波数レベルにおいてクロック信号をアサートする工程を備える、請求項1に記載の方法。
  3. 前記クロック信号は、前記温度レベルが前記所定の最小動作温度レベルを下回っており、前記クロック信号が前記上昇周波数レベルにある間は前記最大性能レベルにおいて動作することが不可能である前記半導体デバイスの高周波ブロックに提供される、請求項2に記載の方法。
  4. 前記半導体デバイスに対する少なくとも1つの動作パラメータを上昇レベルにおいてアサートする前記工程は、前記半導体デバイスの周波数生成器の最大周波数レベルにおいてクロック信号をアサートする工程を備える、請求項1に記載の方法。
  5. 前記半導体デバイスに対する少なくとも1つの動作パラメータを上昇レベルにおいてアサートする前記工程は、複数のクロック信号の各々を上昇周波数レベルにおいてアサートする工程を備え、前記複数のクロック信号の各々は、前記半導体デバイスの複数の高周波ブロックのうちの対応するものに提供され、
    前記半導体デバイスの温度レベルをモニタリングする前記工程は、前記複数の高周波ブロックの各々の温度レベルをモニタリングする工程を備え、
    前記リセット状態を解放する前記工程は、前記複数の高周波ブロックの各々の前記温度レベルが、複数の所定の最小動作温度レベルのうちの対応するものに達するときに前記リセット状態を解放する工程を備える、
    請求項1に記載の方法。
  6. 前記半導体デバイスに対する少なくとも1つの動作パラメータを上昇レベルにおいてアサートする前記工程は、前記半導体デバイスに提供される供給電圧に、所定の通常動作電圧レベルよりも大きくなるように命令する工程を備える、請求項1に記載の方法。
  7. 前記半導体デバイスに対する少なくとも1つの動作パラメータを上昇レベルにおいてアサートする前記工程は、前記半導体デバイスに提供される供給電圧に、前記半導体デバイスが許容可能な最大電圧レベルにおいてアサートされるように命令する工程を備える、請求項1に記載の方法。
  8. 前記半導体デバイスに対する少なくとも1つの動作パラメータを上昇レベルにおいてアサートする前記工程は、クロック信号を上昇周波数レベルにおいてアサートする工程と、前記半導体デバイスに提供される供給電圧に、所定の通常動作電圧レベルよりも大きくなるように命令する工程とを備える、請求項1に記載の方法。
  9. 温度レベルをモニタリングする前記工程は、前記半導体デバイス上の複数のロケーションにおいて複数の温度を測定する工程を備え、前記リセット状態を解放する前記工程は、前記複数の温度のうちの最小のものが少なくとも前記所定の最小動作温度レベルであるときに前記リセット状態を解放する工程を備える、請求項1に記載の方法。
  10. 温度レベルをモニタリングする前記工程は、前記半導体デバイスの対応する複数のロケーションにおいて複数の温度レベルを測定する工程を備え、前記半導体デバイスの前記複数のロケーションの各々は、複数の最小動作温度レベルのうちの対応するものを有し、前記リセット状態を解放する前記工程は、前記複数のロケーションの各々の温度レベルが前記複数の最小動作温度レベルのうちの対応するものに達したときに前記リセット状態を解放する工程を備える、請求項1に記載の方法。
  11. 前記半導体デバイスが前記リセット状態にある間に外部冷却系をオフにするように命令する工程をさらに備える、請求項1に記載の方法。
  12. 半導体デバイスであって、
    前記半導体デバイスの温度をモニタリングし、それを示す温度値を提供する温度モニタと、
    前記温度が所定の最小動作温度レベルを下回ることを前記温度値が示すときに、外部リセット信号がアサート停止されることに応答して、前記半導体デバイスの少なくとも1つの動作パラメータに、内部リセット状態を維持しながら前記半導体デバイスに対する熱を生成するために上昇レベルにおいて動作するように命令する順序論理と、
    を備え、
    前記順序論理は、前記温度が少なくとも前記所定の最小動作温度レベルであることを前記温度値が示すときに、前記半導体デバイスが最大性能レベルにおいて動作することを可能にするために、前記リセット状態を解放する、
    半導体デバイス。
  13. クロック信号をアサートする周波数制御ブロックをさらに備え、
    前記順序論理は、前記温度が所定の最小動作温度レベルを下回ることを前記温度値が示している間に、前記周波数制御ブロックに、前記外部リセット信号がアサート停止されることに応答して、上昇周波数レベルにおいて前記クロック信号をアサートするように命令する、
    請求項12に記載の半導体デバイス。
  14. 前記クロック信号は、前記温度が前記所定の最小動作温度レベルを下回っており、前記クロック信号が前記上昇周波数レベルにある間に前記最大性能レベルにおいて動作することが不可能である前記半導体デバイスの高周波ブロックに提供される、請求項13に記載の半導体デバイス。
  15. クロック信号をアサートする周波数制御ブロックと、
    前記クロック信号を受信している間に抵抗加熱を生成する少なくとも1つのクロックツリーを組み込んでいる高周波ブロックと、
    をさらに備え、
    前記順序論理は、前記温度が所定の最小動作温度レベルを下回ることを前記温度値が示している間に、前記周波数制御ブロックに、前記外部リセット信号がアサート停止されることに応答して、上昇周波数レベルにおいて前記クロック信号をアサートするように命令する、
    請求項12に記載の半導体デバイス。
  16. 複数のクロック信号をアサートする少なくとも1つの周波数制御ブロックと、
    各々が前記複数のクロック信号のうちの対応するものを受信する複数の高周波ブロックと、
    をさらに備え、
    前記温度モニタは、前記複数の高周波ブロックの各々の温度レベルをモニタリングし、
    前記順序論理は、前記少なくとも1つの周波数制御ブロックに、前記複数のクロック信号の各々を少なくとも1つの上昇周波数レベルにアサートするように命令し、前記順序論理は、前記複数の高周波ブロックの各々の温度レベルが複数の最小動作温度レベルのうちの対応するものに達したときに、前記リセット状態を解放する、
    請求項12に記載の半導体デバイス。
  17. 前記複数の最小動作温度レベルのうちの少なくとも2つは異なる、請求項16に記載の半導体デバイス。
  18. 供給電圧要求信号をアサートする電圧制御ブロックをさらに備え、
    前記順序論理は、前記電圧制御ブロックに、前記半導体デバイスに提供される供給電圧が上昇電圧レベルにあるよう要求するように命令する、
    請求項12に記載の半導体デバイス。
  19. クロック信号をアサートする周波数制御ブロックをさらに備え、
    前記順序論理は、前記周波数制御ブロックに、前記クロック信号を上昇周波数レベルにおいてアサートするように命令する、
    請求項18に記載の半導体デバイス。
  20. 前記温度モニタは外部冷却系の動作を制御し、前記順序論理は、前記温度モニタに、前記温度が所定の最小動作温度レベルを下回ることを前記温度値が示している間に、前記外部冷却系をオフにするようにさらに命令する、請求項12に記載の半導体デバイス。
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