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

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ＣＶ^２Ｆ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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