JP6002728B2 - 監視チップ温度に基づく供給電圧の動的調整 - Google Patents

Description

半導体チップの設計工程において、装置にとって最悪の場合の遅延は高温領域で起こるのが一般的である。近年の高度なプロセス技術（４０ｎｍ以下）に伴い、温度逆転現象が確認されている。この現象は、装置性能が低温（cold temperature）で悪化する現象である。

トランジスタ性能は、供給電圧と高い相関関係にある。すなわち、高い電圧は高い性能を意味する。チップ消費電力は、２つの成分、ダイナミック電力およびリーク電力から成る。ダイナミック電力は、供給電圧の２乗と共に増加し、温度の影響を受けない。リーク電力も供給電圧と共に増加するが、温度と共に急増する。

本開示の手法によって温度逆転の問題が対処され、これは、低温領域におけるチップへの供給電圧を増加することに基づく。従って、例示的実施形態により、低温でのトランジスタ性能を向上することができる。

一実施形態において、方法は、半導体チップの温度を監視することと、監視温度に基づいて、半導体チップに対する供給電圧を調整することとを含む。温度は、チップ上またはチップの外に位置する温度センサによって監視されてもよい。供給電圧を調整することは、低下する監視温度に応じて供給電圧を増加することを含む。供給電圧への増加は、監視温度が閾値温度未満である場合に限り生じてもよい。供給電圧調整は、負の傾きを有する温度との直線関係によって決定される。

別の実施形態において、装置は、半導体チップの温度を監視する温度センサと、監視温度に基づいて、半導体チップに対する供給電圧を調整するように構成されるコントローラとを含む。いくつかの実施形態において、温度センサおよびコントローラは、半導体チップ上に位置している。他の実施形態において、温度センサおよびコントローラは、半導体チップの外に位置している。

コントローラは、制御信号を電圧レギュレータモジュール（ＶＲＭ）に送信して、ＶＲＭに供給電圧を調整させるように構成されてもよい。コントローラは、低下する監視温度に応じて供給電圧を増加することによって、供給電圧を調整してもよい。コントローラは、監視温度が閾値温度未満である場合に限り、供給電圧を増加してもよい。

いくつかの実施形態において、装置は、チップ上のジャンクション温度を監視する温度センサに連結されるオンチップ熱ダイオードを含んでいてもよい。

コントローラは、温度に対して負の傾きを有する直線関係によって決定されるように、供給電圧を調整するように構成されてもよい。

上述は、同様の参照記号が異なる図を通して同じ部分を言及している添付図面に示すように、本発明の実施例の以下のより詳細な説明から明らかとなるであろう。図面は、本発明の実施形態を示すことに関して、必ずしも縮尺、強調するものではなく、むしろ配置されたものである。

供給電圧調整回路の第１の例示的実施形態のブロック図である。 供給電圧調整回路例に対する供給電圧と温度との関係を示す折れ線グラフである。 供給電圧調整回路の第２の例示的実施形態のブロック図である。 供給電圧調整回路の第３の例示的実施形態のブロック図である。

本発明の実施例の説明は、以下の通りである。

本発明の実施形態は、制御ブロックを供給するオンチップ温度センサに関する。代数方程式に基づく制御ブロックは、外部電圧レギュレータモジュール（ＶＲＭ）に、チップ供給電圧を増加または低下させるように指示できる。チップが比較的低温にある場合、トランジスタ性能に関する低温の影響を補うように、高い供給電圧がＶＲＭによって提供され、その結果、チップ性能は、温度全体にわたってより一定に維持できる。これが動的であるという事実は、重要である。チップ電圧は常に増加されるわけではない。その理由は、チップが高温の場合、チップが多くの電力を消費し、増加した供給電圧がチップの電力規格値を超える可能性があるからである。チップが低温の場合に供給電圧を増加させることは可能である。その理由は、リークによって低減される電力が、高い供給電圧によって増加する電力に対する調整（トレードオフ）となるからである。従って、チップの全体の電力包絡線は、低温においては電力を極めて低減させるリークのために、増加されない。また、消費電力に対する主な懸念は、チップを冷温（cool）に維持することであるため、低温時に前述の電力包絡線を超えることを許容してもよい。この許容はチップが低温の場合は問題とはならない。

供給電圧を増加することは、システムクロック周波数を増加させる必要が無いことに留意されたい。本手法無しでは、クロックの特徴を調べるために、チップは最低温度において試験される必要がある。本手法を用いれば、最悪の場合の温度が閾値温度である可能性がある。

図１は、供給電圧調整回路の第１の実施例のブロック図である。調整回路は、熱ダイオード１０４、温度センサ１０６、コントローラ１０８、および電圧レギュレータモジュール（ＶＲＭ）１１０を含む。熱ダイオード１０４、温度センサ１０６、およびコントローラ１０８は、半導体チップ１０２に埋め込まれている。ＶＲＭ１１０は、チップ１０２の外部にある。

熱ダイオード１０４は、チップ上のジャンクション温度の表示を提供し、温度センサ１０６の入力１１２Ａ、１１２Ｂに連結されている。温度センサ１０６は、熱ダイオード１０４によって提供されるジャンクション温度を監視するように構成されている。温度センサ１０６の出力は、符号付き８ビット信号１１４である。この８ビット信号１１４は、−１２８℃から＋１２７℃まで１度刻みで増加する読取温度に充てられる。温度センサ出力１１４は、温度取得が行われる度、例えば、ミリ秒ごとのオーダーで変化する。

温度センサ出力１１４は、コントローラ１０８に対する入力として提供される。コントローラ１０８は、ＶＲＭ１１０から出力される供給電圧（Ｖｄｄ）１１８を制御するように構成される。特に、コントローラ１０８は、コントローラ１０８に提供される監視した温度信号１１４に基づいて、ＶＲＭ１１０に供給電圧Ｖｄｄを動的に増加または減少させるように指示する。コントローラ１０８は、ＶＲＭ１１０に、監視温度が閾値温度未満である場合に、温度を下げながら、供給電圧Ｖｄｄを増加するように接続１１６を介して指示する。例示の関係は、以下の通りである。

Ｖｄｄ＝Ｎｏｍｉｎａｌ＿Ｖｄｄ＋ＭＩＮＩＭＵＭ（０，温度−閾値）×傾き（式１）
Ｎｏｍｉｎａｌ＿Ｖｄｄ、閾値、および傾きは、コントロール／ステータスレジスタ（ＣＳＲ）に書き込むことによって、または、１つ以上のワンタイムプログラマブル（ＯＴＰ）ヒューズを溶断することによって制御される、プログラム可能な値であってもよい。２８ｎｍプロセスに対する値は、例えば、以下の通りであってもよい。
Ｎｏｍｉｎａｌ＿Ｖｄｄ＝９００ｍＶ
閾値＝５０℃
傾き＝−１ｍＶ／℃

（式１）は線形関数を含むが、非線形関数を使用して、温度を下げながら供給電圧を増加させることができることは、当業者にとって理解されるべきである。

一実施形態において、コントローラ１０８とＶＲＭ１１０との間の接続１１６は、オープンスタンダード電源管理プロトコルである電源管理バス（ＰＭＢｕｓ）を使用している。他の実施形態において、接続は、シリアルＶＩＤインターフェース（ＳＶＩＤ）仕様または他の適切なプロトコルを用いて提供されてもよい。ＶＲＭ１１０は、例えば、Ｉｎｔｅｒｓｉｌ品番ＩＳＬ６３６７または他の類似装置であってもよい。

図２は、（式１）に基づいて制御され、上記で指摘した値の例を与える供給電圧調整回路例に対する供給電圧と温度との関係を示す折れ線グラフである。図示するように、供給電圧Ｖｄｄは、０℃の時に５０ｍＶ、−４０℃の時に９０ｍＶに増加する。供給電圧を公称値９００ｍＶに維持する平坦つまり一定領域が、５０℃の閾値を超える温度に対して発生する。閾値未満では、グラフは、負の傾きを持つ直線となる。

図３は、供給電圧調整回路の第２の例示的実施形態のブロック図である。調整回路は、熱ダイオード３０４、温度センサ３０６、コントローラ３０８、および電圧レギュレータモジュール（ＶＲＭ）３１０を含む。熱ダイオード３０４は、半導体チップ３０２に埋め込まれている。温度センサ３０６、コントローラ３０８、およびＶＲＭ３１０は、チップ３０２の外部にある。熱ダイオード３０４は、チップ上のジャンクション温度の表示を提供し、温度センサ３０６の入力３１２Ａ、３１２Ｂに連結されている。温度センサ３０６は、熱ダイオード３０４によって提供されるジャンクション温度を監視するように構成されている。外部の温度センサは、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社、Ｍａｘｉｍ社、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ社、および、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社を含む、多くの供給元から入手可能である。例えば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＴＭＰ４２１温度センサが適している。ＶＲＭ３１０は、Ｉｎｔｅｒｓｉｌ品番ＩＳＬ６３６７または他の類似装置であってもよい。

温度センサ３０６の出力は、符号付き８ビット信号３１４である。この８ビット信号３１４は、−１２８℃から＋１２７℃まで１度刻みで増加する読取温度に充てられる。温度センサ出力３１４は、温度取得が行われる度、例えば、ミリ秒ごとのオーダーで変化する。

温度センサ出力３１４は、コントローラ３０８に対する入力として提供される。コントローラ３０８は、ＶＲＭ３１０から出力される供給電圧（Ｖｄｄ）３１８を制御するように構成される。特に、コントローラ３０８は、接続３１６上のＶＲＭ３１０に、コントローラ３０８に提供される監視した温度信号３１４に基づいて供給電圧Ｖｄｄを動的に増加または減少させるように指示する。コントローラ３０８は、ＶＲＭ３１０に、監視温度が（式１）の関係に基づいて閾値温度未満である場合に、温度を下げながら、供給電圧Ｖｄｄを増加するように指示する。

図４は、供給電圧調整回路の第３の例示的実施形態のブロック図である。調整回路は、熱ダイオード４０４、温度センサ４０６、コントローラ４０８、および電圧レギュレータモジュール（ＶＲＭ）４１０を含む。熱ダイオード４０４およびコントローラ４０８は、半導体チップ４０２に埋め込まれている。温度センサ４０６およびＶＲＭ４１０は、チップ４０２の外部にある。熱ダイオード４０４は、チップ上のジャンクション温度の表示を提供し、温度センサ４０６の入力４１２Ａ、４１２Ｂに連結されている。温度センサ４０６は、熱ダイオード４０４によって提供されるジャンクション温度を監視するように構成されている。図３に対して上記で説明した実施形態と同様に、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社ＴＭＰ４２１温度センサおよびＩｎｔｅｒｓｉｌ品番ＩＳＬ６３６７が、それぞれ、温度センサ４０６およびＶＲＭ４１０に対して適した装置である。

温度センサ４０６の出力は、−１２８℃から＋１２７℃まで１度刻みで増加する読取温度に充てられる符号付き８ビット信号４１４である。温度センサ出力４１４は、温度取得が行われる度、例えば、ミリ秒ごとのオーダーで変化する。

温度センサ出力４１４は、チップ４０２上の２線式シリアルインターフェース（ＴＷＳＩ）によって、コントローラ４０８に対する入力として提供される。コントローラ４０８は、接続４１６（例えば、ＰＭＢｕｓまたはＳＶＩＤ）上のＶＲＭ４１０に、コントローラ４０８に提供される監視した温度信号４１４に基づいて供給電圧Ｖｄｄを動的に増加または減少させるように指示することによって、ＶＲＭ４１０から出力される供給電圧（Ｖｄｄ）４１８を制御するように構成されている。コントローラ４０８は、ＶＲＭ４１０に、監視温度が（式１）の関係に基づいて閾値温度未満である場合に、温度を下げながら、供給電圧Ｖｄｄを増加するように指示する。

本発明を、その実施例に関して特に示し、説明してきたが、形態および詳細における種々の変更を、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の適用範囲から逸脱することなく行ってもよいことは、当該技術に精通する者によって理解されよう。
なお、本発明は、実施の態様として以下の内容を含む。
〔態様１〕
半導体チップの温度を監視することと、
監視された前記温度である監視温度に基づいて、前記半導体チップに対する供給電圧を調整することと、
を含む、方法。
〔態様２〕
前記温度は、オンチップ温度センサによって監視される、態様１に記載の方法。
〔態様３〕
前記温度は、オフチップ温度センサによって監視される、態様１に記載の方法。
〔態様４〕
前記供給電圧を調整することは、低下する前記監視温度に応じて前記供給電圧を増加することを含む、態様１に記載の方法。
〔態様５〕
前記供給電圧を増加することは、前記監視温度が閾値温度未満である場合に限り生じる、態様４に記載の方法。
〔態様６〕
前記供給電圧を調整することは、温度に対して負の傾きを有する直線関係によって決定される、態様１に記載の方法。
〔態様７〕
半導体チップの温度を監視する温度センサと、
監視された前記温度である監視温度に基づいて、前記半導体チップに対する供給電圧を調整するように構成されたコントローラと、
を備える、装置。
〔態様８〕
前記温度センサおよび前記コントローラは、前記半導体チップ上に位置する、態様７に記載の装置。
〔態様９〕
前記温度センサおよび前記コントローラは、前記半導体チップの外に位置する、態様７に記載の装置。
〔態様１０〕
前記コントローラは、制御信号を電圧レギュレータモジュール（ＶＲＭ）に送信して、前記ＶＲＭに前記供給電圧を調整させるように構成されている、態様７に記載の装置。
〔態様１１〕
前記コントローラは、低下する前記監視温度に応じて前記供給電圧を増加することによって、前記供給電圧を調整するように構成されている、態様７に記載の装置。
〔態様１２〕
前記コントローラは、前記監視温度が閾値温度未満である場合に限り、前記供給電圧を増加するように構成されている、態様１１に記載の装置。
〔態様１３〕
前記チップ上のジャンクション温度を監視する前記温度センサに連結されるオンチップ熱ダイオードを更に備える、態様７に記載の装置。
〔態様１４〕
前記コントローラは、温度に対して負の傾きを有する直線関係によって決定されるように、前記供給電圧を調整するように構成されている、態様７に記載の装置。
〔態様１５〕
半導体チップの温度を監視する手段と、
監視された前記温度である監視温度に基づいて、前記半導体チップに対する供給電圧を調整する手段と、
を備える、装置。
〔態様１６〕
前記温度を監視する手段は、オンチップ温度センサである、態様１５に記載の装置。
〔態様１７〕
前記温度を監視する手段は、オフチップ温度センサである、態様１５に記載の装置。
〔態様１８〕
前記調整手段は、低下する前記監視温度に応じて前記供給電圧を増加する手段を含む、態様１５に記載の装置。
〔態様１９〕
前記供給電圧を増加する手段は、前記監視温度が閾値温度未満である場合に限り、増加するように動作する、態様１８に記載の装置。
〔態様２０〕
前記供給電圧を調整する手段は、温度に対して負の傾きを有する直線関係に基づいて動作する、態様１５に記載の装置。

１０２、３０２、４０２ 半導体チップ
１０４、３０４、４０４ 熱ダイオード
１０６、３０６、４０６ 温度センサ
１０８、３０８、４０８ コントローラ
１１０、３１０、４１０ 電圧レギュレータモジュール（ＶＲＭ）
１１２Ａ、１１２Ｂ、３１２Ａ、３１２Ｂ、４１２Ａ、４１２Ｂ 入力
１１４、３１４、４１４ 符号付き８ビット信号
１１６、３１６、４１６ 接続
１１８、３１８、４１８ 供給電圧（Ｖｄｄ）

Claims (14)

1. ４０ｎｍ以下のフィーチャサイズを有する半導体チップの温度を監視することと、
   監視された前記温度である監視温度であって、低下する監視温度の連続関数として前記半導体チップに対する供給電圧を増加することによって、前記供給電圧を調整することとを含み、
   前記供給電圧を調整することは、前記監視温度が閾値温度未満である場合に限り生じる、方法。
2. 前記温度は、オンチップ温度センサによって監視される、請求項１に記載の方法。
3. 前記温度は、オフチップ温度センサによって監視される、請求項１に記載の方法。
4. 前記供給電圧を調整することは、温度に対して負の傾きを有する直線関係によって決定される、請求項１に記載の方法。
5. ４０ｎｍ以下のフィーチャサイズを有する半導体チップの温度を監視する温度センサと、
   監視された前記温度である監視温度であって、低下する監視温度の連続関数として前記半導体チップに対する供給電圧を増加することによって、前記供給電圧を調整するように構成されたコントローラであって、前記監視温度が閾値温度未満である場合に限り、前記供給電圧を増加するように構成されているコントローラと、
   を備える、装置。
6. 前記温度センサおよび前記コントローラは、前記半導体チップ上に位置する、請求項５に記載の装置。
7. 前記温度センサおよび前記コントローラは、前記半導体チップの外に位置する、請求項５に記載の装置。
8. 前記コントローラは、制御信号を電圧レギュレータモジュール（ＶＲＭ）に送信して、前記ＶＲＭに前記供給電圧を調整させるように構成されている、請求項５に記載の装置。
9. 前記チップ上のジャンクション温度を監視する前記温度センサに連結されるオンチップ熱ダイオードを更に備える、請求項５に記載の装置。
10. 前記コントローラは、温度に対して負の傾きを有する直線関係によって決定されるように、前記供給電圧を調整するように構成されている、請求項５に記載の装置。
11. ４０ｎｍ以下のフィーチャサイズを有する半導体チップの温度を監視する手段と、
    監視された前記温度である監視温度であって、低下する監視温度の連続関数として前記半導体チップに対する供給電圧を増加する手段を含む、前記供給電圧を調整する手段であって、前記供給電圧を増加する手段は、前記監視温度が閾値温度未満である場合に限り、調整するように動作する、手段と、
    を備える、装置。
12. 前記温度を監視する手段は、オンチップ温度センサである、請求項１１に記載の装置。
13. 前記温度を監視する手段は、オフチップ温度センサである、請求項１１に記載の装置。
14. 前記供給電圧を調整する手段は、温度に対して負の傾きを有する直線関係に基づいて動作する、請求項１１に記載の装置。

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