KR20130109788A - 디바이스의 온도 예측 방법 - Google Patents

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KR20130109788A
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Abstract

디바이스의 온도 예측 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 디바이스의 온도 예측 방법은, 반도체 칩을 포함하는 디바이스에 상응하는 온도 예측 회로를 제공하는 단계; 상기 온도 예측 회로에 대한 전류-전압 상관관계를 구축하는 단계; 및 상기 온도 예측 회로의 전류-전압 상관관계를 이용하여 상기 디바이스에 인가되는 전력에 대한 온도를 예측하는 단계;를 포함한다.

Description

디바이스의 온도 예측 방법{Method for predicting temperature in device}
본 발명은 기술적 사상은 디바이스 온도 예측 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 디바이스의 성능을 높이도록 디바이스의 온도를 예측하는 방법에 관한 것이다.
전자 제품은 그 부피가 점점 작아지면서도 고용량의 데이터 처리를 요하고 있다. 이에 따라, 이러한 전자 제품에 사용되는 반도체 장치의 집적도를 증가시킬 필요가 커지고 있으나, 집적도의 증가는 한계에 다다르고 있다. 이에 따라 반도체 칩이 포함된 반도체 패키지가 고용량의 데이터 처리를 가능하도록 하기 위하여 여러 가지 방법들이 제안되고 있다. 고용량의 데이터 처리가 가능하도록 하기 위한 방법으로 반도체 칩에 높은 전력을 인가할 수 있으나, 고전력 인가에 따라 반도체 칩의 온도가 상승하여 반도체 칩의 성능이 저하되거나 동작 불량 등이 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 디바이스의 동작 효율을 높이도록 디바이스의 온도 예측 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 예측 방법이 제공된다. 상기 온도 예측 방법은, 반도체 칩을 포함하는 디바이스에 상응하는 온도 예측 회로를 제공하는 단계; 상기 온도 예측 회로에 대한 전류-전압 상관관계를 구축하는 단계; 및 상기 온도 예측 회로의 전류-전압 상관관계를 이용하여 상기 디바이스에 인가되는 전력에 대한 온도를 예측하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 온도 예측 회로는, 상기 디바이스에 인가되는 전력과 상기 온도 예측 회로에 인가되는 전류 간에 서로 선형관계를 가지며, 상기 디바이스의 온도와 상기 온도 예측 회로에서 측정된 전압 간에 서로 선형 관계를 갖도록, 상기 저항의 크기 및/또는 상기 캐패시터의 용량을 결정할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 온도 예측 회로는, 상기 디바이스 내부 또는 외부에 제공되며, 상기 디바이스와 함께 기판에 실장될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 온도 예측 회로는, 포스터 타입(foster type)의 RC 네트워크 회로이거나, 또는 코어 타입(cauer type)의 RC 네트워크 회로일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 디바이스에 인가되는 전력에 대한 온도를 예측하는 단계는, 임의의 동작에 따라 상기 디바이스에 인가되는 전력 데이터를 수집하는 단계; 상기 수집된 전력 데이터에 상응하는 전류 데이터를, 상기 온도 예측 회로에 인가하여 전압의 크기를 측정하는 단계; 및 상기 온도 예측 회로에서 측정된 전압의 크기를 상기 디바이스에 상응하는 온도로 변환하여 상기 디바이스의 온도를 예측하는 단계;를 포함할 수 있다
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 디바이스에 인가되는 전력에 대한 온도를 예측하는 단계 후에, 상기 예측된 온도를 토대로 상기 디바이스에 인가되는 전력을 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 디바이스에 인가되는 전력을 조절하는 단계는, 상기 예측된 온도가 임계 온도를 초과하지 않으면서, 상기 디바이스에 인가된 전력량이 최대가 되도록 전력을 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 예측 방법이 제공된다. 상기 온도 예측 방법은, 반도체 칩을 포함하는 디바이스에 전력을 인가하여 시간-온도에 대한 단위 계단 응답(unit step response)을 측정하는 단계; 상기 디바이스에 대한 시간-온도의 임펄스 응답을 계산하는 단계; 상기 디바이스의 동작에 따라 인가되는 시간-전력 데이터를 1회 수집하는 단계; 및 상기 수집된 시간-전력 데이터와 상기 시간-온도의 임펄스 응답(impulse response)을 컨볼루션(convolution) 적분하여, 상기 디바이스의 동작에 따른 온도를 예측하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 디바이스 동작에 따른 온도를 예측하는 단계는, 전력이 인가되기 전 상기 디바이스의 초기 온도를 측정하고, 상기 측정된 디바이스의 초기 온도와 상기 컨볼루션 적분에 의한 온도를 합산하여 상기 디바이스 동작에 따른 온도를 예측할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 디바이스의 동작에 따른 온도를 예측하는 단계 이후에, 상기 예측된 온도를 토대로 상기 디바이스에 인가되는 전력량이 최대가 되고, 상기 디바이스의 동작 온도가 임계 온도를 초과하지 않도록 상기 디바이스에 인가되는 전력을 조절하는 단계; 및 상기 조절된 전력을 상기 디바이스에 인가하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 온도 예측 방법에 따르면, 디바이스의 온도를 미리 예측하여 디바이스의 전력을 효율적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 온도 예측 방법에 따르면, 신속한 온도 예측을 통하여 효율적으로 전력을 관리할 수 있으며, 디바이스의 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 반도체 칩을 포함하는 디바이스의 온도 예측 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 도 1을 참조하여 인가 전력에 따라 예측된 디바이스의 온도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 디바이스에 인가되는 전력의 크기를 조절하고, 이에 따라 예측된 온도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 예측 회로가 실장된 기판을 개력적으로 도시하는 평면도이다.
도 5는 도 4의 I-I 선을 따라 절단하였을 때의 반도체 패키지를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 도 5의 반도체 패키지에 대한 모사 회로(mimic circuit) 즉, 온도 예측 회로를 개략적으로 나타내는 회로도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 칩을 포함하는 디바이스에 인가되는 전력을 결정하기 위한 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 CPU가 특정 동작을 수행하는 경우 1회 수집된 시간-전력 데이터를 도 8의 S12 단계에서 계산된 임펄스 응답과 컨볼루션 적분하여 예측된 CPU의 온도차(temperature difference)를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 디바이스가 응용될 수 있는 전자 장치를 보여주는 사시도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 개념의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명 개념의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명 개념의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 반대로 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함한다” 또는 “갖는다” 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 칩을 포함하는 디바이스의 온도를 예측하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 칩을 포함하는 디바이스의 온도를 예측하는 방법은, 적어도 하나 이상의 반도체 칩을 포함하는 디바이스에 상응하는 모사 회로(mimic circuit) 즉, 온도 예측 회로를 제공하는 단계(S1), 상기 온도 예측 회로에 대한 전류-전압의 상관 관계를 구축하는 단계(S2), 및 상기 온도 예측 회로의 전류-전압에 대한 상관 관계를 이용하여 상기 디바이스의 인가 전력에 대한 온도를 예측하는 단계(S3)를 포함한다.
상기 디바이스에 포함된 한 개 이상의 반도체 칩은 내부에 집적 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 집적 회로는 메모리 회로 또는 로직 회로일 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체 칩들 중의 일부는 메모리 칩이고, 나머지 반도체 칩은 비메모리 칩일 수 있다. 선택적으로, 상기 반도체 칩들은 모두 비메모리 칩일 수 있다.
상기 디바이스는 임의의 동작에 따른 온도를 예측하기 위한 대상물로서, 상기 디바이스는 예를 들어, 스마트 폰 일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 특정한 동작을 수행하기 위한 반도체 칩을 포함하는 모든 디바이스에 대하여 온도를 예측할 수 있다.
상기 스마트폰은 비메모리 칩을 포함할 수 있으며, 상기 비메모리 칩은 예를 들어, 중앙처리장치(central processing unit, 이하 'CPU'라고 함)일 수 있다. 상기 스마트 폰을 동작시켜 특정 어플리케이션을 실행하는 경우, 상기 CPU는 일련의 작업 순서에 따라 입출력 연산을 제어할 수 있다.
상기 입출력 연산을 제어하는 일련의 과정에서 상기 CPU에는 소정의 전력이 인가되며, 상기 인가된 전력의 크기에 따라 상기 CPU의 온도는 변화된다. 상기 CPU에 전력이 인가되어 허용 가능한 최대 온도, 즉 임계 온도에 도달하는 경우, 상기 인가된 전력의 크기는 급속히 감소되어야 하며, 상기 전력의 급속한 감소는 상기 CPU의 성능을 떨어뜨리는 원인이 될 수 있으며, 스마트폰의 동작을 지연시킬 수 있다.
따라서, 상기 어플리케이션 동작시 일련의 작업 순서에 따라 인가되는 전력에 따라 변화되는 CPU의 온도를 미리 신속하게 예측할 수 있다면, 전술한 전력의 급격한 감소로 인한 CPU의 성능 저하를 방지할 수 있는 동시에, 상기 CPU의 동작 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 디바이스에 상응하는 모사 회로(mimic circuit) 즉, 온도 예측 회로는 상기 디바이스에 직접 전력을 인가하지 않고, 상기 온도 예측 회로에 전류를 인가하여 특정 노드에 대한 전압의 크기를 측정하여, 상기 디바이스의 온도를 예측할 수 있다.
상기 온도 예측 회로는 적어도 한 개 이상의 저항 및/또는 캐패시터를 포함할 수 있으며, 복수의 노드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 디바이스의 CPU가 듀얼 코어(dual core)인 경우, 각각의 CPU에 대한 온도를 예측할 수 있도록 온도 예측 회로는 두개 이상의 노드를 포함할 수 있으며, 각각의 노드를 통하여 측정된 전압을 통하여 CPU의 온도를 개별적으로 예측할 수 있다.
상기 온도 예측 회로는 국제반도체표준협의기구(Joint Electron Device Engineering Council)의 규격(JEDEC STANDARD NO. 51-14)에 따라 설계되어 제공될 수 있다(S1). 상기 온도 예측 회로는 상기 디바이스에 상응되는 회로로서, 상기 온도 예측 회로에 임의의 전류를 인가하여 전류-전압의 상관 관계를 구축할 수 있다(S2). 즉, 상기 디바이스에 직접 전력을 인가하여 상기 디바이스의 온도를 측정하는 대신에, 상기 온도 예측 회로와 같은 모사 회로(mimic circuit)를 이용함으로써, 상기 디바이스에 직접 전력을 인가하지 않더라도, 상기 디바이스에 대한 온도를 신속하게 예측할 수 있다.
구체적으로, 상기 디바이스에 인가되는 전력은 상기 온도 예측 회로에 인가된 전류에 대응되며, 상기 디바이스에서 측정된 온도는 상기 온도 예측 회로에서 측정된 전압에 대응되며, 상기 디바이스의 열 저항은 상기 온도 예측 회로의 전기 저항에 대응될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 상기 온도 예측 회로에 인가되는 전류와 상기 온도 예측 회로에서 측정된 전압은 서로 바꾸어서 사용될 수도 있다. 즉, 상기 디바이스에 인가되는 전력은 상기 온도 예측 회로의 전압과 대응되고, 상기 디바이스에서 측정된 온도는 상기 온도 예측 회로의 전류와 대응되도록 사용될 수 있다.
상기 온도 예측 회로는 저항 및/또는 캐패시터로 구성된 모사 회로일 수 있으며, 상기 온도 예측 회로에 전류를 인가하여 특정한 지점에 대한 전압을 측정할 수 있다. 상기 온도 예측 회로에 인가되는 특정 전류값은 전술한 바와 같이 상기 디바이스에 인가되는 전력과 대응되는 것으로서, 상기 온도 예측 회로를 통하여 전류-전압의 상관관계를 구축할 수 있다(S2).
상기 온도 예측 회로로부터 구축된 전류-전압의 상관관계를 통하여, 상기 디바이스에 전력을 직접 인가하지 않고도, 상기 디바이스의 소정의 프로세스에 대한 온도를 예측할 수 있다(S3).
예를 들어, 상기 디바이스의 특정 어플리케이션 실행에 대한 일련의 프로세스에서 상기 디바이스의 CPU에 인가되는 시간에 따른 전력에 대한 데이터가 있는 경우, 상기 전력에 대하여 대응되는 전류를 상기 온도 예측 회로에 인가하여 전압을 측정할 수 있다. 그리고, 상기 측정된 전압을 상기 디바이스의 온도로 변환하여, 직접 상기 디바이스에 전력을 인가하지 않고도 상기 실행 과정에 따른 온도를 신속하게 예측할 수 있다.
또한, 상기 디바이스를 부팅하는 경우, CPU에 해당하는 온도 예측 회로의 해당 노드에, 상기 실행에서 인가되는 전력에 대응되는 전류를 상기 온도 예측 회로에 인가하여 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압을 온도로 변환하여, 상기 부팅에 따른 온도를 신속하게 예측할 수 있다.
또한, 임의의 데이터를 저장하는 경우, 메모리 반도체 칩에 해당하는 온도 예측 회로의 해당 노드에, 상기 저장에서 인가되는 전력에 대응되는 전류를 상기 온도 예측 회로에 인가하여 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압을 온도로 변화하여 상기 저장에 따른 온도를 신속하게 예측할 수 있다.
또한, 임의의 데이터를 소거하는 경우, 메모리 반도체 칩에 해당하는 온도 예측 회로의 해당 노드에, 상기 소거 과정에서 인가되는 전력에 대응되는 전류를 상기 온도 예측 회로에 인가하여 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압을 온도로 변화하여 상기 소거 동작에 따른 온도를 신속하게 예측할 수 있다.
위에서는 온도 예측 회로에서 특정 어플리케이션의 실행에 대해서는 비메모리칩에 해당하는 노드를, 임의의 데이터를 저장하거나 소거하는 동작에 대해서는 메모리 칩에 해당하는 노드에 대하여 온도를 예측하는 것을 예를 들어 설명하였다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 특정 어플리케이션을 실행하는 과정에서도 메모리 칩에 해당하는 지점에 대한 온도를 예측할 수 있다. 또한, 데이터를 저장/소거하는 과정에서도 비메모리 칩에 해당하는 지점에 대한 온도를 예측할 수 있다.
도 2는 도 1을 참조하여 인가된 전력에 따라 예측된 디바이스의 온도를 나타내며, 도 3은 상기 디바이스의 성능을 개선시키기 위하여 상기 디바이스에 인가되는 전력의 크기를 조절하고, 이에 따라 예측된 온도를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, t=2.2초까지 디바이스에 인가되는 전력의 값을 증가시키나, t=2.2초일 때, 디바이스의 최대 허용 온도 즉, 임계온도에 도달한다. 따라서 상기 디바이스에 인가되는 전력의 값은 3w에서 1w로 급감한다. 왜냐하면, 상기 디바이스의 온도가 임계 온도를 초과하는 경우, 상기 디바이스가 원활하게 동작하지 않거나, 동작 과정에서 에러가 발생할 수 있기 때문이다.
도 3을 참조하면, 도 2에서 예측된 온도를 기초로 하여, 디바이스에 인가되는 전력의 크기를 조절하는 경우, 변화된 디바이스의 온도를 나타낸다.
구체적으로 살펴보면, 상기 디바이스에 t=1초에서 t=2초까지 인가되는 전력의 크기를 2w에서 1.7w로 감소시키고, t=2초에서 t=2.5초까지 3w의 전력을 인가하도록 전력의 값을 조절하였다. 상기 디바이스에 t=1초에서 t=2초까지 인가되는 전력의 크기를 감소시켜, 온도 상승폭을 감소시키는 대신에, 상기 디바이스에 3w를 인가하는 시간을 도 2와 비교하여, 0.2초에서 0.5초로 증가시킬 수 있다.
따라서, 도 2의 온도 예측 결과를 기초로 하여, 임계 온도를 초과하지 않으면서 보다 더 큰 전력량을 상기 디바이스에 공급할 수 있다. 또한, 상기 디바이스에 최대 전력이 인가되는 시간을 연장할 수 있으므로, 상기 디바이스의 성능을 개선시켜 사용자에게 보다 더 쾌적한 작업 환경을 제공할 수 있다. 또한, 임계온도에 이르는 시점을 예측할 수 있으므로, 임계온도에 이른 후에도 급감한 전력 대신에 보다 큰 값의 전력, 예컨대 1.7w의 전력을 인가할 수 있으므로, 상기 디바이스를 보다 안정적이고 효율적으로 동작시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 예측 회로가 실장된 기판을 개력적으로 도시하는 평면도이고, 도 5는 도 4의 I-I 선을 따라 절단하였을 때의 반도체 패키지를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 기판(1) 상에 반도체 패키지(2) 및 온도 예측 회로(3)가 함께 실장될 수 있다.
반도체 패키지(2)는 기판(1) 상에 실장된 반도체 칩(22), 상기 반도체 칩(22)과 상기 기판(1)을 전기적으로 연결시키는 연결단자(23), 및 상기 반도체 칩(22)과 상기 기판(1)의 일부를 덮도록 형성된 몰딩부재(24)를 포함할 수 있다.
상기 반도체 칩(22)은 내부에 집적 회로를 포함할 수 있고, 상기 집적 회로는 메모리 회로 또는 로직 회로를 포함할 수 있다.
상기 온도 예측 회로(3)는 상기 반도체 패키지(2)에 대한 모사 회로(mimic circuit)이며, 상기 반도체 패키지(2)에 대하여 JEDEC STANDARD NO. 51-14에 따라 설계될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 온도 예측 회로(3)는 상기 반도체 패키지(2)와 함께 상기 기판(1) 상에 실장되는 것으로 도시되었다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 반도체 패키지(2) 내부에 상기 온도 예측 회로(3)가 실장될 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 4의 반도체 패키지(2)에 대한 모사 회로(mimic circuit) 즉, 온도 예측 회로(도 4의 3)를 개략적으로 나타내는 회로도들이다.
온도 예측 회로(도 4의 3)는 열적인 구조를 전기적인 회로로 등가(equivalent)시킨 네트워크 회로(network curciut)이다.
상기 온도 예측 회로의 유형으로서, 도 6은 포스터 타입(foster type)의 RC 네트워크 회로도이며, 도 7은 코어 타입(cauer type)의 RC 네트워크 회로도이다. 상기 회로도들은 국제반도체표준협의기구(Joint Electron Device Engineering Council)의 규격(JEDEC STANDARD NO. 51-14)에 따라 설계될 수 있다.
또한, 온도 예측 회로로서, 컴플리트 네트워크(complete network, Karthik Sankaranarayanan et al. "HotSpot: a Dynamic Compact Thermal Model at the Processor-Architecture Level)를 이용할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 회로도들에서 저항값(R1, R2,...,Rn) 및 캐패시터의 용량(C1, C2,...,Cn)은 반도체 패키지(도 4의 2 )에 인가되는 전력의 크기가 상기 RC 네트워크 회로에 인가되는 전류의 크기와 선형 관계를 이루며, 상기 RC 네트워크 회로에서 측정된 전압이 상기 반도체 패키지(도 4의 2)에서 예측된 온도와 서로 선형 관계를 이루도록 정해질 수 있다. 그러나, 상기 반도체 패키지(도 4의 2)에 인가되는 전력의 크기와 상기 RC 네트워크 회로에 인가되는 전류의 크기는 선형 관계로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 반도체 패키지(도 4의 2)에 인가되는 전력의 크기가 상기 RC 네트워크 회로에 인가되는 전류의 크기와 아래와 같은 관계를 갖는 경우,
I=k1*P + a (I는 RC 네트워크 회로에 인가되는 전류의 크기, k1, a는 상수, P는 반도체 패키지에 인가되는 전력의 크기)
상기 반도체 패키지(도 4의 2)에 인가되는 전력의 크기를 상기 RC 네트워크 회로에 인가되는 전류의 크기로 변형하여, 상기 RC 네트워크에 상기 전류값을 인가할 수 있다.
또한, 상기 RC 네트워크 회로에서 측정된 전압의 크기가 상기 반도체 패키지(도 4의 2)의 예측된 온도와 아래와 같은 관계를 갖는 경우,
T=k2*V + b (T는 반도체 패키지에서 예측되는 온도, k-2, b는 상수, V는 전류가 인가된 RC 네트워크 회로에서 측정된 전압)
상기 RC 네트워크 회로에서 측정된 전압을 상기 반도체 패키지(도 4의 2)의 온도로 변형하여, 상기 반도체 패키지(도 4의 2)의 온도를 예측할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 칩을 포함하는 디바이스의 온도를 예측하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 칩을 포함하는 디바이스의 온도를 예측하는 방법은, 반도체 칩을 포함하는 디바이스에 전력을 인가하여 시간-온도에 대한 단위 계단 응답(unit step response)을 측정하는 단계(S11), 상기 디바이스에 대한 시간-온도의 임펄스 응답을 계산하는 단계(S12), 상기 디바이스의 동작에 따라 인가되는 전력 데이터를 1회 수집하는 단계(S13) 및, 상기 수집된 전력 데이터와 임펄스 응답(impulse response)을 컨볼루션(convolution) 적분하여 상기 디바이스 동작에 따른 온도를 예측하는 단계(S14)를 포함한다.
또한, 상기 예측된 온도를 토대로 상기 디바이스에 인가되는 전력량이 최대가 되고, 상기 디바이스의 동작 온도가 임계 온도 이하가 되도록 상기 디바이스에 인가되는 전력을 조절하는 단계(S15) 및 상기 조절된 전력을 상기 디바이스에 인가하는 단계(S16)를 더 포함할 수 있다.
상기 디바이스의 시간-온도에 대한 단위 계단 응답(unit step response)을 측정(S11)하기 위하여, 상기 디바이스에 1W의 전력을 인가할 수 있다.
상기 인가된 1W의 전력에 대하여, 시간에 따라 점점 증가하는 온도 곡선 즉, 단위 계단 응답(unit step response)을 측정할 수 있다(S11).
상기 측정된 단위 계단 응답(unit step response)을 시간에 대하여 미분하여 임펄스 응답(impulse response)을 계산할 수 있다(S12).
예를 들어, 상기 디바이스가 CPU인 경우, 상기 CPU는 스마트폰이나 컴퓨터의 운영체계를 실행시키기 위한 구동(booting), 또는 특정 어플리케이션을 실행시키기 위한 동작을 수행할 수 있다. 그러나, 상기 동작이 이에 한정되는 것은 아니다. 이하, 상기 디바이스를 CPU를 예를 들어 설명하겠다.
구동(booting)이나 특정 어플리케이션을 실행시키는 과정에서, 상기 CPU에 전력이 인가되며, 상기 인가된 전력은 시간에 따라 서로 다른 값을 가질 수 있다. 상기 CPU에 인가되는 전력이 클수록 CPU의 연산 제어 능력은 향상되나, 상기 CPU의 온도가 임계 온도 이상으로 상승하는 경우, 상기 CPU의 동작이 원활하지 않거나 오류가 발생될 수 있다. 따라서, 상기 CPU의 성능과 임계 온도를 고려하여 상기 CPU에 전력을 인가할 필요가 있다.
이를 위하여, 상기 CPU의 동작에 따른 상기 CPU에 인가되는 전력에 대한 데이터를 1회 수집한다(S13). 상기 CPU의 동작은 특정 어플리케이션을 실행시키는 것을 예를 들어 설명한다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 특정 어플리케이션을 실행시키는 경우, 상기 수집된 CPU에 인가되는 시간-전력 그래프를 상기 임펄스 응답과 컨볼루션 적분함으로써, 시간에 따른 상기 CPU의 온도 차(temperature difference)를 측정할 수 있다.
전력이 인가되기 전의 상기 CPU의 초기 온도를 측정하고, 상기 측정된 CPU의 초기 온도와 상기 컨볼루션 적분을 통해 측정된 온도차(temperature difference)를 합산함으로써, 상기 인가 전력에 따른 CPU의 온도를 예측할 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이 상기 CPU에 인가되는 전력의 크기가 클수록, 상기 CPU의 동작 성능은 향상되나, CPU의 온도 또한 상승하게 되어 임계 온도를 초과하는 경우, CPU의 연산제어 능력이 저하되거나 또는 에러 등이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 CPU의 동작 온도가 임계 온도 이하가 되도록 유지하면서, 상기 CPU에 인가되는 전력량이 최대가 되도록, 상기 예측된 CPU의 온도를 토대로 상기 CPU에 인가되는 전력을 조절할 필요가 있다.
도 9는 CPU가 특정 어플리케이션을 동작시키는 경우, 1회 수집된 시간-전력 데이터(도 8 참조, S13 단계)를 도 8의 S12 단계에서 계산된 임펄스 응답과 컨볼루션 적분하여 예측된 CPU의 온도차(temperature difference)를 나타내는 그래프이다.
상기 CPU에 전력을 인가하기 이전에 측정된 CPU의 초기 온도가 30℃이고, 상기 CPU에 대한 임계온도가 130℃인 경우, t=70초에서 상기 CPU의 온도는 약 130℃로 예측된다. 또한, 상기 CPU의 온도가 임계온도를 초과하지 않도록 t=70초 이후에 상기 CPU에 인가되는 전력은 0W인 것을 알 수 있다.
상기 CPU에 인가되는 최대 전력은 10W이며, 상기 최대 전력을 인가하기 전에 t=30초 에서 t=60초까지 상기 CPU에는 1w의 전력이 인가된다. 또한, 상기 CPU에 최대 전력 10w가 인가되기 직전(t=60초)의 온도는 약 50℃에 해당한다.
따라서, 임계온도 130℃를 초과하지 않으면서 상기 CPU에 인가되는 전력량을 최대화하기 위한 방법 중에 하나로서 t=30초 에서 t=60초까지 상기 CPU에 인가되는 전력의 크기를 1w보다 작은 값이 되도록 조절할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 전력을 조절하는 구간은 어플리케이션의 종류, 실행 시간 등에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, t=30초 에서 t=60초까지 0.8w의 전력을 상기 CPU에 인가하는 경우, t=60초인 경우의 CPU 온도를 예측할 수 있고, 예측된 온도를 토대로 상기 CPU가 임계온도를 초과하지 않을 만큼의 시간 동안 최대 전력 10w를 상기 CPU에 인가할 수 있다. 따라서, 상기 CPU에 인가되는 전력량을 증가시키면서, 임계온도를 초과하지 않는 범위 내에서 최대 전력을 인가하는 시간을 증가시킬 수 있으므로, 상기 CPU의 성능 개선은 물론, 안정적인 동작 또한 기대할 수 있다.
위에서는 최대 전력을 인가하기 바로 전 지점에서 상기 CPU에 인가하는 전력의 크기를 감소시켜, 최대 전력을 인가하는 시간을 증가시켰다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 사용자는 원하는 시점에 대한 전력을 조절하여, 상기 조절된 전력을 도 9에 도시된 임펄스 응답과 컨볼루션 적분하여 온도를 예측하고, 다시 전력을 조절하여 상기 임펄스 응답과 컨볼루션 적분을 수행하는 반복(iteration)을 통하여 상기 CPU에 인가되는 전력 크기의 조절 여부를 결정할 수 있다.
따라서, 상기 CPU에 최대 허용 전력을 오랫동안 유지하여 상기 CPU의 성능을 개선하고, 임계온도 이하로 온도가 유지되도록 전력 인가를 조절하므로, 상기 CPU의 안정성을 높일 수 있다. 또한, 위에서는 최대 허용 전력을 오랫동안 유지시키는 방향으로 인가되는 전력을 조절하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 CPU의 동작 목적 및 유형에 따라 최대 허용 전력은 감소시키되 최대 전력량이 되도록 전력을 조절할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(30)을 보여주는 개략도이다.
도 10을 참조하면, 시스템(30)은 제어기(31), 입/출력 장치(32), 메모리(33) 및 인터페이스(34)을 포함할 수 있다. 상기 시스템(30)은 모바일 시스템 또는 정보를 전송하거나 전송 받는 시스템일 수 있다. 상기 모바일 시스템은 PDA, 휴대용 컴퓨터(portable computer), 웹 타블렛(web tablet), 무선 폰(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 디지털 뮤직 플레이어(digital music player) 또는 메모리 카드(memory card)일 수 있다.
상기 제어기(31)는 프로그램을 실행하고, 상기 시스템(30)을 제어하는 역할을 할 수 있다. 상기 제어기(31)는, 예를 들어 마이크로 프로세서(micro processor), 디지털 신호 처리기(digital signal processor), 마이크로 콘트롤러(micro controller) 또는 이와 유사한 장치일 수 있다. 상기 제어기(31)는 본 발명의 실시예에 따른 온도 예측 회로를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 온도 예측 방법을 통하여 상기 제어기(31)의 온도를 예측할 수 있다.
또한, 상기 입/출력 장치(32)는 시스템(30)의 데이터를 입력 또는 출력하는데 이용될 수 있다. 상기 시스템(30)은 상기 입/출력 장치(32)를 이용하여 외부 장치, 예컨대 개인용 컴퓨터 또는 네트워크에 연결되어, 외부 장치와 서로 데이터를 교환할 수 있다. 상기 입/출력 장치(32)는, 예를 들어 키패드(keypad), 키보드(keyboard) 또는 표시장치(display)일 수 있다.
상기 메모리(33)는 상기 제어기(31)의 동작을 위한 코드 및/또는 데이터를 저장하거나, 및/또는 상기 제어기(31)에서 처리된 데이터를 저장할 수 있다. 상기 메모리(33)는 본 발명의 실시예에 따른 온도 예측 회로를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 온도 예측 방법을 통하여 상기 메모리(33)의 온도를 예측할 수 있다.
상기 인터페이스(34)는 상기 시스템(30)과 외부의 다른 장치 사이의 데이터 전송 통로일 수 있다. 상기 제어기(31), 상기 입/출력 장치(32), 상기 메모리(33) 및 상기 인터페이스(34)는 버스(35)를 통하여 서로 통신할 수 있다. 예를 들어, 이러한 시스템(30)은 모바일 폰(mobile phone), MP3 플레이어, 네비게이션(navigation), 휴대용 멀티미디어 재생기(portable multimedia player, PMP), 고상 디스크(solid state disk; SSD) 또는 가전 제품(household appliances)에 이용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 디바이스가 응용될 수 있는 전자 장치를 보여주는 사시도이다.
도 11을 참조하면, 전자 시스템(도 10의 30)이 모바일 폰(40)에 적용되는 예를 도시한다. 그밖에, 전자 시스템(도 10의 30)은 휴대용 노트북, MP3 플레이어, 네비게이션(Navigation), 고상 디스크(Solid state disk; SSD), 자동차 또는 가전제품(Household appliances)에 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1: 기판 2: 반도체 패키지 3: 온도 예측 회로
22: 반도체 칩 23: 연결단자 24: 몰딩 부재
30: 시스템 31: 제어기 32: 입/출력 장치
33: 메모리 34: 인터페이스 35: 버스
40: 모바일 폰

Claims (10)

  1. 반도체 칩을 포함하는 디바이스에 상응하는 온도 예측 회로를 제공하는 단계;
    상기 온도 예측 회로에 대한 전류-전압 상관관계를 구축하는 단계; 및
    상기 온도 예측 회로의 전류-전압 상관관계를 이용하여 상기 디바이스에 인가되는 전력에 대한 온도를 예측하는 단계;
    를 포함하는 온도 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도 예측 회로는,
    상기 디바이스에 인가되는 전력과 상기 온도 예측 회로에 인가되는 전류 간에 서로 선형관계를 가지며, 상기 디바이스의 온도와 상기 온도 예측 회로에서 측정된 전압 간에 서로 선형 관계를 갖도록, 상기 저항의 크기 및/또는 상기 캐패시터의 용량을 결정하는 것을 특징으로 하는 온도 예측 방법
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도 예측 회로는,
    상기 디바이스 내부 또는 외부에 제공되며, 상기 디바이스와 함께 기판에 실장되는 것을 특징으로 하는 온도 예측 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도 예측 회로는,
    포스터 타입(foster type)의 RC 네트워크 회로이거나, 또는 코어 타입(cauer type)의 RC 네트워크 회로인 것을 특징으로 하는 온도 예측 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스에 인가되는 전력에 대한 온도를 예측하는 단계는,
    임의의 동작에 따라 상기 디바이스에 인가되는 전력 데이터를 수집하는 단계;
    상기 수집된 전력 데이터에 상응하는 전류 데이터를, 상기 온도 예측 회로에 인가하여 전압의 크기를 측정하는 단계; 및
    상기 온도 예측 회로에서 측정된 전압의 크기를 상기 디바이스에 상응하는 온도로 변환하여 상기 디바이스의 온도를 예측하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 예측 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스에 인가되는 전력에 대한 온도를 예측하는 단계 후에,
    상기 예측된 온도를 토대로 상기 디바이스에 인가되는 전력을 조절하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 예측 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디바이스에 인가되는 전력을 조절하는 단계는,
    상기 예측된 온도가 임계 온도를 초과하지 않으면서, 상기 디바이스에 인가된 전력량이 최대가 되도록 전력을 조절하는 것을 특징으로 하는 온도 예측 방법.
  8. 반도체 칩을 포함하는 디바이스에 전력을 인가하여 시간-온도에 대한 단위 계단 응답(unit step response)을 측정하는 단계;
    상기 디바이스에 대한 시간-온도의 임펄스 응답을 계산하는 단계;
    상기 디바이스의 동작에 따라 인가되는 시간-전력 데이터를 1회 수집하는 단계; 및
    상기 수집된 시간-전력 데이터와 상기 시간-온도의 임펄스 응답(impulse response)을 컨볼루션(convolution) 적분하여, 상기 디바이스의 동작에 따른 온도를 예측하는 단계;
    를 포함하는 온도 예측 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 디바이스 동작에 따른 온도를 예측하는 단계는,
    전력이 인가되기 전 상기 디바이스의 초기 온도를 측정하고, 상기 측정된 디바이스의 초기 온도와 상기 컨볼루션 적분에 의한 온도를 합산하여 상기 디바이스 동작에 따른 온도를 예측하는 것을 특징으로 하는 온도 예측 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 디바이스의 동작에 따른 온도를 예측하는 단계 이후에,
    상기 예측된 온도를 토대로 상기 디바이스에 인가되는 전력량이 최대가 되고, 상기 디바이스의 동작 온도가 임계 온도를 초과하지 않도록 상기 디바이스에 인가되는 전력을 조절하는 단계; 및
    상기 조절된 전력을 상기 디바이스에 인가하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 예측 방법.
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