TW201509066A - 高效能內嵌式微處理器叢集之主動峰值功率管理 - Google Patents

Abstract

在一些實施例中，本發明提供一種系統，其可包括至少一電壓控制器。該等電壓控制器中之至少一者可在使用期間評估一預定條件之一出現。在一些實施例中，該系統可包括一至少第一電容器。該至少第一電容器可耦接至該等電壓控制器中之至少一者，以使得該等電壓控制器中之至少一者啟用該至少第一電容器，以在該預定條件出現時供應額外電流。當不再需要電流之增大時，可停用該至少第一電容器。可在停用該至少第一電容器時對該至少第一電容器充電，直至達到一預定容量為止。

Description

高效能內嵌式微處理器叢集之主動峰值功率管理

本發明係關於用於主動峰值功率管理之系統及方法。更特定言之，本文中揭示之一些實施例係關於高效能內嵌式微處理器叢集之峰值功率管理。

用於手持型內嵌式系統之電源供應器通常為成本、外形尺寸及最高預期效能位準下之可持續電流之間的取捨。此情形允許價格最佳化設計，同時維持系統之日常效能要求。

然而，一些應用程式及/或經特別設計之測試可能能夠超過設計極限，且需要系統調節微處理器叢集之效能以保持在可持續供應包絡內。

為達成有限持續時間及緩衝電流湧入事件內之峰值效能，使用晶片封裝及板級電容器。在電源供應器調節之前的此等遞送峰值電流可趕上需求。在每一峰值效能事件之情況下，電源供應器將對此等系統電容器再充電，從而添加電源供應器之基本負載。若電源供應器無法滿足此需求，則系統經歷電壓降。為避免系統故障，添加處理器系統之電壓及頻率之操作裕度(operating margin)。

CPU功率要求與電源供應器剛度之間的此軍備競賽(arms race)添加了材料清單而對平均系統效能無貢獻。迄今為止，已經由以下動作 達成在不增大電源供應器能力及系統操作裕度之情況下降低峰值功率：在功率密集型指令之分派時間進行的預測性功率估計及基於預測進行的功率密集型指令之分派速率之控制；及在CPU核心供電線路處進行的用於臨機操作(ad-hock)分派速率降低或基於正在進行中之指令之時脈抖動的電壓降感測器使用。此等方法改良系統，但並不影響主動去耦電容與電源供應器剛度之間的比率。然而，仍需要電源供應器準時對所有峰值放電電容再充電以防止顯著電壓降。

因此，將高度需要一種包括至少一功率管理單元之系統及/或一種主動地緩和峰值功率需求之方法。

一般而言，本文中描述之系統及方法之優點包括允許對電源供應器剛度之放鬆，但持續使得系統能夠提供高功率指令之峰值效能叢發。使用本文中描述之系統，可使用較低成本電源供應器，而不會損害在峰值功率事件期間之功能性。常常基於功耗病毒(power virus)診斷對前幾代封裝級電容器及供電泵(supply bump)進行設定尺寸及置放，該方法可用以評估峰值功率電容器置放。歸因於本文中描述之系統之主動控制因素，封裝級及板級電容之量可能不會增大(與先前實施相比較而言)，但支援較高峰值效能。

在一些實施例中，一種系統可包括一或多個電壓降控制器(或更簡言之，電壓控制器)。該等電壓控制器可耦接至提供於一積體電路之功率輸入上之電容器的一子集，且可偵測正造成(或可造成)電源供應器電壓之一下降的峰值功率事件。該等電壓控制器可啟用電容器之該子集以在峰值功率事件期間供應額外電流，該額外電流可增強在峰值功率事件期間的電源供應器電壓之穩定性。隨後，可停用該子集且對該子集再充電。在一些實施例中，可經由一串聯電阻控制再充電速率，以降低對電源供應器上之電容器再充電之負載。亦可包括一功率 管理單元。該功率管理單元可起作用以回應於一預定條件(包括功率閘控事件、電源接通事件、積體電路中之電路之效能位準改變等)而傳輸將在該系統內供應之一電壓改變至一新電壓位準的一請求。在一些實施例中，當需要電壓之一增大時，啟用電容器之該子集以便回應於該預定條件而提供額外能量。

100‧‧‧系統

110‧‧‧功率管理單元

120a‧‧‧電容器

120b‧‧‧電容器

120c‧‧‧電容器

120d‧‧‧電容器

120e‧‧‧電容器

130a‧‧‧電源開關

130b‧‧‧電源開關

130c‧‧‧電源開關

130d‧‧‧電源開關

140a‧‧‧中央處理單元(CPU)

140b‧‧‧中央處理單元(CPU)

150a‧‧‧電壓控制器

150b‧‧‧電壓控制器

160a‧‧‧電阻器

160b‧‧‧電阻器

170‧‧‧電源供應器

180a‧‧‧類比控制

180b‧‧‧類比控制

190a‧‧‧數位控制

190b‧‧‧數位控制

以下詳細描述參看隨附圖式，現簡要描述該等隨附圖式。

圖1描繪結合高效能內嵌式微處理器叢集使用的包括兩個電壓控制器之系統之圖的一實施例。

圖2描繪使用至少一電壓控制器管理峰值功率之方法之圖的一實施例。

在圖式中藉由實例展示特定實施例且將在本文中詳細描述特定實施例。然而，應理解，圖式及「實施方式」不意欲將申請專利範圍限於所揭示之特定實施例，甚至在關於特定特徵僅描述單一實施例之狀況下亦如此。相反地，意欲涵蓋對於受益於本發明之熟習此項技術者而言將顯而易見的所有修改、等效物及替代物。除非另外陳述，否則本發明中所提供之特徵之實例意欲為說明性的而非限制性的。

本文中所使用之標題僅用於組織目的，且不意欲用以限制此描述之範疇。如貫穿本申請案所使用之詞「可」係在允許意義(亦即，意謂有可能)而非強制意義(亦即，意謂必須)上使用。詞「包括」指示開放式關係，且因此意謂包括(但不限於)。類似地，詞「具有」亦指示開放式關係，且因此意謂具有(但不限於)。如本文中使用之術語「第一」、「第二」、「第三」等係用作該等術語之後的名詞的標籤，且並不暗含任何類型之排序(例如，空間、時間、邏輯等)，除非以其他方式明確指示此排序。舉例而言，除非以其他方式指定，否則「電連接至模組基板之第三晶粒」並不排除「電連接至模組基板之第四晶 粒」係在第三晶粒之前連接之情況。類似地，除非以其他方式指定，否則「第二」特徵並不需要在「第二」特徵之前實施「第一」特徵。

各種組件可描述為「經組態以」執行一或多個任務。在此等情況下，「經組態以」為廣泛敍述，其大體上意謂「具有在操作期間執行該或該等任務之結構」。因而，組件可經組態以執行任務，即使該組件當前未執行彼任務時亦如此(例如，一組電導體可經組態以將一模組電連接至另一模組，即使該兩個模組未連接時亦如此)。在一些情況下，「經組態以」可為對結構之廣泛敍述，其大體上意謂「具有在操作期間執行該或該等任務之電路」。因而，組件可經組態以執行任務，即使該組件當前未工作時亦如此。大體而言，形成對應於「經組態以」之結構的電路可包括硬體電路。

為了描述之便利起見，可能將各種組件描述為執行一或多個任務。此等描述應解釋為包括片語「經組態以」。敍述經組態以執行一或多個任務之組件明確地不意欲援引35 U.S.C.§ 112第六段對於彼組件之解釋。

本發明之範疇包括本文中所揭示之特徵中的任一特徵或組合(明顯地或隱含地)，或其任何一般化，而不管其是否減輕本文中所提出之問題中之任一者或全部。因此，可在向特徵之任何此組合貫徹此申請案(或向其主張優先權之申請案)期間制定新的技術方案。詳言之，參考隨附申請專利範圍，可將來自附屬技術方案之特徵與獨立技術方案之特徵組合，且可以任何適當方式組合而非僅以隨附申請專利範圍中所列舉之特定組合的形式組合來自各別獨立技術方案之特徵。

本說明書包括對「一實施例」或「一項實施例」之引用。片語「在一實施例中」或「在一項實施例中」中之出現未必指同一實施例。可以與本發明一致之任何合適方式來組合特定特徵、結構或特 性。

在一些實施例中，一系統可包括至少一電壓控制器。圖1描繪包括兩個電壓控制器150a至150b之系統100(例如，高效能內嵌式微處理器叢集)之圖的一實施例。圖2描繪使用至少一電壓控制器150管理峰值功率之方法之圖的一實施例。電壓控制器中之至少一者可在使用期間評估預定條件之出現(300)。在一些實施例中，系統可包括一至少第一電容器120。該至少第一電容器可耦接至該等電壓控制器中之至少一者，使得該等電壓控制器中之至少一者啟用該至少第一電容器(310)，以在出現預定條件時供應額外電流。該等電壓控制器可耦接至提供於一積體電路之功率輸入上之電容器(例如，第一電容器120)的一子集，且可偵測正造成(或可造成)電源供應器電壓之一下降的峰值功率事件。該等電壓控制器可啟用電容器之該子集以在峰值功率事件期間供應額外電流，該額外電流可增強在峰值功率事件期間的電源供應器電壓之穩定性。

當不再需要電流之增大時，可停用該至少第一電容器(320)。可在該至少第一電容器停用時對其充電(330)，直至達到預定容量為止。在一些實施例中，可經由串聯電阻控制再充電速率，以降低對電源供應器上之電容器再充電之負載。亦可包括一功率管理單元。該功率管理單元可起作用以回應於一預定條件(包括功率閘控事件、電源接通事件、積體電路中之電路之效能位準改變等)而傳輸將在該系統內供應之一電壓改變至一新電壓位準的一請求。在一些實施例中，當需要電壓之增大時，啟用電容器之該子集以便回應於該預定條件而提供額外能量。

在一些實施例中，電容器120a至120b可耦接至電源開關130a至130b之一單獨集合。該等電源開關可將電容器120a至120b分別耦接至CPU 140a至140b。該方法可包括在不再需要電壓之增大時停用該至 少第一電容器(320)。

電源開關130a至130b可形成一或多個CPU 140a至140b之總體功率閘控之部分，但在一些實施例中，可在CPU超過某一電壓降裕度或預測功率損耗(power draw)超過給定臨限值之情況下啟用該等電源開關。某一電壓降裕度可起因於在CPU核心供電線路處進行的用於臨機操作分派速率降低或基於正在進行中之指令之時脈抖動的電壓控制器使用。預測功率損耗可起因於在功率密集型指令之分派時間進行的預測性功率估計及基於預測的對分派速率之控制。

電容器120a至120b之額外電荷可橋接正在進行中之指令之完成時間且，可提供由CPU提供之最大效能窗之擴展(此取決於電容器尺寸設定)。

在一些實施例中，一系統可包括電壓控制器150a至150b，其評估至少電容器120a至120b之電壓位準。功率管理單元110可回應於預定條件而在電壓控制器評估不足電壓時通知系統(在一些實施例中，電壓控制器可通知該系統)。在啟動峰值功率電容器120a之情況下，電壓降控制器可基於電容器中之可用電荷而影響CPU 140a指令分派控制，以減少高功率指令之量。

在一些實施例中，在停用至少第一電容器時對至少第一電容器充電，直至以抑制系統之平均峰值功率要求之增大的速率達到預定容量為止。

在一些實施例中，方法可包括在停用至少第一電容器時對該至少第一電容器充電(330)，直至達到預定容量為止。在一些實施例中，可經由耦接至電源供應器170之充電電阻器160a至160b實現對此等峰值功率電容器之再充電。電阻器160可限制充電電流，且在使電源供應器免於額外高電流方面為重要的。可使用本文中描述之系統及方法降低電源供應器之大小，由此降低與裝置相關聯之大小及/或成 本。

在一些實施例中，可基於可執行高效能叢發之頻率與電源供應器可提供之附加充電電流之量的取捨來設定電阻器之尺寸。

在一些實施例中，峰值功率電容器120a至120b外加將CPU 140a至140b耦接至電源170之電容器120e的電容器120c至120d。在一些實施例中，電容器120c至120d可分別耦接至電源開關130c至130d之一單獨集合。該等電源開關可將電容器120c至120d分別耦接至CPU 140a至140b。

在一些實施例中，系統可經設定尺寸以支援用於時間效能叢發的高功率指令之預定義窗，同時電壓控制器150防止功耗病毒應用程式受到直接影響，且保證CPU輸送量之得到控制之減少。

在一些實施例中，一系統可包括數位控制190a至190b，其在使用期間評估預定條件之出現。該預定條件包含傳入之高功率指令。在一些實施例中，該數位控制可耦接至電壓控制150。

在一些實施例中，一系統可包括類比控制180a至180b，其在使用期間評估預定條件之出現。該預定條件包含電壓減小。在一些實施例中，該類比控制可耦接至電壓控制150。

該電壓控制可與數位控制及/或類比控制通信，以協調峰值功率電容器中之電荷的最佳使用情況。電壓控制可確保峰值功率電容器在使用後再充電，從而使得該電容器在再次需要額外功率時做好準備。單獨電壓控制或結合功率管理單元可警告與系統相關聯之器具：是可能執行抑或可能不執行需要來自峰值功率電容器之額外能量的指令，此取決於峰值功率電容器是否經適當充電。

應指出，數位控制及/或類比控制可基於系統之需求而與系統相關聯。在一些實施例中，可使用數位控制及類比控制兩者。在一些實施例中，可使用數位控制或類比控制。

具有較高速度之電路係以日益較高之密度進行整合。因此，晶片上電源-接地電壓波動歸因於IR降、L di/dt雜訊或LC諧振而顯著增大。電源-接地完整性變為設計未來高效能電路時所面臨的嚴峻挑戰。10%供電電壓波動可導致10%以上的時序不確定性。常常引入電路區塊閘控以降低功率，從而可能造成電流之突然改變且造成顯著L di/dt雜訊。電感亦將與晶片上本質的且未經正確地插入之去耦電容器一起諧振，且造成LC諧振。大電流震盪可造成更多功率消耗及可靠性問題(諸如，電遷移)。

流經導線之電流之突然改變可歸因於電感而在彼導線及其相鄰導線上誘發突然電壓改變。若此等導線為晶片上電源-接地網路之部分，則所誘發之電壓波動被稱為L di/dt雜訊。在電路中，電流尖峰係由閘控切換造成。

在多處理器系統中，可基於總體電源供應器負載調整電阻器。舉例而言，一或多個功率閘控之核心可允許橋接電阻器以用於一主動CPU，以獲得最高峰值效能。電壓控制器150可監視電容器120a之電荷位準，或等待電阻器160再充電時間之經預先程式化之時間常數，直至電容器120a上達到CPU供電電壓位準為止。在峰值功率電容器120a經再充電至至少最小的可接受位準時，可增大高功率指令之分派速率。

在一些實施例中，功率管理單元感測起因於電流消耗之改變之震盪。功率管理單元可回應於所感測到之震盪而停用至少電容器120a至120b，因此所感測到之震盪得以抑制。即刻啟動之電源開關的細微度允許對電壓降及峰值功率電容器120a至120b之放電的細粒度級控制，從而允許控制歸因於由高功率指令造成之di/dt改變產生的晶粒級及封裝級供電線路之震盪。此等震盪以比峰值功率電容器放電短得多之時間尺度出現。足夠快速之電壓降感測器調變若干經啟用之峰值功 率電容器開關，以抑制及/或壓制震盪。

大體而言，本文中描述之系統及方法之優點包括允許電源供應器剛度之放鬆，但持續使得系統能夠提供高功率指令之峰值效能叢發。功率閘控方法係結合功率閘(power gate)電壓降控制使用。常常基於功耗病毒診斷對前幾代封裝級電容器及供電泵進行設定尺寸及置放，該方法可用以評估峰值功率電容器置放。歸因於系統之主動控制因素，與先前實施相比較而言，可能不會增大封裝級及板級電容之數目。

鑒於此描述，對於熟習此項技術者而言，本發明之各種態樣之其他修改及替代性實施例將為顯而易見的。因此，本描述應被解釋為僅為說明性的且係為了教示熟習此項技術者執行本發明之通用方式。應理解，本文中展示及描述的本發明之形式應被視為目前較佳實施例。可用其它元件及材料取代本文中說明及描述之元件及材料，可將各部分及過程反轉，且可獨立利用本發明之某些特徵，以上所有部分對受益於本發明之此描述之熟習此項技術者而言將為顯而易見的。可在不脫離如在以下申請專利範圍中所描述的本發明之精神及範疇的情況下，對本文中描述之元件作出改變。

100‧‧‧系統

110‧‧‧功率管理單元

120a‧‧‧電容器

120b‧‧‧電容器

120c‧‧‧電容器

120d‧‧‧電容器

120e‧‧‧電容器

130a‧‧‧電源開關

130b‧‧‧電源開關

130c‧‧‧電源開關

130d‧‧‧電源開關

140a‧‧‧中央處理單元(CPU)

140b‧‧‧中央處理單元(CPU)

150a‧‧‧電壓控制器

150b‧‧‧電壓控制器

160a‧‧‧電阻器

160b‧‧‧電阻器

170‧‧‧電源供應器

180a‧‧‧類比控制

180b‧‧‧類比控制

190a‧‧‧數位控制

190b‧‧‧數位控制

Claims (20)

1. 一種系統，其包含：至少一第一電壓控制器，其中該等第一電壓控制器中之至少一者可在使用期間評估一第一預定條件之一出現；及一至少第一電容器，其耦接至該等第一電壓控制器中之至少一者，以使得該等第一電壓控制器中之至少一者啟用該至少第一電容器，以在該第一預定條件出現時供應額外電流，其中當不再需要電流之增大時，停用該至少第一電容器，且其中在停用該至少第一電容器時對該至少第一電容器充電，直至達到一預定容量為止。
2. 如請求項1之系統，其中該第一預定條件包含導致一電源供應器電壓之一減小的一峰值功率事件。
3. 如請求項1之系統，其進一步包含一類比控制，該類比控制在使用期間評估該第一預定條件之一出現。
4. 如請求項1之系統，其進一步包含一類比控制，該類比控制在使用期間評估該第一預定條件之一出現，其中該第一預定條件包含一電壓減小。
5. 如請求項1之系統，其進一步包含一數位控制，該數位控制在使用期間評估該第一預定條件之一出現。
6. 如請求項1之系統，其進一步包含一數位控制，該數位控制在使用期間評估該第一預定條件之一出現，其中該第一預定條件包含傳入之高功率指令。
7. 如請求項1之系統，其中在停用該至少第一電容器時對該至少第一電容器充電，直至以抑制該系統之一平均峰值功率要求之一增大的一速率達到一預定容量為止。
8. 如請求項7之系統，其進一步包含至少一電阻器，該至少一電阻器在使用期間控制該至少第一電容器之充電速率以降低對一電源供應器上之該至少第一電容器再充電的一負載。
9. 如請求項1之系統，其中一功率管理單元在使用期間感測起因於電流消耗之改變的震盪，且其中該功率管理單元回應於該等所感測到之震盪而停用至少該第一電容器，以使得該等所感測到之震盪得以抑制。
10. 如請求項1之系統，其中該等電壓控制器中之至少一者評估至少該第一電容器之一電壓位準，其中一功率管理單元回應於該第一預定條件而在該電壓控制器評估不足電壓時通知該系統。
11. 如請求項1之系統，其進一步包含一功率管理單元，該功率管理單元經組態以回應於該第一預定條件而傳輸將在該系統內供應之一電壓改變至一新電壓位準的一請求。
12. 如請求項1之系統，其進一步包含：一第一CPU；一第二CPU；一第二電壓控制器，其中該第二電壓控制器可在使用期間評估一第二預定條件之一出現；一至少第二電容器，其耦接至該第二電壓控制器，以使得該第二電壓控制器啟用該至少第二電容器，以在該第二預定條件出現時將額外電流供應至該第二CPU，其中當不再需要電流之增大時，停用該至少第二電容器，且其中在停用該至少第二電容器時對該至少第二電容器充電，直至達到一第二預定容量為止；及一功率管理單元，其經組態以回應於該等預定條件中之至少一者而傳輸將在該系統內供應之一電壓改變至一新電壓位準的 一請求。
13. 一種方法，其包含：使用至少一電壓控制器評估一預定條件之一出現，其中該等電壓控制器中之至少一者耦接至一至少第一電容器；啟用該至少第一電容器以在該預定條件出現時供應額外電流；當不再需要電流之增大時，停用該至少第一電容器；及在停用該至少第一電容器時對該至少第一電容器充電，直至達到一預定容量為止。
14. 如請求項13之方法，其進一步包含使用一類比控制來評估該預定條件之一出現。
15. 如請求項13之方法，其進一步包含使用一類比控制來評估該預定條件之一出現，其中該預定條件包含一電壓減小。
16. 如請求項13之方法，其進一步包含使用一數位控制來評估該預定條件之一出現。
17. 如請求項13之方法，其進一步包含使用一數位控制來評估該預定條件之一出現，其中該預定條件包含傳入之高功率指令。
18. 如請求項13之方法，其進一步包含在停用該至少第一電容器時對該至少第一電容器充電，直至以抑制該系統之一平均峰值功率要求之一增大的一速率達到一預定容量為止。
19. 如請求項13之方法，其進一步包含使用一功率管理單元來感測起因於電流消耗之改變的震盪。
20. 如請求項13之方法，其進一步包含：使用該電壓控制器評估至少該第一電容器之一電壓位準；及使用一功率管理單元，回應於該預定條件而在該電壓控制器評估不足電壓時通知該系統。