TWI238928B - Dynamic voltage transitions - Google Patents

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1238928 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明與積體電路有關。更特定言之，本發明與一動態 修改操作電壓位準之技術有關。 【先前技術】 由於一電路之能量消耗與該電路的供應電壓呈平方關係 (E〇cCVdd2，其中vdd為供應電壓），供應電壓之適度減少可 顯著地節省功率。因而，如微處理器之複雜積體電路設計 為使用越來越低的供應電壓。然而，較低供應電壓之一缺 點為通常會增加延遲時間（Doc ，其中VT為臨界電壓

Vdd - / 而以較強地依賴於電晶體中電子的遷移率劣化）。 一先前解決方式為對在一處理器之一關鍵路徑上的電路 使用較高供應電壓，而對不在該處理器之關鍵路徑上的電 路使用較低供應電壓。由於不在該處理器之關鍵路徑上的 電路可用增長的延遲時間操作而不對處理器的整體操作造 成有害影響，此解決方式可節省功率。此解決方式之進一 步分析由下列文獻提供：D· Marculescu的r使用多重供應 電壓之功率高效的處理器」，低功率編譯器與操作系統研討 會2_、錢M.c. Johnson等人的「採用多重供應電壓及 位準轉換器之資料路徑排程」，職國際電路與系統討多 會記錄，膽（香港）。然而，&等解決方式僅為處理器之: 部分提供較低的供應電壓（進而節省功率）。 【發明内容】 本發明說明動態改變一積體電路之摔作 * W電壓的技術。為 O:\88\88269.DOC -6- 1238928 解說的目的，在以下的說明中公佈許多特定細節，以便充 分認識本發明。不過，熟悉技術人士應明白，在不運用這 些特定細節的情況下，仍然可實施本發明。在其他例子中， 結構及裝置以方塊圖形式顯示，以避免使本發明模糊、主。 I /月 說明書中提及的「一項具體實施例」或「一具體實施例」 表示結合具體實施例說明的特定功能、結構或特性包含于 本發明至少一項具體實施例中。因此，說明書中各處出現 的「在一項具體實施例中」之辭令不一定全部代表同一具 體實施例。 一積體電路（如一處理器）之操作電壓受到改變以回應 -或多種條件(如一膝上型電腦與一交流(AC)電源相連，或 積體電路之溫度達到-預定最大目標）。在一具體實施例 中，當操作電壓下降時，操作頻率亦下降。向該積體電路 提供操作電壓的電壓調節器在電壓位準之間藉由一或多個 中間步驟而進行轉移。由於办 ^ 得移自於犬然的電壓變化可引起雜訊、 回授或其他不良效果’故使用中間步驟將電麼調節器自第 -私作電g轉移至第二操作電麼。處於新的電糾或在電 麼轉移過程中，該㈣電路持續以正常方式 電路不改變操作模式）。 惯€ 在一具體實施例中，電虔變化率取決於電壓調節器的性 能及積體電路的摔作瑗柊 士 门即裔^;王 m目女 兄。有可能下降率與上升率不同。 例如，具有大解耦電容 Α令之％3兄或峰值電流性能較低的電壓 調即益與具有低解耦 的電㈣節器相比，可、…、/或峰值電流性能較高 ^較低的變化率。亦有可能，具

O:\88\88269.DOC 1238928 =操作頻率之環境與具有較低操作頻率 取 匕率。此係由於對電麼調節器之峰值電流需求 「眘 乍頻率以及轉移中需充電或放電的解耗電容。 L實施方式】 圖 j -¾ 一 , 籍种带 采構之一具體實施例的方塊圖，該架構支援一 積體電路之At »σ //« Λ r— 型之白Φ 移。積體電路U〇可為任何類 藉2 調節器120接收-供應電麼的積體電路，例如， 積體電路110可為一處理器。 在-具體實施例中，積體電路110包括狀 、 =調“控制器刚、可選的们50以及其他為保 、說明間潔而未在圖i中顯示的電路，例如一處理器核心 與/或快取記憶體。-或多個該等組件亦可在積體電路110 電壓調玲器控制益140與狀態機（組）130及電壓調節 輕s 下所洋述’狀恕機（組）13 0引起電壓調節器 控制器、140向電壓調節器12〇發送一供應電壓識別項 (ID ’ v〇itage ldentlfler)信號。電壓調節器wo解釋乂① 信號並改變向積體電路11〇提供之供應電壓。 乜唬可為一單一一進位信號，或可為多個信號。在 -具體實施例中’ VID信號作為六位元代碼藉由六線匯流 排進行通。VID瑪之位元數目取決於例如電壓調節器⑽ 可提供的電壓位準數目纟電壓調節以2〇的操作特性。-可選的VID们50可由電壓調節器控制器14〇用於在狀 態機（組）13〇㈣應VID為所用類型之電壓調節器所提供 代碼之間進行轉換。從而允許電壓調節器控制@ 14〇在更 O:\88\88269 DOC -8 - 1238928 多電壓調節器及狀態機/控制電路條件下操作。例如，狀能 機(組⑽或電壓調節器控制器14〇可自一處理器核心接： 一指示所需供應電壓之代碼或其他信號。可用vm表15〇 轉換該代碼以產生適當的彻碼，錢錢㈣器12〇提 供所需電壓。 操作電虔可由於多種原因而改變。例如，一行動電腦虚 附著於攜行電腦塢時可以一第—電塵（及對應頻率）摔作，而 當從攜行電腦瑪移除後可以一較低電壓（及對應頻率）操 作。如此處所述，電μ(頻率）轉移可動態實現而無需在電壓 轉移過程中更改操作模式。即，在操作電壓位準間轉移時， 積體電路無需進入停用狀態。 如下所詳述，積體電路110將VID碼傳送至電壓調節写 120 ’後者轉移至與該VID碼對應之電壓。狀態機（組）13〇 可引起電壓調節器控制器14〇選擇性地傳送VID碼，從而 使操作電壓變化的幅度與時序均處於積體電路ιι〇之=當 參數内。 圖2為一具體實施例之電壓對頻率曲線圖，其概念性地 說明有效與無效的電壓/頻率組合。在一具體實施例中，積 體電路之可接受的操作範圍可由電壓一頻率對進行定義。圖 2說明一範例性具體實施例中電壓—頻率對的有效組及電 壓-頻率對的無效組。 - 如下所詳述，電壓調節器提供之供應電壓（回應vid碼） 及供應電壓傳輸時序可受到控制，以使積體電路保持在可 接受操作範圍内。 O:\88\88269.DOC -9- 1238928 藉由以所使 此處所述之 有效的電壓-頻率對由特定應用決定。因而 用彻廣及VID碼之時序提供可程式化能力 技術可用於多個積體電路應用。 圖3為VID碼與供應電壓之概念關係說明曲線圖

增加的供應電壓位準。欠卓声 T

水千虛線代表與各種VID VID1、VID2、Virm姐 * ， 1 1D3)對應之目標供應電壓。彎曲實 一範例性供應電壓位準。 囷進v垅明與動恶供應電壓轉移相關之參數。在一 具體實施財，各種參數可喊化。各種參數之時序可基 於如所用電壓調節器的性能而決定。 土 在圖3之範例中，丁叫代表⑽碼發佈之間的時間。每 一步驟之了_可不㈤，或者對—或多個步驟％可相同。 vIDstep代表與隨後的VID碼對應之電壓間的電壓差。與 丁_類似’每—步驟之νιΙ)_可不同，或者對—或多個^ 驟VIDstep可相同。 暫停時間為在達到—所需電壓後之延遲，在此之前操作 湧率可改炎PLL重鎖時間為允許相位鎖定迴路（pLL;phase locked loop)鎖定至與新的電壓對應之頻率的時間。 圖4為VID碼與供應電壓之概念關係說明曲線圖，針對 減少的供應電壓位準。在圖4之範例中，τ叫代表vm石馬 發佈之間的時間。每—步驟之τ_可不同，或者對一或-多 個步驟Tstep可相同。VIDstep代表與隨後的νι〇碼對應之電 壓間的電壓差。與TsteP類似’每—步驟之VIDstep可不同， 或者對一或多個步驟VIDstep可相同。

O:\88\88269.DOC -10- 1238928 圖5說明一暫存器之具體實施例 電壓輕弒如關ΛΛ A + 卞$爾存與動態 琴，妙— 圖5之暫存器為—單—64位元暫存 用於館使❹意數目個暫存器儲存所述參數。同樣， 在曰5子，數之位兀的數目可不同於圖5中所述數目。 在圖5所說明之具體實施 而不佶田, 位兀56至63受到保 而不使用。位元48至55儲存一 一且轉眘—，丨丄、， 包全轉移之暫停時間。在 在：故O’當積體電路改變至-較高操作電壓時， 之傳輸與積體電路改變至新操作頻率的時間 01有-額外延遲。此時間週期 之數值定義。 彳卞皙條時間攔位内 下降步驟時間欄位(位元40至4 壓轉移至一新的較低位進0本W 值胃供應電 ^ 低位皁時，該數值控制插入連續VID f :之間的時間。在-具體實施例中，-狀態機補償所選； 率以使轉移時間與下降步驟時間棚位中之數值匹配 上升步驟時間攔位（位元32 39^卢一去 Μ Μ儲存一數值，當供應電壓 新的較高位準時，該數值控制插人連續VID更新 之間料間。在-具體實施例中，與下降步驟時間欄位類 似，狀怨機補償所選頻率 財之數值匹配。 丨轉料間與上升步驟時間欄 在 具體實施例中，你-*1 / 位兀16至3 1受到保留以用於特定 旲型調試狀態報告。在正常操作中，軟體在讀取暫存 不使用此欄位’並在對暫存器進行讀冬寫操作時遮罩該等 位-。保留狀態位元為可選，且不為提供動態操作 移所必需。 得

O:\88\88269.DOC -11 - 1238928 下降步驟尺寸襴位（位元8至丨5)決定在供應電壓轉移至 新的％低位準時，供應電壓在單一 vm步驟中減少之數 曰 女^亥攔位可代表改變量為1 2 · 5 mV之電麼變化， ^下降步驟尺寸欄位中為2之數值引起下一 VID碼較目 馬低25 mV。如步驟尺寸大於目前與結束電廢目標 間之差’則使用目標VID碼。 上升步驟尺寸攔位（位元〇至7)決定在供應電壓轉移至一 j的較呵位準時，供應電壓在單一 VID步驟中增加之數 ^ 如該攔位可代表改變量為15 mV之電壓變化，從 而上升步驟尺寸攔位中為2之數值引起下一 vm石馬較目前 VID石n古2 Λ ^ m 。如步驟尺寸大於目前與結束電壓目標間 之差’則使用目標VID碼。 體電路向電壓調筇器發送VID碼從而使供應電壓發 生轉移4 ’積體電路繼續其正常操作。即，積體電路不需 、 睡眠（或其他低功率）狀態以完成一供應電壓轉移。因 而’積體電路可以正常方式操作（如執行指令、回應事件 :此，電流需求隨時間之改變(驗)與無電壓轉移的情況類 似。其結果為，電壓調節器與功率傳輸網路滿足正常操作 之相同電壓規格。 、 狄圖6為-範例性動態供應電壓轉移之時序圖。圖6中之 明自-高電壓向—低電壓及回到該高電壓的轉移 匯w排比率（或時脈頻率）在較低操作電壓時減少，而在轉 回到南供應電壓位準後增加。 操作以一高供應電麼及一高匯流排比率(時脈頻率)開

O:\88\88269.DOC -12- 1238928 始° M流排比率減少至與所用較低供應電壓對應之低匯流 排比率。在一具體實施例中，在PLl鎖定於新匯流排比率 的過程中’處理器核心頻率可降至低於（或可停止在）與匯流 排比率對應之頻率。 在匯流排比率轉移之後，供應電壓降低至低供應電壓， 而積體電路以低供應電壓及低匯流排比率進行操作。在以 一較低供應電壓操作一時間週期之後，並回應一預定事件 (如操作條件變化），供應電壓增加至高供應電壓位準。當由 電壓轉移後之暫停時間決定的時間週期結束後，匯流排比 率自低匯流排比率轉移至高匯流排比率。 圖7為一供應電壓動態轉移之具體實施例的流程圖。提 供了一目前供應電壓7〇〇。目前供應電壓可為一最初啟動供 應電壓位準，或者目前供應電壓可為一以vm碼選出之所 選電壓位準。提供目前供應電壓直到接收到一新的VID碼 710 〇 田接收到一新的VID碼7 1 〇時，系統轉移至一由新的VID 馬才曰示的新供應電壓72〇。在一具體實施例中，vlD碼自一 接收供應電壓之積體電路（如—處理器）傳輸至一向該積體 ，路提供電壓的電壓調節器。該電壓調節器解釋νι〇碼並 挺供與所接收VID碼對應之電壓位準。 如與Tstep對應之時間週期尚未結束73〇，則系統等^寺 740。當時間週期Tstep已結束73〇，可處理一新的vm碼 75〇。如接收到一新的VID石馬75〇,電壓調節器可轉移至與 如上所述之新彻碼對應的電壓。如未接收到—新的仙 O:\88\88269.DOC -13- 1238928 碼750’電壓調節器繼續提供新的供應電壓，其於此時為目 前供應雾壓700。 在前述的說明書φ , ^ oD , ^ ^ 曰中本發明已經參考其特定具體實施例 來說明。但是，顯而只θ 硕而易見，可進行各種變更及修改，而不 致脫離本發明膚泛的杜〆士 广之的精神及範疇。因此說明書及附圖均應 視為說明性質’而非具有限制性。 〜 【圖式簡單說明】 本發明已藉由附圖中顯示的範例進行解說，但並非限 制’圖式中相似的參考數字代表相似元件。 為木構之具體實施例的方塊圖，該架構支援一 積體電路之動態操作電壓轉移。 圖2為一具體實施例之電壓對頻率曲線圖，其概念性地 說明有效與無效的電壓/頻率組合。 圖3為VID碼與供應電壓之概念關係說明曲線圖，針對 增加的供應電壓位準。 、圖為VID碼與供應電壓之概念關係說明曲線圖，針對 減少的供應電壓位準。 圖5說明_暫存&之具體實施例，該暫存器儲存與動態 電壓轉移相關的參數。 〜 圖6為一範例性動態供應電壓轉移之時序圖。 圖7為一供應電壓動態轉移之-具體實施例的流程圖τ 【圖式代表符號說明】 0、7、8、15、16、31、32、39、位元 40 、 47 、 48 、 55 、 56 、 63

O:\88\88269 DOC -14- 1238928 110 積體電路 120 電壓調節器 130 狀態機（組） 140 電壓調節器控制器 150 VID表 700 、 710 、 720 ' 730 、 740 、 750 步驟 Tstep 時間 VID 0、VID 1、VID 2、VID 3 VID碼 VIDstep 電壓差 O:\88\88269 DOC -15-

Claims (1)

1238928 第092126349號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(93年3月 拾、申請專利範圍： 1· 一種動態電壓轉移之方法，其包含： 使用-第一供應電壓位準以操作一積體電路; β自該積體電路向調節器傳輸—為該積體電路 提供之一第二供應電壓位準的指示； 自該電麼調節器接收該第二供應電a位準；以及 使用該第二供應電麼位準以操作該積體電路，其中在 處於該第-供應電麼位準與該第二供應電廢位準之操 作間轉移時，該積體電路不改變操作模式。 2·如申請專利範圍第卜員之方法，其進一步包含： 自該積體電路向_調節器傳輸一為該積體電路 提供之一第三供應電壓位準的指示； 自該電壓調節器接收該第三供應電壓位準；以及 使用该第三供應電壓位準以操作該積體電路，盆中在 處於該第二供應電壓位準與該第三供應電壓位準之操 作間轉移時，該積體電路不改變操作模式。 如申睛專利範圍第2項之方 , _ 友具進一步包含在自該第 供應電壓位準向該第二供應電壓位準之轉移與該第 I供應電壓位準同該第三供應電壓位準間的轉移之間 4待至少一預定時間週期。 4·如申請專利範圍第1項之方法，1由 笛 万法，其中該電壓調節器在該 七、應電壓位準與該第二供應電壓位準間提供多個 中間供應電壓。 !238928 如申請專利範圍第丨項之方法，其 準高於該第二供應電壓位準。 如申明專利耗圍第i項之方法，其中該第一供應電壓位 準低於該第二供應電壓位準。 一種動態電壓轉移之方法，其包含·· 以:電燃調節器向一積體電路提供一第-供應電壓； 广亥積體電路接收一由該電壓調節器為該積體電路 提供之一第二供應電壓位準的指示； 。以該電壓調節器向該積體電路提供該第二供應電 昼’其中在處於該第—供應電壓位準與該第二供應電壓 位準之操作間轉移時，該積體電路不改變操作模式。 如申請專利範圍第7項之方法，其進一步包含： 自该積體電路接收一由該電壓調節器為該積體電路 提供之一第三供應電壓位準的指示； β以該電壓調節器向該積體電路提供該第三供應電 壓’其中在處於該第二供應電壓位準與該第三供應電壓 位準之操作間轉移時，該積體電路不改變操作模式。 如申請專利範圍第8項之方 貝又万法，其進一步包含在自該第 應電遷位準向該第二供應電愿位準之轉移盘該第 2供應㈣位準同該第三供應„位準間的轉移之間 等待至少一預定時間週期。 10·如申請專利範圍第 頁之方法，其中該電壓調節器在該 弟一供應電壓位準盥哕笙_ w A Α广 + °亥第一供應電壓位準間提供多個 中間供應電壓。 該第一供應電壓位 6. 7. 8. 9. O:\88\88269-940325.DOC 寥23:笋涵 iE ΙΗ 11·如申請專利範圍第7 之方法，其中該第-供應電壓位 準尚於該弟二供應電壓位準。 12·如申請專利範圍第7項 ..^ ^ 、方法，其中该第一供應電壓位 準低於該第二供應電壓位準。 13. —種動態電壓轉移之襄置，其包含： 一積體電路，J：呈右 、有一控制電路及一與該控制電 合之電壓調節器控制器； ^路耦 …亥電壓调即|§控制器耦合之電壓調節器，其中該 電壓凋即器向忒積體電路提供一第一供應電壓，且進一 步其中，該電壓調節器控制器向該電壓調節器傳輸一為 該積體電路提供之一第-徂確+raj 第一供應電壓的指示，且該電壓調 卩Γ向4積體電路提供該第二供應電壓以回應接收到 :私不，且在處於該第一供應電壓與該第二供應電壓之 操作間轉移時，該積體電路不改變操作模式。 14·如申請專利範圍第13項之裝置，其中該控制電路包含 一或多個狀態機。 15·如申睛專利範圍第13項之裝置，其中該積體電路包含 一處理器。 16.如申請專利範圍第13項之裝置，其中該電壓調節器在 °玄第供應電壓位準與該第二供應電壓位準間提供多 個中間供應電壓。 17·如申睛專利範圍第13項之裝置，其中該第一供應電壓 位準向於該第二供應電壓位準。 18.如申請專利範圍帛13㉟之裝置， O:\88\88269-940325.DOC -3- 1238 麵 位準低於该第二供應電塵位準。 •種動態電壓轉移之裝置，其包含·· 用於使用一第一供應電麼位準以操作一積體 構件； 用於自該積體電路向—„調節器傳輸—為該積體 路提供之—第二供應位準的指示之構件； 用於自該電塵調節器接收該第二供應電塵位 件；以及 用於使用該第二供應電壓位準以操作該積體電路之 構件，其中在處於該第一供應電壓位準與該第二供應電 堡位準之操作間轉移時’該積體電路不改變操作模式。 .如申請專利範圍第19項之裝置，其中該第—供應電壓 位準高於該第二供應電壓位準。 21·如中請專利範圍第19項之裝置，其中該第-供應電麼 位準低於該第二供應電壓位準。 2 ·種動恶電壓轉移之裝置，其包含·· 用於以一電壓調節器向一積體電路提供一第一供應 電壓之構件； 八… 用於自該積體電路接收一由該電壓調節器為該積體 電路提供之一第二供應電壓位準的指示之構件； 。用於以該電壓調節器向該積體電路提供該第二供應 電廢之構件，其中在處於該第—供應電a位準與該第: ί、應電壓位準之操作間轉移時，該積體電路不改變操作 模式。 O:\88\88269-940325.DOC -4 - 1238928 94. 3. 2t> 23 ·如申請專利範圍第22項之裝置，其中該第一供應電壓 位準高於該第二供應電壓位準。 24.如申請專利範圍第22項之裝置，其中該第一供應電壓 位準低於該第二供應電壓位準。 O:\88\88269-940325.DOC -5-