TWI712776B - 用於溫度感測之裝置及系統與用於量測半導體之操作溫度之方法 - Google Patents

用於溫度感測之裝置及系統與用於量測半導體之操作溫度之方法 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一溫度感測裝置之實施例。該裝置可包含一電壓產生器及電路。該電壓產生器可產生取決於一操作溫度之一第一電壓位準及一第二電壓位準。該第一電壓位準及該第二電壓位準可回應於該操作溫度之一給定變化而改變，其中該第二電壓位準改變達不同於該第一電壓位準之量。該電壓產生器可產生一第三電壓位準。該電路可量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準，且可計算取決於該第一電壓位準與該第二電壓位準之間的一差值與該第三電壓位準之一比率的該操作溫度。

Description

用於溫度感測之裝置及系統與用於量測半導體之操作溫度之方法
本文之實施例係關於處理器，且更特定言之，本文之實施例係關於晶片上溫度感測器之實施方案。
高階微處理器晶片之效能多年來已提高且鑑於未來晶片設計而不斷提高。一般而言，微處理器之效能增強可與更高時脈頻率(即，較短時脈週期)(其允許在一給定時段內執行更多指令)及更小製造技術(其允許將更複雜電路設計至一晶片之一給定區域中(即，更高密度電路)以允許更多功能性)相關聯。然而，處理器頻率及電路密度之此等增大可包含電力消耗之增加且因此可增大晶片溫度及晶片內之溫度變動。
依具有橫跨晶片之溫度變動的一高溫操作之一微處理器可經歷各種問題，諸如(例如)效能降級、洩漏電力增加、可靠性降低、功能失效等等。因此，需要在微處理器晶片設計期間適當地解決熱考量因素。用於獲得溫度資訊之一方法可為：將熱二極體放置於晶片上之若干位置處。然而，此方法需要專用於操作二極體之諸多外部接針，且亦需要外部伴隨晶片來讀取由各熱二極體產生之溫度資訊。
本發明揭示用於一溫度感測裝置之系統及方法之各種實施例。用於溫度感測之裝置可包括：一第一溫度敏感電路，其經組態以基於一當前操作溫度產生一第一電壓位準；一第二溫度敏感電路，其經組態以基於該當前操作溫度產生一第二電壓位準，其中該第二溫度敏感電路具有一溫度敏感性(sensitivity)，其不同於該第一溫度敏感電路之一溫度敏感性；一參考電壓產生器，其經組態以產生一第三電壓位準，其中該參考電壓產生器對於溫度改變較該第一溫度敏感電路或該第二溫度敏感電路不敏感；電路，其經組態以：量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準；計算該第一電壓位準與該第二電壓位準之間的一差值；及基於該差值對該第三電壓位準之一比率以判定指示該當前操作溫度之一值。
在一進一步實施例中，為量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準，該電路可經組態以量測使一電容器分別充電至該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準之各者的一時間。在另一實施例中，為量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準，該電路可經進一步組態以一次一個地選擇該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準之各者且量測該選定電壓位準。
在一實施例中，該第一溫度敏感電路可經進一步組態以與該當前操作溫度之對應變化成線性地改變該第一電壓位準；及該第二溫度敏感電路可經進一步組態以與該當前操作溫度之該等對應變化成線性地改變該第二電壓位準。
在另一實施例中，該電路可經進一步組態以：在一單一溫度處校準該第一溫度敏感電路及該第二溫度敏感電路；及回應於校準該第一溫度敏感電路及該第二溫度敏感電路而判定多個校準值。
在一進一步實施例中，該第一溫度敏感電路之該溫度敏感性及該第二溫度敏感電路之該溫度敏感性可回應於一製程之變動而改變，且該電路可經進一步組態以藉由使用該等校準值而補償該等溫度敏感性之變化。在另一實施例中，該電路可經進一步組態以將該經判定之值發送至一電力管理單元。
100:處理器
101:核心
101a至101p:核心
102a至102p:L1快取記憶體
110:交叉開關
120:L2快取記憶體
120a至120b:L2快取記憶體
130:記憶體介面
140:L3快取記憶體
140a至140d:溫度感測單元
150:系統記憶體
150a至150d:電力管理單元(PMU)/電力控制電路
201:波形/接面溫度
202:波形/操作頻率
203:波形/電壓位準
210:溫度
211:參考電壓位準(VREF)
212:第一溫度敏感電路之電壓位準(VBE1)
213:第二溫度敏感電路之電壓位準(VBE15)
300:溫度感測單元
301:電壓產生器(VREF)
302:電壓產生器(VBE1)
303:電壓產生器(VBE15)
304:電壓產生器
310:控制單元
313:電流源
315:類比多工單元(MUX)
317:比較器
318:電容器(C)
319:電晶體(Q)
320:計數器
330:算術邏輯單元(ALU)
340:時脈源/時脈
400:溫度感測單元
401:電壓產生器(VREF)
402:電壓產生器(VBE1)
403:電壓產生器(VBE15)
404:電壓產生器
417:比較器
417a至417c:比較器
418:電容器(C)
420:計數器
420a至420c:計數器
430:算術邏輯單元(ALU)
501:區塊
502:區塊
503:區塊
504:區塊
505:區塊
506:區塊
507:區塊
以下詳細描述參考附圖，現簡要地描述附圖：圖1係繪示一微處理器之一實施例的一方塊圖。
圖2A係繪示一微處理器之一實施例中之溫度、操作頻率及操作電壓之間的一可能關係的一曲線圖。
圖2B係繪示一溫度感測單元之一實施例中之溫度與各種電壓位準之間的一可能關係的一曲線圖。
圖3係繪示一溫度感測單元之一實施例的一方塊圖。
圖4係繪示一溫度感測單元之另一實施例的一方塊圖。
圖5繪示一流程圖，其描繪用於操作一溫度感測單元之一方法之一實施例。
儘管本發明容許各種修改及替代形式，但本發明之特定實施例依舉例方式展示於圖式中且將在本文中加以詳細描述。然而，應瞭解，圖式及其詳細描述不意欲將本發明限制於所繪示之特定形式，而是相反地，本發明將涵蓋落入由隨附申請專利範圍界定之本發明之精神及範疇內之所有修改、等效物及替代。本文所使用之標題僅為組織結構之目的且不意謂用於限制本發明之範疇。如本申請案中所使用，用語「可」用於意指容許(即，意謂「有可能」)，而非意指強制(即，意謂「必須」)。類似地，用語「包含」意謂「包含(但不限於)」。
可將各種單元、電路或其他組件描述為「經組態以」執行一或若干任務。在此等內文中，「經組態以」係結構之一廣泛敘述，其大 體上意謂「具有在操作期間執行任務之電路」。因而，即使當單元/電路/組件當前未接通時，該單元/電路/組件仍可經組態以執行任務。一般而言，形成對應於「經組態以」之結構的電路可包含硬體電路。類似地，為了方便，可在本發明中將各種單元/電路/組件描述為執行一或若干任務。此等描述應被解譯為包含片語「經組態以」。敘述經組態以執行一或多個任務之一單元/電路/組件明確地不意欲調用35 U.S.C.§ 112，段落(f)解譯用於該單元/電路/組件。更一般而言，若未明確敘述語言「用於...之構件」或「用於...之步驟」，則任何元件之敘述明確地不意欲調用35 U.S.C.§ 112，段落(f)解譯用於該元件。
引言
一般而言，一微處理器(亦指稱一「處理器」、一「微處理單元」或「MPU」)可包含一或多個處理器核心。一處理器核心(或簡稱為一「核心」)可係指一微處理器之一單元，其能夠執行程式指令且獨立於該微處理器內之其他處理器核心而處理資料，使得多個核心可同時執行指令。一處理核心之效能可受諸多因數(其包含微處理器時脈速率、微處理器中之核心之數目、及記憶體存取之速率)影響。
可影響效能之另一因數係微處理器晶片本身之一溫度。若依較高時脈頻率及/或較高供應電壓操作，則微處理器晶片之溫度可升高，在可用於現代晶片中之高密度設計中尤其如此。晶片之溫度(本文中亦指稱一接面溫度)可升高超過封裝晶片周圍之環境溫度。在一些實施例中，可使用外部組件(諸如散熱器及風扇)來改良一封裝微處理器之散熱，藉此使晶片較快冷卻且允許微處理器依一較高效能位準運行一較長時間。即使使用此等外部組件，一微處理器仍可在一給定時間量內產生比可耗散之熱量多之熱量。
在其中可包含2個、4個或甚至32個或32個以上處理器核心之一 多核心微處理器中，各種核心可依不同效能位準操作，其可導致橫跨一微處理器晶片之溫度之變動。在一些情況中，該等核心之一部分可依一較高效能位準操作且因此產生比該等核心之剩餘部分多之熱量。橫跨該晶片之此等溫度變動可引起各種問題，諸如(例如)效能降級、洩漏電力增加、可靠性降低、功能失效等等。為解決該等溫度變動，可在整個微處理器晶片中之多個位置處需要溫度感測來調整效能位準以補償高操作溫度。為最小化晶粒大小增大及晶片接針計數增大，可期望具有一小型設計且無需外部接針之一溫度感測電路。再者，此一溫度感測電路之精確度需要足以在一失效發生之前進行此等調整之一精確度位準，且無需不必要地限制微處理器之效能能力。
本文所揭示之實施例可在其中需要較少外部接針之一小型電路設計中提供精確晶片上溫度感測。此等實施例可量測接面溫度且將量測溫度轉換成數位控制信號，可將該等數位控制信號發送至一或多個晶片上電力管理單元以調整在微處理器中操作之核心之頻率及/或電壓。一些實施例可包含一校準能力來補償程序及電力供應變動，其可在微處理器操作期間產生更精確溫度感測。
多核心處理器概述
在各種實施例中，一多核心處理器可包含一處理核心之數個例項、以及其他特徵。圖1中描繪一16核心處理器之一實例。在所繪示之實施例中，處理器100可包含一核心之16個例項，其等表示為核心101a至101p且亦標示「核心0」至「核心15」。核心101a至101p可各包含局部L1快取記憶體102a至102p。核心101a至101p可透過交叉開關110而耦合至L2快取記憶體120a及120b。另外，核心101a至101p可透過L2快取記憶體120a至120b而耦合至記憶體介面130。記憶體介面130可進一步耦合至L3快取記憶體140以及系統記憶體150。應注意，在各種實施例中，圖1之組織可表示一邏輯組織而非一實體組織，且亦可 採用其他組件。例如，在一些實施例中，核心101a至101p及L2快取記憶體120a至120b可不直接連接至交叉開關410，而是可代以透過中間邏輯而與交叉開關介接。L3快取記憶體140及系統記憶體可駐留於處理器100之外部。
核心101a至101p可經組態以執行指令且根據一特定指令集架構(ISA)而處理資料。在一實施例中，核心101a至101p可經組態以實施SPARC® V9 ISA，但在其他實施例中，可考量：可採用任何所要ISA，諸如(例如)x86、ARM®、PowerPC®或MIPS®。另外，如下文所更詳細描述，在一些實施例中，核心101之各例項可經組態以同時執行多個執行緒，其中各執行緒可包含可獨立於來自另一執行緒之指令而執行之一組指令。在各種實施例中，可考量：任何適合數目個核心101a至101p可包含於一處理器內，且核心101a至101p可同時處理某數目個執行緒。
L1快取記憶體102a至102p可駐留於核心101a至101p內或可駐留於核心101a至101p與交叉開關110之間。L1快取記憶體102a至102p可經組態以快取供其各自核心101a至101p使用之指令及資料。在一些實施例中，可使用集相聯或直接映射技術來實施各個別快取記憶體102a至102p。例如，在一實施例中，L1快取記憶體102a至102p可為13千位元組(KB)快取記憶體，其中各L1快取記憶體102a至102p與一13位元組線大小2路集相聯，但其他快取記憶體大小及幾何形狀係可行的且在考量範圍內。
交叉開關110可經組態以管理核心101a至101p與共用L2快取記憶體120a至120b之間的資料流。在一實施例中，交叉開關110可包含邏輯(諸如(例如)多工器或一交換結構)，其允許任何核心101a至101p存取任何記憶體庫之L2快取記憶體120a至120b，且相反地允許資料自任何記憶體庫之任何L2快取記憶體120a至120b返回至任何核心101a至 101p。交叉開關110可經組態以同時處理自核心101a至101p至L2快取記憶體120a至120b之資料請求以及自L2快取記憶體120a至120b至核心101a至101p之資料回應。在一些實施例中，交叉開關110可包含邏輯來使資料請求及/或回應排隊，使得當等待服務時，請求及回應可不阻礙其他活動。應注意，在各種實施例中，可使用任何適合類型之互連網路(其在一些實施例中可對應於一實體交叉開關互連)來實施交叉開關110。
L2快取記憶體120a至120b可經組態以快取供核心101a至101p使用之指令及資料。L2快取記憶體120a可耦合至核心101a至101h且L2快取記憶體120b可類似地耦合至核心101i至101p。隨著核心101之數目增加，L2快取記憶體120之大小及/或數目亦可增加以適應額外核心101。例如，在包含16個核心之一實施例中，L2快取記憶體120可經組態為各具有3MB之2個快取記憶體，其中各快取記憶體包含384KB之8個個別快取記憶體庫，其中各記憶體庫可與256個集合及一13位元組線大小24路集相聯，但亦可採用任何其他適合快取記憶體大小或幾何形狀。
記憶體介面130可經組態以回應於(例如)L2填充請求及資料收回而管理L2快取記憶體120a至120b之間的資料傳送或外部系統記憶體。在一些實施例中，可實施記憶體介面130之多個例項，其中各例項經組態以控制一各自記憶體庫之外部系統記憶體。記憶體介面130可經組態以介接至任何適合類型之記憶體，諸如(例如)全緩衝雙列記憶體模組(FB-DIMM)、雙倍資料速率或雙倍資料速率2同步動態隨機存取記憶體(DDR/DDR2 SDRAM)或Rambuus® DRAM(RDRAM®)。在一些實施例中，記憶體介面130可經組態以支援介接至多個不同類型之記憶體。
可將核心101a至101p組織成群組，其中各群組之核心經實體同置 以共用資源(諸如局部分配式電力供應信號及時脈信號)。在所繪示之實施例中，可將核心101a至101p分段成由四個核心組成之群組，使得各群組之核心可大致佔據一微處理器晶片之一象限。各象限可包含一或多個溫度感測單元140a至140d。溫度感測單元140a至140d可監測其各自象限中之一接面溫度。監測可為連讀的，週期性的，或回應於由核心101a至101p之一給定核心確證之一控制信號。將在下文提供溫度感測單元之實施例之細節。
除溫度感測單元140a至140d之外，電力管理單元(PMU)150a至150d之一給定者亦可位於各象限中。電力控制電路150a至150d可控制各象限內之電力供應信號及時脈信號之局部分配。電力控制電路150a至150d可控制一或多個電力供應信號之電壓位準且可控制至一各自象限中之核心101的一或多個時脈信號之頻率。可藉由使用電壓調節電路或藉由透過開關或多工器自多個電力供應信號選擇而調整電壓位準。類似地，可透過使用局部時脈除法器電路或藉由透過開關或多工器自多個時脈信號選擇而調整時脈信號頻率。在一些實施例中，電力控制電路可自處理器100中之其他組件(諸如，自核心101a至101p之一者或自一對應溫度感測單元140a至140d)接收命令以調整電壓位準或時脈頻率。在其他實施例中，電力控制電路150a至150d可自一對應溫度感測單元140a至140d接收一溫度值且判定是否需要調整。
應注意，圖1僅為一多核心處理器之一實例。在其他實施例中，處理器100可包含網路及/或周邊介面。由於諸多其他實體配置可為可行的且在考量範圍內，所以實體結構可不由圖1表示。
轉至圖2，圖中繪示兩個曲線圖。圖2A展示一曲線圖，其繪示一微處理器之一實施例(諸如(例如)圖1中之處理器100)中之接面溫度、供應電壓及操作頻率之間的一可能關係。波形201展示針對供應電壓及操作頻率之各種組合之隨時間之一實例性接面溫度分佈。波形202 展示可由處理器100利用之隨時間之一操作頻率分佈。波形203可對應於處理器100中之一電力供應器之一電壓位準之隨時間之一分佈。
在時間t0處，接面溫度201可處於一低點，例如，在包含處理器100之一系統通電之後。可將操作頻率202設定為用於最大效能之一高頻率且亦可將供應電壓203設定至一高位準以支援該高頻率。自時間t0至時間t1，接面溫度201可回應於該高頻率及該高電壓位準而升高。在時間t1處，接面溫度201可達到一第一臨限位準，其可對應於一最大安全操作溫度。可回應於達到該第一臨限位準而減小操作頻率202及電壓位準203以降低電力消耗。
當電力消耗減少時，可產生更少熱量且包含處理器100之一封裝器件能夠耗散比產生之熱量多之熱量，其可導致接面溫度201在時間t1至時間t2之間下降。在時間t2處，接面溫度201可達到一第二臨限位準，其可對應於足夠低於最大安全操作溫度之一溫度以允許恢復至較高效能設定值。數個準則之任何組合可用於判定該第二臨限溫度之一設定值。回應於達到該第二臨限位準，可使電壓位準203回升至t0之先前位準，同時可升高操作頻率202，但可將操作頻率202設定至低於時間t0處之設定值的一頻率。在時間t2之後，接面溫度201可再次開始升高(可依低於時間t0至時間t1之間的速率的一速率)。
圖2A之曲線圖突顯：監測一微處理器之接面溫度可如何用於使該微處理器保持於一安全操作範圍內。應注意，圖2A之波形僅為實例且經簡化以論述所揭示之概念。實際波形可歸因於各種影響(諸如操作條件、所使用之製造技術、及製造期間之處理變動)而變動。例如，在一些實施例中，接面溫度201可在時間t2之後依一較低速率繼續下降，而非升高。
移至圖2B，另一曲線圖繪示一溫度感測單元之一實施例(諸如(例如)溫度感測單元140a至140d之一者)中之溫度與各種電壓位準之間的 關係。該曲線圖中繪示四個波形。溫度210可對應於一晶片之一接面溫度。VREF 211可對應於該晶片上之一參考電壓位準。一第一溫度敏感電路之一電壓位準可對應於VBE1 212。一第二溫度敏感電路之一電壓位準可對應於VBE15 213。
在圖2B之實例中，將VREF 211展示為不會相對於溫度210之變化而變動。換言之，VREF 211可在晶片之接面溫度改變時保持恆定。在一些實施例中，VREF 211亦可在耦合至晶片之一電力供應器之一電壓位準改變時保持恆定(但為此需要該電力供應器高於一最小電壓)。在其他實施例中，VREF 211與該電力供應器之電壓位準之變化成比例地改變。任何適合電路設計可用於產生VREF 211，諸如(例如)一帶隙電壓參考或一電壓調節器之一輸出。
與VREF 211相比，將VBE1 212展示為相對於溫度210之變化而反比例地改變。當溫度210升高時，VBE1 212下降，且當溫度210下降時，VBE1 212升高。類似地，VBE15 213可分別回應於溫度210之升高及下降而下降及升高。然而，VBE15 213可具有不同於VBE1 212之一變化率，即，溫度斜率。換言之，VBE15 213可回應於升高溫度210而比VBE1 212慢地下降且可回應於溫度210下降而比VBE1 212慢地升高。在一些實施例中，VBE1 212及VBE15 213可不相對於溫度之變化而線性地改變，但VBE1 212與VBE15 213之間的一差量可相對於溫度變化而保持線性的。在一些實施例中，VBE15 213及VBE1 212兩者可對耦合至晶片之一電力供應器之一電壓位準之變化敏感。因此，可假定圖2B中之波形發生於一給定操作電壓位準處。在此等實施例中，VBE15 213及VBE1 212兩者可與該電壓位準之變化成比例地調整。
可使用利用任何適合電路設計之類似電路來實施用於產生VBE15 213及VBE1 212之電壓供應。例如，在一些實施例中，電壓供應設計可包含由各自雙極性接面電晶體(BJT)建立之二極體。為建立各二極體 之不同溫度斜率，用於產生VBE1 212之二極體可經設計以具有一電流密度，該電流密度係用於產生VBE15 213之二極體之電流密度之一已知倍數。例如，VBE1 212二極體可具有係VBE15 213二極體之電流密度之15倍的一電流密度。
圖2B之曲線圖繪示：藉由理解所包含之電壓位準之關係可實現用於量測一微處理器之一接面溫度之一方法。應注意，圖2B之波形係用於論述所揭示之概念的簡化實例。例如，儘管將VREF 211展示為低於VBE15 213及VBE1 212兩者，但在一些實施例中，在某些溫度處，VREF 211可高於VBE1 212或VBE15 213。如同圖2A，實際波形可歸因於各種影響(諸如操作條件、所使用之製造技術、及製造期間之處理變動)而變動。
現轉至圖3，圖中呈現繪示一溫度感測單元之一實施例的一方塊圖。溫度感測單元300可對應於溫度感測單元140a至140d之一例項。溫度感測單元300可包含全部耦合至類比多工單元(類比MUX)315之輸入端的三個電壓產生器304：VREF 301、VBE1 302及VBE15 303。溫度感測單元300亦可包含控制單元310，其耦合至類比MUX 315、電流源313、計數器320、算術邏輯單元(ALU)330及電晶體(Q)319。比較器317亦可包含於溫度感測單元300中，比較器317耦合至類比MUX 315之一輸出端及電容器318。時脈源340可耦合至計數器320。
VREF 301可為一電壓產生器，其提供對應於圖2B中之VREF 211之波形的一輸出。VREF 301可為一帶隙電壓參考或任何其他適合電路，且可具有小於VBE1 302或VBE15 303之一溫度斜率(每攝氏度溫度變化之電壓位準變化量)。在一些實施例中，VREF 301可回應於溫度變化而幾乎無電壓位準變化。歸因於其隨溫度之穩定性，VREF 301可在溫度感測單元300中用作為VBE1 302及VBE15 303之一參考點。
VBE1 302及VBE15 303可為一對電壓產生器，其等提供對應於圖2B 中之VBE1 212及VBE15 213的輸出。VBE1 212及VBE15 213可為具有可預測溫度斜率之任何適合電壓產生電路。VBE1 212可經設計以具有比VBE15 213高之一溫度斜率。例如，VBE1 212及VBE15 213兩者可包含溫度敏感二極體，其經設計使得VBE1 212之一電流密度係VBE15 213之電流密度之15倍。在其他實施例中，可使用除15之外之倍數。
VREF 301、VBE1 302及VBE15 303之輸出端可全部耦合至類比MUX 315之輸入端。控制單元310可耦合至類比MUX 315之選擇輸入端且可控制類比MUX 315選擇三個電壓產生器304之一給定者。類比MUX 315之輸出端可耦合至比較器317之一輸入端。比較器317可根據兩個類比輸入信號之何者具有一較高電壓位準而輸出具有一值之一數位信號。
控制單元310亦可耦合至電流源313以啟用或停用電流源313之一輸出。不管呈現於輸出上之一電壓位準如何，電流源313可在被啟用時輸出一恆定電流。電流源313之輸出端可耦合至電容器318、電晶體319、及比較器317之一第二輸入端。電流源313可在由控制單元310啟用時對電容器318充電，同時切斷電晶體319。電流源313之恆定電流輸出可引起一可重複電壓斜坡在比較器317之第二輸入端上升高。當比較器317之第二輸入端上之電壓位準等於或大於比較器317之另一輸入端上之來自選定電壓產生器304之電壓位準，則比較器317之輸出可轉變。比較器317之輸出端可耦合至計數器320之一輸入端，使得此轉變停用計數器320之進一步遞增。
在電壓斜坡之電壓位準已達到選定電壓產生器之電壓位準之後，控制310可接通電晶體319且切斷電流源313。切斷電流源313且接通電晶體319可允許電晶體319使電容器318上之電壓位準放電至約零伏特，即，使電容器318放電。
控制單元310亦可啟用、停用及重設計數器320。例如，控制310 可在停用電流源313時重設計數器320且接著在接通電流源313之一類似時間啟用計數器320。計數器320可在被啟用時回應於自時脈源340接收之一時脈信號之一升高或下降轉變而使一計數值遞增。藉由在大致相同時間啟用電流源313及計數器320兩者，計數器320可在電容器318之電壓斜坡小於選定電壓產生器304時遞增且接著在電壓斜坡達到選定電壓產生器304時回應於比較器317之轉變而停止遞增。計數器320之值可對應於使電壓斜坡之位準達到選定電壓產生器304之電壓位準的一時間。假定電壓斜坡維持一致變化率且時脈源340保持一致，可根據VREF 301、VBE1 302及VBE15 303之各者(其對應於三個電壓產生器304之各者之相對電壓位準)而判定計數值。計數器320可將各計數值發送至ALU 330，ALU 330可回應於來自控制單元310之一信號而計算對應於電壓產生器304之位置處之溫度的一溫度值。ALU 330可利用用於三個電壓產生器304之各者的該等計數值來判定該溫度值。
為判定一溫度值，ALU 330可經設計以計算一方程式(其表達三個電壓產生器304之電壓位準與電壓產生器304之一溫度之間的關係)之一結果。為判定該方程式，一第一步驟需要判定用於電壓產生器304之各者之方程式。電壓產生器304可經設計使得各輸出之電壓位準之一方程式可表達為二極體之一電壓位準之一方程式。方程式1中給出用於判定取決於電壓及溫度之二極體之電流的一方程式。
Figure 104128481-A0305-02-0015-1
Io係二極體之一反向偏壓電流，且q/η係電荷密度之一量測，K係波茲曼(Boltzmann)常數，且Temp係以開氏度為單位之溫度。VBE係橫跨二極體之電壓且可對應於電壓產生器304之各輸出之電壓位準。應注意，方程式1可在VBE
Figure 104128481-A0305-02-0015-15
200mV時有效。在一些實施例中，可在具有不同電流密度之兩個二極體上量測VBE。在一些實施例中，VBE1 302及VBE15 303可經設計使得VBE1 302產生約為VBE15 303之一電流之15 倍的一電流。在此等實施例中，方程式1可用於產生方程式2。
Figure 104128481-A0305-02-0016-2
方程式2可求得方程式3中之VBE15及方程式4中之VBE1。接著，可藉由自方程式4之兩邊減去VBE15而將方程式3及方程式4組合成方程式5。
Figure 104128481-A0305-02-0016-3
Figure 104128481-A0305-02-0016-4
Figure 104128481-A0305-02-0016-5
為計算溫度Temp，如上文所描述，量測VBE1 302及VBE15 303之電壓位準、以及VREF 301之電壓位準。方程式6、方程式7及方程式8中提供相對於電容器318之一電容值及一時間t之VBE1 302、VBE15 303及VREF 301之方程式。各時間t可對應於將電容器318充電至各電壓產生器304之各自電壓位準的一時間。
Figure 104128481-A0305-02-0016-6
Figure 104128481-A0305-02-0016-7
Figure 104128481-A0305-02-0016-8
可藉由自方程式6減去方程式7而組合方程式6及方程式7以建立方程式9。項(VBE1-VBE15)可由方程式5代替以產生方程式10。
Figure 104128481-A0305-02-0016-16
Figure 104128481-A0305-02-0016-10
為自方程式10移除與電容值C之相依性，方程式8可求得C且代入方程式11中。接著，方程式11可求得Temp以產生方程式12。
Figure 104128481-A0305-02-0016-11
Figure 104128481-A0305-02-0016-12
在方程式12中，時間t可由N代替，其中N可對應於來自計數器320之各自計數值。由於一N項出現於分子及分母兩者中，因此N之單 位抵消以指示：只要時脈340對於用於量測電壓產生器304之三個輸出的三個計數值係一致的，則絕對時間與判定溫度無關。因此，可使用一恆定值qVREF/Kηln15(其可經每部分校準)乘以(N1-N15)/Nref來判定溫度。在方程式12中，Temp仍以開氏度為單位。
在一單一校準程序期間，可在一已知溫度Tc(Tc現以攝氏度為單位)處使用方程式13(自方程式12導出)來計算常數，且在Tc處自用於三個電壓產生器304之計數器320產生校準計數值(Nrefc、N1c及N15c)。
Figure 104128481-A0305-02-0017-13
現可由方程式14(T現以攝氏度為單位)判定一溫度值。
Figure 104128481-A0305-02-0017-14
使用方程式14，可獨立於電壓產生器304或電容器(C)318之程序變動而計算一接面溫度量測。該接面溫度量測之精確度可取決於單一校準程序期間之溫度量測之精確度及依據一給定溫度量測而產生三個計數值時之時脈340之穩定性。換言之，單一校準程序可補償製造期間之任何程序變動。另外，由於常數取決於VREF，所以單一校準程序亦可有助於補償供應電壓變化。
應注意，圖3僅為一溫度感測單元之一實例。在其他實施例中，溫度感測單元300可包含其他組件或組件可依不同方式耦合。由於諸多其他實體配置可為可行的且在考量範圍內，所以實體結構可不由圖3表示。
現移至圖4，圖中繪示一溫度感測單元之另一實施例。溫度感測單元400可為圖1中之一溫度感測單元140a至140d之另一實施例的一替代實施例。在處理器100之一些實施例中，溫度感測單元140a至140d可對應於溫度感測單元300及溫度感測單元400之一組合。溫度感測單元400之組件可對應於溫度感測單元300之類似組件，因此，除下文所提及內容之外，相對於圖3之組件描述亦可應用於圖4之實施例。
與溫度感測單元300相比，溫度感測單元400可不包含一類比多工單元(諸如類比MUX 315)，且可代以包含各耦合至一各自額外計數器之兩個額外比較器。VREF 401、VBE1 402及VBE15 403之輸出端可分別耦合至比較器417a、417b及417c之輸入端。比較器417a至417c之輸出端可分別耦合至計數器420a至420c，使得當電容器418上之一電壓斜坡之一電壓位準升高至高於電壓產生器404之一各自輸出之一電壓位準時，各自計數器420a至420c可中止使其計數值遞增。各計數器420a至420c可將其各自計數值發送至待用於一接面溫度計算中之ALU 430。ALU 430可判定一接面溫度，如針對圖3中之ALU 330所描述。
藉由包含用於各電壓產生器404之一各自比較器417及各自計數器420，溫度感測單元400能夠並行量測各電壓產生器404之一電壓位準。並行量測各電壓位準可比串行量測各電壓位準減少用於判定一接面溫度之一時間。如本文所使用，「並行」不意欲隱含一完全重疊，而是指示：各量測之至少一部分可發生於其他量測之至少一部分係在進行中時。然而，新增兩個比較器及兩個計數器可使溫度感測單元400之一晶粒大小大於溫度感測單元300之一晶粒大小。
應注意，圖4僅為一溫度感測單元之另一實例。在其他實施例中，可依不同方式耦合溫度感測單元400之組件且可包含或排除其他組件。由於諸多其他實體配置可為可行的且在考量範圍內，所以實體結構可不由圖4表示。
用於偵測溫度之方法
現轉至圖5，圖中繪示用於操作一溫度感測單元來判定一接面溫度且用於調整一處理器之一效能的一方法。圖5之方法可應用於一溫度感測單元(諸如圖3之溫度感測單元300或圖4之溫度感測單元400)以及一處理器(諸如圖1中之處理器100)。共同參考處理器100、溫度感測單元300及圖5之流程圖，該方法可開始於區塊501。
可產生第一電壓位準、第二電壓位準及第三電壓位準(區塊502)。該第一電壓位準可對應於VREF 301之一輸出且可具有一第一溫度斜率，即，每攝氏度溫度變化之電壓位準變化量。該第二電壓位準可對應於VBE1 302之一輸出且可具有一第二溫度斜率，同時該第三電壓位準可對應於VBE15 303之一輸出且可具有一第三溫度斜率。該第二溫度斜率可為最高的，接著為該第三溫度斜率，且該第一溫度斜率可為最低的。在一些實施例中，該第一溫度斜率可約為零，即，電壓位準回應於接面溫度之變化而無顯著改變。
可量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準(區塊503)。可執行該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準之量測，如相對於圖3所描述。即，可一次一個地選擇各電壓位準，且可將使一電壓斜坡升高至高於選定電壓位準之一時間量測為一計數器(諸如計數器320)之一計數值。替代地，可量測該三個電壓位準，如相對於圖4所描述。換言之，各電壓位準可具有用於並行量測該三個電壓位準之一對應比較器及計數器。獨立於所使用之量測方法，可將各計數值發送至待用於溫度計算中之一算術邏輯單元，諸如ALU 330。
可計算取決於由該算術邏輯單元接收之三個計數值的接面溫度(區塊504)。該算術邏輯單元(諸如(例如)ALU 330)可經設計以使用區塊503中所接收之三個計數值來計算或在一些實施例中，估計接面溫度。ALU 330可使用一方程式，諸如上文所描述之方程式14。在一些實施例中，該方程式可包含可與器件相依之一恆定值。換言之，製程期間之部分間變動可導致此恆定值因各部分(即，各處理器100)而不同。因而，可在出廠測試期間對各部分執行一單一校準且可將與該恆定值相關聯之值儲存於各處理器100內之一非揮發性記憶體中(例如，在一熔線盒(若可用)中)或儲存於位於一處理器100外部之一非揮發性 記憶體(其呈可用於包含處理器100之一系統內之非揮發性記憶體之一適合形式)中。可將所計算之接面溫度發送至一對應電力管理單元，諸如PMU 150a至150d之一者。
該方法可取決於接面溫度之一值(區塊505)。PMU 150a至150d之一者可比較接面溫度量測與一臨限值。處理器100可經設計以在處於或低於一給定最大接面溫度時操作。若接面溫度達到最大值，則處理器100無法可靠地執行且在一些實施例中，可存在實體受損壞之危險。為有助於防止發生此類情況，一臨限值(其低於最大接面溫度以提供一安全邊限)可經建立使得若接面溫度達到該臨限值，則一PMU 150a至150d可改變處理器100之操作參數，其可降低接面溫度。
在一些實施例中，可包含一第二臨限值。可建立完全低於最大接面溫度值之一第二臨限值。若接面溫度達到該第二臨限值，則處理器100可依一足夠低溫度操作，使得先前為了降低接面溫度而對操作參數所作之任何變化可反向，其可改良處理器100之一效能位準。若接面溫度量測超過一臨限值，則該方法可前進至區塊506以調整操作參數。否則，該方法可結束於區塊507。
若接面溫度量測超過該臨限值，則可調整處理器100之操作參數(區塊506)。為降低接面溫度，需要將處理器100之電力消耗減小至一位準，在該位準處，處理器100之一封裝之電力耗散能力大於變成處理器100內之熱量的電力。由於電力取決於電壓及頻率兩者，所以電壓及頻率之任一者或兩者可經降低以減少電力消耗。在一些實施例中，各PMU 150a至150d可包含與一各自操作頻率設定值配對之複數個供應電壓設定值。
各PMU 150a至150d可從可使處理器100中之對應核心101之效能最大化之一第一電壓-頻率設定值開始。後續電壓-頻率設定值可產生低於先前設定值之一電力消耗，使得每當一給定PMU 150a至150d判 定所量測之接面溫度已升高至高於臨限值時，選擇下一電壓-頻率設定值。此可繼續，直至一接面溫度量測下降至低於臨限值，此時，給定PMU 150a至150d可藉由選擇先前電壓-頻率設定值而提高效能。在一些實施例中，需要所量測之接面溫度在反向切換至一先前電壓-頻率設定值之前之預定時間量內保持低於臨限值。在其他實施例中，可使用低於初始臨限值之一第二臨限值來替代預定時間量。在此等實施例中，需要在給定PMU 150a至150d可選擇先前電壓-頻率設定值之前使一接面溫度量測低於該第二臨限值以改良效能。在一實施例(諸如處理器100)中，各PMU 150a至150d可控制一對應群組之核心101之供應電壓及操作頻率設定值。若各溫度感測單元140a至140d量測與各群組之核心101相關聯之一接面溫度，則可獨立地控制及監測各群組之核心101之電力消耗及接面溫度。該方法可結束於區塊507。
圖5之方法僅為一實例。儘管將圖5之方法中所繪示之操作描繪為依一循序方式執行，但在其他實施例中，可並行或依一不同序列執行操作之部分或全部。
一旦完全瞭解本發明，則熟習技術者將明白諸多變動及修改。意欲將以下申請專利範圍解譯為涵蓋所有此等變動及修改。
300:溫度感測單元
301:電壓產生器(VREF)
302:電壓產生器(VBE1)
303:電壓產生器(VBE15)
304:電壓產生器
310:控制單元
313:電流源
315:類比多工單元(MUX)
317:比較器
318:電容器(C)
319:電晶體(Q)
320:計數器
330:算術邏輯單元(ALU)
340:時脈源/時脈

Claims (20)

  1. 一種用於溫度感測之裝置，其包括：一第一溫度敏感電路，其經組態以基於一當前操作溫度產生一第一電壓位準；一第二溫度敏感電路，其經組態以基於該當前操作溫度產生一第二電壓位準，其中該第二溫度敏感電路具有一溫度敏感性(sensitivity)，其不同於該第一溫度敏感電路之一溫度敏感性；一參考電壓產生器，其經組態以產生一第三電壓位準，其中該參考電壓產生器對於溫度改變較該第一溫度敏感電路或該第二溫度敏感電路不敏感；電路，其經組態以：量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準；計算該第一電壓位準與該第二電壓位準之間的一差值；及基於該差值對該第三電壓位準之一比率以判定指示該當前操作溫度之一值。
  2. 如請求項1之裝置，其中為量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準，該電路經進一步組態以量測使一電容器分別充電至該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準之各者的一時間。
  3. 如請求項1之裝置，其中為量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準，該電路經進一步組態以一次一個地選擇該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準之各者且量測該選定電壓位準。
  4. 如請求項1之裝置，其中該第一溫度敏感電路經進一步組態以與該當前操作溫度之對應變化成線性地改變該第一電壓位準；及 其中該第二溫度敏感電路經進一步組態以與該當前操作溫度之該等對應變化成線性地改變該第二電壓位準。
  5. 如請求項1之裝置，其中該電路經進一步組態以：在一單一溫度處校準該第一溫度敏感電路及該第二溫度敏感電路；及回應於校準該第一溫度敏感電路及該第二溫度敏感電路而判定多個校準值。
  6. 如請求項5之裝置，其中該第一溫度敏感電路之該溫度敏感性及該第二溫度敏感電路之該溫度敏感性回應於一製程之變動而改變，且其中該電路經進一步組態以藉由使用該等校準值而補償該等溫度敏感性之變化。
  7. 如請求項5之裝置，其中該電路經進一步組態以將該經判定之值發送至一電力管理單元。
  8. 一種用於量測一半導體之一操作溫度的方法，其包括：基於一當前操作溫度產生一第一電壓位準，其中該第一電壓位準回應於該操作溫度之一給定變化而改變達一第一量；基於該當前操作溫度產生一第二電壓位準，其中該第二電壓位準回應於該當前操作溫度之該給定變化而改變達不同於該第一量之一第二量；產生一第三電壓位準，其中該第三電壓位準回應於該當前操作溫度之該給定變化而改變達一第三量，其中該第三量小於該第一量及該第二量；量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準；判定該第一電壓位準與該第二電壓位準之間的一差值；及基於該差值對該第三電壓位準之一比率以判定指示該當前操作溫度之一值。
  9. 如請求項8之方法，其中量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準包括：量測使一電容器分別充電至該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準之各者的一時間。
  10. 如請求項8之方法，其中量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準包括：一次一個地選擇該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準之各者且量測該選定電壓位準。
  11. 如請求項8之方法，其中該第一電壓位準之變化與該當前操作溫度之對應變化呈線性關係，且其中該第二電壓位準之變化與該當前操作溫度之對應變化呈線性關係。
  12. 如請求項8之方法，其進一步包括：在一單一溫度處校準該第一電壓位準及該第二電壓位準；及回應於校準該第一電壓位準及該第二電壓位準而判定多個校準值。
  13. 如請求項12之方法，其中該第一量及該第二量回應於一製程之變動而改變，且該方法進一步包括：藉由使用該等校準值而補償該第一量及該第二量中之變化。
  14. 如請求項8之方法，其進一步包括：判定取決於該經判定之值的一新操作頻率。
  15. 一種用於溫度感測之系統，其包括：至少一處理器；一時脈源，其經組態以：產生供該至少一處理器使用之一時脈信號；及調整取決於一經接收之頻率值的該時脈信號之一頻率；一溫度感測單元，其經組態以：基於一當前操作溫度以產生一第一電壓位準及一第二電壓 位準兩者，其中回應於該當前操作溫度之一給定變化，該第一電壓位準改變達一第一量且該第二電壓位準改變達不同於該第一量之一第二量；產生一第三電壓位準；量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準；計算該第一電壓位準與該第二電壓位準之間的一差值；及基於該差值對該第三電壓位準之一比率以判定指示該當前操作溫度之一值；及一電力管理單元，其經組態以回應於該當前操作溫度已改變達一臨限值之一判定而將一新頻率值發送至該時脈源。
  16. 如請求項15之系統，其進一步包括一電壓調節單元，該電壓調節單元經組態以調整取決於一經接收之電力值的一電力供應信號之一位準，其中該電力管理單元經組態以回應於該當前操作溫度已改變達該臨限值之該判定而將一新電力值發送至該電壓調節單元。
  17. 如請求項15之系統，其中為量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準，該溫度感測單元經進一步組態以量測使一電容器分別充電至該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準之各者的一時間。
  18. 如請求項15之系統，其中為量測該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準，該溫度感測單元經進一步組態以一次一個地選擇該第一電壓位準、該第二電壓位準及該第三電壓位準之各者且量測該選定電壓位準。
  19. 如請求項15之系統，其中該溫度感測單元經進一步組態以：與該當前操作溫度之對應變化成線性地改變該第一電壓位 準；及與該當前操作溫度之對應變化成線性地改變該第二電壓位準。
  20. 如請求項15之系統，其中該溫度感測單元經進一步組態以：在一單一溫度處校準該第一電壓位準及該第二電壓位準；及回應於校準該第一電壓位準及該第二電壓位準而判定多個校準值。
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