專利名稱：半導(dǎo)體器件的功率估計的制作方法
特糊牛的功率估計背景技術(shù)在各種半導(dǎo)體應(yīng)用中，越來越有利的是能夠監(jiān)測芯片(或芯片的一部 分)正消耗的功率量。例如，在一些應(yīng)用中，可能強加了最大功耗需求， 但是同時期望可以在盡可能接近該最大需求的情況下操作，以便獲得改善 的性能?，F(xiàn)有的功耗監(jiān)測(和/或估計)方法包括測量電壓和/或電流，然 后計算功耗，但遺憾的是，這樣的方法的成本可能較高，例如在用于實現(xiàn) 這些方法的電路或者制造資源方面。因此，需要一種新穎的功耗監(jiān)測方法。


通過例子給出了本發(fā)明的一些實施例，但是本發(fā)明并不限于這些實施 例，在附圖的這些圖中，同樣的附圖標(biāo)記表示相似的元件。圖l是具有用于根據(jù)一些實施例來估計功耗的溫度傳感器的半導(dǎo)體器 件的側(cè)視圖；圖2的流程圖示出了一種用于根據(jù)一些實施例來估計圖1中的半導(dǎo)體器 件的功耗的方法；圖3的方框圖示出了用于多核處理器的根據(jù)一些實施例的功率估計系統(tǒng)；圖4的流程圖示出了一個用于估計圖3中的處理器的功耗的例行程序；以及圖5是具有處理器芯片的計算機系統(tǒng)的方框圖，該處理器芯片具有根 據(jù)一些實施例的功率估計系統(tǒng)。
具體實施方式
如這里所教導(dǎo)的，本公開的基本思想在于可以使用集成電路的結(jié)溫 (Tj)來估計芯片的功率消耗。 一般己知的是-^(Ao') = V^-c 尸+『c咖z;(一是工作中的半導(dǎo)體器件的熱的部分(如，最熱的部分或相當(dāng)?shù)亟咏顭岬牟糠?的溫度(°C); 4V,是從半導(dǎo)體器件的結(jié)到外殼的熱阻；P 是器件的消耗功率；以及7_是半導(dǎo)體外殼的溫度。(如這里所使用的，外 殼對應(yīng)于半導(dǎo)體芯片的外部，典型的是一個或多個用來將熱從芯片傳導(dǎo)走 的表面。例如，它可以對應(yīng)于熱安裝到芯片上的散熱器的溫度。)己經(jīng)觀測到外殼溫度(7，) 一般相當(dāng)?shù)亟咏诠ぷ餍酒械?涼的" 區(qū)域，尤其對于諸如多核處理器芯片等較大芯片更是如此。因此，對于上面的等式，可以使用 ;(—來替換7^。這樣，根據(jù)這種替換，可以將P推導(dǎo)為<formula>formula see original document page 6</formula>參考圖1，可以使用這個近似法來估計半導(dǎo)體芯片在工作時的功耗。圖1示出了熱耦合到散熱器104的芯片(例如，硅芯片)102的側(cè)視圖。(該 圖并不是按比例繪制的，并且不包括集成電路封裝的所有元件。)芯片102 可以是任何類型的芯片，包括片上系統(tǒng)(SOC)、微控制器、多核處理器、 專用集成電路(ASIC)等，并且不僅限于此。然而，應(yīng)該注意的是已經(jīng)觀 測到對于較大和/或較高功耗的芯片，本文所公開的功率估計方法一般更 加精確。半導(dǎo)體芯片102具有溫度傳感器電路106，其用于確定芯片中的比較低 的溫度，并且還具有溫度傳感器電路108，其用于確定芯片中的比較高的溫 度。它還具有一個邏輯(未示出)，該邏輯用于接收來自傳感器的信號，以 便使用上述近似法來計算芯片所消耗的估計功率。(注意在一些實施例中， 實際上并不需要除以熱阻。也就是說，熱阻是一個常數(shù)，因此可以例如使 用高/低溫度差來控制或者限制功耗，而不必計算實際的功率值。)可以使用任何適合的溫度感應(yīng)電路來實現(xiàn)傳感器106或108。存在各種 不同類型的本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的溫度感應(yīng)電路。例如，在Doyle等人 的標(biāo)題名稱為"THERMAL SENSING FOR INTEGRATED CIRCUITS"的美 國專利申請公開No.20060265174中，批露了適合的溫度感應(yīng)電路和方案， 并且并入此處作為參考。邏輯(未示出)用于處理溫度傳感器信號并且用于使用上面的公式來 確定功率估計值，該邏輯可以由芯片內(nèi)的任何合適的電路來實現(xiàn)。例如，它可以利用板控制器中的固件指令來執(zhí)行，或者它可以由專門的電路來執(zhí) 行，例如用于實現(xiàn)有限狀態(tài)機的電路元件。傳感器106、 108可以位于芯片中的足以獲得可接受精度的功耗估計值 的任何區(qū)域。例如，如圖中所示，高溫傳感器108位于比較靠近中心的區(qū) 域，例如，位于處理器的內(nèi)核的內(nèi)部，這里的工作溫度最高。相反，低溫 傳感器位于芯片的外部區(qū)域，該外部區(qū)域是芯片中的最涼部分，并且相當(dāng) 接近于散熱器104的溫度。然而，應(yīng)該意識到，對于估計功率而言，并不 一定需要最熱的位置或最涼的位置，但是在一些實施例中，它們可以產(chǎn)生 最精確的結(jié)果。(對于這些方法，應(yīng)該意識到，這里使用的術(shù)語"高溫度"和"低溫度" 是相對的術(shù)語，并且不應(yīng)該被限制為任何特定的溫度范圍。它們用來表示 溫度之間的關(guān)系，例如，高溫度比低溫度高，反之亦然。例如，IOO'C的讀 數(shù)相對于其它更高的溫度是"低的"。同樣，20'C相對于其它更低的溫度是 "高的"。)在一些實施例中，可以使用結(jié)到外殼的熱阻t)來進行功率估計。 這是方便的，因為它已經(jīng)是可利用的。可選地，可以使用不同的熱阻值， 特別是對應(yīng)于高溫傳感器和低溫傳感器之間的熱梯度的熱阻值。它可以通 過使用足夠數(shù)量的芯片與所測量的實際功耗的特性來確定，從而可以獲得 該芯片類型的甲^。圖2總體上示出了用于估計芯片(例如，圖1中的芯片)的功率的例 行程序。開始，在202，利用傳感器108確定高溫度。接著，在204，利用 傳感器106確定低溫度。最后，在206，通過確定所述高溫度和所述低溫度 之間的差并且將該結(jié)果除以甲來導(dǎo)出所消耗功率的估計值。取決于芯片的類型、它的應(yīng)用和復(fù)雜程度，可以將所估計的功率用于 各種用途。在一些實施例中，它可以是足夠精確的，從而在實際上能夠控 制芯片被非常嚴(yán)密地驅(qū)動，以便使芯片在最大額定功率(或接近于最大額 定功率)下工作。在其它應(yīng)用中，除了另外更加精確的方案以外，它可以 用作輔助的功率監(jiān)測方案，例如，作為失效保險方案。在其它應(yīng)用中，它 可以例如與移動設(shè)備的功率節(jié)約(conservation)模式合作使用。圖3示出了具有功率估計系統(tǒng)的多核處理器芯片300的方框圖。它尤其包括內(nèi)核302 (內(nèi)核0-內(nèi)核3)、高速緩沖存儲器模塊304、以及用于管理 這些內(nèi)核工作的控制器305。它還包括用于確定低溫度的四個溫度傳感器 306 (TScO-TSc3 )以及用于確定高溫度的四個溫度傳感器308 (TShO-TSh3 )。 它們每一個都耦合到控制器305，從而控制器305可以接收到用于指示它們 的溫度的信號，以便估計芯片300的功耗。(注意對于多核處理器，可以 在每個內(nèi)核的基礎(chǔ)上使用每個內(nèi)核的熱點來進行功率估計。通過計算(例 如，在每個內(nèi)核中)每個熱點的功率，可以估計出相對的每個內(nèi)核的功率， 從而允許在一些應(yīng)用中更加精確地估計整個芯片的總功率，以及輔助各個 內(nèi)核之間的負載平衡等。)這些內(nèi)核相對地位于高速緩沖存儲器304的中心，而高速緩沖存儲器 304位于芯片的外部區(qū)域。如圖中所示，低溫傳感器306位于外部角落的附 近，遠離內(nèi)核并且更加靠近高速緩沖存儲器，這一般是芯片中的較涼的部 分。相反，高溫傳感器308位于內(nèi)核內(nèi)，這一般是芯片中的較熱的區(qū)域。圖4示出了用于估計圖3中的多核芯片302的功耗的例行程序。在這 個實施例中，該例行程序由控制器305來執(zhí)行。開始，在402，輪詢這些高 溫傳感器308，以便識別芯片中的最高測量溫度。在404，輪詢這些低溫傳 感器306，以便識別最低測量溫度。(這些任務(wù)可以以任意順序進行。)在 406，通過獲得所述最高測量溫度和所述最低測量溫度之間的差，并且將該 差除以熱阻甲來計算消耗功率的估計值。所采用的甲可以是芯片的單個熱阻(例如，結(jié)到外殼的中，或者是芯 片內(nèi)不同的、具有特定特性的點到點的T)?？蛇x地，它可以從一組熱阻值 甲中選擇，該組熱阻值的特征在于每個高溫傳感器到低溫傳感器的梯度組合。圖5示出了具有如圖3所示的功率估計系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)的實例。它通 常包括多核處理器芯片502，該多核處理器芯片502耦合到電源504以及外部 存儲器506。(它還可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接口耦合到多個客戶機，未示出。)它耦合 到電源504,以在工作時從電源504接收功率，并且它耦合到存儲器506，該 存儲器506用作額外的隨機存取存儲器。處理器502具有功率估計系統(tǒng)(PES ) 503，例如圖3中所公開的功率估計系統(tǒng)503，以便估計芯片502的功耗。在 一些實施例，它可以作為用于避免"過大功率"狀況的備用。應(yīng)該注意的是，所描述的系統(tǒng)可以以不同的形式實現(xiàn)。也就是說，它 可以實現(xiàn)在單芯片模塊、電路板或具有多個電路板的機架中。類似地，它 可以構(gòu)成一個或多個完整的計算機，或者可選地，它可以構(gòu)成用在計算系 統(tǒng)內(nèi)的部件。本發(fā)明并不限于所述的實施例，而是它可以在所附權(quán)利要求的精神和 范圍內(nèi)進行修改和改變。例如，應(yīng)該意識到，本發(fā)明適用于所有類型的半導(dǎo)體集成電路("IC")芯片。這些IC芯片的例子包括但不僅限于處理器、 控制器、芯片組部件、可編程邏輯陣列(PLA)、存儲器芯片、網(wǎng)絡(luò)芯片等。 而且，應(yīng)該意識到，雖然已經(jīng)給出了示例性的尺寸/模型/數(shù)值/范圍，但 是本發(fā)明并不限于此。制造技術(shù)(例如，光刻)隨著時間的成熟，有望可 以制造出更小尺寸的器件。另外，為了使說明和論述簡便，可以在附圖中 示出或者不示出連接到IC芯片上的公知電源/地以及其它部件，從而不會使 本發(fā)明不清楚。此外，裝置可以以方框圖的形式示出，以便避免發(fā)明不清 楚，并且還鑒于以下事實關(guān)于實現(xiàn)這樣的方框圖裝置的細節(jié)非常依賴于 本發(fā)明所實施的平臺，即，這樣的細節(jié)應(yīng)該在本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的范 圍內(nèi)。這里闡述了特定的細節(jié)(例如，電路)，以便描述本發(fā)明的示例性實 施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以在沒有這些特定細節(jié)的情 況下或者在改變這些特定細節(jié)的情況下實施本發(fā)明。因此，應(yīng)該將該描述 看作是說明性的，而不是限制性的。
權(quán)利要求
1. 一種芯片，包括兩個或者更多個溫度傳感器電路，用于為估計芯片功耗提供高溫度信息和低溫度信息。
2、 如權(quán)利要求l所述的芯片，其中所述兩個或更多個溫度傳感器中的 第一溫度傳感器用于感測低溫度，并且被放置在所述芯片的外部區(qū)域。
3、 如權(quán)利要求l所述的芯片，其中所述兩個或更多個傳感器提供用于 指示它們的溫度的模擬信號。
4、 如權(quán)利要求l所述的芯片，包括耦合到所述兩個或更多個傳感器的控制器，以接收信息并且計算功率估計值。
5、 如權(quán)利要求4所述的芯片，其中所述控制器通過生成所述高溫度和 所述低溫度之間的差并且將所述差除以與所述芯片相關(guān)聯(lián)的熱阻值，來生 成所述功率估計值。
6、 如權(quán)利要求5所述的芯片，其中所述熱阻值是結(jié)到外殼的值。
7、 如權(quán)利要求5所述的芯片，其中所述熱阻值是根據(jù)多個芯片的特性 導(dǎo)出的。
8、 如權(quán)利要求l所述的芯片，其中所述兩個或更多個溫度傳感器包括 兩個或更多個用于提供高溫度信息的傳感器電路、以及兩個或更多個用于 提供低溫度信息的傳感器電路。
9、 如權(quán)利要求l所述的芯片，其中所述功率估計值是基于從所述傳感 器電路接收到的最高溫度和最低溫度來確定的。
10、 一種芯片，包括多個處理器內(nèi)核，其具有至少一個用于提供高溫度信息的高溫傳感器; 至少一個用于提供低溫度信息的低溫傳感器；以及 用于接收所述高溫度信息和所述低溫度信息，以便基于所述高溫度信 息和所述低溫度信息之間的差來改變所述芯片的功耗的電路。
11、 如權(quán)利要求IO所述的芯片，其中所述電路形成了控制器的至少一 部分。
12、 如權(quán)利要求ll所述的芯片，其中所述控制器具有相關(guān)聯(lián)的指令來 使它輪詢所述高溫傳感器和至少一個所述低溫傳感器，以便識別最高溫度 和最低溫度，從而確定溫度信息差。
13、 如權(quán)利要求11所述的芯片，其中所述控制器用于確定功率估計值。
14、 如權(quán)利要求13所述的芯片，其中所述控制器用于將所導(dǎo)出的溫度 信息差除以熱阻值，其中該熱阻值是根據(jù)所述芯片的相關(guān)聯(lián)的熱阻特性導(dǎo) 出的。
15、 如權(quán)利要求13所述的芯片，其中所述控制器用于將所述溫度信息 差除以一個與所選擇的高溫度和低溫度相關(guān)聯(lián)的熱阻值。
16、 如權(quán)利要求10所述的芯片，其中所述至少一個低溫傳感器被放置 在所述芯片的外部區(qū)域中。
17、 如權(quán)利要求16所述的芯片，其與電源和一個或更多個存儲器芯片 結(jié)合，作為計算機系統(tǒng)的一部分。
18、 一種方法，包括確定芯片中的高溫度； 確定所述芯片中的低溫度；以及基于所述確定的高溫度和低溫度來估計所述芯片的功耗。
19、 如權(quán)利要求18所述的方法，其中通過計算所述高溫度和所述低溫 度之間的差并且將該差除以與所述芯片相關(guān)聯(lián)的熱阻值來估計所述功耗。
20、 如權(quán)利要求18所述的方法，其中通過利用多個不同的溫度傳感器 識別出最低的溫度來確定所述低溫度，所述多個不同的溫度傳感器是所述 芯片的一部分。
21、 如權(quán)利要求20所述的方法，其中通過利用多個不同的溫度傳感器 識別出最高的溫度來確定所述高溫度，所述多個不同的溫度傳感器是所述 芯片的一部分。
22、 如權(quán)利要求18所述的方法，包括基于所述估計的功耗來調(diào)節(jié)所述 芯片的功耗。
全文摘要
本文公開了基于芯片中的高溫度和低溫度來估計和/或控制芯片的功耗的不同實施例。本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的功率估計。
文檔編號G01R21/02GK101275977SQ20081009666
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月22日
發(fā)明者C·波斯塔克, J·伊格諾斯基, W·帕克斯 申請人:英特爾公司