專利名稱：半導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在各種半導體應用中，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體器 件的側視圖；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
如這里所教導的，本公開的基本思想在于可以使用集成電路的結溫 (Tj)來估計芯片的功率消耗。 一般己知的是-^(Ao') = V^-c 尸+『c咖z;(一是工作中的半導體器件的熱的部分(如，最熱的部分或相當?shù)亟咏顭岬牟糠?的溫度(°C); 4V,是從半導體器件的結到外殼的熱阻；P 是器件的消耗功率；以及7_是半導體外殼的溫度。(如這里所使用的，外 殼對應于半導體芯片的外部，典型的是一個或多個用來將熱從芯片傳導走 的表面。例如，它可以對應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?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電路來實現(xiàn)傳感器106或108。存在各種 不同類型的本領域技術人員所公知的溫度感應電路。例如，在Doyle等人 的標題名稱為"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 接近于散熱器104的溫度。然而，應該意識到，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 最精確的結果。(對于這些方法，應該意識到，這里使用的術語"高溫度"和"低溫度" 是相對的術語，并且不應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果除以甲來導出所消耗功率的估計值。取決于芯片的類型、它的應用和復雜程度，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。在其它應用中，它 可以例如與移動設備的功率節(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 可以構成一個或多個完整的計算機，或者可選地，它可以構成用在計算系 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利要求的精神和 范圍內(nèi)進行修改和改變。例如，應該意識到，本發(fā)明適用于所有類型的半導體集成電路("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)絡芯片等。 而且，應該意識到，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(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)應該在本領域技術人員所公知的范 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，對于本領域技術人員顯而易見的是，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，應該將該描述 看作是說明性的，而不是限制性的。
權利要求
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聯(lián)的熱阻值，來生 成所述功率估計值。
6、 如權利要求5所述的芯片，其中所述熱阻值是結到外殼的值。
7、 如權利要求5所述的芯片，其中所述熱阻值是根據(jù)多個芯片的特性 導出的。
8、 如權利要求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、 如權利要求ll所述的芯片，其中所述控制器具有相關聯(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、 如權利要求13所述的芯片，其中所述控制器用于將所導出的溫度 信息差除以熱阻值，其中該熱阻值是根據(jù)所述芯片的相關聯(lián)的熱阻特性導 出的。
15、 如權利要求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聯(lián)的熱阻值。
16、 如權利要求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聯(lián)的熱阻值來估計所述功耗。
20、 如權利要求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