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Teledyne e2v:三種調(diào)整處理器系統(tǒng)功耗的方法

發(fā)布時間:2020-04-05 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隨著新型處理器的執(zhí)行效率飛速提高,其對計算能力的追求有時超過了冷卻系統(tǒng)的能力。而且,機(jī)械和散熱設(shè)計通常是最后完成的研發(fā)步驟。因此,在設(shè)計的過程中可能在最后階段才發(fā)現(xiàn)超過了散熱系統(tǒng)的限制。設(shè)計師通常需優(yōu)化系統(tǒng)并找到可接受的折中方案。
    
摘要
隨著新型處理器的執(zhí)行效率飛速提高,其對計算能力的追求有時超過了冷卻系統(tǒng)的能力。而且,機(jī)械和散熱設(shè)計通常是最后完成的研發(fā)步驟。因此,在設(shè)計的過程中可能在最后階段才發(fā)現(xiàn)超過了散熱系統(tǒng)的限制。設(shè)計師通常需優(yōu)化系統(tǒng)并找到可接受的折中方案。

Teledyne e2v作為高可靠性微處理器的領(lǐng)導(dǎo)者,多年來一直致力于提高超越標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)的定制處理器的核心競爭力,使系統(tǒng)設(shè)計師能夠增加系統(tǒng)安全的余量,并優(yōu)化SWaP (尺寸,重量和功耗)。

本文將介紹Teledyne e2v為系統(tǒng)設(shè)計師提供的定制方案,以調(diào)整高可靠性處理器系統(tǒng)的功耗。

在大多數(shù)情況下,選擇一種或多種定制的方案可大大提高設(shè)計的價值。這里將討論以下三種方案:
1.優(yōu)化功耗。包括根據(jù)客戶的應(yīng)用需求選擇合適的處理器,并優(yōu)先選擇低功耗的器件。

2.優(yōu)化封裝的熱阻。在大多數(shù)情況下也可以保護(hù)電路和裸片。

3.提高最大節(jié)溫(TJ)。這需要額外測試器件在高溫下的工作情況和使用壽命。重點是如何量化這些測試,因為升高的溫度會影響器件的失效率。

Teledyne  e2v的高可靠性微處理器在國防、宇航等高可靠性領(lǐng)域已服務(wù)了幾十年的時間。今天,現(xiàn)代處理器的發(fā)展主要依靠諸如無人駕駛等未來的新市場推動。因此,像NXP這樣的大供應(yīng)商對高可靠性產(chǎn)品的供應(yīng)鏈有深遠(yuǎn)的影響。許多應(yīng)用對這些產(chǎn)品并沒有很嚴(yán)格的可靠性要求。

同時,SWaP(尺寸,重量和功耗)對于航空、國防甚至宇航等嚴(yán)苛環(huán)境的應(yīng)用非常重要。本文將重點介紹如何選擇用于這些應(yīng)用的處理器。畢竟,處理器是系統(tǒng)中的重要器件,會產(chǎn)生系統(tǒng)中大部分的功耗(SWaP中的 P)。另外,散熱系統(tǒng)需要使用散熱器,影響系統(tǒng)的尺 寸和重量(SWaP中的S和W)。

處理器功耗的背景知識
每一代處理器的功耗需求都在逐步增加。研究特定器 件的電參數(shù)是一件復(fù)雜的工作,尤其對于準(zhǔn)備解決系統(tǒng)級設(shè)計問題的設(shè)計師。

表1是從四核ARM Cortex A72 64位Layerscape處理器LS1046的數(shù)據(jù)手冊里摘錄的,包含2種處理器時鐘頻率
(1.6和1.8GHz)和3種節(jié)溫(標(biāo)稱值65, 85和105℃) 時的功耗。另外,圖中還標(biāo)出了三種不同的功耗模式: 典型、散熱和最大??梢钥闯?,在不同的工作環(huán)境,器件的功耗可能會相差一倍。這說明散熱管理是處理器的重要設(shè)計指標(biāo)。

通常情況下,廠商制定的器件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格會包含一些余量,以兼容不同批次的差異。例如,如果某個客戶的應(yīng)用必須用到最高的節(jié)溫,看了表1他可能會得出這款處理器雖然功能強(qiáng)大但功耗太大的結(jié)論,從而不選用這款器件。實際上,我們后面會看到,采取一些措施可以減少器件的功耗至理想的范圍。

Teledyne e2v:三種調(diào)整處理器系統(tǒng)功耗的方法
表 1: NXP LS1046 處理器的功耗

三種解決方法
方法1: 優(yōu)化功耗
 
這包括評估一系列目標(biāo)器件,并對它們做相關(guān)測試, 分析功耗的分布。最終的目的是為某一個特定的應(yīng)用篩選出功耗最佳的器件。

如果器件的使用情況被明確定義,功率篩選可以使處 理器滿足其使用的要求。但是,這需要非常精確地了解器件如何在特定的應(yīng)用中工作。對此,并沒有快速的解決方案,人們只能使用功率篩選得出盡可能詳細(xì)的分析結(jié)果。在某個特定的項目中,Teledyne e2v通過結(jié)合客戶應(yīng)用的要求和功耗篩選,成功將圖1中器件在最壞情況下的功耗降低了46%。

這樣,起初由于功耗太大而被認(rèn)為不適合這個任務(wù)的器件,現(xiàn)在可以被用戶充滿信心地設(shè)計到系統(tǒng)中。

Teledyne e2v:三種調(diào)整處理器系統(tǒng)功耗的方法
圖1: T1042處理器最壞情況下的功耗 vs.客戶目標(biāo)應(yīng)用中的功耗

•不同的器件的靜態(tài)功耗差異顯著。
•在低溫環(huán)境靜態(tài)功耗可能接近0,但在125℃時可能占總功耗的40甚至更多(參見圖2)。
•動態(tài)功耗由用戶的使用情況決定。不同器件、不同溫度和不同的批次對其影響不大。

處理器功耗和環(huán)境溫度的關(guān)系

圖2表示對于一款真實的處理器節(jié)溫和靜態(tài)功耗的典型關(guān)系曲線。隨著節(jié)溫(Tj)的升高,功耗非線性增加。在這個例子里,隨著溫度從45℃上升到125℃(標(biāo)稱最大值),靜態(tài)功耗增加了3倍,從4W升高到14W。因此, 降低功耗的方法之一是通過加強(qiáng)的散熱系統(tǒng)降低節(jié)溫。

這并不是一件容易實現(xiàn)的事情。我們需要了解處理器的功耗包含下面兩個要素:
•靜態(tài)功耗——IC的所有內(nèi)部外設(shè)所需的功耗,與器件性能和運(yùn)行的代碼無關(guān)。
•動態(tài)功耗——計算能力所需的功耗。對于多核處理器, 對于不同的瞬時計算負(fù)載,這個功耗可能有很大差異。

Teledyne e2v對功耗的獨特見解
經(jīng)過和NXP(之前是Freescale)幾十年的合作,Teledyne e2v建立了高性能處理器的專業(yè)知識體系,并可獲得和原始制造商相同的工具、產(chǎn)品測試向量和測試程序。這使得Teledyne e2v可通過篩選和測試的方式提供定制的功耗優(yōu)化方案。

Teledyne e2v對處理器參數(shù)測試表明當(dāng)代處理器有以下幾點常見特性:

Teledyne e2v:三種調(diào)整處理器系統(tǒng)功耗的方法
圖2: 靜態(tài)功耗和節(jié)溫的典型關(guān)系

這個曲線也表明,無法同時改善處理器SWaP的所有要素。如果想優(yōu)化功耗,則必須降低節(jié)溫,而使用散熱器,則會增加設(shè)備的尺寸和重量。

因此,雖然SWaP是一個核心的設(shè)計要素,但通常需要作出下面的妥協(xié):
•降低功耗
•或減少散熱系統(tǒng)以減少尺寸和重量

Teledyne e2v可提供優(yōu)化功耗的處理器器件

Teledyne e2v從NXP獲取原始測試向量、等效測試工具和測試技術(shù),并研發(fā)新的處理器性能優(yōu)化技術(shù),以提供定制功耗的產(chǎn)品。另外,Teledyne e2v可對特定的用戶應(yīng)用做深入的功耗分析,找出特別的動態(tài)功耗需求。

成果:降低功耗
圖1中可以看出T1042四核處理器的功耗情況。商業(yè)器件的規(guī)格書表明在最壞情況下器件的功耗高達(dá)8.3W(1.2GHz 時鐘,Tj是125℃)。但是,用戶可以降低功耗至4.5W。如果不是因為功耗的降低,客戶可能從一開始就不會選用T1042。

基于加強(qiáng)的器件測試和對用戶實際應(yīng)用的分析,Teledyne e2v保證特定器件的功耗大約是原始器件預(yù)期功耗的一半。這可幫助降低功耗并簡化項目的散熱設(shè)計。

方法2: 定制封裝
包括修改或重新設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)器件的封裝,以減小節(jié)到板子的熱阻,或節(jié)到封裝頂部的熱阻器。在另一方面,也可以減少冷卻系統(tǒng)的尺寸和重量,因為熱阻(Rth)越小,所需散熱器越大。

•可加強(qiáng)器件的震動防護(hù),并簡化冷卻系統(tǒng)和處理器的傳熱接口。
•選擇使用或不使用封裝蓋,以進(jìn)一步改善散熱性能

大多數(shù)處理器都有封裝蓋,用于散熱和保護(hù)器件裸片。取決于不同的應(yīng)用,有些設(shè)計師可能會選擇有封裝蓋的設(shè)計,從而更容易地集成散熱器;而另一些設(shè)計師則選擇無封裝蓋的設(shè)計,因為他們無法接受封裝蓋帶來的額外的熱阻。在另一方面,封裝蓋會顯著降低節(jié)到板子的熱阻,對于主要依靠印制電路板(PCB)散熱的應(yīng)用非常有利。

Teledyne e2v:三種調(diào)整處理器系統(tǒng)功耗的方法
圖3: LS1046有蓋設(shè)計(上)和T1040無蓋設(shè)計(下)

•可降低節(jié)溫,從而降低功耗(假設(shè)使用相同的散熱
如圖3,有些器件是帶有封裝蓋的(如LS1046),有些器件則不帶封裝蓋(如T1040)。對此,通常設(shè)計師無法選擇,因為這是商用貨架產(chǎn)品(COTS)。而Teledyne e2v可根據(jù)用戶的需求,幫助用戶增加或移除封裝蓋。

Teledyne e2v可提供定制的封裝

關(guān)于改進(jìn)封裝的進(jìn)一步思考
Teledyne e2v擁有重封裝半導(dǎo)體器件的專業(yè)知識和豐富的經(jīng)驗。這不僅僅包括特定封裝的開發(fā),例如專門為Teledyne e2v的EV12AQ600模數(shù)轉(zhuǎn)換器開發(fā)的封 裝,此外,Teledyne e2v還可幫助客戶對封裝重新植球,改變焊接流程,以滿足一些宇航客戶的特定需求
(如采用不含錫鉛合金的材料以防止在宇航應(yīng)用中出現(xiàn)錫須)。

成果: 定制的封裝
最近Teledyne e2v做了一項為NXP T1040處理器加上封裝蓋的可行性研究。可選的封裝蓋的機(jī)械尺寸如圖 4。Teledyne e2v也估算了散熱指標(biāo)的變化。由于增加
了封裝蓋,節(jié)到板的熱阻大約是4.66℃/W的一半,比標(biāo)準(zhǔn)封裝下降了9℃/W。而節(jié)到頂部的熱阻卻從少于0.1℃/W增加到0.85℃/W。

Teledyne e2v:三種調(diào)整處理器系統(tǒng)功耗的方法
圖4: T1040可選的封裝蓋

理想的散熱設(shè)計是不使用散熱器,所有的熱量都通過PCB傳導(dǎo)。雖然這聽起來有些不現(xiàn)實,但在某些應(yīng)用中確實是值得考慮的方案??紤]到多層PCB的熱阻較低, 通過改進(jìn)封裝,降低節(jié)到PCB板的熱阻,可使相當(dāng)部分的熱量通過PCB傳導(dǎo),減小散熱器的設(shè)計壓力,并減少使用相同散熱器的設(shè)計的功耗(通過降低節(jié)溫)。一個典型的例子是Teledyne e2v的PC8548(陶封基板)。它等效于NXP的MPC8548(塑封基板)。雖然它們在尺寸上類似,在熱性能方面卻有顯著的區(qū)別。由于PC8548使用了陶瓷基板,節(jié)到板的熱阻(3℃/W)比塑封版本的熱阻(5℃/W)降低了60 。

雖然上述的兩個例子都是關(guān)于降低節(jié)到板的熱阻,相似的方法也可被用于降低節(jié)到封裝頂部的熱阻。

方法3: 擴(kuò)展的節(jié)溫(即大于125℃)
這個優(yōu)化方法考慮到硅片在超過傳統(tǒng)商業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)器件的溫度范圍時正常工作的可行性。實際上,硅片并不僅僅能工作在125℃,也可用于較高溫度的應(yīng)用。較高的工作節(jié)溫可為應(yīng)用提供較大的余量。但是,正如前面介紹的,較高的溫度會顯著提高功耗(參考圖2)。高節(jié)溫適合用于允許短時間動態(tài)功耗迅速爆發(fā)的應(yīng)用。用戶需注意這種爆發(fā)需滿足系統(tǒng)散熱設(shè)計的要求。

Teledyne e2v可提供擴(kuò)展溫度的器件

Teledyne e2v擁有專業(yè)的產(chǎn)品知識和測試經(jīng)驗,結(jié)合不同的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),可與客戶深入討論擴(kuò)展溫度范圍對器件工作壽命的影響。Teledyne e2v已經(jīng)可以提供高達(dá)125℃的NXP處理器——超過了商業(yè)器件105℃的限制。

成果: 擴(kuò)展的溫度范圍
經(jīng)過可行性評估,Teledyne e2v可提供較高工作節(jié)溫的定制IC的產(chǎn)品規(guī)格。制定產(chǎn)品規(guī)格時需仔細(xì)考慮如下的四個問題:

擴(kuò)展節(jié)溫工作的四個問題:

為了提高工作節(jié)溫,需評估以下四個問題:
•性能:在較高的溫度下,處理器可能無法滿足某些電特性需求。Teledyne  e2v的測試表明可能需要降低最高時鐘頻率以滿足手冊上指標(biāo)(參考圖5)。因此,如果需器件在擴(kuò)展溫度范圍正常工作,可能需降低某些規(guī)格參數(shù)。

•可靠性:隨著溫度升高,硅器件的可靠性以非線性的方式急速下降,可參考阿列紐斯等式。圖6表示NXP處理器在高達(dá)105℃范圍內(nèi)的典型FIT(失效率)。將曲線延伸到150℃,器件的可靠性與105℃時相比降低了10倍。目標(biāo)應(yīng)用必須能允許上述可靠性的下降。

•功耗:如圖2所示,功耗隨著溫度上升迅速增加,這意味著在擴(kuò)展溫度范圍工作需承受更高的功耗。

•需驗證封裝承受高溫的能力。特別是塑封環(huán)氧樹脂封 裝,在大約160℃時開始惡化??煽紤]使用高溫環(huán)氧樹脂重新封裝的方案。

Teledyne e2v:三種調(diào)整處理器系統(tǒng)功耗的方法
圖 5: 高溫(>100℃)時1.8GHz時鐘頻率限制的例子

考慮以上四個問題,可幫助判斷是否需擴(kuò)展特定應(yīng)用的器件的高溫限制、調(diào)整電氣參數(shù)或更換封裝材料。Teledyne e2v提供的定制服務(wù)依賴于客戶對其任務(wù)的理解和工作壽命的分析,包括擴(kuò)展溫度條件會持續(xù)多 久,高溫條件是瞬時還是穩(wěn)定的狀態(tài)等。無論是哪個方面,Teledyne e2v都可以提供專業(yè)的建議。

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圖 6: 溫度延展到150℃時的典型失效率

三種調(diào)整處理器功耗的方法

本文討論了Teledyne e2v如何基于和NXP的長期戰(zhàn)略合作提供定制處理器的服務(wù)。這種定制化可基于Power 架構(gòu)(例如T系列處理器T1042)或ARM架構(gòu)(例如Layerscape LS1046)。這里列出了三種為惡劣環(huán)境的應(yīng)用優(yōu)化功耗并定制處理器的方案:

•優(yōu)化特定功耗的功耗篩選
•增強(qiáng)散熱能力的定制化封裝
•提高允許的最高節(jié)溫(Tj)以支持大動態(tài)功耗需求

Teledyne e2v擁有獨立的測試、質(zhì)量管理體系和專業(yè)的產(chǎn)品工程師,結(jié)合和NXP長期的合作關(guān)系,可為特定復(fù)雜應(yīng)用的客戶提供專業(yè)、高可靠性的處理器功率優(yōu)化方案。

(來源:Teledyne e2v)
 
 
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