公开了用于受时钟控制的电路(诸如集成电路中的处理器)的性能设置技术。此技术根据纳入了该集成电路的移动设备的总热阻来确定该受时钟控制的电路的最大功耗。该总热阻是该移动设备的系统热阻与该集成电路的器件热阻之和。
将包括具有受时钟控制的电路的集成电路的系统的系统热阻与所述集成电路的器件热阻加总以确定所述系统的总热阻，其中所述系统包括围绕所述集成电路的外壳，并且其中所述系统热阻取决于所述外壳的导热性且独立于所述集成电路的器件热阻；
响应于所述系统的总热阻来确定所述受时钟控制的电路的最大功耗；
确定所述受时钟控制的电路的性能设置，所述性能设置在热极限处不超过所述最大功耗，其中所述受时钟控制的电路包括处理器，并且其中所确定的性能设置包括所述处理器的电源电压设置；以及将所述处理器配置成根据所确定的性能设置来操作。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所确定的性能设置进一步包括所述处理器的时钟频率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统的总热阻是关于所述系统中容纳所述集成电路的位置来定义的。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述系统的总热阻是关于所述系统中作为片上系统(SOC)来容纳所述集成电路的电路板位置来定义的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
确定所述处理器的多个性能曲线，每个性能曲线根据所述处理器的温度来标识所述处理器的功耗，每个性能曲线对应于所述处理器的独特性能设置；以及从所述多个性能曲线中标识在所述热极限处不超过所述最大功耗的所选性能曲线，其中所确定的性能设置包括所选性能曲线的性能设置。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，每个性能设置包括所述处理器的一对独特的电源电压设置和时钟频率。
配置成执行所存储的指令的第一处理器，其中所存储的指令在由所述第一处理器执行时使所述第一处理器：将包括具有第二处理器的集成电路的移动设备的系统热阻与所述集成电路的器件热阻加总以确定所述移动设备的总热阻，其中所述移动设备包括围绕所述集成电路的外壳，并且其中所述系统热阻取决于所述外壳的导热性且独立于所述集成电路的器件热阻；
确定所述第二处理器的性能设置，所述性能设置在热极限处不超过所述最大功耗，其中所确定的性能设置包括所述第二处理器的电源电压设置；以及将所述第二处理器配置成根据所确定的性能设置来操作。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二处理器包括片上系统SOC。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所确定的性能设置进一步包括所述SOC的时钟频率。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述移动设备的总热阻是关于电路板上容纳所述SOC的空间以及所述SOC的器件热阻来定义的。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述移动设备包括蜂窝电话。
12.一种其上存储有计算机可读指令的非瞬态计算机可读介质，其特征在于，所述计算机可读指令在由处理器执行时使所述处理器：将包括具有微处理器的集成电路的移动设备的系统热阻与所述集成电路的器件热阻加总以确定所述移动设备的总热阻，其中所述移动设备包括围绕所述集成电路的外壳，并且其中所述系统热阻取决于所述外壳的导热性且独立于所述集成电路的器件热阻；
确定所述微处理器的性能设置，所述性能设置在热极限处不超过所述最大功耗，其中所确定的性能设置包括所述微处理器的电源电压设置；以及将所述微处理器配置成根据所确定的性能设置来操作。
13.如权利要求12所述的非瞬态计算机可读介质，其特征在于，所确定的性能设置进一步包括所述微处理器的时钟频率。
14.如权利要求12所述的非瞬态计算机可读介质，其特征在于，所述移动设备的总热阻是关于所述移动设备中容纳所述集成电路的位置来定义的。
15.如权利要求12所述的非瞬态计算机可读介质，其特征在于，所述移动设备的总热阻是关于所述移动设备中作为片上系统(SOC)来容纳所述集成电路的电路板位置来定义的。
16.如权利要求13所述的非瞬态计算机可读介质，其特征在于，所述计算机可读指令在由所述处理器执行时进一步使所述处理器：确定所述微处理器的多个性能曲线，每个性能曲线根据所述微处理器的温度来标识所述微处理器的功耗，每个性能曲线对应于所述微处理器的独特性能设置；以及从所述多个性能曲线中标识在所述热极限处满足所述最大功耗的所选性能曲线，其中所述微处理器的所确定的性能设置包括所选性能曲线的性能设置。
热约束式电压和频率缩放
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2014年8月29日提交的美国临时申请No.62/043,716的权益，且要求于2015年8月26日提交的美国专利申请No.14/836,572的申请日的优先权，这两篇申请的全部内容由此通过援引纳入于此。
技术领域
[0003] 本申请涉及电压和频率缩放，尤其涉及响应于热约束的电压和频率缩放。
背景技术
[0004] 温度对于微处理器性能而言是关键的，尤其是在移动应用中。与台式应用形成对比，移动设备微处理器(诸如片上系统(SOC))没有风扇来辅助冷却，而是必须依赖于被动冷却。尽管不能通过使用风扇来主动冷却，但是移动设备处理能力继续迅速增长——例如，多核架构现在是惯例。从增长的处理能力所导致的热量可能将SOC推到其热极限。例如，集成电路的常见热极限是90℃。如若其中集成了处理器的半导体基板超过热极限，则处理器可能被不可逆地损坏。
[0005] 尽管温度由此是对处理器性能的主要约束，但是通常使用的性能参数(诸如Dhrystone百万指令每秒(DMIPS))没有容易表征的温度依赖性。更一般而言，知识产权(IP)块的性能就不断提高的时钟速度和性能而言也受温度的约束。因此，本领域需要用于表征集成电路关于其热极限的性能的改进技术。
[0006] 概述
[0007] 提供了用于SOC的性能设置技术，其利用了热阻的概念。就热阻而言，移动设备(诸如蜂窝电话)可被视为包括系统。该系统将包括SOC，其为构成结果所得的系统的器件之一。但是该系统的热阻独立于其所包括的何种类型的SOC。SOC可以是高性能的，以使得其生成相当多的热量，或者其可以是相对简单的以使得其生成相对较少的热。但是SOC性能独立于它被纳入于其中的系统的热阻。例如，移动设备可包括充足的铜热屏蔽，其进而将热传导到铜蜂窝电话外壳。此类系统设计将容易从其所包括的任何SOC导热，以使得系统热阻将相对较低。另一方面，移动设备可能已经被设计成尽可能紧凑且廉价，以使得其主要包括塑料或其他绝缘材料。结果所得的系统则将具有相对较高的热阻。
[0008] 除系统热阻以外，集成电路(诸如SOC)具有它自己的器件热阻。该器件热阻取决于电路配置以及还有用于相应集成电路的封装。可从系统热阻和器件热阻来确定总热阻。
[0009] 总热阻决定当SOC在相应系统内消耗给定功率量时其将达到的温度。所公开的性能设置技术利用总热阻来确定SOC可消耗的功率量而不超过其热极限。SOC的性能设置由此由总热阻严格地确定。与现有技术中被用于确定给定移动设备SOC的最大性能设置的自组织(ad hoc)技术相比，此类确定是相当有利的。
[0010] 可通过以下详细描述更好地领会这些以及其他有利特征。
[0011] 附图简述
[0012] 图1是示例系统热阻曲线和示例器件性能曲线的示图。
[0013] 图2是示例系统热阻曲线及其与对应于为器件确定的性能设置的器件性能曲线的交叉的示图。
[0014] 图3是根据本公开一实施例的用于使用热约束来确定性能设置的方法的流程图。
[0015] 图4是用于执行图3的方法的示例系统。
[0016] 详细描述
[0017] 以下系统和技术利用被动冷却系统(诸如移动设备)的总热阻来确定受时钟控制的电路(诸如该被动冷却系统内的片上系统(SOC)中的微处理器或图形处理单元(GPU))的时钟频率和电压缩放设置。更一般而言，受时钟控制的电路包括知识产权块。结果所得的技术是非常有利的，因为SOC性能设置可随后直接绑定至其热极限。例如，假设热极限是某个值，诸如90℃。如果SOC因以过高的电压(或等效地，以过高的处理器时钟速率)操作而产生过多热量，则将超过热极限。相反，如果电源电压被设为过低(或等效地，如果处理器时钟速率被设为过低)，则将不会超过热极限但处理器性能受损害，因为原本可以增大电源电压/时钟频率而不会超过热极限。
[0018] 所公开的技术使用总热阻来确定SOC或其他类型的集成电路可消耗的如由SOC的热极限所决定的最大功率(例如，以瓦特计)。给定可消耗的最大功率，可以相应地确定SOC内的知识产权块的对应性能设置(电压和/或频率)。以下讨论将涉及确定微处理器、数字信号处理器(DSP)、或GPU的性能设置，但是将领会，此技术可被广泛地应用于其他类型的知识产权块，诸如相机IP块。总热阻是系统热阻和器件热阻两者的函数。系统热阻是纳入了集成电路的系统(诸如移动设备)的热阻。相反，器件热阻是集成电路自身的热阻。系统热阻和器件热阻两者均是关于某个标准温度(诸如环境温度(25℃))来定义的。
[0019] 例如，热阻可由等于(Tj–Tamb)/功率的变量θj表示，其中Tj是当前温度，Tamb是环境温度，并且功率是SOC所消耗的功率。注意，系统热阻仅取决于移动设备架构。换言之，移动设备具有由SOC占据的一些板空间。与此板空间有关的热阻独立于SOC特性，而是取决于围绕将由给定SOC占据的板空间以及移动设备内分配用于SOC的位置的各种组件(诸如外壳和显示器)的导热性。如果这些移动设备组件相对较导热以使得来自SOC的热量容易耗散到环境中，则系统热阻将相对较低。另一方面，如果移动设备是由更绝热的组件所构造的，则来自SOC的热量没有这么容易耗散到环境中。在此情形中，系统热阻将相对较高。另外，如果SOC位于移动设备内的深处，则用于从SOC向外部环境散热的热路径长度比在SOC位于移动设备内更浅处的情况下更长。这种增大的热路径长度提高了系统热阻。
[0020] 器件热阻类似地取决于集成电路封装的热性质以及SOC内的电路密度和布置。如上所述，器件热阻和系统热阻两者均可被定义为比率，其中分子是当前SOC温度与某个标准温度(诸如环境温度)之间的温度差。该比率的分母是SOC所消耗的功率(诸如以瓦特计)。示例系统热阻可以是15℃/瓦特。类似地，示例器件热阻可以是5℃/瓦特。总热阻是器件和系统热阻之和，其在此示例中则将为20℃/瓦特。对于许多SOC/系统组合而言，这样的值是典型的总热阻，但将领会，此类阻值是在逐情形的基础上取决于特定系统和SOC设计来确定的。
[0021] 在给定了总热阻的情况下，随后可确定SOC基于所消耗功率的温度变化。例如，如果总热阻等于20℃/瓦特且SOC消耗一瓦的功率，则SOC将具有Tamb+20℃＝45℃的温度(假定系统热阻是参照作为参考温度的Tamb来定义的)。更一般而言，如果总热阻是参照除环境温度以外的某个标准温度(Tstd)来定义的，则SOC在其在具有20℃/W的总热阻的移动设备中消耗1W的功率的情况下将具有温度Tstd+20℃。以下讨论将不失一般性地假定总热阻是参照环境温度来定义的。类似地，以下讨论将假定器件是SOC。然而，将领会，本文所公开的性能设置技术可被广泛地应用于任何被动冷却集成电路。
[0022] 此技术涉及利用总热阻来确定SOC在达到其热极限之前可消耗的功率量。例如，假设热极限是90℃，其如先前提及的是典型SOC热极限。如果总热阻是20℃/W，则SOC可消耗(90℃-25℃)/(20℃/W)＝3.25W，此时SOC将处于其热极限处。然而，此器件温度将是稳定的并且将不会超过热极限，只要移动设备环境处于环境温度且SOC消耗不超过3.25W。
[0023] 本文所公开的技术使用SOC可消耗的如由总热阻决定的最大功率量来为SOC确定合适的性能设置(例如，电源电压和工作频率设置)。就此而言，针对微处理器的电压和频率缩放是公知的。但是通常执行现有技术电压和频率缩放以延长电池寿命，以使得最大性能设置(最高电源电压和工作频率设置)不具有与SOC热极限的显式关系。换言之，现有技术通常依赖于试错法来确保其最大性能设置不超过SOC热极限。截然不同地，所公开的性能设置技术智能地选择电压和频率设置，以使得可从给定系统中的给定SOC获得最大量的性能而不超过SOC的热极限。
[0024] 给定SOC可具有任何数目的电压和频率设置。在实践中，SOC将被配置成仅使用来自原本可实现的大量电压、频率对中的少数电压、频率对。本文所公开的性能设置技术可使用SOC的热模型，该热模型根据其性能设置来确定其温度。一般而言，可用于基于SOC的性能设置来计算其温度的热模型是电源电压和工作频率两者的函数。然而，可以表明此类函数可被分解成以下之一：完全取决于电压或完全取决于频率。换言之，指定电源电压也确定了工作频率。类似地，指定工作频率也确定了电源电压电平。以下讨论将由此假定SOC热模型可被表达为电源电压(V)的函数或工作频率(F)的函数。在给定了电源电压V或工作频率F的情况下，SOC热模型根据温度来确定总SOC功耗(PT)。总SOC功耗PT可被分解成动态功率部分(PD)和漏泄功率部分(PL)。动态功率部分PD仅仅取决于SOC的当前操作模式并由此不具有可感知的温度依赖性。但是漏泄功率部分PL具有对温度的指数式依赖性。为了与总热阻作直接比较，漏泄功率部分PL可被表达为与标准温度(诸如环境温度)的温度差的函数，以使得漏泄功率部分PT与 成正比，其中P0(V)是作为V的函数(其等效地可以是F的函数)在环境温度处的基本漏泄，并且α是对当前温度T与环境温度之差的指数式依赖性的比例因子。
[0025] 结果所得的总功率PT将由此呈指数地取决于与环境温度的温度差。由于在环境温度处的漏泄功率P0(V)以及动态功率部分PD，总功率PT将具有在环境温度处的某个非零正值并且随着SOC器件温度从环境温度升高而从该值呈指数地上升。总功率PT由此等于取决于可为电源电压V或工作频率F选择的各种水平，由此将存在根据器件温度与环境温度之差的指数式总功率曲线族PT。这些功率曲线(其也可在本文中被标示为性能曲线)对应于SOC可根据其性能热模型来操作的各种V,F对。图1解说了若干示例指数式总功率曲线。电源电压V越大(或等效地，工作频率F越大)，结果所得的在超过环境温度的给定温度处的指数式总功率曲线就越大。例如，第一器件曲线V1(或F1)对应于作为SOC的性能设置的最大电源电压V1和相应的最大工作频率F1。曲线V1将由此对应于SOC的高性能频率和电压缩放设置。第二器件曲线V2(或F2)对应于作为SOC的性能设置的第二最大电源电压V2和相应的工作频率F2。再低的性能设置由曲线V3(或F3)表示，其对应于以降低的电源电压V3和工作频率F3操作的SOC的温度对功率曲线。最后，SOC的最低性能设置由曲线V4(或F4)表示，其对应于SOC以其最低电源电压V4和相应的工作频率F4操作。注意，一些性能设置可以共享相同电源电压但具有不同工作频率。类似地，其他性能设置可以共享相同工作频率但具有不同电源电压。
[0026] 尽管SOC可具有在不同性能设置处的如由曲线V1到V4表示的温度和功率依赖性，但是SOC和其被动冷却系统(诸如移动设备)的组合具有特定总热阻。如以上所讨论的，总热阻(θ)是温度变化与功率的比率。由于图1将y笛卡尔轴上的功率图示为x笛卡尔轴上的与环境温度的温度差的函数，因此图1中针对包括SOC的被动冷却系统所示的结果所得的系统曲线是总热阻的倒数(1/θ)的函数。
[0027] 为了解说清楚，图2中与单个性能曲线200隔离地示出了相同系统曲线S。SOC热极限确立了超过环境温度的温度差T极限。例如，如果SOC热极限是90℃，则T极限是比环境温度高65℃(T极限等于90℃–25℃)。如先前所讨论的，如果总热阻θ是20℃/W，则T极限/θ等于3.25W，这是SOC可消耗的最大功率(PMAX)。再次参照图1，尽管性能曲线V1到V4示出了针对高于环境温度的各种温度差范围的SOC功率，但是SOC温度也受其将被纳入的系统的总热阻的约束。由此，在性能曲线V1到V4上的表示可允许功率对超过环境温度的温度差组合的仅有的点是性能曲线V1到V4与系统曲线的交叉点。再次参照图2，将存在与系统曲线S在对应于与环境温度的温度差T极限以及SOC功率PMAX的点205处交叉的性能曲线200。换言之，以性能曲线200的电源电压V(和相应的工作频率F)的性能设置运行SOC导致可能使SOC无限地操作而不超过其热极限的最大性能设置。这是非常有利的，因为首次提供了使得SOC设计者能够在给定纳入了SOC的被动冷却系统(诸如移动设备)的总热阻的情况下选择所确定的性能设置的分析工具。
[0028] 注意，性能曲线(诸如图2的曲线200)可以不仅具有与系统曲线S的第一交叉点205，而且还可以具有第二交叉点210。在一个实施例中，本文所公开的热约束式性能设置技术仅考虑最低温度交叉点，诸如点205。使用高温度工作点(诸如第二交叉点210)可能导致不稳定。
[0029] 此技术不仅提供了确定能以给定电源电压和/或工作频率来表征其性能的SOC或其他类型的集成电路的最大性能设置的快速且高效的方式，此技术还可被用于提出新的性能设置。例如，参考回到图1，假设系统曲线上的点100对应于SOC热极限。性能曲线V1由此对应于不合适的性能设置，这是因为其与系统曲线S的交叉点110导致高于热极限的SOC温度。相反，性能曲线V2对应于未臻最优的性能设置，这是因为其与系统曲线S的交叉点105导致比热极限更冷的温度，从而SOC的附加性能将可用但在此类性能设置处未使用。那么可生成与系统曲线S在点100处交叉的对应于电源电压V'的性能曲线(未解说)，其中V2
[0030] 图3中示出了概述本文所公开的由计算机系统执行的热约束式性能设置技术的流程图。动作300包括响应于包括集成电路的系统的总热阻且响应于该集成电路的热极限来确定该集成电路中的知识产权块的最大功耗。参照图2所讨论的对PMAX的标识是动作300的示例。该方法进一步包括动作305，其确定该知识产权块的性能设置，该性能设置在该热极限处不超过该最大功耗。参照图2所讨论的确定对应于与点205交叉的性能曲线200的性能设置是动作305的示例。
[0031] 许多现成的热分析工具(诸如Icepak)使得设计者能够确定系统及其相应SOC的总热阻。本文所定义的热分析算法提出了对此类工具的修改以另外纳入SOC性能曲线族，诸如图1所示的。例如，图4中示出了配置成执行本文所讨论的热约束式性能设置分析方法的系统400。系统400包括显示器405和处理器410，其用于实现存储在非瞬态计算机可读介质415上的指令。这些指令如本文中所讨论的那样优化SOC 420的性能设置425。具体而言，性能设置425被优化以使得对应的功耗不超过热极限但仍充分接近热极限，从而不断增大的性能设置425将使SOC 420超过其热极限。处理器410执行这些指令，以便响应于SOC 420的热极限和总热阻来为其确定如参照图2所讨论的PMAX。如以上所讨论的，处理器410可使用常规热分析工具来确定总热阻。替换地，此分析可被离线执行并提供给处理器410，诸如通过因特网或通过直接耦合的协处理器(未解说)。处理器410将随后从该性能曲线族确定与SOC 420在热极限处消耗PMAX相对应的性能设置425。SOC 420随后可在结果所得的被动冷却系统内以性能设置425的对应电压和频率值来无限地操作而不超过其热极限。
[0032] 非瞬态计算机可读介质410的示例包括易失性存储器，诸如动态随机存取存储器(DRAM)或静态随机存取存储器(SRAM)。类似地，非瞬态计算机可读介质410可包括非易失性存储器，诸如闪存或电可擦除只读存储器(EEPROM)。另外，非瞬态计算机可读介质410可包括磁盘或光碟。
[0033] 如本领域普通技术人员至此将领会的并取决于手头的具体应用，可以在本公开的设备的材料、装置、配置和使用方法上做出许多修改、替换和变动而不会脱离本公开的精神和范围。有鉴于此，本公开的范围不应当被限定于本文所解说和描述的特定实施例(因为其仅是作为本公开的一些示例)，而应当与所附权利要求及其功能等同方案完全相当。
