三種調(diào)整處理器系統(tǒng)功耗的方法

? ? ? ? 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，機械和散熱設 計通常是最后完成的研發(fā)步驟。因此，在設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導者，多年來 一直致力于提高超越標準性能指標的定制處理器的核心競爭力，使系統(tǒng)設計師能夠增加系統(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 高可靠性領域已服務了幾十年的時間。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這樣的大供應商對高可靠性產(chǎn)品的 供應鏈有深遠的影響。許多應用對這些產(chǎn)品并沒有很 嚴格的可靠性要求。

同時，SWaP（尺寸，重量和功耗）對于航空、國防甚至 宇航等嚴苛環(huán)境的應用非常重要。本文將重點介紹如何 選擇用于這些應用的處理器。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)是一件復雜的工作，尤其對于準備解決系統(tǒng) 級設計問題的設計師。

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（標稱值65， 85和105℃） 時的功耗。另外，圖中還標出了三種不同的功耗模式： 典型、散熱和最大。可以看出，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 重要設計指標。

通常情況下，廠商制定的器件標準規(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 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。

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器件，并對它們做相關測試， 分析功耗的分布。最終的目的是為某一個特定的應用篩 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為不適合這個任務的器 件，現(xiàn)在可以被用戶充滿信心地設計到系統(tǒng)中。

圖1： T1042處理器最壞情況下的功耗 vs.客戶 目標應用中的功耗

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)部外設所需的功耗，與器件性 能和運行的代碼無關。

? 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)測試表明當代處理器有以 下幾點常見特性：

? 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的散熱系統(tǒng)降低節(jié)溫。

圖2： 靜態(tài)功耗和節(jié)溫的典型關系

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，則會增加設備的尺寸和重量。

因此，雖然SWaP是一個核心的設計要素，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，并研發(fā)新的處理器性能優(yōu)化技術，以提供 定制功耗的產(chǎn)品。另外，Teledyne e2v可對特定的用戶 應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。

基于加強的器件測試和對用戶實際應用的分 析，Teledyne e2v保證特定器件的功耗大約是原始器件 預期功耗的一半。這可幫助降低功耗并簡化項目的散熱設計。

方法2： 定制封裝 包括修改或重新設計標準器件的封裝，以減小節(jié)到板子的熱阻，或節(jié)到封裝頂部的熱阻：

? 可降低節(jié)溫，從而降低功耗（假設使用相同的散熱器）。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。

?可加強器件的震動防護，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，用于散熱和保護器件裸片。 取決于不同的應用，有些設計師可能會選擇有封裝蓋的 設計，從而更容易地集成散熱器；而另一些設計師則選 擇無封裝蓋的設計，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）散熱的應用非常 有利。

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。

圖3： LS1046有蓋設計（上）和T1040無蓋設計（下）

Teledyne e2v可提供定制的封裝

Teledyne e2v擁有重封裝半導體器件的專業(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?？蛇x的封裝蓋的機械尺寸如圖 4。Teledyne e2v也估算了散熱指標的變化。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 準封裝下降了9℃/W。而節(jié)到頂部的熱阻卻從少于 0.1℃/W增加到0.85℃/W。

圖4： T1040可選的封裝蓋

關于改進封裝的進一步思考

理想的散熱設計是不使用散熱器，所有的熱量都通過 PCB傳導。雖然這聽起來有些不現(xiàn)實，但在某些應用中 確實是值得考慮的方案?？紤]到多層PCB的熱阻較低， 通過改進封裝，降低節(jié)到PCB板的熱阻，可使相當部分 的熱量通過PCB傳導，減小散熱器的設計壓力，并減少 使用相同散熱器的設計的功耗（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)級標準器件的 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用。較高的工 作節(jié)溫可為應用提供較大的余量。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)的應用。用戶需 注意這種爆發(fā)需滿足系統(tǒng)散熱設計的要求。

Teledyne e2v可提供擴展溫度的器件

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)量標準，可與客戶深入討論擴展溫度范圍對 器件工作壽命的影響。Teledyne e2v已經(jīng)可以提供高達 125℃的NXP處理器——超過了商業(yè)器件105℃的限制。

成果： 擴展的溫度范圍

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)格時需仔細考慮如下 的四個問題：

擴展節(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（參考圖5）。因此，如果需 器件在擴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 應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。

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展特定應用的 器件的高溫限制、調(diào)整電氣參數(shù)或更換封裝材料。 Teledyne e2v提供的定制服務依賴于客戶對其任務的 理解和工作壽命的分析，包括擴展溫度條件會持續(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。

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。這種定制化可基于Power 架構（例如T系列處理器T1042）或ARM架構（例如 Layerscape LS1046）。這里列出了三種為惡劣環(huán)境 的應用優(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長期的合作關系，可為特定復 雜應用的客戶提供專業(yè)、高可靠性的處理器功率優(yōu)化方 案。

如果您依然不確定這種定制的處理器方案是否是較好的 選擇，我們建議您聯(lián)系Teledyne e2v，和我們探討您的 需求和遇到的挑戰(zhàn)。您一定會對這種定制化方案帶來的 價值驚訝不已。