专利名称：集成电路的温度管理的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及集成电路(IC)，尤其涉及用于在维持功率并保持可接受的性能水平的同时控制集成电路内部产生废热的装置和方法。
与本发明相关的背景技术集成电路是包含由薄膜导电线迹连接的固态开关(晶体管)的电系统。在小面积中以高频进行开关操作的大量晶体管会产生热。高频率的开关操作是产生热的一个主要因素，因为绝对电流的流动与频率成比例。
很久以来的一个发展趋势是集成电路的越来越高的集成度，而这一趋势也增加了热的产生。另一个因素与在电路中集成电路的使用和位置有关。高密度的动机扩展到高水平的电路，诸如印刷电路板。此外，在工业中很久以来的一个趋势是产品体积越来越小，诸如在台式计算机之后发展了膝上计算机，然后是笔记本计算机，然后是掌上计算机，而近来甚至是更小的称为个人数字助理计算机。
所有上述的发展导致消散集成电路操作所产生的热的难度增加。如果所产生的热不能除去，则温度上升，而如果不能达到热产生和热消散之间的一种平衡，则温度可能上升到导致性能降低的点，并甚至达到可能发生物理性损坏的点。热的产生以及结果使得温度升高的问题是与这样的事实相伴的，即对于大多数材料，电阻是随温度上升的。
上述热的产生以及结果使得温度升高的问题在微处理器中尤为显著，虽然这不限于微处理器，这种温度问题的某种特性可通过参考微处理器而有效地展示和说明。
图1是包含几个功能单元的一个微处理器的某种简化框图。其中有地址单元(AU)，执行单元(EU)，总线通信单元(BU)，和指令单元(IU)，它们均通过地址总线、数据总线、和控制总线进行连接。这一功能单元结构是微处理器的示范，先有技术的微处理器一般要比图1所示的更为复杂。
微处理器中的功能单元一般不是均衡使用的。例如，数学应用使用一个或多个计算单元的机会多于微处理器中的其它功能单元。作为另一个例子，某些应用涉及较多的使用存储器，或者可能在较大的程度上使用逻辑单元。由于这种不均衡的使用结果，CPU的某些区域比其它区域要更快产生热并因而可能使温度升高。
微处理器区域不均衡的使用可能产生大大影响集成电路芯片中的机械应力的热点。集成电路一般是通过分层及选择性地去除不同材料的工艺制造的，于是由于不同材料的不同的热膨胀系数不同，不均匀的发热可能导致应力和弯曲。所引发的应力和变形可能造成微小破裂和疲劳破损。
本发明的目的因此，所需要的是在诸如微处理器之类的集成电路上实现管理功率消散以维持可接受的集成电路性能和结构集成的系统。本发明的技术方案在本发明的一个实施例中，在具有不同功能区域的一个集成电路中，提供了用于至少在一个功能区域中控制功率消散的系统，它包括与所控制的功能区域接触的温度传感器，以及连接到被控制的功能区域的时钟调节电路，该时钟调节电路用于基于系统时钟速率而提供操作时钟速率，以便操作被控制的功能区域。还有连接到温度传感器和时钟调节电路的控制电路，用于驱动时钟调节电路以提供作为由温度传感器所提供的温度指示的函数的操作时钟速率。
在一个较佳实施例中，集成电路是一个微处理器，且多个功能单元基于系统时钟速率和每一功能区域的温度分别设置有各自的操作时钟速率。在另一个实施例中，相对于计算和逻辑负载、时钟速率、及操作电压，基于来自装设到包含该微处理器的集成电路组件的温度传感器的温度指示而管理一个计算机系统中的多个微处理器。
附图的简要说明图1是一个微处理器的简化框图；图2是根据本发明的一个实施例的微处理器的框图；图3是表示本发明的另一个实施例的框图；图4是表示对于多处理器提供任务管理的一个实施例的框图；图5是表示提供功率管理和时钟速率管理以及任务管理的另一实施例的框图；以及图6是本发明的一个实施例中应用的控制程序的逻辑流图。
本发明的最佳实施例图2是根据本发明的一个实施例的微处理器11的框图。微处理器11包括设置在一个单一集成电路芯片12上的一个地址单元(AU)13，一个执行单元(EU)15，一个总线通信单元(BU)17，及一个指令单元(IU)19。地址总线21，数据总线23，及控制总线25将该四个功能单元相互连接。还有将微处理器连接到诸如外部地址总线22和外部数据总线24的其它部件(未示出)的外部总线连接。还示出作为典型外部连接的时钟，复位，及电源连接，虽然所示的连接并不是对微处理器可作的全部连接。
在许多微处理器系统的操作中有共性。例如，一个微处理器一般要读一条指令，执行一个操作并然后读下一条指令。总线系统根据需求要在芯片上和芯片外的专用功能单元之间分配工作负载。时钟速率提供给微处理器的所有区域上的功能电路。
在本发明的各个实施例中，在微处理器集成电路上不同功能单元所在的各个区域中设置了温度传感电路，并且根据不同功能单元的位置，对被探测的区域的时钟速率进行控制，以管理在每一被探测的区域中产生热的速率。
在图2的微处理器中，所示四个功能单元的每一个具有一个温度传感电路。温度传感电路14用于地址单元13，温度传感电路16用于执行单元15，温度传感电路18用于，总线通信单元17，而温度传感电路21用于指令单元19。
有多种方法通过设计到微处理器功能区域之中的固态电路而对温度进行间接探测。例如，可将电路装入功能单元区域以响应根据电路元件的温度的检测信号。温度影响材料的物理和电特性。作为一个简单例子，因为材料的电阻是按已知的方式根据温度的升降而变化的，所以一个电路可能包含在带有一个或者多个电阻器元件的功能区之中，而且响应于一个可知输入的电流和/或电压变化可作为温度变化的指示被测量。另一可获得温度指示的方式是通过将电路包含在其中的信号传送速率可作为温度指示而被测量的每一功能区域之中。又，另一方式是装入以一定方式而设置的振荡电路，以展示随温度变化的频率。先有技术已知有用于间接温度测量的各种形式的电路，并且对于本专业的技术人员而言，可按多种不同的方式间接地监测半导体温度是没有问题的，而且这些温度测量与经验相关。
在图2中所示的本发明的实施例中，时钟控制电路是作为每一功能区域的一部分而设置的，时钟线路28连接到时钟控制电路的每一场所。提供给每一区域的时钟速率可响应被探测的温度而变化。时钟控制电路27用于地址单元13，时钟控制电路29用于执行单元15，时钟控制电路31用于指令电路19。
用于改变时钟速率的电路也是先有技术，并且例如通常用来对振荡器速率分频，以便以比通用计算机系统的系统CPU微处理器的操作频率低的特定速率来驱动计算机中诸如处理器和总线结构等各个部件。在简单形式中，图2中所示的实施例的每一控制电路可以是外部可选择向所服务的区域传送全时钟速率或者对时钟速率二分频的一个分频器电路。
在其它实施例中，可在每一功能单元设置电路以便进行分频并以其它方式变换最初所提供的时钟速率以向一些功能区域提供较低的速率。这种控制电路可能只能阻挡到功能单元的部分时钟信号，使得总体平均的时钟周期降低。例如，在十个信号中阻挡一个信号或者在一百个信号中阻挡十个信号，将导致对于一个单元的平均时钟速率降低10％。
可提供很多方式对单一集成电路上的不同功能单元的温度管理进行控制。在图2的实施例中，用于控制的逻辑设置在每一功能单元处的时钟控制电路中，并且简单的控制程序在每一单元连续地循环(在微处理器通电并激活时)以根据一个或多个预编程阈值温度指示而调节时钟速率。
在其他实施例中，控制逻辑可以在单独的芯片区域上(图2中未示出)，而控制信号或者供给每一功能单元处的时钟控制电路，或者与每一功能单元分开实现。即，可以有唯一的一个功能单元响应来自每一功能单元传感器电路的温度相关信号，以不同于其它功能单元频率的频率提供单独的时钟信号。
在另一个实施例中，逻辑和/或时钟控制电路可以在芯片外的单独的控制器中实现。
图3是表示本发明的另一实施例的框图，其中，温度传感器35安装在集成电路组件37的外表面，例如可以是罩在微处理器上。温度指示通过线路39传送到逻辑控制部件41，其中，使用线路39上的温度指示为参照的控制程序在控制线路43上向时钟控制电路45输出控制信号。时钟控制电路45变换在线路47输入的系统时钟信号为线路49上较低的频率给集成电路组件37。
控制程序可按性质和范围广泛地变化，而温度阈值或者在其采取行动降低时钟速率的阈值可以是可编程的。在一个模式中，阈值被设定在某一低于性能发生劣化的温度之下的温度上，使得在临界温度到达之前的微小时钟速率降低即能够限制温度增加。
在控制程序中可以有多个阈值，每个阈值的时钟可以大大地降低。例如，一个示例性的控制程序可以在第一温度处降低时钟速率10％，然后温度每增加规定的ΔT再降低10％。例如如果在第一阈值处，ΔT为10℃，则控制程序将对芯片降低时钟速率10％，然后温度每升高10℃再降低10％。10％可以是原始时钟速率，或者实时速率的时钟速率。当然，在温度下降时，对于每10℃温度的降低，同一控制程序将对芯片增加时钟速率，直到时钟速率重新为线路47上的系统速率的100％为止。
在本发明的另一方面，控制器47用于控制对芯片的功率以及时钟速率。这种情形下，参见图3，集成电路电路的系统电压VCC输入到控制器45，而控制器45以系统电压或者降低的电压在线路53向集成电路组件37提供功率。当时钟速率变慢时，电压也降低，结果是节省了功率。本发明的这一特性可降低时钟速率，进而将阈值电压也降至安全电压范围内。
图4是表示以总线63相连接的四个微处理器组件55，57，59，和61的框图，其中，一个控制器芯片(或者芯片组)65可控制对该四个芯片的访问。在该多处理器系统中，由系统CPU启动的很多过程可由四个并行处理器的任何一个进行。这个例子中的处理器个数是任意的。可以是两个，或者多于所示的四个。
每一微处理器组件具有一个温度传感器，其以某种形式安装以便检测各个微处理器组件的温度。这种情形下，温度传感器67装设在组件55上，传感器69在组件57上，传感器71在组件59，传感器73在组件61上。每一传感器分别向控制器65报告，提供一输入，由此控制器可从一个微处理器组件向另一个微处理器组件移动计算的或者逻辑的负载，从而提供负载管理以限制温度升高。
在又一个实施例中，如图5所示，控制器65还可向多个处理器控制时钟速率。在这一实施例中，控制器65不仅基于温度管理每一处理器的计算和逻辑负载，而且管理每一处理器的控制时钟速率。在线路83上向控制器65提供系统时钟速率，而控制器65基于由每一处理器的传感器所指示温度通过线路85，87，89，和91向多处理器的每一个提供系统速率或者降低的速率。
在另一个实施例中，来自线路101上的系统输入电压输入控制器65，然后控制器605对通过线路93，95，97，和99加至每一处理器的操作电压进行控制。如上所述图3的实施例，有基于负载和操作温度控制电压的数种方法。一般而言，对于较低的时钟速率，电压可被降低，从而节省功率的使用，进而，温度可以增加，其限度是只要操作电压保持在可允许的范围之内就不会有问题。
电压控制可按不同的方式类似地完成。例如，可向控制器65提供电平的选择，这时控制器可根据与温度信息相关的控制电路判定而切换电平。控制器65还可操作另一用于电压管理的电路，该电路转而根据控制程序的判定而将降低的电压供给不同处理器。
实现本发明不同实施例所需的控制程序可按各种方式存储且可按各种方式执行。例如，根据本发明各个实施例用于加载和时钟管理的控制程序可以是系统BIOS的一部分，并可由系统CPU微处理器执行。在多处理器系统的情形下，多处理器的任何之一可被指定为用于温度和加载管理操作单元。
图6为可用于在一个区域(功能单元)或者整个集成电路中控制温度建立的一般控制程序的流程图，它与温度传感器如何配置及时钟电路如何设置有关。首先需要的是一个作为阈值温度的可编程的变量TTH，低于该温度将不会发生时钟速率(clk)降低。其次，需要一种关系来定义对被作用的部件或区域的clk降低与系统时钟速率(clksYs)的关系(函数)，这种情形下由clk＝f(clkSYS，T-TTH)表示。
在图6的步骤103，用户或者程序员设置TTH。在一些实施例中，这一数值由程序计算，而在另一些实施例中它可以是可由用户访问的变量以便被设置。在步骤105，对一区域或者部件测量温度T。在步骤107，判定T是否等于或者大于TTH。如果温度低于TTH，则控制返回步骤105。如果T等于TTH或者高于TTH，则控制进到步骤109，在此判定T-TTH的大小。在步骤111，设置clk作为系统时钟速率clkSYS与T和TTH之差的数值的函数。然后控制再次返回步骤105。
就本领域内一般技术人员而言，很明显，根据温度来设定clk的方式可以有很多变化。而且如上所述，在clk降低时可降低操作电压以便在温度管理和功率使用提供益处。
对于本领域内的一般技术人员而言，在不背离本发明的精神和范围之下可以作出许多变化。以上说明了几个可选择的方式。例如，可设置多个温度传感器以便检测单一集成电路上的不同功能区域的温度。另外，可基于可能安装在现有的集成电路上的单一温度传感器的输出对整个集成电路控制时钟速率。这一实施例对于现有的电路和PC板卡的应用是很有用的。
类似地，有很多算法可用作为温度和系统时钟速率的函数而降低时钟速率。还有许多可书写实现本发明的目的的控制程序的方法，而例子已经在以上提供。在本发明的精神和范围之内可作出许多其它的变化。
权利要求
1.在具有不同功能区域的集成电路中用于在至少一个功能区域中控制功率消散的系统，其特征在于包括与被控制的功能区域接触的温度传感器；连接到所述被控制的功能区域的时钟调节电路，该时钟调节电路用于基于系统时钟速率提供操作时钟速率以操作该被控制的功能区域；以及连接到所述温度传感器并连接到所述时钟调节电路的控制电路，所述控制电路用于驱动所述时钟调节电路以便作为由所述温度传感器所提供的温度指示的函数而提供所述操作时钟速率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述的集成电路为一个微处理器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述的温度传感器包括在所述被控制的功能区域中实现的固态电路。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括响应所述时钟调节电路的功率控制电路，所述功率控制电路用于改变所述被控制的功能区域的操作电压，所述操作电压是提供给所述被控制的功能区域的操作时钟速率的函数。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，有多个功能区域被控制，每一功能区域具有唯一的温度传感器，并且所述时钟调节电路用于基于所述的每一被控制的功能区域的温度向所述每一被控制的功能区域提供唯一的操作时钟速率。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括响应所述时钟调节电路的功率控制电路，所述功率控制电路用于改变所述被控制的功能区域的操作电压，所述操作电压是提供给每个被控制的功能区域的操作时钟速率的函数。
7.用于控制集成电路组件中的功率消散的系统，其特征在于包括与集成电路组件接触的传感器；连接到集成电路组件中的集成电路的时钟输入线路的时钟调节电路，所述时钟调节电路用于基于输入到时钟调节电路的系统时钟速率提供操作时钟速率；以及连接到温度传感器并连接到所述时钟调节电路的控制电路，所述控制电路用于驱动时钟调节电路以便提供操作时钟速率，所述操作时钟速率是由所述温度传感器所提供的温度指示的函数。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述集成电路组件中的集成电路为一个微处理器。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述的温度传感器通过粘合剂安装到所述集成电路组件。
10.根据权利要求7所述的系统，还包括响应所述时钟调节电路的功率控制电路，所述功率控制电路用于改变所述集成电路组件中的集成电路的操作电压，所述的操作电压是提供给所述集成电路组件中的集成电路的操作时钟速率的函数。
11.根据权利要求7所述的系统，包括多个集成电路组件，其中，每一个集成电路组件具有连接到所述控制电路的唯一的温度传感器，而时钟调节电路用于根据所述的每一集成电路组件的温度向所述集成电路组件中的每一集成电路提供唯一的操作时钟速率。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括响应所述时钟调节电路的功率控制电路，所述功率控制电路用于改变所述集成电路组件中的集成电路的操作电压，所述操作电压是所述集成电路组件中的集成电路的时钟速率变化的函数。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述的集成电路为微处理器。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括响应所述温度传感器的总线控制电路，该总线控制电路用于在各种微处理器中分配逻辑和计算任务，所述逻辑和计算任务是温度传感器所指示的温度的函数。
15.根据权利要求13所述的系统，还包括响应所述时钟调节电路的功率控制电路，所述功率控制电路用于改变每一微处理器的操作电压，所述操作电压是所述每一微处理器的时钟速率的变化的函数。
16.用于控制具有不同功能区域的集成电路的功率消散的方法，其特征在于包括以下步骤(a)通过与所述功能区域接触的温度传感器检测至少一个功能区域的温度；(b)向控制电路提供所述功能区域的温度指示，该控制电路用于根据提供给所述控制电路的系统时钟速率改变所述功能区域的时钟速率；以及(c)作为由所述温度传感器所指示的温度的函数而改变所述功能区域的时钟速率。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述的集成电路为一个微处理器。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述的温度传感器包括在功能区域中实现的固态电路。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括调节提供给所述功能区域的操作电压的步骤，其中所述的操作电压是被改变的时钟速率的函数。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，多个功能区域被控制，每一个功能区域具有一个温度传感器，并向每一个被控制的功能区域提供唯一的操作时钟速率，所述操作时钟速率是功能区域温度的函数。
21.根据权利要求20所述的方法，包括控制对每一功能区域的操作电压的步骤，其中所述的操作电压是提供给每一功能区域的操作时钟速率的函数。
22.用于控制集成电路组件中功率消散的方法，其特征在于包括以下步骤(a)通过装设到所述组件上的温度传感器检测所述集成电路组件的温度；(b)向控制电路提供所检测的温度指示，该控制电路用于根据提供给所述控制电路的系统时钟速率而改变提供给所述集成电路组件中的集成电路的时钟速率；以及(c)作为由所述温度传感器所指示的温度的函数而改变所述集成电路组件中的集成电路的时钟速率。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述的集成电路组件中的集成电路是一个微处理器。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述的温度传感器通过粘合剂装设到所述集成电路组件上。
25.根据权利要求22所述的方法，还包括作为提供给所述集成电路组件中的集成电路的操作时钟速率的函数对提供给所述集成电路组件中的集成电路的操作电压进行控制的步骤。
26.根据权利要求22所述的方法，其中，多个集成电路组件中的每一个都装有所述温度传感器，并且向所述集成电路组件中的集成电路提供唯一的操作时钟速率。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述的集成电路为微处理器。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括响应温度传感器的总线控制电路，并包括用于在微处理器之中分配逻辑和计算任务的步骤，其中所述的逻辑和计算任务是温度传感器所指示的温度的函数。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括控制每一微处理器操作电压的步骤，其中所述的操作电压是每一个微处理器的时钟速率变化的函数。
全文摘要
用于控制集成电路(55)中的温度建立的系统采用温度传感器(67)以向控制电路(65)提供集成电路温度(75)指示，该控制电路的构成是为了基于集成电路或者其组件的温度(75)而向集成电路(55)提供低于系统时钟速率(83)的操作时钟速率(85)。在一个实施例中，温度传感器(67，69，71，73)作为诸如微处理器这种单一集成电路的不同功能区域中的固态电路而实现。在其它实施例中，操作电压(93)随操作频率(85)降低而降低。在另一实施例中，向控制器(65)或多个控制器提供系统中的多个处理器(55，57，59，61)的温度检测，控制器在处理器之间分配工作负载，以便限制温度上升，降低操作时钟速率(85，87，89，91)，和降低操作电压(93，95，97，99)。
文档编号G06F19/00GK1153563SQ95192810
公开日1997年7月2日 申请日期1995年4月21日 优先权日1995年4月21日
发明者丹·吉金尼斯 申请人:文鲁奈克斯技术公司