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在數(shù)據(jù)手冊(cè)之外提高性能和降低功率消耗

日期：2009/9/27 17:06:52 作者：德州儀器

By Gene Frantz, Chau Mai and Ivan Garcia
Texas Instruments

有了集成電路技術(shù)，我們也不可能期望在這種先進(jìn)技術(shù)的作用下自然而然地提高性能或降低功率消耗。我們需要找到新的方法來(lái)滿足我們對(duì)于越來(lái)越高性能的不斷需求，并且是在低功率消耗的條件下實(shí)現(xiàn)這種性能。通過(guò)理解決定因素和保護(hù)帶的概念，您可以發(fā)現(xiàn)在您的器件中隱藏著的高性能。

就像我們大多數(shù)人都還能記住的，集成電路技術(shù)一直是革新背后的推動(dòng)力，每過(guò)幾年，最近的技術(shù)進(jìn)步都會(huì)給我們帶來(lái)更高的性能、更低的功耗、更便宜的價(jià)格和更大的集成度，我們遵從摩爾定律發(fā)展。不幸的是，這些日子看來(lái)要結(jié)束了，我們不可能再期望因?yàn)榧呻娐芳夹g(shù)的進(jìn)步而要求性能自然而然的提高，也不可能再期望由于這些技術(shù)進(jìn)步而會(huì)自然地降低功耗。事實(shí)上，有人會(huì)認(rèn)為，在過(guò)去的十年中，時(shí)鐘技術(shù)的進(jìn)步加速了這個(gè)發(fā)展曲線的下滑，同樣，五年前降低功率損耗的曲線也開始落下。

結(jié)果就是我們需要找到新的方法來(lái)滿足我們對(duì)于高性能的不斷需求，找到新方法在低功效下實(shí)現(xiàn)這個(gè)高性能。一個(gè)我們可以采用的方法就是了解性能和功耗是怎樣由我們控制下的變量來(lái)決定的，而了解集成電路制造商是怎么樣利用保護(hù)帶來(lái)保證他們產(chǎn)品性能的，同樣也很重要。通過(guò)了解這些因素，我們就可以發(fā)現(xiàn)那些隱藏的性能。

在我們進(jìn)入這些細(xì)節(jié)之前，讓我們先看看TI公司客戶充分利用這些隱藏性能的一些方法示例。很多年以前，一個(gè)客戶索要一封確認(rèn)某個(gè)器件能在200℃下工作的信，我們的最初回應(yīng)是我們的器件不能工作在200℃下，這個(gè)客戶回復(fù)說(shuō)這些器件可以，而且他們正在200℃下使用這些器件，只是他們的經(jīng)理想要TI公司保證器件能工作在200℃下。我們很明確地告訴客戶，我們不能擔(dān)保超過(guò)我們器件產(chǎn)品性能說(shuō)明書以外的性能，并且我們有測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)證明。您可能會(huì)很驚奇的發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)應(yīng)用中，我們的器件現(xiàn)在依然使用在200℃下。這個(gè)客戶鑒定過(guò)這個(gè)器件，對(duì)它工作在他們應(yīng)用中的200℃溫度下很滿意。

另一個(gè)客戶買我們的裸芯片，我們把這些還是晶片形狀的器件運(yùn)給了客戶，晶片上帶有晶片圖，告訴他們哪個(gè)芯片是好的，那個(gè)芯片是壞的。有一天這個(gè)客戶問(wèn)我們?yōu)槭裁匆o他們那個(gè)晶片圖，我們解釋說(shuō)，是為了告訴他們哪個(gè)器件是好的。我們卻被他們的恢復(fù)震驚，他們說(shuō)不理解，明明所有的器件都是好的，我們拿這個(gè)晶片圖怎么辦呢。對(duì)于他們的應(yīng)用，晶片上的所有芯片的都是好的。

我們還曾經(jīng)有一個(gè)客戶，在設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品時(shí)，發(fā)現(xiàn)器件的工作需要比產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)上的性能規(guī)格快20%。通過(guò)測(cè)試他們系統(tǒng)中的很多部分，他們確定可以讓這個(gè)器件很輕松的超頻20%。所以他們現(xiàn)在依然在使用這種比性能規(guī)格超出20%的器件來(lái)組裝他們的產(chǎn)品。

這些只是那些系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的性能之外使用這些器件的三個(gè)例子。為了理解這些設(shè)計(jì)者如何能夠超出這些規(guī)定的性能，我們首先討論決定因素和保護(hù)帶的概念，接著我們把這些概念應(yīng)用到性能和功耗中，最后我們綜合做出總結(jié)，告訴您怎么在您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用這里概念。

一個(gè)器件的性能和功耗有很多因素決定，我們將要關(guān)注的決定因素主要是工藝偏差、溫度和電壓。下面的圖1給出了一個(gè)在性能和功耗隨著不同工藝、溫度和電壓變化的總體圖。接著我們將詳細(xì)討論這些決定因素�？紤]到這些決定因素，集成電路制造商會(huì)測(cè)試每一個(gè)器件以保證它們完全的滿足這些性能規(guī)格要求，這并不像聽起來(lái)的那個(gè)容易。在測(cè)試過(guò)程中，制造商必須補(bǔ)償很多因素，包括：
• 測(cè)試設(shè)備部分間的校準(zhǔn)偏差，包括零售商，和零售商與客戶之間的。
• 由于測(cè)試設(shè)備、測(cè)試人員等因素的不同而造成的測(cè)試條件的不一致性。
• 早期壽命設(shè)定中的產(chǎn)品偏差。
• 各種各樣的其它異常因素。

概念性總述

                  性能             功耗
工藝          線性              線性
溫度       對(duì)數(shù)的倒數(shù)         指數(shù)
電壓          指數(shù)                指數(shù)
圖1.關(guān)鍵決定因素的概述

制造商通過(guò)在比產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的工作范圍稍大一點(diǎn)的范圍內(nèi)測(cè)試器件，來(lái)補(bǔ)償這些偏差，這個(gè)范圍就是通常說(shuō)的保護(hù)帶。例如，如果一個(gè)器件規(guī)定正常工作在1.1伏到1.2伏之間，那么制造商就可能在1.05伏到1.25伏范圍內(nèi)測(cè)試器件。同樣的，一個(gè)器件規(guī)定正常工作在10MHz到100MHz范圍內(nèi)，制造商就可能在9.5MHz到105MHz范圍內(nèi)測(cè)試。如果一個(gè)器件規(guī)定工作在0℃到70℃之間，它就有可能是在–5℃到75℃之間進(jìn)行測(cè)試。

令人驚奇的是，這些測(cè)試通常并不影響生產(chǎn)好的產(chǎn)品。如果您奇怪這怎么可能，答案就是我們剛剛討論過(guò)的決定因素的保護(hù)帶，器件帶有保護(hù)帶的其它方面還有:
• 工藝參數(shù)
• 設(shè)計(jì)參數(shù)

所有這些意味著在高級(jí)別處，表格中仍然有一定數(shù)量的性能余量，也意味著特定應(yīng)用中器件的功耗要比產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的功耗要小很多。在記住這些以后，讓我們來(lái)詳細(xì)看看這些細(xì)節(jié)，了解完這些細(xì)節(jié)，我們將說(shuō)明對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者這些意味著什么。

性能

集成電路可以是由很多不同的硅工藝來(lái)制造，如今使用的工藝包括180nm、130nm和90nm工藝。集成電路的性能由底層工藝的特征來(lái)決定。當(dāng)制造商設(shè)計(jì)一個(gè)集成電路時(shí)，他們目標(biāo)在于額定的工藝特征。但是，在制造器件時(shí)的工藝偏差有時(shí)候會(huì)需要的弱(冷)，有時(shí)候又會(huì)比標(biāo)稱的器件強(qiáng)(熱)。熱器件可以提供比冷器件或標(biāo)稱器件更高級(jí)別的性能，反之亦然。典型關(guān)系見(jiàn)下頁(yè)中的圖2所示。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的性能是在考慮最壞工藝偏差下給出的，換句話說(shuō)，數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的最大工作頻率是由最弱最冷的器件確定的。就像圖2所示，這些弱器件僅僅代表了產(chǎn)品器件中的很小一部分。所以說(shuō)，大部分器件的最大性能超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的性能。類似的，數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的工作溫度范圍是，也即–40℃到105℃。手冊(cè)給出的性能是在溫度限制范圍內(nèi)的最壞性能。圖2顯示了器件的工作頻率怎樣隨著溫度的降低而增加。如果器件工作在低于規(guī)定的最高溫度，例如75℃，而不是105℃下，器件就會(huì)有更好的性能水平。

圖2.工藝偏差和溫度的決定因素

對(duì)于電壓，有同樣類似的關(guān)系，在電壓增加時(shí)，器件能提供更好的性能。在圖3中，最小電壓Va決定了數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的性能，在更高的電壓處(相應(yīng)的Vb、Vc、Vd)，性能也有改善的趨勢(shì)。

所有這些趨勢(shì)給出了提供給客戶的最終規(guī)定性能的基礎(chǔ)，為了提供一部分的裕量，每個(gè)參數(shù)都有保護(hù)帶，用來(lái)保證在所有的電壓、頻率、溫度和工藝條件下，進(jìn)行一定數(shù)目小時(shí)的開機(jī)測(cè)試后，都能滿足規(guī)定的性能。如果一個(gè)器件在規(guī)定加上保護(hù)帶的限制內(nèi)，不滿足要求的性能，那么它就會(huì)被剔除掉。所以對(duì)于一批滿足規(guī)格的器件來(lái)說(shuō)，大部分的性能是超過(guò)產(chǎn)品用戶手冊(cè)中給出的性能極限的。

圖3.電壓決定因素.

功率損耗

功率消耗在很大程度上由溫度、工藝、頻率、動(dòng)作和電壓來(lái)決定。功率可以分為基準(zhǔn)部分和有源部分。兩部分都取決于頻率和電壓�；鶞�(zhǔn)功率主要受漏損量影響，漏損量在整個(gè)功率消耗中也是一個(gè)越來(lái)越大的因素。

在某些高溫應(yīng)用中，漏損量會(huì)很容易地就占到功率消耗的50%還多，圖4給出了器件的功率損耗怎樣隨著溫度和電壓而指數(shù)增大，圖中Va比Vb小，Vb比Vc小。同時(shí)還要注意漏損量還直接跟器件的工藝水平有關(guān)，一個(gè)熱器件會(huì)產(chǎn)生更高的漏損量，而一個(gè)冷器件產(chǎn)生更低的漏損量。由漏損量造成的功率損耗可以通過(guò)限制工作溫度來(lái)控制，對(duì)于特定的系統(tǒng)，溫度小的降低就會(huì)對(duì)節(jié)約功率上有很顯著的影響，而且電壓小幅度的降低可能對(duì)器件的功率損耗也有影響，可以在額定溫度或高溫下測(cè)量，或者在額定電壓或高壓測(cè)量，等等類似的測(cè)量。手冊(cè)中功率采用的最保守方法是基于工藝的熱端，在最壞的溫度和最壞的電壓情況下得到的。這樣就對(duì)于工藝偏差就有一個(gè)保護(hù)帶，換句話說(shuō)，漏損量不應(yīng)該超過(guò)手冊(cè)規(guī)定的量，因?yàn)樗窃诠に嚨臒岫藴y(cè)量的。從圖2中我們可以看出只有很少一部分器件會(huì)達(dá)到功率損耗漏損量的高端，也意味著出售的絕大部分器件都會(huì)消耗比數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的要少的漏損功率量。

圖4.工藝特定點(diǎn)時(shí)功率與溫度和電壓(Vc>Vb>Va)的關(guān)系圖

付諸實(shí)施

那么，對(duì)于那些設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工程師來(lái)說(shuō)，所有這些意味著什么呢，它意味著:
·以性能為中心的應(yīng)用可以通過(guò)降低溫度，或增加電壓，或兩者同時(shí)使用的方法獲得額外的性能。
·對(duì)功率敏感的應(yīng)用可以通過(guò)降低溫度，或降低電壓，或兩者同時(shí)使用的方法來(lái)降低功率損耗。
·對(duì)于需要低功耗和高性能的應(yīng)用，方法正確的話，可以同時(shí)對(duì)功耗和性能進(jìn)行優(yōu)化。
·大部分的器件有比產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中建議的值更高的性能和更低的功率損耗。
在您決定拋開所有的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格獲得額外性能或更長(zhǎng)電池壽命之前，有如下幾個(gè)注意事項(xiàng):
·零售商不可能也不會(huì)保證器件的性能，如果是用在數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的范圍以外。
·這種條件下工作的器件可能會(huì)對(duì)可靠性有影響。
·您下次運(yùn)送的器件就可能來(lái)自于工作在可接受的工藝目標(biāo)限制范圍內(nèi)的產(chǎn)品。
·您需要進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試和壽命測(cè)試來(lái)確保您的系統(tǒng)能夠滿足客戶的需要。

通過(guò)了解數(shù)據(jù)手冊(cè)背后的這些細(xì)節(jié)，您可以創(chuàng)造您需要的產(chǎn)品，即使數(shù)據(jù)手冊(cè)說(shuō)那是不可能的。