李世平 張洪昱 朱靜浩 劉靜 倪暹

（江蘇華創(chuàng)微系統(tǒng)有限公司，江蘇南京 211899）

0 引言

集成電路是現(xiàn)代信息社會(huì)的基石，自誕生起，在摩爾定律的驅(qū)動(dòng)下飛速發(fā)展，從20世紀(jì)60年代的十幾個(gè)晶體管到如今成百上千個(gè)晶體管，進(jìn)入了片上系統(tǒng)（SoC）時(shí)代，高主頻、高集成是其發(fā)展趨勢(shì)，芯片溫度也隨之越來(lái)越高，其對(duì)芯片功能、性能及可靠性的影響備受關(guān)注。在探索散熱方法的同時(shí)，通過在大規(guī)模SoC芯片內(nèi)部集成溫度傳感器，準(zhǔn)確監(jiān)控芯片內(nèi)部溫度，及早發(fā)現(xiàn)過熱問題，成為芯片設(shè)計(jì)行業(yè)的主流方向[1-3]。

本文面向高性能異構(gòu)多核SoC芯片的需求，單片集成了多個(gè)高精度、低功耗溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)片內(nèi)不同核溫度狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)合系統(tǒng)級(jí)降頻和電源門控等方法支持過溫保護(hù)，保障了運(yùn)行時(shí)芯片功能性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定，有效提升了芯片可靠性。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 方案設(shè)計(jì)

溫度傳感器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括溫傳控制器（Temperature Sensor Controller，TSC）和溫度傳感電路（Temperature Sensor Physical circuit，TSP）兩個(gè)模塊。TSC模塊主要負(fù)責(zé)與SoC芯片主控單元交互、啟動(dòng)和結(jié)束溫度監(jiān)測(cè)、讀取溫度編碼數(shù)據(jù)、上報(bào)中斷或門控信號(hào)等功能，交互接口為標(biāo)準(zhǔn)APB接口，內(nèi)部包括APB接口譯碼、溫傳寄存器、電路接口信號(hào)生成器、中斷產(chǎn)生器、門控產(chǎn)生器等多個(gè)子模塊；TSP模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前電路的溫度并上報(bào)溫度編碼數(shù)據(jù)。整個(gè)溫度傳感器的工作電壓為模擬1.8 V、數(shù)字0.8 V，動(dòng)態(tài)電流僅在百μA量級(jí)。

圖1 溫度傳感器結(jié)構(gòu)框圖

溫度傳感器的具體工作流程如下：

（1）SoC芯片主控單元通過APB標(biāo)準(zhǔn)總線接口通知TSC模塊啟動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)；

（2）TSC模塊向TSP模塊發(fā)起溫度監(jiān)測(cè)啟動(dòng)命令；

（3）TSP模塊開始持續(xù)的溫度測(cè)量，并將測(cè)量得到的溫度編碼數(shù)據(jù)送給TSC模塊；

（4）TSC模塊讀取溫度編碼數(shù)據(jù)，支持單次讀取或多次讀取求平均兩種模式，當(dāng)讀取完畢后，TSC模塊向TSP模塊發(fā)起溫度監(jiān)測(cè)結(jié)束命令；

（5）TSC模塊通過APB標(biāo)準(zhǔn)接口將溫度編碼數(shù)據(jù)上報(bào)給SoC芯片主控單元；

（6）當(dāng)需要過溫保護(hù)時(shí)，SoC芯片主控單元可通過APB標(biāo)準(zhǔn)總線配置TSC模塊內(nèi)部的溫度閾值寄存器，當(dāng)TSC模塊讀取到溫度編碼后，自動(dòng)與溫度閾值寄存器進(jìn)行比較，若超過閾值，則通過中斷信號(hào)上報(bào)SoC芯片主控單元，同時(shí)產(chǎn)生門控信號(hào)通知SoC實(shí)施降頻或電源關(guān)斷等操作，防止芯片繼續(xù)升溫，保障芯片可靠性。

1.2 校正方式

片內(nèi)溫度傳感器通常需要校正才能獲得更高的精度[4]，本文所述溫度傳感器包含了TRIMG、TRIMO兩個(gè)校正參數(shù)，通過在芯片測(cè)試階段對(duì)其進(jìn)行校正則可以達(dá)到高精度目標(biāo)，具體校正方式如下：

（1）首先設(shè)置TRIMG=15，TRIMO=0。

（2）在Temp1=125 ℃下測(cè)出溫度編碼數(shù)據(jù)為TD1，建議測(cè)試64次取平均值。

（3）在Temp2=25 ℃下測(cè)出溫度編碼數(shù)據(jù)為TD2，建議測(cè)試64次取平均值。

（4）代入公式（1）計(jì)算得到校正后的TRIMG參數(shù)值，其中P2、P1、P0為固定值。

（5）將計(jì)算出的TRIMG寫入TSC模塊，在Temp2=25 ℃下再次測(cè)出溫度編碼數(shù)據(jù)為TD3，建議測(cè)試64次取平均值。

（6）代入公式（2）計(jì)算得到校正后的TRIMO[4:0]的參數(shù)值，其中TDref為25 ℃下的溫度編碼。當(dāng)TDref＞TD3時(shí)，TRIMO[5]為0，反之為1。

（7）經(jīng)過（1）～（6）后所得的TRIMG、TRIMO為校正后的參數(shù)值，將該數(shù)值存入EFuse內(nèi)固化即可。

1.3 關(guān)鍵接口時(shí)序

TSC模塊和TSP模塊中間的接口時(shí)序如圖2所示，其中Control Signals為各類控制參數(shù)，包括前文所述的TRIMG、TRIMO等；ENA為使能信號(hào)，高有效，有效時(shí)間內(nèi)進(jìn)行溫度測(cè)量；DATA_VALID為返回的溫度編碼數(shù)據(jù)有效信號(hào)；DATA_OUT為返回的溫度編碼數(shù)據(jù)。

圖2 關(guān)鍵接口時(shí)序圖

當(dāng)各類控制參數(shù)確定后，需要啟動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，TSC模塊將使能信號(hào)ENA置高，通知TSP模塊啟動(dòng)一輪溫度監(jiān)測(cè)，ENA至少需要持續(xù)40 μs，經(jīng)過一段時(shí)間后，TSP模塊將通過DATA_VALID和DATA_OUT返回溫度編碼數(shù)據(jù)，在溫度監(jiān)測(cè)過程中該數(shù)據(jù)將持續(xù)有效，TSC模塊可以多次讀取溫度編碼數(shù)據(jù)并求取平均以提高精度，最大可讀256次，直到TSC模塊讀取結(jié)束后將ENA置低，本輪溫度監(jiān)測(cè)過程結(jié)束。

1.4 物理實(shí)現(xiàn)

本文所述溫度傳感器應(yīng)用于3080型SoC芯片，該芯片采用4個(gè)通用處理核和4個(gè)專用加速核的異構(gòu)多核架構(gòu)，其中，通用處理核采用多發(fā)射超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，支持亂序執(zhí)行和分支預(yù)測(cè)，核內(nèi)集成向量部件實(shí)現(xiàn)SIMD矢量計(jì)算，專用加速核則通過動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的方式支持FFT、FIR、矩陣運(yùn)算等十余種典型信號(hào)處理算法的硬件加速，全芯片單精度浮點(diǎn)峰值計(jì)算能力超過了每秒5 000億次，支持DDR、PCIe等高速接口以及FLASH、UART、CAN、I2C、GPIO等低速接口，支持網(wǎng)絡(luò)和EJTAG調(diào)試，并構(gòu)建了包括編譯器、調(diào)試器、操作系統(tǒng)在內(nèi)的完整的軟件工具鏈，提供了豐富的通信中間件、計(jì)算中間件以及可視化集成開發(fā)環(huán)境，支持應(yīng)用便捷開發(fā)。

因芯片主頻和算力較高，運(yùn)行時(shí)功率密度較大，為了能夠監(jiān)測(cè)到各功耗密集區(qū)域的溫度，片內(nèi)共集成了8個(gè)溫度傳感器，物理設(shè)計(jì)過程中將溫度傳感器重點(diǎn)分布在處理核和專用加速核的周圍。該芯片流片后的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 芯片實(shí)物圖

2 測(cè)試

溫度傳感器的功能和性能測(cè)試基于3080型SoC芯片測(cè)試板開展，測(cè)試板為+12 V直流電源輸入，板載DDR內(nèi)存條、FPGA、FLASH、MCU等多種器件，配備芯片定制插座以及PCIe子卡等器材。測(cè)試時(shí)芯片放置在定制插座中，通過串口或網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信。芯片支持從多個(gè)設(shè)備空間啟動(dòng)，測(cè)試時(shí)選擇外部SPI FLASH啟動(dòng)模式，啟動(dòng)后加載操作系統(tǒng)，然后片內(nèi)多核同時(shí)循環(huán)運(yùn)行FFT程序。通過紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)芯片殼溫，同時(shí)讀取片內(nèi)8個(gè)溫度傳感器（記為p0～p7）的溫度，選取12個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)，8個(gè)溫度傳感器讀出的溫度和殼溫的關(guān)系如圖4所示，可以看到，不同位置的溫度傳感器所測(cè)量的溫度具有較好的一致性。

圖4 8個(gè)溫度傳感器（p0～p7）的測(cè)試結(jié)果與殼溫的對(duì)比

不失一般性，選取p0號(hào)溫度傳感器的測(cè)試結(jié)果，將其與殼溫進(jìn)行線性擬合如圖5所示，可以看到，兩者具有很強(qiáng)的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.995 9。

圖5 p0號(hào)溫度傳感器測(cè)試溫度與實(shí)際殼溫的線性擬合情況

3 結(jié)語(yǔ)

本文面向高性能異構(gòu)多核SoC芯片的應(yīng)用需求，集成設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了8個(gè)高精度、低功耗的溫度傳感器，能夠?qū)π酒瑑?nèi)部不同區(qū)域的溫度狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。芯片實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，不同位置的溫度傳感器具有較好的一致性，且溫度傳感器測(cè)量溫度和芯片實(shí)際殼溫具有很強(qiáng)的線性度，線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.995 9，這表明溫度傳感器能夠準(zhǔn)確反映芯片內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)變化，同時(shí)，該溫度傳感器還支持過溫預(yù)警功能，當(dāng)溫度超過所設(shè)置的閾值時(shí)，能夠及時(shí)上報(bào)中斷信號(hào)和門控信號(hào)，支撐實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)的降頻和電源關(guān)斷，在全芯片狀態(tài)監(jiān)控、過溫保護(hù)等方面都具有重要意義，有效提升了芯片運(yùn)行時(shí)的可靠性。