重点推荐！三种调整处理器系统功耗的方法

摘要

随着新处理器执行效率的快速提高，它们对计算能力的追求有时会超过冷却系统。此外，机械和热设计通常是研发的最后一步。因此，在设计过程的最后阶段，可能会发现散热系统超出了极限。设计者通常需要优化系统并找到一个可接受的折衷方案。

作为高可靠性微处理器的领导者，Teledyne e2v多年来一直致力于提高超过标准性能指标的定制处理器的核心竞争力，使系统设计人员能够提高系统安全裕度并优化SWaP(尺寸、重量和功耗)。

本文将介绍Teledyne e2v为系统设计人员定制的方案，以调整高可靠性处理器系统的功耗。

在大多数情况下，选择一个或多个定制方案可以大大提高设计价值。这里将讨论以下三个选项:

优化功耗。包括根据客户的应用需求选择合适的处理器，以及优先选择低功耗设备。

优化封装的热阻。在大多数情况下，电路和芯片也可以受到保护。

提高最大节点温度(TJ)。这需要对设备在高温下的运行和使用寿命进行额外的测试。关键是如何量化这些测试，因为温度的升高会影响设备的故障率。

Teledyne e2v的高可靠性微处理器已经在国防和航空航天等高可靠性领域服务了几十年。今天，现代处理器的发展主要由未来的新市场驱动，如无人驾驶。因此，恩智浦等大型供应商对高可靠性产品的供应链有着深远的影响。许多应用对这些产品没有非常严格的可靠性要求。同时，SWaP(尺寸、重量和功耗)对于航空空等恶劣环境、国防甚至航空航天等应用非常重要。本文将重点介绍如何为这些应用选择处理器。毕竟，处理器是系统中的一个重要设备，它产生了大部分的功耗。此外，散热系统需要使用散热器，这将影响系统的大小和重量(在SWaP中为S和W)。

处理器功耗的背景知识

每一代处理器的功耗需求逐渐增加。研究特定器件的电气参数是一项复杂的任务，尤其是对于准备解决系统级设计问题的设计人员而言。

表1摘自四核ARM Cortex A72 64位分层处理器LS1046的数据手册，包括2个处理器时钟频率(1.6和1.8GHz)和3个节点温度(标称值65、85和105℃)下的功耗。此外，该图还显示了三种不同的功耗模式:典型、散热和最大。可以看出，在不同的操作环境下，设备的功耗可以加倍。这表明热管理是处理器的一个重要设计指标。

一般来说，制造商制定的设备标准规范将包括一些余量，以适应不同批次的差异。例如，如果客户的应用程序必须使用最高节点温度，查看表1，他可能会得出结论，认为该处理器功能强大，但功耗过高，因此没有选择该设备。事实上，我们将在后面看到，可以采取一些措施将器件的功耗降至理想范围。

表nxpls1046处理器功耗

三种解决方案

方法1:优化功耗

这包括评估一系列目标设备、测试它们以及分析功耗分布。最终目标是为特定应用选择功耗最佳的设备。

如果明确定义了设备的用途，电源屏蔽可以使处理器满足其使用要求。然而，这需要非常准确地了解设备在特定应用中的工作方式。这个问题没有快速的解决方法。人们只能使用能量筛选来获得尽可能详细的分析结果。在一个特定的项目中，Teledyne e2v通过结合客户应用要求和功耗筛选，成功地将图1中器件的最坏情况功耗降低了46%。

通过这种方式，用户现在可以放心地将最初因功耗过大而被认为不适合此任务的设备设计到系统中。

图1: T1042处理器最坏情况功耗与客户目标应用中的功耗之比

这不是一件容易实现的事情。我们需要了解处理器功耗包括以下两个要素:

静态功耗——集成电路所有内部外设所需的功耗与设备性能和运行代码无关。

动态功耗-计算能力所需的功耗。对于多核处理器，这种功耗可能会因不同的瞬时计算负载而有很大差异。

Teledyne e2v独特的功耗观

经过与恩智浦(前身为飞思卡尔)数十年的合作，Teledynee2v已经建立了一个高性能处理器的专业知识体系，可以获得与原始制造商相同的工具、产品测试矢量和测试程序。这使得Teledyne e2v能够通过筛选和测试提供定制的功耗优化方案。

Teledyne e2v对处理器参数的测试表明，现代处理器具有以下共同特征:

不同设备的静态功耗显著不同。

在低温环境下，静态功耗可能接近0，但在125℃时可能占总功耗的40%或更多(见图2)。

动态功耗由用户使用情况决定。不同的设备、不同的温度和不同的批次对其影响很小。

处理器功耗与环境温度的关系

图2示出了真实处理器的节点温度和静态功耗之间的典型关系。随着Tj的增加，功耗非线性增加。在本例中，随着温度从45℃升至125℃(标称最大值)，静态功耗增加了三倍，从4W升至14W。因此，降低功耗的方法之一是通过增强散热系统来降低温度节省。

图2:静态功耗和温度节省之间的典型关系

这条曲线还表明，处理器SWaP的所有元素不能同时得到改进。如果你想优化功耗，你必须降低温度节约，而使用散热器将增加设备的尺寸和重量。

因此，尽管SWaP是一个核心设计元素，但通常需要以下折衷:

降低功耗

或者减少散热系统以减小尺寸和重量

Teledyne e2v为处理器设备提供优化的功耗

Teledyne e2v从恩智浦获得原始测试矢量、等效测试工具和测试技术，并开发新的处理器性能优化技术，以提供定制的功耗产品。此外，Teledyne e2v可以针对特定用户应用进行深入的功耗分析，以找出特殊的动态功耗要求。

结果:降低功耗

T1042四核处理器的功耗如图1所示。商用设备的技术指标表明，在最坏的情况下，该设备的功耗高达8.3W(1.2GHz时钟，Tj为125℃)。但是，用户可以将功耗降低到4.5瓦..如果不是为了降低功耗，客户可能从一开始就没有选择T1042。

基于增强的设备测试和对用户实际应用的分析，Teledyne e2v确保特定设备的功耗接近原始设备。

预期功耗的一半。

这有助于降低功耗并简化项目的散热设计。

方法2:定制包装

包括修改或重新设计标准器件封装，以降低从节点到电路板或从节点到封装顶部的热阻:

可以降低温度节约，从而降低功耗(假设使用相同的散热器)。另一方面，冷却系统的尺寸和重量也可以减小，因为热阻(Rth)越小，所需的散热器越大。

可以加强设备的振动保护，并且可以简化冷却系统和处理器之间的传热界面。

选择使用或不使用封装盖，以进一步提高散热性能。

大多数处理器都有封装外壳来散热和保护器件芯片。根据不同的应用，一些设计者可能会选择带有封装盖的设计，以便更容易地集成散热器。而其他设计者选择没有包装盖的设计，因为他们不能接受包装盖带来的额外热阻。另一方面，封装盖可以显著降低从节点到电路板的热阻，这对于主要依靠印刷电路板(印刷电路板)散热的应用非常有利。

图3: LS1046覆盖设计(顶部)和T1040未覆盖设计(底部)

如图3所示，一些器件具有封装盖(例如LS1046)，而其他器件没有封装盖(例如T1040)。设计师通常不能选择这种产品，因为它是一种商业货架产品。Teledyne e2v可以帮助用户根据需要添加或移除包装盖。

Teledyne e2v提供定制包装

Teledyne e2v在重新包装半导体器件方面拥有专业知识和丰富经验。这不仅包括特定封装的开发，例如专门为Teledyne e2v的EV12AQ600模数转换器开发的封装。此外，Teledyne e2v还可以帮助客户重新安装封装和改变焊接工艺，以满足一些航空客户的特殊需求(例如，使用不含锡铅合金的材料，以防止锡须出现在航空应用中)。

结果:定制包装

最近，Teledyne e2v对恩智浦T1040处理器增加封装盖进行了可行性研究。可选包装盖的机械尺寸如图4所示。Teledyne e2v还估算了散热指数的变化。由于增加了封装盖，节点到板的热阻约为4.66℃/W的一半，比标准封装低9℃/W。然而，从节点到顶部的热阻从小于0.1℃/W增加到0.85℃/w

图4: T1040可选包装盖

对包装改进的进一步思考

理想的散热设计不是使用散热器，所有的热量都通过印刷电路板传导。虽然这听起来不切实际，但在某些应用中，这确实是一个值得考虑的解决方案。考虑到多层印刷电路板的低热阻，通过改进封装和降低从节点到印刷电路板的热阻，可以通过印刷电路板传导大量的热量，从而降低散热器的设计压力和使用相同散热器的设计功耗(通过降低节点温度)。一个典型的例子是Teledyne e2v的PC8548(陶瓷基板)。它相当于恩智浦的MPC8548(塑料封装基板)。尽管它们的尺寸相似，但它们的热性能却有很大的不同。由于PC8548使用陶瓷基板，从节点到电路板的热阻(3℃/W)比塑料版本(5℃/W)低60%。

尽管上述两个示例都与降低节点到电路板的热阻有关，但是可以使用类似的方法来降低封装的节点到顶部的热阻。

方法3:扩展节点温度(即大于125℃)

这种优化方法考虑了当硅芯片超过传统商业标准器件的温度范围时，硅芯片正常工作的可行性。事实上，硅片不仅可以在125℃工作，还可以用于更高温度的应用。更高的工作温度可以为应用提供更大的余量。然而，如前所述，较高的温度显著增加了功耗(见图2)。高节点温度适合允许在短时间内快速爆发动态功耗的应用。用户应注意这种爆炸需要满足系统散热设计的要求。

Teledyne e2v为设备提供延长的温度

Teledyne e2v拥有专业的产品知识和测试经验。结合不同的产品质量标准，Teledyne E2V可以与客户深入讨论扩展温度范围对设备工作寿命的影响。Teledyne e2v能够提供最高125摄氏度的恩智浦处理器，超过了商用设备的105摄氏度限制。

结果:温度范围扩大

经过可行性评估，泰利达因e2v可提供工作温度更高的定制集成电路产品规格。在制定产品规格时，应仔细考虑以下四个问题:

拓展节能工作的四个问题:

为了提高工作温度，需要评估以下四个问题:

性能:在较高的温度下，处理器可能无法满足某些电气特性。Teledyne e2v测试表明，最高时钟频率可能需要降低，以满足手动规格(见图5)。因此，如果要求器件在扩展的温度范围内正常工作，可能需要降低一些规格。

可靠性:随着温度的升高，硅器件的可靠性以非线性方式迅速降低。请参考阿伦尼乌斯方程。图6显示了恩智浦处理器在高达105°范围内的典型配合(故障率)。C..将曲线延伸到150℃时，器件的可靠性比105℃时低10倍。目标应用程序必须能够允许上述可靠性降低。

功耗:如图2所示，功耗随着温度的升高而快速增加，这意味着在扩展的温度范围内工作需要更高的功耗。

封装承受高温的能力需要验证。尤其是塑料环氧树脂封装，在大约160℃时开始劣化。可以考虑用高温环氧树脂重新包装的方案。

图5:高温(> 100℃时1.8千兆赫时钟频率限值示例

考虑上述四个问题有助于确定是否有必要针对特定应用扩展器件的高温极限、调整电气参数或更换包装材料。Teledyne e2v提供的定制服务取决于客户对其任务的理解和对其工作寿命的分析，包括延长的温度条件将持续多长时间以及高温条件是瞬时的还是稳定的。Teledyne e2v可以在任何领域提供专业建议。

图6:温度升至150℃时的典型故障率

调整处理器功耗的三种方法

本文讨论了Teledyne e2v如何基于与恩智浦的长期战略合作提供定制处理器服务。这种定制可以基于电源架构(例如，t系列处理器T1042)或ARM架构(例如，层视图LS1046)。这里有三种方法可以优化功耗，并为恶劣环境中的应用定制处理器:

功耗筛选以优化特定功耗

增强散热的定制封装

提高最大允许节点温度(Tj)，以支持大动态功耗要求

Teledyne e2v拥有独立的测试、质量管理体系和专业的产品工程师。凭借与恩智浦的长期合作，Teledyne E2V可以为具有特定复杂应用的客户提供专业且高度可靠的处理器功率优化解决方案。

如果您仍然不确定这种定制处理器解决方案是否是更好的选择，我们建议您联系Teledyne e2v，与我们讨论您的需求和挑战。您将会对这个定制方案的价值感到惊讶。

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