為處理器提供供應電壓的方法和裝置的製作方法

2023-06-11 13:13:51 1

專利名稱：為處理器提供供應電壓的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及計算機系統，更具體地說，涉及控制一個或多個供應電壓，以向集成電路中的一個或多個電路供電，所述集成電路例如是處理器。
背景技術：
計算機系統在我們的社會中正變得越來越普及，從小型的手持電子設備例如個人數據助理和蜂窩電話，到專用電子元件例如機頂盒及其它消費類電子產品，到中型的移動和桌面系統，一直到大型工作站和伺服器，簡直無所不包。計算機系統一般包括一個或多個處理器。處理器用於操縱和控制計算機中的數據流。為了向消費者提供更強大的計算機系統，處理器的設計者們一直在努力提高處理器的運行速度。不幸的是，隨著處理器速度的提高，處理器所消耗的功率也增大了。通常來說，計算機系統耗用的功率受到兩個因素的限制。第一點，當功耗增大時，計算機會逐漸變熱，從而導致散熱問題。第二點，計算機系統所消耗的功率可能加重用來支撐系統工作的電源的負荷極限，從而減少了移動系統中的電池的壽命，增加了大型系統的開銷，同時降低了可靠性。
本發明就是要解決現有技術中存在的這一問題及其它問題。


在附圖中以示例的方式而非限制的方式圖示了本發明，其中相同的標號代表相似的元件，其中圖1包括根據本發明的實施例而構成的計算機系統；圖2A包括根據本發明的實施例而構成的處理器；圖2B包括根據本發明另一個實施例而構成的處理器；
圖2C包括根據本發明另一個實施例而構成的處理器；圖3A包括根據本發明的實施例而構成的電路；圖3B包括根據本發明另一個實施例而構成的電路；並且圖4包括示出了本發明的一種方法的流程圖。
具體實施例方式
根據本發明的實施例，處理器可包括其中包含一個或多個運算放大器的模擬電路。對於本發明的一個實施例，所述運算放大器可以具有差動結構，其包括耦合到供應電壓Vcc的輸入端，所述供應電壓Vcc由外部電壓調節器提供。按照這種方式，運算放大器可以是電壓傳感器的一部分，其輸出是表示所述供應電壓高於或低於目標值的控制信號。這一目標值可以由處理器根據功率管理策略來調整。所述控制信號可被提供給所述外部電壓調節器以相應地調整所述供應電壓。
對於本發明的這個及另一個實施例，運算放大器可以構成集成電壓調節器的一部分，所述運算放大器由外部電壓調節器供電，並為處理器生成本地供應電壓。這一本地供應電壓可被設置成使得由該本地供應電壓供電的電路可滿足某種定時需求。本地供應電壓可由處理器根據功率管理策略來調整。根據本發明的一個實施例，處理器可包括生成多個本地供應電壓的多個集成電壓調節器。每個本地供應電壓都可被獨立地調整，以使得對應的電路可滿足定時需求並用於功率管理。
下面將給出對本發明實施例的更詳細的描述，包括各種配置和實施方案。
圖1包括了可根據本發明的實施例而構成的計算機系統。如圖所示，該計算機系統可包括耦合到集線器110的處理器100。處理器100可以由來自電壓調節器150的一個或多個電壓供電。處理器100可通過集線器110而與圖形控制器105、主存儲器115和集線器125通信。集線器125可將外圍設備120、存儲設備130、音頻設備135、視頻設備145和橋接器140耦合到集線器110。橋接器140可將集線器125耦合到一個或多個附加總線，所述附加總線耦合到一個或多個附加的外圍設備。注意，根據本發明的另一個實施例，與圖1所示的計算機系統相比，計算機系統可包括更多或更少的組件。還應注意，可以另外的方式來劃分圖1的組件。例如，可將多個組件集成為單個組件，而單個組件可被劃分成多個組件。
對於本發明的一個實施例，電壓調節器150是離散電壓調節器，其位於圖1的處理器100的外部。電壓調節器150可只是向處理器100提供一個或多個供應電壓，或者除此之外還向計算機系統的其他組件提供一個或多個供應電壓。另外，還可以有一個或多個附加的電壓調節器向處理器100提供一個或多個附加的供應電壓。注意，術語「Vcc」在此可用來表示供應電壓。
儘管在此是結合處理器來描述本發明的實施例，但是應該注意，本發明的實施例也可以在其他組件中實現。因此，為了方便起見，術語「處理器」在此不僅可以用來表示處理器(例如中央或多處理單元、數位訊號處理器、微控制器等等)，也可以用來表示集線器(例如橋接器、晶片組等)或控制器(例如圖形控制器、存儲器控制器等等)。
根據本發明的一個實施例，圖1的處理器100和電壓調節器150可被實現為圖2A的處理器200和電壓調節器205。電壓調節器205通過一個或多個電壓/電源供應線路向處理器200提供供應電壓Vcc，所述線路將電壓調節器205耦合到處理器200的一個或多個供應電壓輸入埠。這一Vcc可被傳遞到處理器200的各個電路以向這些電路提供電源。另外，處理器200包括電壓傳感器201，其耦合到處理器200的一個或多個供應電壓輸入埠以接收Vcc。電壓傳感器201監視從電壓調節器接收的Vcc，並響應於此而提供一個信號，表示供應電壓是否高於或低於目標值。該控制信號可以通過一個或多個控制信號線路而回送到電壓調節器205，所述線路將處理器200的一個或多個控制信號埠耦合到電壓調節器205。
基於來自圖2A的電壓傳感器201的控制信號，電壓調節器205可調高或調低Vcc以達到電壓傳感器所測量的目標值。在正常工作(例如當處理器處於執行指令的清醒/活動狀態中時)期間，Vcc可被設置為一個目標值，該值使得處理器或其一部分在給定頻率下可滿足某種定時需求。這一目標值可由處理器根據功率管理策略來調整。例如，當處理器處於睡眠/惰性狀態時，處理器可以減小目標值。另一個示例是，可響應於處理器的工作頻率的改變來調整目標值。
與將電壓傳感器與圖2A的電壓調節器205集成在一起相比，通過將電壓傳感器201包含在處理器200所在的集成電路上，作為其一部分，這樣可改進Vcc監視的精確度。這一精確度改進的原因之一在於，例如由於電壓調節器和處理器之間的電壓/電源供應線路的變動，因而在處理器處而非電壓調節器處監視供應電壓可減小Vcc的變動。改進的Vcc監視精確度可以提高實現更緊湊的Vcc設計邊際(design margin)的能力。更緊湊的Vcc設計邊際可導致Vcc的減小，因而減少了處理器所消耗的整體功率。
可以使用一個或多個運算放大器、比較器或開關調節器來設計圖2A的電壓傳感器201，上述器件可包括與處理器200的數字電路集成在同一半導體襯底(即作為單片集成電路)上的模擬電路。電壓傳感器201的運算放大器可被設計為具有差動結構或比較器結構，例如圖3A的電路，下面將更詳細地描述。根據本發明的一個實施例，可將多個電壓傳感器與處理器集成在同一半導體襯底上。
根據本發明的一個實施例，圖1的處理器100和電壓調節器150可被實現為圖2B的處理器210和電壓傳感器215。電壓傳感器215通過一個或多個電壓/電源供應線路向處理器210提供供應電壓，所述線路將電壓傳感器215耦合到處理器210的一個或多個供應電壓輸入埠。處理器210包括本地電壓調節器211，其耦合到處理器210的一個或多個供應電壓輸入埠以接收Vcc(全局)。電壓調節器211可由Vcc(全局)供電，並向處理器提供本地供應電壓Vcc(本地)。這一Vcc(本地)可被傳遞到處理器210的各個電路以向這些電路供電。另外，Vcc(全局)也可被傳遞到處理器210的各個電路以向這些電路供電。例如，Vcc(本地)可用來向處理器210的核心的全部或一部分供電，而Vcc(全局)可用來向處理器210的輸入/輸出環的全部或一部分供電。根據本發明的一個實施例，Vcc(本地)可小於Vcc(全局)。
圖2B的電壓調節器211所提供的本地供應電壓Vcc(本地)可由控制電壓調節器211的處理器210所調整。在正常工作(例如當處理器處於執行指令的清醒/活動狀態中時)期間，Vcc(本地)可被設置為一個目標值，該值使得處理器或其一部分在給定頻率下可滿足某種定時需求。此值可由處理器根據功率管理策略來調整。例如，當處理器處於睡眠/惰性狀態時，處理器可以減小Vcc(本地)。另一個示例是，可響應於處理器的工作頻率的改變來調整Vcc(本地)。
通過將電壓調節器211包含為與處理器210相同的集成電路的一部分，可以將兩個或更多的不同的供應電壓輸送給處理器的各個電路。通過向處理器210提供具有不同電壓電平的不同供應電壓，每個供應電壓都可以針對於它所供電的電路而被單獨地調節，因而減小了處理器所消耗的整體功率。
可以使用一個或多個運算放大器、比較器或開關調節器來設計圖2B的電壓傳感器211，所述設計元件可包括與處理器210的數字電路集成在同一半導體襯底上的模擬電路。可如下結合圖3B的描述來設計電壓調節器211的運算放大器。根據本發明的一個實施例，多個電壓調節器可與處理器集成在同一半導體襯底上。對於本發明的另一個實施例，一個或多個電壓調節器可與一個或多個電壓傳感器集成在與處理器相同的半導體襯底上。
根據本發明的一個實施例，圖1的處理器100和電壓調節器150可實現為圖2C的處理器250和電壓調節器270。電壓調節器270通過一個或多個電壓/電源供應線路向處理器250提供供應電壓Vcc(全局)，所述線路將電壓調節器270耦合到處理器250的一個或多個供應電壓輸入埠。處理器250包括全局電源網格280，其耦合到處理器250的一個或多個供應電壓輸入埠以接收Vcc(全局)。全局電源網格280可將Vcc(全局)傳遞到整個處理器，尤其是多個本地電壓調節器251-254。
圖2C的每一個本地電壓調節器251-254都可由Vcc(全局)通過全局電源網格280供電，每一個都向處理器提供本地供應電壓Vcc(本地)。每個Vcc(本地)都可通過本地電源網格傳遞到處理器250的電路以向該電路供電。例如，本地電壓調節器251就是由Vcc(全局)通過全局電源網格280供電，並通過本地電源網格285向電路261提供Vcc(本地)以向該電路供電。類似地，本地電壓調節器252-254由Vcc(全局)通過全局電源網格280供電，並分別通過本地電源網格286-288向電路262-264提供獨立的本地供應電壓以向所述電路供電。
圖2C的每個本地電壓調節器251-254所提供的每個本地供應電壓都可由處理器250獨立地調整。在正常工作(例如當相關的電路活動時)期間，每個Vcc(本地)都可被設置為一個值，該值使得該相關電路或其一部分可在給定頻率上滿足某種定時需求。這些值可由處理器根據功率管理策略來調整。例如，當本地電壓調節器供電的電路不活動時，處理器可減小該本地電壓調節器所提供的本地供應電壓。另外還可響應於處理器的工作頻率的變動而調整本地供應電壓。
作為一個示例，由本地電壓調節器(例如本地電壓調節器251)提供的本地供應電壓所供電的電路(例如圖2C的電路261)可以是處理器的分支預測單元。當分支預測單元活動時(例如當該單元正在處理分支指令時)，給該分支預測單元供電的本地供應電壓可被設置為一個值，該值使得該單元在工作頻率上可滿足最低的定時需求。當分支預測單元不活動時(例如在分支指令之間)，可減小本地供應電壓。類似地，由本地電壓調節器(例如本地電壓調節器252)所提供的本地供應電壓供電的另一個電路(例如電路262)可以是處理器的浮點單元。當該浮點單元活動時(例如當該單元正在處理浮點指令時)，給該浮點單元供電的本地供應電壓可被設置為一個值，該值使得該單元在工作頻率上可滿足最低的定時需求。當該浮點單元不活動時(例如在浮點指令之間)，可減小本地供應電壓。
按照這種方式，本地電壓調節器可以向處理器的不同電路提供具有不同電壓電平的本地供應電壓。每個本地供應電壓都可針對其所供電的電路而被單獨地調節。例如，與向不太關鍵的較低性能的電路供電的本地供應電壓相比，向關鍵的高性能電路供電的本地供應電壓可被設置為較高的電壓。這可使得兩個電路都可以憑藉對於每個電路分別都是合適的最低(或接近最低)本地供應電壓來滿足它們的定時需求。從而可以減小處理器所消耗的整體功率。
對於本發明的另一個實施例，電路261-264可以是電路2C的處理器250的任意其他功能單元或其他電路。對於一個實施例，電路261-264中的一個或多個電路可以是一個或多個處理器核心或存儲區域例如緩存的全部或一部分。另外，根據本發明的實施例，處理器可包括任意數量的本地電壓調節器，每個電壓調節器都提供Vcc(本地)以向處理器的任意數量的電路供電。
可以使用一個或多個運算放大器、比較器或開關調節器來設計圖2C的電壓調節器251-254，上述器件可包括與處理器250的數字電路集成在同一半導體襯底上的模擬電路。可如下結合圖3B的描述來設計電壓調節器251-254的運算放大器。
圖3A包括根據本發明的實施例而構成的具有差動結構的運算放大器。運算放大器300的輸出325通過電阻器315反饋到運算放大器的反相輸入端，而輸入電壓320通過電阻器310提供給運算放大器的反相輸入端。輸入電壓330通過電阻器335提供給運算放大器300的非反相輸入端，而運算放大器的非反相輸入端通過電阻器340耦合到地(或Vss)。電阻器310、315、335和340是數位化的電阻器，其電阻可由輸入到控制寄存器305(可實現為單個或多個寄存器)中的值來設置。可與圖3A的電路集成在一起的處理器可設置控制寄存器305中的值來控制325處的輸出。
根據本發明的實施例(其中圖3A的電路被用作為電壓傳感器)，可以提供一個穩定的參考電壓Vref作為輸入電壓320。Vcc(或者所感知的電壓)可提供為輸入電壓330，而在輸出端325處提供所述控制信號。電阻器315的電阻可被保持為與電阻器340的電阻相等，而電阻器310的電阻可被保持為與電阻器335的電阻相等。在這些條件下，輸出端325處提供的控制信號可由公式315/310×(Vcc-Vref)確定，其中315和310分別是電阻器315和310的電阻。
圖3B包括了根據本發明的實施例而構成的電路。運算放大器350的輸出360通過電阻器375而反饋到運算放大器的反相輸入端，而運算放大器的反相輸入端通過電阻器370耦合到地(或Vss)。輸入電壓365被提供給運算放大器370的非反相輸入端。提供了供應電壓355向該電路供電。電阻器370和375是數位化電阻器，其阻抗可由輸入到控制寄存器380(可實現為單個或多個寄存器)中的值來設置。可與圖3B的電路集成在一起的處理器可設置控制寄存器380中的值來控制360處的輸出。
根據本發明的實施例(其中圖3B的電路被用作為本地電壓調節器)，可以提供一個穩定的參考電壓Vref作為輸入電壓365。Vcc(全局)可被提供為輸入電壓355，而在輸出端360處提供Vcc(本地)。輸出端360處的Vcc(本地)可由公式Vref×(1+375/370)確定，其中375和370分別是電阻器375和370的電阻。
根據本發明的一個實施例，處理器的一個或多個電壓調節器可包括上述一個或多個運算放大器，以提供一個或多個本地供應電壓。或者，處理器的一個或多個電壓調節器可在一個或多個運算放大器之外還包括一個或多個比較器或開關調節器，或者可單獨包括這些器件。對於本發明的一個實施例，Vcc(本地)可比Vcc(全局)低。對於另一個實施例，Vcc(本地)可比Vcc(全局)高。對於本發明的一個實施例，可以使用開關作為傳遞元件以向電壓調節器提供電流，以例如有助於減小調節器的大小。
圖4包括了示出本發明的一種方法的流程圖。如在步驟405處所示，可以從外部的離散電壓調節器向處理器的全局電源網格提供全局供應電壓Vcc(全局)。在步驟410，向第一本地電源網格提供第一本地供應電壓Vcc(本地)，以向處理器的第一電路供電。這個第一Vcc(本地)被設置得足夠高，以使得第一電路可滿足某種定時需求。在步驟415，向第二本地電源網格提供第二本地供應電壓Vcc(本地)，以向處理器的第二電路供電。這個第二Vcc(本地)被設置得足夠高，以使得第二電路可滿足某種定時需求。注意，第一和第二本地供應電壓可被設置成不同值，並可彼此獨立地調整。
在圖4的步驟420處，確定第一電路是否不活動。如果第一電路不活動，則在步驟425減小提供給第一電路的本地供應電壓。然後，在步驟430確定第二電路是否不活動。如果第二電路不活動，則在步驟435減小向第二電路提供的本地供應電壓。
已參考具體的示例性實施例描述了本發明。然而，對閱讀這一發明公開的人來說，很明顯可對這些實施例做出各種修改和變動，而不會偏離本發明更寬的精神和範圍。因此，本說明書和附圖應被看作是說明性的而非限制性的。
權利要求
1.一種處理器，包括由第一電壓供電並提供第二電壓的電壓調節器；以及由所述第二電壓供電的電路。
2.如權利要求1所述的處理器，其中，所述第二電壓可由所述處理器調整。
3.如權利要求2所述的處理器，其中，所述電壓調節器包括由所述處理器設置的數位化電阻器。
4.如權利要求1所述的處理器，其中，所述第二電壓被設置成使得所述電路可滿足某種定時需求。
5.如權利要求1所述的處理器，還包括一個埠，用於從外部電壓調節器接收所述第一電壓。
6.如權利要求1所述的處理器，其中，所述電壓調節器包括運算放大器。
7.如權利要求6所述的處理器，其中，所述電路是數字電路。
8.如權利要求1所述的處理器，其中，所述電路包括所述處理器的核心的至少一部分。
9.如權利要求1所述的處理器，其中，所述電路包括存儲器區域。
10.如權利要求9所述的處理器，其中，所述存儲器區域是緩存。
11.一種計算機系統，包括離散電壓調節器，用於提供全局Vcc；以及處理器，其包括由所述全局Vcc供電、並向所述處理器提供本地Vcc的本地電壓調節器。
12.如權利要求11所述的計算機系統，其中，所述本地Vcc可由所述處理器調整。
13.如權利要求12所述的計算機系統，其中，所述本地電壓調節器包括由所述處理器設置的數位化電阻器。
14.如權利要求11所述的計算機系統，其中，所述處理器包括由所述本地Vcc供電的緩存。
15.如權利要求11所述的計算機系統，其中，所述處理器是圖形控制器。
16.一種方法，包括向包括集成電壓調節器的處理器提供第一電壓；以所述第一電壓向所述電壓調節器供電，所述電壓調節器提供第二電壓；以及以所述第二電壓向所述處理器的至少一部分供電。
17.如權利要求16所述的方法，還包括由所述處理器調整所述第二電壓。
18.如權利要求16所述的方法，其中，向所述處理器的至少一部分供電包括向所述處理器的浮點單元供電。
全文摘要
對於本發明的一個實施例，處理器可包括一個或多個集成電壓調節器，其由外部電壓調節器供電並向處理器生成一個或多個本地供應電壓。所述一個或多個本地供應電壓可被設置成使得由所述(多個)本地供應電壓供電的一個或多個電路可滿足某種定時需求。所述(多個)本地供應電壓可由所述處理器根據功率管理策略來調整。
文檔編號G06F1/32GK1701297SQ02826162
公開日2005年11月23日 申請日期2002年11月27日 優先權日2001年12月26日
發明者丹尼爾·萊內汗, 唐·源, 凱文·張 申請人:英特爾公司