CN110999056A - 集成电路芯片的电压调节器 - Google Patents

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Abstract

所描述的实施方案包括一种控制具有一组电路的集成电路芯片的电压的设备。所述设备包括与所述集成电路芯片分开的开关电压调节器和在所述集成电路芯片上制造的两个或更多个低压降(LDO)调节器。在操作期间，所述开关电压调节器提供输出电压，所述输出电压由所述两个或多个LDO调节器中的每一个作为输入电压接收，并且所述两个或多个LDO调节器中的每一个提供本地输出电压，每个本地输出电压由所述一组电路中的不同电路子集作为本地输入电压接收。

Description

集成电路芯片的电压调节器
发明背景
背景技术
在一些集成电路***中，电压调节器被用来以指定电压向集成电路中的一些或全部供应电功率。例如，电压调节器可被用来以指定电压向包括中央处理单元(CPU)核和图形处理单元(GPU)核的芯片集成电路上的***供应电功率。尽管电压调节器可被用来向集成电路供应电功率，但使用电压调节器为***设计带来成本和复杂度。另外，使用电压调节器可导致功率效率损失，这可缩短依靠电池供电的装置的电池寿命，并且降低给定功率范围内的性能。
电压调节器的一种布置由降压调节器(即，降压转换器电路)的单级阵列组成，其中分配一组外部降压调节器中的每一个以用于向集成电路的对应分区(例如，CPU核、GPU核等)供应电功率。例如，“外部”降压调节器中的每一个可与芯片封装件一起安装到电路板，所述芯片封装件包封集成电路位于其上的集成电路芯片。通过为每个分区提供单独降压调节器，电压调节器的这种布置使得能够为每个分区动态地选择电压。然而，这种布置的一个缺点是所述布置必须具备能够为对应分区提供最大功率的降压调节器。由于分区很少需要最大功率，因此在较高电流(和对应功率等级)下最高效地操作的降压调节器通常在低效的较低电流下操作。另外，由于电路板和封装件必须配置有用于处理分区中的每一个的最大电流总和的资源，所以如上所述提供降压调节器导致电路板和封装件的成本增加。
电压调节器的另一种布置由两级电压调节器组成，其中外部第一级降压调节器向与集成电路一起制造在集成电路芯片上的第二级降压调节器阵列提供固定中间电压。每个第二级降压调节器向集成电路的特定分区(例如，CPU核、GPU核等)提供可动态选择的电压。与典型集成电路电压要求相比，固定中间电压是相对较高的电压水平，因此第二级降压调节器将固定中间电压转换/降低为对应分区的操作集成电路电压。在电压调节器的这种布置中，由于第一级调节器和电路板/封装件资源由第二级降压调节器共享，因此可为真实最大电流情形提供电流。然而，这种布置的一个缺点在于第二级降压调节器较复杂且在集成电路芯片上集成和制造成本较高。
如上所述，用于向集成电路提供功率的电压调节器的各种现有布置具有显著缺点。因此，改进电压调节器的布置和使用值得关注。
附图说明
图1呈现示出根据一些实施方案的***的框图。
图2呈现示出根据一些实施方案的用于配置电压调节器的输出电压和两个或更多个低压降调节器的本地输出电压的过程的流程图。
图3A呈现根据一些实施方案的***工作负荷以及对应电压调节器和低压降调节器设置的框图。
图3B呈现根据一些实施方案的***工作负荷以及对应电压调节器和低压降调节器设置的框图。
图3C呈现根据一些实施方案的***工作负荷以及对应电压调节器和低压降调节器设置的框图。
图4呈现示出根据一些实施方案的用于制造***的过程的流程图。
贯穿附图和描述，相同的附图标号指代相同的附图元件。
具体实施方式
呈现以下描述以使本领域技术人员能够制造并使用所描述的实施方案，并且在特定应用和其要求的情形中提供以下描述。本领域的技术人员将容易明白对所描述的实施方案的各种修改，并且本文所定义的一般原理可适用于其他实施方案和应用。因此，所描述的实施方案并不限于所示的实施方案，而是应被赋予与本文所公开的原理和特征一致的最宽范围。
术语
在以下描述中，各种术语用于描述实施方案。以下是这些术语之一的简化且一般描述。注意，所述术语可具有为了清楚和简洁起见本文未对其进行叙述的大量附加方面，因此所述描述并非意图限制所述术语。
电源电压：电源电压是供应给一个或多个电路(例如，单个晶体管、形成各种逻辑门或电路的晶体管集合、分立电路元件、功能块等)的用于使得电路能够操作的电信号。在一些情况下，以基本上稳定的电压供应电源电压，但电流随着相关电路的电力需求变化而变化，例如随着电路上的瞬态负荷而变化。例如，电压调节器是以基本上稳定的电压提供电源电压但电流基于相关电路的需求而变化的电路。注意，“基本上稳定的”电压意指电源电压在可能的范围内维持在配置/给定电压处或附近，但在某些情况下(诸如当相关电路上发生瞬态负荷时等)所述电压可发生变化。
概述
所描述的实施方案包括用于以基本稳定的电压向集成电路芯片上的一组电路供应功率的电压调节器布置。电压调节器布置包括位于集成电路芯片外部的单个电压调节器(或“第一级”电压调节器)和在集成电路芯片上制造的两个或更多个电压调节器(或“第二级”电压调节器)。第一级电压调节器提供输出电压，所述输出电压由第二级电压调节器中的每一个作为电源电压接收。第二级电压调节器各自提供本地输出电压，所述本地输出电压由一组电路中的不同电路子集作为电源电压接收。在所描述的实施方案中，第一级电压调节器是开关电压调节器，并且第二级电压调节器是低压降调节器(LDO)。
在所描述的实施方案中，第一级电压调节器和低压降调节器可被动态地配置来提供各种输出电压。例如，在一些实施方案中，低压降调节器可被单独地且独立地配置来提供介于0V与1.2V之间(或介于其他电压值之间)的输出电压。例如，可响应于一组电路中的对应电路子集的动态电源电压需求来配置或重新配置低压降调节器。继续所述实例，第一级电压调节器可被配置来基于低压降调节器的动态电源电压需求提供介于0V与1.5V之间(或其他电压值之间)的输出电压。
在一些实施方案中，第一级电压调节器被配置来提供刚好足以满足具有最高电源电压需求的一个或多个低压降调节器的电源电压需求的输出电压。例如，如果存在其中的每一个需要特定电源电压来操作的三个低压降调节器，则第一级电压调节器提供使得全部低压降调节器能够操作的最低输出电压(或在最低输出电压的给定阈值或裕度内)。
在一些实施方案中，控制器(例如，***管理控制器、功率控制器等)配置第一级电压调节器和低压降调节器中的一些或全部，以如上所述提供对应输出电压。例如，控制器可监测一组电路中的电路子集，以确定一组电路中的电路子集的活动或负荷(即，以确定当前或估计的未来计算负荷、电功率消耗需求等)。基于一组电路中的电路子集的活动或负荷，控制器确定待由对应低压降调节器提供给一组电路中的给定电路子集的电源电压。例如，控制器可确定一组电路中的电路子集将要或正在大量用于计算操作，并因此可确定将由对应低压降调节器提供较高输出电压(例如1.2V)。作为另一实例，控制器可确定一组电路中的电路子集将要或正在少量用于计算操作，并因此可确定将由对应低压降调节器提供较低输入电压(例如0.7V)。在一些实施方案中，控制器还动态地确定电路子集中的一些或全部的时钟或一个或多个其他元件的操作频率。
当使用上述电压调节器布置时，发现许多益处。例如，通过使用低压降调节器来向集成电路芯片的一组电路中的电路子集提供电源电压，并且使用外部第一级电压调节器向低压降调节器提供可变电源电压，所描述的实施方案能够使电源电压适应一组电路中的电路子集的实时工况。作为另一实例，通过使用单个外部第一级可变输出电压调节器和在集成电路芯片上制造的低压降调节器，所描述的实施方案以需要不那么昂贵和复杂的片外电路的方式来分配电压调节器。作为又一实例，与某些现有电压调节器布置相比，由于根据更真实操作情形在两级电压调节器之间提供电流，因此可节省在其中包封集成电路芯片的封装件和在其上安装封装件的电路板的成本。作为又一实例，避免了关于封装件和集成电路芯片的成本和设计复杂度，这是因为来自第一级电压调节器的动态选择输出电压可被配置来满足低压降调节器的特定电压要求—从而在特定工作负荷情形下提供改进的功率效率。作为又一实例，低压降调节器比降压调节器简单，因此所描述的实施方案的金钱和设计复杂度成本低于使用降压调节器的现有布置。因此，所描述的实施方案改进了集成电路芯片和/或使用集成电路的***的总体电功率使用情况和一般功能。
***
图1呈现示出根据一些实施方案的***100的框图。如图1中可看出，***100包括耦合到电压调节器104(“VREG”104)的集成电路芯片102。电压调节器104是开关电压调节器，其以输出电压VOUT 132提供电功率，所述输出电压充当集成电路芯片102上的一组低压降调节器(以及可能的其他电路(未示出))的电源电压。例如，电压调节器104可以是降压转换器、升压转换器或另一类型的开关电压调节器。如下文更详细描述，电压调节器104可在***100的操作期间被动态地配置和重新配置来提供各种输出电压。
集成电路芯片102是已在其上制造各种电路元件的半导体芯片，所述电路元件包括低压降调节器106-112(“LDO”106-112)、中央处理单元核114-116(“CPU核”114-116)、图形处理单元核118(“GPU核”118)、功能块120-122和控制器134。CPU核114-116是执行各种计算操作的微处理器核。GPU核118是执行图形处理和/或各种其他计算操作的图形处理器核。功能块120-122执行对应操作，诸如网络处理器、存储器控制器和/或存储器等的操作。
CPU核114-116、GPU核118和功能块120-122是集成电路芯片102上的“一组”电路的一部分，CPU核114-116、GPU核118和功能块120-122中的每一者包括所述一组电路中的不同电路“子集”。例如，CPU核114可以是所述一组电路中的第一电路子集，CPU核116可以是所述一组电路中的第二电路子集，GPU核118可以是所述一组电路中的第三电路子集，并且功能块120-122可以是所述一组电路中的第四电路子集。如下所述，可向集成电路芯片102中的一组电路中的每个电路子集提供单独且不同的电源电压。
低压降调节器106-112是线性电压调节器，其被配置来以基本上稳定的本地输出电压提供电功率，所述本地输出电压中的每一个充当集成电路芯片102中的一组电路中的对应电路子集的电源电压。例如，低压降调节器106提供充当CPU核114(即，所述一组电路中的第一电路子集)的电源电压的本地输出电压VOUT 124，低压降调节器108提供充当CPU核116的电源电压的本地输出电压VOUT 126，低压降调节器110提供充当GPU核118的电源电压的本地输出电压VOUT 128，并且低压降调节器112提供充当功能块120和122的电源电压的本地输出电压VOUT 130。如下文更详细描述，低压降调节器106-112可在***100的操作期间被动态地且单独地配置和重新配置来提供各种本地输出电压。
注意，在本说明书中，将低压降调节器106-112所提供的输出电压称为“本地”，以便将这些输出电压与电压调节器104所提供的输出电压区分开。否则，本地输出电压只是提供给如本文所述的一组电路中的电路子集的输出电压。
如上所述，电压调节器104和低压降调节器106-112可被动态地配置来提供各种输出电压。在一些实施方案中，***100通过首先确定待由每个低压降调节器106-112提供的本地输出电压来执行动态配置。例如，可基于一组电路中的对应电路子集的当前或估计的未来活动或负荷(即电路子集的当前或估计的未来电功率需求)确定每个低压降调节器106-112的本地输出电压。继续上述实例，这意指低压降调节器106的本地输出电压VOUT124可基于CPU核114的活动或负荷来确定、低压降调节器108的输出电压可基于CPU核116的活动或负荷来确定等。基于待由每个低压降调节器106-112提供的本地输出电压，***确定电压调节器104(同样，其向所有低压降调节器106-112供电)的输出电压。电压调节器104的输出电压应当足够高，以使得低压降调节器106-112能够操作，但通常保持尽可能得低，以避免不必要的电功率消耗、发热等。因此，基于最高需求低压降调节器106-112(即，将提供最高本地输出电压的低压降调节器106-112)来确定电压调节器104的输出电压。然后，***配置电压调节器104以提供输出电压，并且配置低压降调节器106-112以提供本地输出电压(不一定按所述顺序)。
在一些实施方案中，对输出电压和本地输出电压的上述动态配置和重新配置可在***100的操作期间的各个时间处执行。例如，在启动时、在一组电路的子集(同样，为CPU核114、CPU核116等)的活动或负荷变化时、在软件程序开始或更改执行阶段时、每N毫秒(其中N是数值)、在***100正操作时发生指定事件时、当***100中的一些或全部的物理参数(例如，温度、声音或振动)达到指定水平时等。例如，***100可节制或降低过热的CPU核114中时钟的操作频率，从而导致活动水平降低并且致使低压降调节器106的本地输出电压和/或电压调节器104的输出电压重新配置/降低。在一些情况下，频率和电压被成对选择并进行协同调整。作为另一实例，功能块122可指示较高水平的活动，从而致使低压降调节器112的本地输出电压和/或电压调节器104的输出电压重新配置/升高。
返回图1，控制器134是功能块，所述功能块执行本文所述的用于配置由电压调节器104提供的输出电压和由低压降调节器106-112提供的本地输出电压的操作中的一些或全部(以及可能的其他操作)。例如，在一些实施方案中，控制器134是***控制器、功率控制器、专用电压调节器控制器和/或另一功能块。
在一些实施方案中，控制器134从一组电路中的一个或多个电路子集(即，CPU核114、功能块120等)接收、检索或以其他方式获取活动、负荷或其他操作信息(通常为“活动信息”)，所述操作信息可用于确定一组电路中的电路子集中的一些或全部的当前或估计的未来活动或负荷。例如，控制器134可通过活动信号136或另一机制接收以下内容作为活动信息：每秒正在执行或将要执行的操作的计数或估计值、队列中的指令或操作的数量的指示、操作温度、空闲或繁忙时间百分比、正在处理的软件(例如，应用程序；操作***例程等)或硬件负荷的标识、和/或可用于表征一组电路中的电路子集中的一些或全部的当前或估计的未来活动或负荷的其他信息。在这些实施方案中，控制器134可以各种方式接收、检索或以其他方式获取活动信息。例如，一组电路的子集(例如，CPU核114)可将值写入寄存器或共享存储器位置，从而指示一组电路的子集中曾经执行、正在执行或将要执行的操作的数量。然后，控制器134可访问/读取寄存器或共享存储器位置以确定操作信息。作为另一实例，控制器134可将对活动信息的请求(例如，通过***总线、诸如活动信号136的信号线等)传达给一组电路中的电路子集，并且作为响应，接收来自具有活动信息的一组电路中的电路子集的返回通信。作为另一实例，操作***、管理程序和/或其他软件实体可使用存储器位置/寄存器、数据包、指令或其他通信机构将活动信息传达给控制器134。
在一些实施方案中，控制器134基于从一组电路的子集本身接收的活动信息来“直接地”确定一组电路的子集的当前或估计的未来负荷或活动。例如，控制器134可基于控制器134从CPU核114接收、检索或以其他方式获取的信息来确定CPU核114的当前或估计的未来负荷或活动。在一些实施方案中，控制器134基于从一组电路的一个或多个不同子集接收的活动信息“间接地”确定一组电路的子集的当前或估计的未来负荷或活动。例如，控制器134可从CPU核116接收指示功能块120的当前或估计的未来负荷或活动的活动信息。例如，并且假设功能块120是存储器，则来自CPU核116的活动信息可指示存储器密集的操作阶段(诸如执行进行更大数量的存储器读取或写入的软件程序)现在正由或将由CPU核116输入，从而导致功能块120上的负荷增加。在一些实施方案中，控制器134执行对一组电路的子集的当前或估计的未来负荷或活动的直接或间接确定的组合。
在一些实施方案中，控制器134基于一种或多种策略和/或规则例如通过控制信号138来配置电压调节器104的输出电压和低压降调节器106-112的本地输出电压。例如，给定一组电路中的一个或多个电路子集的特定活动或负荷水平，控制器134可基于适用于活动或负荷水平、平均活动或负荷水平、给定时间帧内的最小或最大活动或负荷水平等的一种或多种规则来配置输出电压和/或本地输出电压。在一些实施方案中，策略和/或规则是可动态调整的，诸如通过更新指示或控制策略和/或规则中的一些或全部的配置文件(configuration file)、寄存器值、查找表或记录、算法等。
在一些实施方案中，控制器134配置电压调节器104和/或低压降调节器106-112的电压，作为用于设置或调整一组电路的子集中的一些或全部的电压/频率的操作的一部分。例如，当输入较低功率模式时，控制器134可将电压和/或频率设置为对应较低水平，即，设置为较低电压和频率。
在一些实施方案中，***100包括安装装置(未示出)，集成电路芯片102和电压调节器104分开耦合(例如，安装、拧紧、夹紧、压紧、粘附等)到所述安装装置，以提供稳定性和机械支撑。例如，安装装置可以是电路板、有源或非有源半导体***器、插座、支架和/或另一机械安装装置中的一者或多者。在这些实施方案中，安装装置可包括迹线、引导件、焊盘、区域等，诸如VOUT 132的电源电压和诸如控制信号138中的一个或多个的其他电信号通过所述安装装置在电压调节器104与集成电路芯片102之间传达。
在一些实施方案中，***100包括封装件(未示出)，在所述封装件中包封或以其他方式安装有集成电路芯片102。例如，封装件可以是引脚栅格阵列封装件、扁平封装件、小外形封装件、球栅格阵列封装件等。与此类封装件的典型特征一样，提供各种引脚、引线、焊料凸块、区域等以及对应封装件内部布线，以用于在集成电路芯片102与封装件安装到的装置(电路板、***器、插座等)之间传达电信号。在一些实施方案中，并且与一些现有***不同，封装件不包括电压调节器电路元件。换句话讲，电压调节器和低压降调节器的电路元件(不包括用于将电源电压通过封装件路由到集成电路芯片102的引脚、信号路径、迹线、引导件、区域等)完全在集成电路芯片外部(如在电压调节器104中)，或完全在集成电路芯片上制造(如在低压降调节器106-112中)。
尽管在集成电路芯片102中示出了各种元件，但在一些实施方案中，在集成电路芯片102中存在不同的元件。一般来讲，集成电路芯片102包括足够的元件以执行用于配置由两个或更多个低压降调节器提供给一组电路中的不同电路子集的本地输出电压和由外部电压调节器提供给两个或更多个低压降调节器的输出电压的操作。
***100可以是或可包括在执行计算操作的任何电子装置中。例如，***100可以是或可包括在诸如以下各项的电子装置中：台式计算机、膝上型计算机、可穿戴计算装置、平板计算机、虚拟现实装备或增强现实装备、智能电话、服务器、网络电器、玩具、视听装备、家用电器、控制器、车辆等，和/或它们的组合。
配置电压调节器的电压
如上所述，所描述的实施方案执行用于配置电压调节器104的输出电压和低压降调节器106-112的本地输出电压的操作。图2呈现示出根据一些实施方案的用于配置电压调节器的输出电压和两个或更多个低压降调节器的本地输出电压的过程的流程图。注意，图2所示的操作被呈现为一些实施方案所执行的功能的一般实例。其他实施方案所执行的操作包括不同操作和/或以不同顺序执行的操作。另外，尽管在描述过程时使用了某些机构(例如，控制器134等)，但在一些实施方案中，其他机构可执行操作。
图2所示的过程可在***100的操作期间的任何时间执行。例如，所述过程可在以下时间执行：在启动时或附近；在一个或多个指定的、周期性的或重复性时间；在一个或多个指定事件发生时；当一个或多个实体(操作***、CPU核等)请求时；当软件程序开始或更改执行阶段时；当遇到特定物理状态(温度等)时；和/或在其他时间。换句话讲，在***100操作时，低压降调节器106-112的本地输出电压和电压调节器104的输出电压是可动态地配置/选择的。如下所述，活动信息通过接收本地输出电压的电路的本地操作频率用于配置/选择输出电压和本地输出电压，从而产生基于***100中的实时操作条件为电压调节器和低压降调节器配置的输出电压和本地输出电压。这可帮助确保***100消耗更少的电功率，在更低的温度操作等，同时还确保***100响应性地处理计算负荷。
当控制器134获取标识接收由两个或更多个低压降调节器(例如，低压降调节器112等)中的每一个提供的本地输出电压作为电源电压的一组电路中的电路子集(例如，功能块122等)的活动或负荷的活动信息(步骤200)时，图2所示的过程开始。在此操作期间，控制器134接收、检索或以其他方式获取可用于计算、标识或估计一组电路中的电路子集的活动或负荷的信息。例如，其电源电压由低压降调节器之一供应的CPU核可更新例如在控制器134可访问的寄存器或存储器位置中的一个或多个性能计数器，并且控制器134可访问/读取存储器位置以获取活动信息。作为另一实例，控制器134可从包括存储器的功能块请求存储器带宽使用情况报表或预测，并且作为回报接收指示存储器带宽的响应作为活动信息。作为另一实例，控制器134可从一组电路的子集、从操作***等接收对将要由一组电路中的电路子集中的一些或全部执行的软件程序的指示作为活动信息，所述一个或多个软件程序具有已知的执行配置文件(profile)(例如，存储器访问繁重的、图形密集的等)、可标识的执行阶段(例如，计算阶段，之后是写入存储器阶段)等。作为又一实例，控制器134可从***100的监测器接收对操作环境值(例如，温度、噪声、风扇速度等)的指示，并且将其用作活动信息。
在一些实施方案中，控制器134创建或导出活动信息。例如，控制器134可随时间监测一个或多个***值(CPU核负荷水平、存储器总线带宽使用情况、温度等)，并且计算平均值、百分比、量变曲线(profile)、直方图等。作为另一实例，控制器134可计算或生成综合统计值或值，诸如每个CPU核每秒的平均指令、***范围的温度模式等。一般来讲，控制器134执行用于基于一个或多个检索、接收或以其他方式获取到的值来确定标识一组电路的子集的活动或负荷水平的活动信息的操作。
然后，控制器134基于活动信息来确定接收由低压降调节器中的每一个提供的本地输出电压的电路的本地操作频率(步骤202)。在此操作期间，控制器134使用活动信息以及一个或多个表、参考值、算法、逻辑运算和/或其他运算来基于活动信息确定接收由低压降调节器中的每一个提供的本地输出电压的电路的本地操作频率。例如，控制器134可使用一个或多个查找表或一个或多个其他记录来确定当活动信息指示对应电路正在发生或已在发生超过指定空闲时间百分比时，电路中的一些或全部的本地操作频率将被配置为第一值(例如，1.5GHz、900MHz或另一值)，否则被配置为第二值(例如，2.5GHz、3GHz或另一值)。作为另一实例，控制器134可使用从电路中的一些或全部(或其他地方)获得的操作温度作为具有一种或多种数学运算、逻辑运算和/或逐位运算的算法的输入来计算电路中的一些或全部的本地频率。例如，控制器134可使用所述算法将电路中的一些或全部的当前本地操作频率缩放为与当前操作温度成比例的新的本地操作频率。
在一些实施方案中，用于基于活动信息确定本地操作频率的一个或多个表、参考值、算法、逻辑运算和/或其他运算可动态地配置。例如，在使用一个或多个表的实施方案中，一个或多个表可在***100操作时由操作***或软件程序、用户、控制器134、电路子集之一等更新或替换。以这种方式，可随时间更改或调整在步骤202中确定的本地操作频率—这可帮助确保***针对接收由低压降调节器中的每一个提供的本地输出电压的电路使用期望的本地操作频率。在一些实施方案中，一个或多个表、参考值、算法、逻辑运算和/或其他运算的动态配置遵循一个或多个一般策略或规则，例如，针对指定计算操作维持特定平均完成时间、在***100内维持一定平均温度等。在这些实施方案中，动态配置可每隔一段时间(例如，每N毫秒等)发生一次，以确保在给定动态配置的情况下或基于动态配置，满足一般策略或规则。在一些实施方案中，电路中的每一个的本地操作频率可被设置为不同的值。
然后，控制器134基于接收由低压降调节器中的每一个提供的本地输出电压的电路的所确定本地操作频率来确定低压降调节器中的每一个的本地输出电压(步骤204)。在此操作期间，控制器134使用一个或多个表、参考值、算法、逻辑运算和/或其他运算来基于对应本地操作频率确定低压降调节器中的每一个的本地输出电压。例如，控制器134可在一个或多个查找表或其他记录中执行一次或多次查找以确定与每个对应本地操作频率相关联的本地输出电压。例如，假设接收由低压降调节器中的一个提供的本地输出电压的电路的所确定本地操作频率为2.5GHz，则可将对应低压降调节器的本地输出电压设置为1.2V、1.5V或其他电压值。以这种方式，基于对应电路的本地操作频率为每个低压降调节器确定单独的本地输出电压。
在一些实施方案中，用于基于本地操作频率来确定本地输出电压的一个或多个表、参考值、算法、逻辑运算和/或其他运算可动态地配置。例如，在使用一个或多个表的实施方案中，一个或多个表可在***100操作时由操作***或软件程序、用户、控制器134、电路子集之一等更新或替换。以这种方式，可随时间更改或调整在步骤204中确定的本地输出电压—这可帮助确保***针对接收由低压降调节器中的每一个提供的本地输出电压的电路使用期望的电压。在一些实施方案中，一个或多个表、参考值、算法、逻辑运算和/或其他运算的动态配置遵循一个或多个一般策略或规则，例如，针对指定计算操作维持特定平均完成时间、在***100内维持一定平均温度等。在这些实施方案中，动态配置可每隔一段时间(例如，每N毫秒等)发生一次，以确保在给定动态配置的情况下或基于动态配置，满足一般策略或规则。
接下来，控制器134基于低压降调节器的本地输出电压来确定电压调节器(例如，开关电压调节器(诸如电压调节器104))的输出电压(步骤206)。在此操作期间，控制器134使用查找表、算法和/或其他运算来确定待由电压调节器提供的足够高以使得低压降调节器中的每一个/全部都能够适当地操作但也不大幅高于必要的输出电压。一般来讲，低压降调节器为了实现正确操作需要等于或高于本地输出电压的输入电压。因此，在一些实施方案中，控制器134可使用诸如加法(例如，将偏移值加到最高低压降调节器输出电压，诸如0.2V、0.3V等)或乘以缩放值的乘法(例如，将最高低压降调节器输出电压乘以缩放值，诸如1.1、1.2等)的算法来确定电压调节器的输出电压。在一些实施方案中，控制器134可在表中执行查找以获取输出电压，在所述表中一组可用/允许的本地输出电压值中的每一个与电压调节器的对应输出电压相关联。控制器134还可简单地将输出电压设置为等于本地输出电压中的最高值。
在一些实施方案中，用于确定电压调节器的输出电压的查找表、算法和/或其他运算可动态地配置。例如，在使用查找表的实施方案中，查找表可在***100操作时由操作***或软件程序、用户、控制器134、电路子集之一等更新或替换。以这种方式，可随时间更改或调整在步骤204中确定的输出电压—这可帮助确保***使用期望的输出电压来配置电压调节器。在一些实施方案中，查找表、算法和/或其他运算的动态配置遵循一个或多个一般策略或规则，例如，针对指定计算操作维持特定平均完成时间、在***100内维持一定平均温度等。在这些实施方案中，动态配置可每隔一段时间(例如，每N毫秒等)发生一次，以确保在给定动态配置的情况下或基于动态配置，满足一般策略或规则。
然后，控制器134配置电压调节器以提供输出电压(步骤208)。在此操作期间，控制器134例如通过控制信号138中的对应控制信号来设置、调整或以其他方式致使电压调节器中的电路元件开始提供/输出所述输出电压。例如，控制器134可设置或调整供应给电压调节器的电路元件的偏置或参考电压，以致使这些电路元件开始提供输出电压。作为另一实例，控制器134可配置电压调节器的元件(诸如放大器、电阻器、电容器、电感器等)以致使电压调节器开始提供输出电压。作为另一实例，控制器134可在寄存器或存储器元件中设置由电压调节器的一个或多个控制电路或元件使用的值以确定如何设置电压调节器的输出电压，从而致使电压调节器开始提供输出电压。
然后，控制器134配置低压降调节器中的每一个以提供低压降调节器的本地输出电压(步骤210)。在此操作期间，控制器134例如通过对应控制信号138来设置、调整或以其他方式致使低压降调节器中的电路元件开始提供/输出对应本地输出电压。例如，控制器134可设置供应给低压降调节器的电路元件的偏置或参考电压，以致使这些电路元件开始提供输出电压。作为另一实例，控制器134可配置低压降调节器的元件(诸如放大器、电阻器、电容器等)以致使低压降调节器开始提供输出电压。作为另一实例，控制器134可在寄存器或存储器元件中设置由低压降调节器的一个或多个控制电路或元件使用的值以确定如何设置低压降调节器的输出电压，从而致使低压降调节器开始提供输出电压。
对于图2中的实例，用于提供输出电压的对电压调节器进行的(在步骤208中)和用于提供对应本地输出电压的对低压降调节器进行的(在步骤210中)重新配置以一定方式执行使得在配置操作期间避免本地输出电压的不必要中断。一般来讲，这意指电压调节器的输出电压不降低到足以使所有低压降调节器继续提供先前本地输出电压的输出电压以下—直到低压降调节器也被重新配置来提供较低的本地输出电压。例如，对于电压调节器和低压降调节器，重新配置可以是原子性的或基本上同时进行，使得低压降调节器显示出减少的来自重新配置的不良影响(即，本地输出电压的中断或尖峰)。作为另一实例，步骤208-210的顺序可颠倒，使得降低/配置低压降调节器的本地输出电压，之后对应地降低/配置电压调节器的输出电压。
然后，控制器134配置接收由低压降调节器中的每一个提供的本地输出电压的电路的本地操作频率(步骤212)。在此操作期间，控制器134直接或间接地调整、更新或以其他方式配置电路的本地操作频率。例如，控制器134可调整(即，增加或减少)电路中的操作与其同步或通过其控制操作的一个或多个时钟的时钟频率；可将电路配置为接受来自另一控制电路的输入(更高或更低频率时钟等)；和/或以其他方式更新电路的本地操作频率。
尽管描述了“配置”电压和频率的动作，但配置包括在不期望改变时使输出电压、本地输出电压和频率保持不变。例如，当已根据步骤200-206中确定的输出电压和/或本地输出电压适当地配置输出电压和/或本地输出电压时，步骤208和/或210可包括使当前输出电压和/或本地输出电压保持不变。
图3A至图3C呈现根据一些实施方案的多个***工作负荷以及对应电压调节器和低压降调节器设置的框图。一般来讲，图3A至图3C所示的实例示出已针对三种不同工作负荷中的每一种执行图2的操作之后的输出电压和两个本地输出电压。尽管在图3A至图3C中示出特定实施方案，但在一些实施方案中，可使用不同的电压。
对于图3A至图3C中的操作，***工作负荷表示在***操作期间的特定时间点可能出现的工作负荷和选定电压。然而，这些并不是***100中可能出现的唯一工作负荷和/或选定电压。在***100的操作期间，取决于***100的特定计算负荷和/或其他因素，工作负荷和选定电压可能随时变化。如本文所述，控制器134至少部分地基于工作负荷来动态地配置输出电压和本地输出电压。另外，在图3A至图3C的全部中示出电压调节器(例如，电压调节器104)的固定输入电压。固定电压是提供给电压调节器的(例如，来自电源、电池或另一源)电源电压。另外，在水平轴线下方使用标记示出电压调节器和低压降调节器的最小和最大输出电压。例如，电压调节器的最小电压被标记为“VR MIN VOLTAGE”，并且最大电压被标记为“VR MAX VOLTAGE”。注意，固定最小和最大电压值可以是任何值，并且简单地呈现为图示(即，未按比例显示)。
对于图3A中以CPU为中心的工作负荷300，CPU(例如，CPU核114)是活动的并且正在经历负荷，但GPU(例如，GPU核118)仅受最小负荷。由对应低压降调节器(例如，低压降调节器106和110)提供的本地输出电压是基于对应活动/负荷，使得对应低压降调节器正在为CPU提供更接近最大电压的本地输出电压(如图3A中的条的深色部分所示)，并且对应低压降调节器正在为GPU提供更接近最小电压的本地输出电压。如图中可看出，由电压调节器提供的输出电压基本上等于(即，如果不等于，则略高于)CPU低压降调节器的本地输出电压，从而提供足够的电源电压以启用CPU低压降调节器。GPU低压降调节器被设置为较低的本地输出电压，这产生一些功率损耗(这归因于低压降调节器的性质以及输出电压与GPU本地输出电压之间的差值)，但由于GPU汲取的电流水平较低，因此功率损耗很小。
对于图3B中的以GPU为中心的工作负荷302，GPU是活动的并且正在经历负荷，并且CPU是活动的但是并非满负荷。由对应低压降调节器提供的本地输出电压是基于对应活动/负荷，使得对应低压降调节器正在为GPU提供更接近最大电压的本地输出电压，并且对应低压降调节器正在为CPU提供在电压范围的中间的本地输出电压。如图中可看出，由电压调节器提供的输出电压基本上等于GPU低压降调节器的本地输出电压，从而提供足够的电源电压以启用GPU低压降调节器。CPU低压降调节器被设置为较低的本地输出电压，这产生一些功率损耗(同样，这归因于CPU低压降调节器的性质以及输出电压与CPU本地输出电压之间的差值)，但由于CPU汲取的电流水平较低，因此功率损耗并非不可管理。
对于图3C中的低强度工作负荷304，CPU和GPU两者是活动的，但仅受最小负荷。由对应低压降调节器提供的本地输出电压是基于对应活动/负荷，使得对应低压降调节器都分别为CPU和GPU提供更接近最小电压的本地输出电压。如图中可看出，由电压调节器提供的输出电压也更接近最小电压，其将提供足够的电源电压以启用GPU低压降调节器。
制造***
图4呈现示出根据一些实施方案的用于制造***(例如，如图1所示的***100)的过程的流程图。注意，图4所示的操作被呈现为一些实施方案所执行的功能的一般实例。其他实施方案所执行的操作包括不同操作和/或以不同顺序执行的操作。
当在集成电路芯片上制造一组电路(即，集成电路)(步骤400)时，图4所示的过程开始。在此操作期间，在集成电路芯片上制造各种电路(例如CPU核114、功能块120等)，所述集成电路芯片可以是新的半导体裸片，或已具有一个或多个其他装置或特征(使用已知半导体制造工艺，诸如掺杂或离子注入、蚀刻、各种材料的沉积、通过一个或多个掩模进行的光刻图案化等)的半导体裸片。
接下来，在集成电路芯片上制造两个或更多个低压降调节器(步骤402)。与步骤400中的电路一样，使用已知半导体制造工艺在集成电路芯片上制造低压降调节器。
然后，将两个或更多个低压降调节器中的每一个的本地输出电压输出(作为电源电压)耦合到一组电路的不同子集(步骤404)。在此操作期间，信号线(例如一条或多条迹线、引导件等)耦合在用于每个低压降调节器的本地输出电压的输出引脚、触点等与用于一组电路的对应子集的电源电压输入的输入引脚、触点等之间。
然后在集成电路芯片的外部制造开关电压调节器(步骤406)。在此操作期间，例如使用已知半导体制造工艺来制造各种分立和/或集成电路元件，并且将它们耦合在一起以形成开关电压调节器。
然后，将开关电压调节器的电压输出耦合到低压降调节器的电压输入(步骤408)。在此操作期间，通过一条或多条迹线、线材、引导件等将开关电压调节器的输出电压引脚、连接器、引线等耦合到集成电路芯片的充当低压降调节器的电压输入的片外接口的引脚、区域等。
在一些实施方案中，计算装置(例如，***100和/或其某个部分)使用存储在非暂时性计算机可读存储介质上的代码和/或数据来执行本文所述的操作中的一些或全部。更具体地说，计算装置在执行所描述的操作时从计算机可读存储介质读取代码和/或数据，并执行所述代码和/或使用所述数据。计算机可读存储介质可以是存储供计算装置使用的代码和/或数据的任何装置、介质或其组合。举例来说，计算机可读存储介质可包括但不限于易失性存储器或非易失性存储器，包括快闪存储器、随机存取存储器(eDRAM、RAM、SRAM、DRAM、DDR、DDR2/DDR3/DDR4 SDRAM等)、只读存储器(ROM)和/或磁性或光学存储介质(例如，磁盘驱动器、磁带、CD、DVD)。
在一些实施方案中，一个或多个硬件模块被配置来执行本文所描述的操作。例如，硬件模块可包括但不限于一个或多个处理器/核/中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)芯片、现场可编程门阵列(FPGA)、计算单元、嵌入式处理器、图形处理器(GPU)/图形核、管线、加速处理单元(APU)、***管理控制器、功率控制器和/或其他可编程逻辑装置。当此类硬件模块被激活时，所述硬件模块执行所述操作中的一些或全部。在一些实施方案中，硬件模块包括通过执行指令(程序代码、固件等)来配置以执行所述操作的一个或多个通用电路。
在一些实施方案中，表示本文所述的结构和机构(例如，集成电路芯片102、控制器134和/或其某个部分)中的一些或全部的数据结构存储在非暂时性计算机可读存储介质上，所述非暂时性计算机可读存储介质包括可由计算装置读取且直接或间接用于制造包括所述结构和机构的硬件的数据库或其他数据结构。举例来说，数据结构可以是用诸如Verilog或VHDL的高级设计语言(HDL)对硬件功能性的行为级描述或寄存器传输级(RTL)描述。可通过合成工具来读取所述描述，所述合成工具可合成所述描述，以产生包括来自合成库的门/电路元件的列表的网表，所述元件表示包括上述结构和机构的硬件的功能性。所述网表随后可被放置并选路以产生描述要应用于掩模的几何形状的数据集。然后，可在各种半导体制造步骤中使用所述掩模，以产生对应于上述结构和机构的一个或多个半导体电路。可替代地，计算机可存取存储介质上的数据库可以是网表(具有或不具有合成库)或数据集(根据需要)或图形数据***(GDS)II数据。
在本说明书中，在描述一些实施方案时可提及功能块。一般来讲，功能块包括执行所描述的操作的一个或多个互相关联的电路元件。例如，电路元件可包括集成电路、分立电路元件等。在一些实施方案中，功能块中的电路包括执行程序代码(例如，微代码、固件、应用程序等)以执行所描述的操作的电路。例如，功能块可包括一个或多个处理管线、计算单元、专用处理电路等。
在本说明书中，可在一般术语中提及时间。例如，“每N毫秒”等。尽管重复使用N作为变量，但是一般提及未必在每种情况下都描述相同的时间量—对于一些或全部的一般提及，可能存在不同的时间。
仅出于说明和描述的目的呈现了对实施方案的前述描述。所述描述并不意图是详尽的或将实施方案限于所公开的形式。因此，许多修改和变化对于本领域技术人员来说将是明显的。另外，上述公开内容并不意图限制实施方案。实施方案的范围由所附权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种控制电压的设备，其包括：
集成电路芯片，所述集成电路芯片包括一组电路；
开关电压调节器，所述开关电压调节器与所述集成电路芯片分开；以及
多个低压降(LDO)调节器，所述多个低压降(LDO)调节器在所述集成电路芯片上制造；
其中所述开关电压调节器提供输出电压，所述输出电压由所述多个LDO调节器中的每一个作为输入电压接收；并且
其中所述多个LDO调节器中的每个LDO调节器提供本地输出电压，每个本地输出电压由所述一组电路中的不同电路子集作为本地输入电压接收。
2.如权利要求1所述的设备，其还包括：
控制器，所述控制器被配置来：
针对每个LDO调节器，标识待由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压；
基于待由所述LDO调节器中的每一个提供的所述本地输出电压，标识待由所述开关电压调节器提供的所述输出电压；以及
配置所述开关电压调节器以提供所述输出电压并且配置每个LDO调节器以提供待由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压。
3.如权利要求2所述的设备，其中标识待由每个LDO调节器提供的所述本地输出电压包括：
获取用于标识接收由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压的所述电路子集的活动或负荷的活动信息；以及
至少部分地基于所述活动信息来标识所述本地输出电压。
4.如权利要求3所述的设备，其中获取所述活动信息包括以下中的至少一者：
从接收由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压的所述电路子集获取一些所述活动信息；以及
从接收由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压的所述电路子集以外的一个或多个电路子集获取所述活动信息。
5.如权利要求2所述的设备，其中基于待由所述LDO调节器中的每一个提供的所述本地输出电压来标识待由所述开关电压调节器提供的所述输出电压包括：
确定待由所述多个LDO调节器中的给定LDO调节器提供的最大本地输出电压；以及
将所述输出电压标识为使得所述给定LDO调节器能够提供所述最大本地输出电压的电压。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述电路子集中的第一个包括至少一个中央处理单元(CPU)，并且所述电路子集中的第二个包括至少一个图形处理单元(GPU)。
7.如权利要求1所述的设备，其还包括安装装置，其中所述开关电压调节器和所述集成电路芯片分开耦合到所述安装装置。
8.如权利要求1所述的设备，其还包括其中封装有所述集成电路的封装件，所述封装件不包括电压调节器电路元件。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述开关电压调节器是降压转换器。
10.一种用于控制包括一组电路的集成电路芯片的电压的方法，所述方法包括通过控制器：
标识待由在所述集成电路芯片上制造的多个低压降调节器(LDO)中的每个LDO调节器提供的对应本地输出电压，其中所述多个LDO调节器中的每个LDO调节器提供本地输出电压，所述本地输出电压由所述一组电路中的不同电路子集作为本地输入电压接收；
基于待由所述LDO调节器中的每一个提供的所述本地输出电压来标识待由与所述集成电路芯片分开的开关电压调节器提供的输出电压，其中由所述开关调节器提供的所述输出电压由所述多个LDO调节器中的每一个作为输入电压接收；以及
配置所述开关电压调节器以提供所述输出电压并且配置每个LDO调节器以提供待由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压。
11.如权利要求10所述的方法，其还包括：
在所述集成电路芯片的操作期间的一个或多个时间处执行标识所述本地输出电压和所述输出电压以及配置所述电压调节器和所述低压降调节器的操作中的一些或全部。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个时间包括以下中的一些或全部：
在所述集成电路芯片启动时；
在遇到指定事件之后；以及
基于由一个或多个电路子集执行的一个或多个软件程序的执行状态。
13.如权利要求10所述的方法，其中标识待由每个LDO调节器提供的所述对应本地输出电压包括：
获取用于标识接收由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压的所述电路子集的活动或负荷的活动信息；以及
至少部分地基于所述活动信息来标识所述本地输出电压。
14.如权利要求13所述的方法，其中至少部分地基于所述活动信息来标识所述本地输出电压包括以下中的一者或多者：
使用所述活动信息来在查找表或其他记录中针对所述本地输出电压执行查找，所述查找表或其他记录将各种类型的活动信息与对应本地输出电压相关联；以及
使用所述活动信息作为产生指示所述本地输出电压的结果的算法的输入，所述算法包括用于产生所述结果的一个或多个数学运算或逻辑运算。
15.如权利要求13所述的方法，其中获取所述活动信息包括以下中的至少一者：
从接收由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压的所述电路子集获取所述活动信息；以及
从接收由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压的所述电路子集以外的一个或多个电路子集获取所述活动信息。
16.如权利要求10所述的方法，其中基于待由所述LDO调节器中的每一个提供的所述本地输出电压来标识待由所述开关电压调节器提供的所述输出电压包括：
确定待由所述多个LDO调节器中的给定LDO调节器提供的最大本地输出电压；以及
将所述输出电压标识为使得所述给定LDO调节器能够提供所述最大本地输出电压的电压。
17.如权利要求10所述的方法，其中配置所述开关电压调节器以提供所述输出电压并且配置每个LDO调节器以提供待由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压包括：
配置与所述开关电压调节器相关联的电路元件以开始提供所述输出电压；以及
配置与每个低压降调节器相关联的电路元件以开始提供所述对应本地输出电压。
18.如权利要求10所述的方法，其还包括当配置所述开关电压调节器以提供所述输出电压并且配置每个LDO调节器以提供待由所述LDO调节器提供的所述本地输出电压时：
基于所述输出电压与待由每个LDO提供的所述本地输出电压之间的关系来选择配置所述开关电压调节器和所述低压降调节器的顺序，使得减少由所述低压降调节器提供的所述本地输出电压的中断。
19.如权利要求10所述的方法，其中所述电路子集中的第一个包括至少一个中央处理单元(CPU)，并且所述电路子集中的第二个包括至少一个图形处理单元(GPU)。
20.如权利要求10所述的方法，其中所述开关电压调节器是降压转换器。
CN201880054292.3A 2017-08-22 2018-08-21 集成电路芯片的电压调节器 Pending CN110999056A (zh)

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