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9个回答
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随着新型处理器的执行效率飞速提高，其对计算能力的 追求有时超过了冷却系统的能力。而且， 机械 和散热设 计通常是最后完成的研发步骤。因此，在设计的过程中可能在最后阶段才发现超过了散热系统的限制。设计师 通常需优化系统并找到可接受的折中方案。
Te led yne e2v作为高可靠性微处理器的领导者，多年来 一直致力于提高超越标准性能指标的定制处理器的核心竞争力，使系统设计师能够增加系统安全的余量，并优 化SWaP （尺寸，重量和功耗）。 本文将介绍Teledyne e2v为系统设计师提供的定制方 案，以调整高可靠性处理器系统的功耗。 在大多数情况下，选择一种或多种定制的方案可大大提 高设计的价值。这里将讨论以下三种方案： 1. 优化功耗。包括根据客户的应用需求选择合适的处理 器，并优先选择低功耗的器件。 2. 优化封装的热阻。在大多数情况下也可以 保护电路 和 裸片。 3. 提高最大节温（TJ）。这需要额外 测试 器件在高温下的工 作情况和使用寿命。重点是如何量化这些测试，因为升 高的温度会影响器件的失效率。 Teledyne e2v的高可靠性微处理器在国防、宇航等 高可靠性领域已服务了几十年的时间。今天，现代处 理器的发展主要依靠诸如 无人驾驶 等未来的新市场推 动。因此，像 NXP 这样的大供应商对高可靠性产品的 供应链有深远的影响。许多应用对这些产品并没有很 严格的可靠性要求。 同时，SWaP（尺寸，重量和功耗）对于航空、国防甚至 宇航等严苛环境的应用非常重要。本文将重点介绍如何 选择用于这些应用的处理器。毕竟，处理器是系统中的 重要器件，会产生系统中大部分的功耗（SWaP中的 P）。另外，散热系统需要使用散热器，影响系统的尺 寸和重量（SWaP中的S和W）。 |
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处理器功耗的背景知识
每一代处理器的功耗需求都在逐步增加。研究特定器 件的电参数是一件复杂的工作，尤其对于准备解决系统 级设计问题的设计师。 表1是从四核 ARM Cortex A72 64位Laye rs cape处理器 LS1046的数据手册里摘录的，包含2种处理器 时钟 频率 （1.6和1.8GHz）和3种节温（标称值65， 85和105℃） 时的功耗。另外，图中还标出了三种不同的功耗模式： 典型、散热和最大。可以看出，在不同的工作环境，器 件的功耗可能会相差一倍。这说明散热管理是处理器的 重要设计指标。 通常情况下，厂商制定的器件标准规格会包含一些余 量，以兼容不同批次的差异。例如，如果某个客户的应 用必须用到最高的节温，看了表1他可能会得出这款处 理器虽然功能强大但功耗太大的结论，从而不选用这款 器件。实际上，我们后面会看到，采取一些措施可以减 少器件的功耗至理想的范围。 表 1： NXP LS1046 处理器的功耗 |
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三种解决方法
方法1： 优化功耗 这包括评估一系列目标器件，并对它们做相关测试， 分析功耗的分布。最终的目的是为某一个特定的应用筛 选出功耗最佳的器件。 如果器件的使用情况被明确定义，功率筛选可以使处 理器满足其使用的要求。但是，这需要非常精确地了解 器件如何在特定的应用中工作。对此，并没有快速的解 决方案，人们只能使用功率筛选得出尽可能详细的分析 结果。在某个特定的项目中，Teledyne e2v通过结合客 户应用的要求和功耗筛选，成功将图1中器件在最坏情 况下的功耗降低了46%。 这样，起初由于功耗太大而被认为不适合这个任务的器 件，现在可以被用户充满信心地设计到系统中。 图1： T1042处理器最坏情况下的功耗 vs.客户 目标应用中的功耗 这并不是一件容易实现的事情。我们需要了解处理器 的功耗包含下面两个要素： • 静态功耗——IC的所有内部外设所需的功耗，与器件性 能和运行的代码无关。 • 动态功耗——计算能力所需的功耗。对于多核处理器， 对于不同的瞬时计算负载，这个功耗可能有很大差异。 Teledyne e2v对功耗的独特见解 经过和NXP（之前是Freescale）几十年的合作，Teledyne e2v建立了高性能处理器的专业知识体系，并可获得和原 始 制造 商相同的工具、产品测试向量和测试程序。这使 得Teledyne e2v可通过筛选和测试的方式提供定制的功 耗优化方案。 Teledyne e2v对处理器参数测试表明当代处理器有以 下几点常见特性： • 不同的器件的静态功耗差异显著。 • 在低温环境静态功耗可能接近0，但在125℃时可能占总 功耗的40%甚至更多（参见图2）。 • 动态功耗由用户的使用情况决定。不同器件、不同温 度和不同的批次对其影响不大。 |
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处理器功耗和环境温度的关系
图2表示对于一款真实的处理器节温和静态功耗的典型 关系曲线。随着节温（Tj）的升高，功耗非线性增加。 在这个例子里，随着温度从45℃上升到125℃（标称最 大值），静态功耗增加了3倍，从4W升高到14W。因此， 降低功耗的方法之一是通过加强的散热系统降低节温。 图2： 静态功耗和节温的典型关系 这个曲线也表明，无法同时改善处理器SWaP的所有 要素。如果想优化功耗，则必须降低节温，而使用散 热器，则会增加设备的尺寸和重量。 因此，虽然SWaP是一个核心的设计要素，但通常需要 作出下面的妥协： • 降低功耗 • 或减少散热系统以减少尺寸和重量 Teledyne e2v可提供优化功耗的处理器器件 Teledyne e2v从NXP获取原始测试向量、等效测试工具 和测试技术，并研发新的处理器性能优化技术，以提供 定制功耗的产品。另外，Teledyne e2v可对特定的用户 应用做深入的功耗分析，找出特别的动态功耗需求。 |
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成果：降低功耗
图1中可以看出T1042四核处理器的功耗情况。商业器件 的规格书表明在最坏情况下器件的功耗高达8.3W（1.2GHz 时钟，Tj是125℃）。但是，用户可以降低功耗至4.5W。 如果不是因为功耗的降低，客户可能从一开始就不会选 用T1042。 基于加强的器件测试和对用户实际应用的分 析，Teledyne e2v保证特定器件的功耗大约是原始器件 预期功耗的一半。这可帮助降低功耗并简化项目的散热设计。 方法2： 定制封装 包括修改或重新设计标准器件的封装，以减小节到板子的热阻，或节到封装顶部的热阻： • 可降低节温，从而降低功耗（假设使用相同的散热器）。在另一方面，也可以减少冷却系统的尺寸和 重量，因为热阻（Rth）越小，所需散热器越大。 •可加强器件的震动防护，并简化冷却系统和处理器的 传热 接口 。 •选择使用或不使用封装盖，以进一步改善散热性能 大多数处理器都有封装盖，用于散热和保护器件裸片。 取决于不同的应用，有些设计师可能会选择有封装盖的 设计，从而更容易地集成散热器；而另一些设计师则选 择无封装盖的设计，因为他们无法接受封装盖带来的额 外的热阻。在另一方面，封装盖会显著降低节到板子的 热阻，对于主要依靠 印制电路板 （ PCB ）散热的应用非常 有利。 如图3，有些器件是带有封装盖的（如LS1046），有些器 件则不带封装盖（如T1040）。对此，通常设计师无法选 择，因为这是商用货架产品（COTS）。而Teledyne e2v可 根据用户的需求，帮助用户增加或移除封装盖。 图3： LS1046有盖设计（上）和T1040无盖设计（下） Teledyne e2v可提供定制的封装 Teledyne e2v拥有重封装半导体器件的专业知识和丰 富的经验。这不仅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还可帮助客户对封装重新植 球，改变 焊接 流程，以满足一些宇航客户的特定需求 （如采用不含锡铅合金的材料以防止在宇航应用中出现 锡须）。 |
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成果： 定制的封装
最近Teledyne e2v做了一项为NXP T1040处理器加上 封装盖的可行性研究。可选的封装盖的机械尺寸如图 4。Teledyne e2v也估算了散热指标的变化。由于增加 了封装盖，节到板的热阻大约是4.66℃/W的一半，比标 准封装下降了9℃/W。而节到顶部的热阻却从少于 0.1℃/W增加到0.85℃/W。 图4： T1040可选的封装盖 |
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改进封装的进一步思考
理想的散热设计是不使用散热器，所有的热量都通过 PCB传导。虽然这听起来有些不现实，但在某些应用中 确实是值得考虑的方案。考虑到多层PCB的热阻较低， 通过改进封装，降低节到PCB板的热阻，可使相当部分 的热量通过PCB传导，减小散热器的设计压力，并减少 使用相同散热器的设计的功耗（通过降低节温）。一个 典型的例子是Teledyne e2v的PC8548（陶封 基板 ）。 它等效于NXP的MPC8548（塑封基板）。虽然它们在 尺寸上类似，在热性能方面却有显著的区别。由于 PC8548使用了陶瓷基板，节到板的热阻（3℃/W）比 塑封版本的热阻（5℃/W）降低了60%。 虽然上述的两个例子都是关于降低节到板的热阻，相 似的方法也可被用于降低节到封装顶部的热阻。 方法3： 扩展的节温（即大于125℃） 这个优化方法考虑到硅片在超过传统商业级标准器件的 温度范围时正常工作的可行性。实际上，硅片并不仅仅 能工作在125℃，也可用于较高温度的应用。较高的工 作节温可为应用提供较大的余量。但是，正如前面介绍 的，较高的温度会显著提高功耗（参考图2）。高节温 适合用于允许短时间动态功耗迅速爆发的应用。用户需 注意这种爆发需满足系统散热设计的要求。 Teledyne e2v可提供扩展温度的器件 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，可与客户深入讨论扩展温度范围对 器件工作寿命的影响。Teledyne e2v已经可以提供高达 125℃的NXP处理器——超过了商业器件105℃的限制。 |
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成果： 扩展的温度范围
经过可行性评估，Teledyne e2v可提供较高工作节温 的定制IC的产品规格。制定产品规格时需仔细考虑如下 的四个问题： 扩展节温工作的四个问题： 为了提高工作节温，需评估以下四个问题： • 性能：在较高的温度下，处理器可能无法满足某些电特 性需求。Teledyne e2v的测试表明可能需要降低最高 时钟频率以满足手册上指标（参考图5）。因此，如果需 器件在扩展温度范围正常工作，可能需降低某些规格参 数。 • 可靠性：随着温度升高，硅器件的可靠性以非线性的方 式急速下降，可参考阿列纽斯等式。图6表示NXP处理器 在高达105℃范围内的典型FIT（失效率）。将曲线延伸到 150℃，器件的可靠性与105℃时相比降低了10倍。目标 应用必须能允许上述可靠性的下降。 • 功耗：如图2所示，功耗随着温度上升迅速增加，这意味着在扩展温度范围工作需承受更高的功耗。 • 需验证封装承受高温的能力。特别是塑封 环氧树脂 封 装，在大约160℃时开始恶化。可考虑使用高温环氧树脂 重新封装的方案。 图 5： 高温（》100℃）时1.8GHz时钟频率限制的例子 考虑以上四个问题，可帮助判断是否需扩展特定应用的 器件的高温限制、调整电气参数或更换封装材料。 Teledyne e2v提供的定制服务依赖于客户对其任务的 理解和工作寿命的分析，包括扩展温度条件会持续多 久，高温条件是瞬时还是稳定的状态等。无论是哪个方 面，Teledyne e2v都可以提供专业的建议。 图 6： 温度延展到150℃时的典型失效率 |
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三种调整处理器功耗的方法
本文讨论了Teledyne e2v如何基于和NXP的长期战略 合作提供定制处理器的服务。这种定制化可基于Power 架构（例如T系列处理器T1042）或ARM架构（例如 Layerscape LS1046）。这里列出了三种为恶劣环境 的应用优化功耗并定制处理器的方案： • 优化特定功耗的功耗筛选 • 增强散热能力的定制化封装 •提高允许的最高节温（Tj）以支持大动态功耗需求 Teledyne e2v拥有独立的测试、质量管理体系和专业的 产品工程师，结合和NXP长期的合作关系，可为特定复 杂应用的客户提供专业、高可靠性的处理器功率优化方 案。 如果您依然不确定这种定制的处理器方案是否是较好的 选择，我们建议您联系Teledyne e2v，和我们探讨您的 需求和遇到的挑战。您一定会对这种定制化方案带来的 价值惊讶不已。 |
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只有小组成员才能发言，加入小组>>
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