具有用于高温事件下的有保证操作的操作频率信息的处理器

摘要

描述了具有用于高温事件下的有保证操作的操作频率信息的处理器。描述了一种具有半导体芯片的处理器，该半导体芯片具有非易失性存储电路。该非易失性存储电路具有标识针对对应于极端热事件的环境温度处理器的操作在其下得到保证的最大操作频率的信息。

说明书

技术领域

本发明领域总地涉及计算系统，更具体地涉及具有有保证操作的最大 温度信息的处理器。

背景技术

由于计算系统的功耗已成为一大有关事项，因此多数当今系统包括复 杂的功率管理功能。一种公共架构定义计算机系统的处理器(它可包括多个 处理内核)的“性能”状态和“功率”状态两者。处理器的性能是其在设定 的时间周期内工作的能力。处理器的性能越高，它在设定的时间周期内能 完成更多的工作。如此，处理器的功耗随着其性能增加而增加。

可通过改变其内部时钟速度和电压电平在运行时间期间调整处理器的 性能。由此，处理器的不同性能状态对应于不同的时钟设定和内部电压设 定以影响不同的性能相对于功耗的权衡。根据高级配置和电源接口(AC PI) 标准，不同的性能状态用不同的“P号”标示：P0，P1，P2……P_R，其中 P0代表最高性能和功耗状态，而P_R代表处理器能在这之下进行工作的最 低功耗水平。“P_R”中的项“R”表示不同的处理器可被配置成具有不同 数量性能状态的这一事实。

相比性能状态而言，功率状态很大程度上旨在定义处理器的不同“睡 眠模式”。根据AC PI标准，CO状态是处理器可在其下工作的唯一功率状态。 如此，对于进入任一性能状态(P0至P_R)的处理器而言，处理器必须处于 CO功率状态。当没有工作要完成并且处理器处于睡眠时，处理器可进入数 种不同功率状态C1，C2……C_S中的任何一种，其中每种功率状态表示不 同程度的睡眠，并相应地需要不同量的时间来转变回到可工作C0功率状态。 这里，不同程度的睡眠表示在处理器睡眠时不同的功率节省。

较深程度的睡眠因此对应于较慢的内部时钟频率和／或较低的内部电 源电压和／或接收较慢时钟频率和／或较低电源电压的更多逻辑块。增加C 数量对应于较深程度的睡眠。因此，作为示例，C2功率状态下的处理器相 比C1状态下的处理器具有较低内部电源电压和被切断的较多逻辑块。由于 较深的功率状态对应于较高的频率和／或电压摆动和／或为返回C0状态需要 被导通的较大数量的逻辑块，因此较深的功率状态也花费更长的时间量以 返回到C0状态。

附图简述

在附图各图中通过示例而非限制说明了本发明，其中相同标记指示相 同元件，且其中：

图1示出表征一处理器的过程；

图2示出使处理器的操作保持在有保证状态下的过程；

图3示出因变于环境温度和冷却系统状态关联最大处理器性能状态以 保证处理器操作的表；

图4示出利用例如图3的表信息的表信息的过程；

图5示出具有嵌入于其中的表征信息的处理器。

具体实施方式

系统设计者目前对于解决“有保证”处理器性能和热系统成本之间的 权衡尚且具有麻烦。具体地说，在计算系统的寿命过程中，对于系统的处 理器表现出极端环境温度事件并非不可能。例如，冷却风扇可能在不寻常 的高温日子出故障，或者系统可工作在没有空调的沙漠地带。系统设计者 当前面临窘迫设计针对这些可能性的冷却系统。能使处理器在这些情形下 保持“足够冷却”的冷却系统将会过于昂贵，假设现实中经历这类情形的 系统数量很少并且相隔很远和／或这些极端温度时段很短暂(如果经历的 话)。

使这个问题变得复杂是有保证处理器操作的打算，尤其是在极端高温 状况下(例如风扇突然故障)。当前，处理器制造者提供最大额定电源电压、 操作频率和温度规范。这里，“有保证操作”表示不期望处理器发生不可 接受的操作错误。然而，这些额定值本身具有一些裕量(margin)和／或某 种程度上是保守的。如此，至少一些安装(shipped)部件能够在这些额定值 以外正常地工作。对于具体处理器的“真实”最大额定值——其中该处理 器的操作是受保证的——对系统设计者是单纯未知的。

因此，至少一些系统设计者可能希望抱着仅构筑标称冷却系统(以使冷 却系统成本降低)但提高处理器的功率管理控制的想法，以使处理器的性能 状态响应于极端温度事件而下降，在这种情形下，处理器的操作在降低的 状态下仍然得以保证。这里，考虑到部件正式额定的值相对于该部件在有 限量的时间(例如在突然热事件的情形下)实际能够承受的操作条件之间可 能存在某些裕量，可允许使该部件运行在其正式额定值以外同时仍然提供 有保证操作。

从物理上说，可根据处理器的管芯(die)温度保证其操作。这里，操 作故障机制被理解为很大程度地关联于半导体芯片物理组成内的改变，这 种改变发生在芯片变得过热时。处理器管芯的温度因变于管芯的功耗、管 芯的封装、作用于封装的冷却系统以及环境温度。处理器管芯的功耗(它很 大程度地对应于管芯的“性能”)是管芯汲取的电流乘以其电源电压。在特 定电源电压下由管芯汲取的电流因变于处理器管芯的时钟频率和工作负 载。

由此，当将特定电源电压、时钟频率和工作负载作用于管芯时，管芯 的温度将上升至某一水平，随着冷却系统变得越来越先进和环境温度降低， 温度上升的水平减小。换句话说，如果特定电源电压、时钟频率和工作负 载被作用于管芯并且没有任何类型的冷却被作用于管芯的封装件，则管芯 的温度将上升至由管芯的物理性质、管芯无冷却的封装件和环境温度规定 的某一水平。随着更先进／有能力的冷却被作用于管芯的封装件和／或随着 周围温度降低，对于相同作用的电源电压、时钟频率和工作负载，管芯的 温度只会到达越来越低的程度。

因此有用的是，处理器制造者对每个处理器提供一个或多个操作频率， 这些频率可在极端热状况下作用于处理器，在这些极端热状况下处理器的 性能保持为有保证的。可以想象，这些操作频率可使处理器超出其正式的 最大额定值。在一个实施例中，这些特定操作频率被理解为仅暂时地作用 (例如作用几小时或几天)——如果这些频率对应于超出处理器的标称最大 额定值的操作。在实践中，系统设计者设计他们的功率管理功能以响应于 极端热事件将处理器的操作频率的上限设定为这些频率中的一个。在又一 实施例中，因变于不同环境温度提供不同频率以对不同的热环境背离 (excursions)有效地指定适合的操作频率。

在一个实施例中，为了提供这类操作频率，处理器制造者确定每个处 理器的管芯温度，在该温度下可保证特定处理器的操作并确定特定处理器 当工作在最大允许温度时的最大允许功耗。标称电源电压和冷却系统随后 由处理器制造者假设以将这些参数转换成因变于特定环境温度的特定处理 器操作频率。系统设计者可基于它们本身的电源电压和冷却系统技术调整 这些操作频率和／或温度。例如，选择比所假定的冷却系统更先进的冷却系 统的系统设计者可使用比由处理器制造者针对特定环境温度提供的操作频 率更高的操作频率，或者可标识更高的环境温度。通过这种信息，系统设 计者可实现例如响应于极端热事件自动降低处理器操作频率的功率管理方 案，以使管芯工作在其最大允许温度和功耗下，由此将管芯保持在有保证 操作范围内。

图1示出由处理器制造者执行的过程，该过程本质上通过因变于环境 温度信息的最大操作频率信息——其中仍能保证处理器的操作——表征每 个安装的处理器101。在各实施例中，该特征信息在逐处理器基础上针对每 个处理器。

该表征信息可例如通过在每个制造的处理器上运行表征测试来获得。 这里，可在封装前测试单个管芯，和／或可表征构成完整处理器的经封装管 芯。可直接地测量管芯温度(例如在未封装的管芯的情形下或通过由一个或 多个嵌入式热传感器中的任何一个的(封装或未经封装的)管芯的情形下) 或计算管芯温度(例如通过测量封装管芯的壳体和环境温度并基于管芯封 装的理论热特征确定管芯温度)。

也可采集将管芯的温度有效地映射至其功耗的表征数据的第二部分。 这里，例如可采集多个数据点，这些数据点例如从有保证操作的最大允许 管芯温度和最大允许功耗开始，并使功耗和管芯温度逐渐下降。替代地， 可确定和提供一方程，该方程将管芯温度的下降关联于降低的功耗。

横跨一时钟频率范围和对应的管芯功耗级别有效地将管芯的功耗映射 至其时钟频率(例如在最大电源电压下和当处理器管芯中的所有逻辑块被 启用时)的表征数据的第三部分也可被提供。这里，例如可采集数个数据点， 这些数据点例如在最大电源电压下和启用处理器内的所有逻辑块的工作负 载下，开始于最大允许功耗和时钟频率并使时钟频率和相应功耗逐渐下降 下。替代地，可确定和提供第二方程，该方程将管芯功耗的下降关联于降 低的时钟频率。

然后结合在管芯封装件之外的假设系统电源电压和冷却系统分析表征 数据以根据管芯封装件环境温度确定处理器的特定操作频率。在该替代中， 可以最大性能状态的形式提供操作频率。

然后将该信息关联于特定处理器102。在一个实施例中，频率和环境 温度信息被嵌入到处理器的管芯中。例如，可将数据写入到管芯的非易失 性存储电路中(例如嵌入在管芯上的熔丝存储电路，其中熔丝被熔断以数字 地存储表征数据)。替代地，频率和环境温度信息可关联于管芯，而不是嵌 入到其中。例如，大量处理器的消费者可下载或以其它方式接收由其相应 序列号表示的每个管芯的信息。

消费者／系统设计者，在知道系统的实际冷却系统及其理论操作的情况 下，能确定其冷却系统相比于处理器制造者的假设冷却系统在面对极端环 境温度时能多好地冷却处理器管芯。如果两者是基本相同的，则系统制造 者能针对任何特定的极端环境温度直接使用处理器制造者提供的操作频 率。换句话说，如果制造者已提供描述因变于环境温度的最大处理器操作 频率——其中操作仍得以保证的——的信息，系统设计者103可响应于特 定极端环境温度(如果假设的冷却和电源电压是相称的)直接使用制造者提 供的操作频率或“微调”它们(如果实际系统与假设系统有偏差)。

系统设计者／制造者配置系统的功率管理功能104以基于制造者提供 的信息根据环境温度降低处理器的时钟频率，其中降低的时钟频率将处理 器的操作保持在有保证操作范围内。

如此，例如参见图2，如果检测到201极端热事件，则基于处理器制 造者提供的操作频率响应于操作频率降低202处理器的时钟频率，从而有 效地降低管芯温度以使处理器保持在可保证操作的状态下。如果处理器制 造者已为该特定环境温度下的这个操作频率规定了一时限，则在逼近该时 限的情况下系统设计者可再次降低处理器频率。

根据一种可能的时限，系统设计者进一步将该信息直接分解到处理器 的功率状态管理表中。功率状态管理表可进一步被分解以标识处理器对于 具体故障事件(或没有具体故障事件)和环境温度的具体功率状态。

图3示出一个例子。如图3中所示，维持有保证操作的具体最大允许 处理器性能状态关联于冷却系统301的特定状态和环境温度302。根据该示 例性解说，系统设计者已确定即便处理器工作在P1性能状态(并且其最大 数量的逻辑块被启用并工作在P1状态的最大时钟频率下)，如果环境温度 低于或等于35℃并且至少一个风扇正在工作，则仍然能保证处理器操作。 然而，如果第二风扇出现故障，则处理器的最大允许性能状态需要下降至 P3状态。

同样，处理器的最大允许功率状态随着环境温度升高进一步降低，并 且如果一个或多个风扇出现故障则再次降低。

图4示出构造和利用例如图3中看到的表之类的表的过程。如图4所 示，对于一表确定一些条目，这些条目概述因变于冷却系统状态和环境温 度保证处理器操作的最大允许处理器性能状态401。这里，处理器制造者提 供的信息与冷却系统设计的设计者知识以及个体处理器性能状态定义结 合，以针对不同条件关联不同处理器性能状态。由此，对于管芯被集成在 其中的特定系统，表格信息是在逐管芯基础上被确定的。如此，由于处理 器制造者提供的管芯具体信息，具有相同型号的处理器的相同型号系统可 依然具有不同的条目。

一旦表的条目被确定，它们被存储在例如非易失性存储器中，在所述 非易失性存储器中保存系统的BIOS系统固件。在每次对系统上电时，表信 息被加载402入系统的功率管理情报(intelligenee)中，该功率管理情 报可实现为软件、硬件或其组合。如此，可将条目载入到处理器的寄存器 空间或系统的系统存储器的区域内(或甚至保留在固件中)。

在系统运行期间，传感器收集指示环境温度和冷却系统的状态的各种 信息403。基于冷却系统的当前状态和环境温度，表信息指示其中处理器操 作得到保证的处理器最大性能状态404。使功率管理逻辑清楚当前状况下的 最大性能状态并拒绝将处理器的性能状态上升超过由表信息规定的最大值 (但可取决于其它功率管理协议而降低它)。

通过传感器403的信息收集是连续的并标识与可应用表位置中的改变 相对应的冷却系统状态或环境温度的任何改变，并将最大允许处理器性能 状态的任何结果的改变传达给功率管理逻辑情报。如果处理器的性能状态 需要立刻改变(例如从其当前性能状态降低至较低的性能状态)，则功率管 理逻辑情报可以这样做，例如通过对处理器的寄存器空间(例如特定型号的 寄存器空间)进行写入以影响功率状态改变。被写入寄存器空间的信息可直 接指定性能状态，或对应于与新处理器性能状态相对应的一种或多种设定 (例如时钟频率设定、逻辑块启用／禁用设定)来指定。

如果由处理器制造者提供的最大操作频率也具有相关的时限(例如几 日、几小时)，则图4的方法将自动地使处理器操作频率下降(例如下降至 一甚低功率状态)——如果极端环境温度事件逼近该时限的话。

图5示出示例性多核处理器500的架构。如图5观察到的那样，该处 理器包括：1)多处理核501_1-501_N；2)互连网络502；3)最后一级高速缓 存系统503；4)存储器控制器504和I／O中枢505。这些处理内核中的每一 个包含一个或多个指令执行流水线以执行程序代码指令。互连网络502用 来将每个内核501_1-501_N与其它组件503、504、505彼此互连。最后一 级高速缓存系统503充当在指令和／或数据被驱逐至系统存储器506之前处 理器中的高速缓存的最后一层。相应的内核一般包括其本身的一个或多个 高速缓存级。

存储器控制器504读／写数据和指令自／至系统存储器506。I／O中枢 505管理处理器和“I／O”设备(例如非易失性存储设备和／或网络接口)之间 的通信。端口507起源于互连网络502以链接多个处理器，以实现具有N 个以上核的系统。图形处理器508执行图形计算。功率管理电路509作为 整体(封装级)地管理处理器的性能和功率状态以及处理器中的各单元(例 如各内核501_1-501_N，图形处理器508等)的性能和功率状态的各个方面。 其它重要的功能块(例如锁相环(PPL)电路)为方便起见未在图5中绘出。

尤其，图5的处理器也具有嵌入式存储电路550，其中存储与对于特 定极端环境温度能保证处理器工作的处理器最大工作温度有关的信息。

由于前面教示的任何过程可通过软件实现，因此这些过程可通过诸如 机器可执行指令的程序代码来实现，所述程序代码使机器执行这些指令来 实现某些功能。由前述内容教示的过程也可通过被设计成实现这些过程(或 其一部分)的电子电路(代替执行程序代码或结合程序代码的执行)来实现。

相信由前述内容教示的过程也可描述在多种面向对象或非面向对象的 计算机编程语言中的源层次程序代码中。可使用一产品来存储程序代码。 存储程序代码的产品可被表示为，但不仅限于，一个或多个存储器(例如一 个或多个闪存存储器、随机存取存储器(静态的、动态的或其它))、光盘、 CD-ROM、DVD-ROM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡或适于存储电子指令的其 它类型机器可读介质。也可借助内嵌在传播介质(例如经由通信链路(例如 网络连接))的数据信号将程序代码从远程计算机(例如服务器)下载至请求 计算机(例如客户机)。

在上述说明书中，已经参照本发明的特定示例性实施例描述了本发明。 然而，显然可对这些实施例作出各种修改和改变，而不背离如所附权利要 求所述的本发明的更宽泛精神和范围。因此，应当以说明性而非限制性的 意义看待说明书和附图。