【導(dǎo)讀】隨著新型處理器的執(zhí)行效率飛速提高，其對(duì)計(jì)算能力的追求有時(shí)超過(guò)了冷卻系統(tǒng)的能力。而且，機(jī)械和散熱設(shè)計(jì)通常是最后完成的研發(fā)步驟。因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可能在最后階段才發(fā)現(xiàn)超過(guò)了散熱系統(tǒng)的限制。設(shè)計(jì)師通常需優(yōu)化系統(tǒng)并找到可接受的折中方案。
摘要
隨著新型處理器的執(zhí)行效率飛速提高，其對(duì)計(jì)算能力的追求有時(shí)超過(guò)了冷卻系統(tǒng)的能力。而且，機(jī)械和散熱設(shè)計(jì)通常是最后完成的研發(fā)步驟。因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可能在最后階段才發(fā)現(xiàn)超過(guò)了散熱系統(tǒng)的限制。設(shè)計(jì)師通常需優(yōu)化系統(tǒng)并找到可接受的折中方案。
Teledyne e2v作為高可靠性微處理器的領(lǐng)導(dǎo)者，多年來(lái)一直致力于提高超越標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)的定制處理器的核心競(jìng)爭(zhēng)力，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠增加系統(tǒng)安全的余量，并優(yōu)化SWaP (尺寸，重量和功耗）。
本文將介紹Teledyne e2v為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供的定制方案，以調(diào)整高可靠性處理器系統(tǒng)的功耗。
在大多數(shù)情況下，選擇一種或多種定制的方案可大大提高設(shè)計(jì)的價(jià)值。這里將討論以下三種方案：
1.優(yōu)化功耗。包括根據(jù)客戶(hù)的應(yīng)用需求選擇合適的處理器，并優(yōu)先選擇低功耗的器件。
2.優(yōu)化封裝的熱阻。在大多數(shù)情況下也可以保護(hù)電路和裸片。
3.提高最大節(jié)溫(TJ)。這需要額外測(cè)試器件在高溫下的工作情況和使用壽命。重點(diǎn)是如何量化這些測(cè)試，因?yàn)樯叩臏囟葧?huì)影響器件的失效率。
Teledyne e2v的高可靠性微處理器在國(guó)防、宇航等高可靠性領(lǐng)域已服務(wù)了幾十年的時(shí)間。今天，現(xiàn)代處理器的發(fā)展主要依靠諸如無(wú)人駕駛等未來(lái)的新市場(chǎng)推動(dòng)。因此，像NXP這樣的大供應(yīng)商對(duì)高可靠性產(chǎn)品的供應(yīng)鏈有深遠(yuǎn)的影響。許多應(yīng)用對(duì)這些產(chǎn)品并沒(méi)有很?chē)?yán)格的可靠性要求。
同時(shí)，SWaP（尺寸，重量和功耗）對(duì)于航空、國(guó)防甚至宇航等嚴(yán)苛環(huán)境的應(yīng)用非常重要。本文將重點(diǎn)介紹如何選擇用于這些應(yīng)用的處理器。畢竟，處理器是系統(tǒng)中的重要器件，會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)中大部分的功耗（SWaP中的 P）。另外，散熱系統(tǒng)需要使用散熱器，影響系統(tǒng)的尺 寸和重量（SWaP中的S和W）。
處理器功耗的背景知識(shí)
每一代處理器的功耗需求都在逐步增加。研究特定器 件的電參數(shù)是一件復(fù)雜的工作，尤其對(duì)于準(zhǔn)備解決系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)問(wèn)題的設(shè)計(jì)師。
表1是從四核ARM Cortex A72 64位Layerscape處理器LS1046的數(shù)據(jù)手冊(cè)里摘錄的，包含2種處理器時(shí)鐘頻率
（1.6和1.8GHz）和3種節(jié)溫（標(biāo)稱(chēng)值65, 85和105℃） 時(shí)的功耗。另外，圖中還標(biāo)出了三種不同的功耗模式： 典型、散熱和最大。可以看出，在不同的工作環(huán)境，器件的功耗可能會(huì)相差一倍。這說(shuō)明散熱管理是處理器的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。
通常情況下，廠商制定的器件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格會(huì)包含一些余量，以兼容不同批次的差異。例如，如果某個(gè)客戶(hù)的應(yīng)用必須用到最高的節(jié)溫，看了表1他可能會(huì)得出這款處理器雖然功能強(qiáng)大但功耗太大的結(jié)論，從而不選用這款器件。實(shí)際上，我們后面會(huì)看到，采取一些措施可以減少器件的功耗至理想的范圍。
表 1: NXP LS1046 處理器的功耗
三種解決方法
方法1: 優(yōu)化功耗
這包括評(píng)估一系列目標(biāo)器件，并對(duì)它們做相關(guān)測(cè)試， 分析功耗的分布。最終的目的是為某一個(gè)特定的應(yīng)用篩選出功耗最佳的器件。
如果器件的使用情況被明確定義，功率篩選可以使處 理器滿(mǎn)足其使用的要求。但是，這需要非常精確地了解器件如何在特定的應(yīng)用中工作。對(duì)此，并沒(méi)有快速的解決方案，人們只能使用功率篩選得出盡可能詳細(xì)的分析結(jié)果。在某個(gè)特定的項(xiàng)目中，Teledyne e2v通過(guò)結(jié)合客戶(hù)應(yīng)用的要求和功耗篩選，成功將圖1中器件在最壞情況下的功耗降低了46%。
這樣，起初由于功耗太大而被認(rèn)為不適合這個(gè)任務(wù)的器件，現(xiàn)在可以被用戶(hù)充滿(mǎn)信心地設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中。
圖1: T1042處理器最壞情況下的功耗 vs.客戶(hù)目標(biāo)應(yīng)用中的功耗
•不同的器件的靜態(tài)功耗差異顯著。
•在低溫環(huán)境靜態(tài)功耗可能接近0，但在125℃時(shí)可能占總功耗的40甚至更多（參見(jiàn)圖2）。
•動(dòng)態(tài)功耗由用戶(hù)的使用情況決定。不同器件、不同溫度和不同的批次對(duì)其影響不大。
處理器功耗和環(huán)境溫度的關(guān)系
圖2表示對(duì)于一款真實(shí)的處理器節(jié)溫和靜態(tài)功耗的典型關(guān)系曲線。隨著節(jié)溫（Tj）的升高，功耗非線性增加。在這個(gè)例子里，隨著溫度從45℃上升到125℃（標(biāo)稱(chēng)最大值），靜態(tài)功耗增加了3倍，從4W升高到14W。因此， 降低功耗的方法之一是通過(guò)加強(qiáng)的散熱系統(tǒng)降低節(jié)溫。
這并不是一件容易實(shí)現(xiàn)的事情。我們需要了解處理器的功耗包含下面兩個(gè)要素：
•靜態(tài)功耗——IC的所有內(nèi)部外設(shè)所需的功耗，與器件性能和運(yùn)行的代碼無(wú)關(guān)。
•動(dòng)態(tài)功耗——計(jì)算能力所需的功耗。對(duì)于多核處理器， 對(duì)于不同的瞬時(shí)計(jì)算負(fù)載，這個(gè)功耗可能有很大差異。
Teledyne e2v對(duì)功耗的獨(dú)特見(jiàn)解
經(jīng)過(guò)和NXP(之前是Freescale)幾十年的合作，Teledyne e2v建立了高性能處理器的專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系，并可獲得和原始制造商相同的工具、產(chǎn)品測(cè)試向量和測(cè)試程序。這使得Teledyne e2v可通過(guò)篩選和測(cè)試的方式提供定制的功耗優(yōu)化方案。
Teledyne e2v對(duì)處理器參數(shù)測(cè)試表明當(dāng)代處理器有以下幾點(diǎn)常見(jiàn)特性：
圖2: 靜態(tài)功耗和節(jié)溫的典型關(guān)系
這個(gè)曲線也表明，無(wú)法同時(shí)改善處理器SWaP的所有要素。如果想優(yōu)化功耗，則必須降低節(jié)溫，而使用散熱器，則會(huì)增加設(shè)備的尺寸和重量。
因此，雖然SWaP是一個(gè)核心的設(shè)計(jì)要素，但通常需要作出下面的妥協(xié)：
•降低功耗
•或減少散熱系統(tǒng)以減少尺寸和重量
Teledyne e2v可提供優(yōu)化功耗的處理器器件
Teledyne e2v從NXP獲取原始測(cè)試向量、等效測(cè)試工具和測(cè)試技術(shù)，并研發(fā)新的處理器性能優(yōu)化技術(shù)，以提供定制功耗的產(chǎn)品。另外，Teledyne e2v可對(duì)特定的用戶(hù)應(yīng)用做深入的功耗分析，找出特別的動(dòng)態(tài)功耗需求。
成果：降低功耗
圖1中可以看出T1042四核處理器的功耗情況。商業(yè)器件的規(guī)格書(shū)表明在最壞情況下器件的功耗高達(dá)8.3W(1.2GHz 時(shí)鐘，Tj是125℃）。但是，用戶(hù)可以降低功耗至4.5W。如果不是因?yàn)楣牡慕档?，客?hù)可能從一開(kāi)始就不會(huì)選用T1042。
基于加強(qiáng)的器件測(cè)試和對(duì)用戶(hù)實(shí)際應(yīng)用的分析，Teledyne e2v保證特定器件的功耗大約是原始器件預(yù)期功耗的一半。這可幫助降低功耗并簡(jiǎn)化項(xiàng)目的散熱設(shè)計(jì)。
方法2: 定制封裝
包括修改或重新設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)器件的封裝，以減小節(jié)到板子的熱阻，或節(jié)到封裝頂部的熱阻器。在另一方面，也可以減少冷卻系統(tǒng)的尺寸和重量，因?yàn)闊嶙?Rth)越小，所需散熱器越大。
•可加強(qiáng)器件的震動(dòng)防護(hù)，并簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)和處理器的傳熱接口。
•選擇使用或不使用封裝蓋，以進(jìn)一步改善散熱性能
大多數(shù)處理器都有封裝蓋，用于散熱和保護(hù)器件裸片。取決于不同的應(yīng)用，有些設(shè)計(jì)師可能會(huì)選擇有封裝蓋的設(shè)計(jì)，從而更容易地集成散熱器；而另一些設(shè)計(jì)師則選擇無(wú)封裝蓋的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗麄儫o(wú)法接受封裝蓋帶來(lái)的額外的熱阻。在另一方面，封裝蓋會(huì)顯著降低節(jié)到板子的熱阻，對(duì)于主要依靠印制電路板(PCB)散熱的應(yīng)用非常有利。
圖3: LS1046有蓋設(shè)計(jì)(上)和T1040無(wú)蓋設(shè)計(jì)(下)
•可降低節(jié)溫，從而降低功耗（假設(shè)使用相同的散熱
如圖3，有些器件是帶有封裝蓋的（如LS1046)，有些器件則不帶封裝蓋（如T1040)。對(duì)此，通常設(shè)計(jì)師無(wú)法選擇，因?yàn)檫@是商用貨架產(chǎn)品(COTS)。而Teledyne e2v可根據(jù)用戶(hù)的需求，幫助用戶(hù)增加或移除封裝蓋。
Teledyne e2v可提供定制的封裝
關(guān)于改進(jìn)封裝的進(jìn)一步思考
Teledyne e2v擁有重封裝半導(dǎo)體器件的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。這不僅僅包括特定封裝的開(kāi)發(fā)，例如專(zhuān)門(mén)為T(mén)eledyne e2v的EV12AQ600模數(shù)轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)的封 裝，此外，Teledyne e2v還可幫助客戶(hù)對(duì)封裝重新植球，改變焊接流程，以滿(mǎn)足一些宇航客戶(hù)的特定需求
（如采用不含錫鉛合金的材料以防止在宇航應(yīng)用中出現(xiàn)錫須）。
成果: 定制的封裝
最近Teledyne e2v做了一項(xiàng)為NXP T1040處理器加上封裝蓋的可行性研究?？蛇x的封裝蓋的機(jī)械尺寸如圖 4。Teledyne e2v也估算了散熱指標(biāo)的變化。由于增加
了封裝蓋，節(jié)到板的熱阻大約是4.66℃/W的一半，比標(biāo)準(zhǔn)封裝下降了9℃/W。而節(jié)到頂部的熱阻卻從少于0.1℃/W增加到0.85℃/W。
圖4: T1040可選的封裝蓋
理想的散熱設(shè)計(jì)是不使用散熱器，所有的熱量都通過(guò)PCB傳導(dǎo)。雖然這聽(tīng)起來(lái)有些不現(xiàn)實(shí)，但在某些應(yīng)用中確實(shí)是值得考慮的方案?？紤]到多層PCB的熱阻較低， 通過(guò)改進(jìn)封裝，降低節(jié)到PCB板的熱阻，可使相當(dāng)部分的熱量通過(guò)PCB傳導(dǎo)，減小散熱器的設(shè)計(jì)壓力，并減少使用相同散熱器的設(shè)計(jì)的功耗（通過(guò)降低節(jié)溫）。一個(gè)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）。雖然它們?cè)诔叽缟项?lèi)似，在熱性能方面卻有顯著的區(qū)別。由于PC8548使用了陶瓷基板，節(jié)到板的熱阻（3℃/W）比塑封版本的熱阻（5℃/W）降低了60 。
雖然上述的兩個(gè)例子都是關(guān)于降低節(jié)到板的熱阻，相似的方法也可被用于降低節(jié)到封裝頂部的熱阻。
方法3: 擴(kuò)展的節(jié)溫(即大于125℃)
這個(gè)優(yōu)化方法考慮到硅片在超過(guò)傳統(tǒng)商業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器件的溫度范圍時(shí)正常工作的可行性。實(shí)際上，硅片并不僅僅能工作在125℃，也可用于較高溫度的應(yīng)用。較高的工作節(jié)溫可為應(yīng)用提供較大的余量。但是，正如前面介紹的，較高的溫度會(huì)顯著提高功耗（參考圖2）。高節(jié)溫適合用于允許短時(shí)間動(dòng)態(tài)功耗迅速爆發(fā)的應(yīng)用。用戶(hù)需注意這種爆發(fā)需滿(mǎn)足系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)的要求。
Teledyne e2v可提供擴(kuò)展溫度的器件
Teledyne e2v擁有專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)品知識(shí)和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合不同的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可與客戶(hù)深入討論擴(kuò)展溫度范圍對(duì)器件工作壽命的影響。Teledyne e2v已經(jīng)可以提供高達(dá)125℃的NXP處理器——超過(guò)了商業(yè)器件105℃的限制。
成果: 擴(kuò)展的溫度范圍
經(jīng)過(guò)可行性評(píng)估，Teledyne e2v可提供較高工作節(jié)溫的定制IC的產(chǎn)品規(guī)格。制定產(chǎn)品規(guī)格時(shí)需仔細(xì)考慮如下的四個(gè)問(wèn)題：
擴(kuò)展節(jié)溫工作的四個(gè)問(wèn)題：
為了提高工作節(jié)溫，需評(píng)估以下四個(gè)問(wèn)題：
•性能：在較高的溫度下，處理器可能無(wú)法滿(mǎn)足某些電特性需求。Teledyne e2v的測(cè)試表明可能需要降低最高時(shí)鐘頻率以滿(mǎn)足手冊(cè)上指標(biāo)（參考圖5）。因此，如果需器件在擴(kuò)展溫度范圍正常工作，可能需降低某些規(guī)格參數(shù)。
•可靠性：隨著溫度升高，硅器件的可靠性以非線性的方式急速下降，可參考阿列紐斯等式。圖6表示NXP處理器在高達(dá)105℃范圍內(nèi)的典型FIT(失效率）。將曲線延伸到150℃，器件的可靠性與105℃時(shí)相比降低了10倍。目標(biāo)應(yīng)用必須能允許上述可靠性的下降。
•功耗:如圖2所示，功耗隨著溫度上升迅速增加，這意味著在擴(kuò)展溫度范圍工作需承受更高的功耗。
•需驗(yàn)證封裝承受高溫的能力。特別是塑封環(huán)氧樹(shù)脂封 裝，在大約160℃時(shí)開(kāi)始惡化?？煽紤]使用高溫環(huán)氧樹(shù)脂重新封裝的方案。
圖 5: 高溫（>100℃）時(shí)1.8GHz時(shí)鐘頻率限制的例子
考慮以上四個(gè)問(wèn)題，可幫助判斷是否需擴(kuò)展特定應(yīng)用的器件的高溫限制、調(diào)整電氣參數(shù)或更換封裝材料。Teledyne e2v提供的定制服務(wù)依賴(lài)于客戶(hù)對(duì)其任務(wù)的理解和工作壽命的分析，包括擴(kuò)展溫度條件會(huì)持續(xù)多 久，高溫條件是瞬時(shí)還是穩(wěn)定的狀態(tài)等。無(wú)論是哪個(gè)方面，Teledyne e2v都可以提供專(zhuān)業(yè)的建議。
圖 6: 溫度延展到150℃時(shí)的典型失效率
三種調(diào)整處理器功耗的方法
本文討論了Teledyne e2v如何基于和NXP的長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作提供定制處理器的服務(wù)。這種定制化可基于Power 架構(gòu)（例如T系列處理器T1042）或ARM架構(gòu)（例如Layerscape LS1046）。這里列出了三種為惡劣環(huán)境的應(yīng)用優(yōu)化功耗并定制處理器的方案：
•優(yōu)化特定功耗的功耗篩選
•增強(qiáng)散熱能力的定制化封裝
•提高允許的最高節(jié)溫(Tj)以支持大動(dòng)態(tài)功耗需求
Teledyne e2v擁有獨(dú)立的測(cè)試、質(zhì)量管理體系和專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)品工程師，結(jié)合和NXP長(zhǎng)期的合作關(guān)系，可為特定復(fù)雜應(yīng)用的客戶(hù)提供專(zhuān)業(yè)、高可靠性的處理器功率優(yōu)化方案。
（來(lái)源：Teledyne e2v）
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