用于VLSI应用的片上热管理的制作方法

用于vlsi应用的片上热管理
技术领域
1.本发明涉及用于半导体管芯的热管理，特别涉及用于超大规模集成(vlsi)集成电路(ic)和片上系统(soc)应用的热管理。


背景技术：

2.在现代cmos半导体技术中，集成电路的性能和可靠性已表现出对温度的极大依赖性。一方面，载流子迁移率随着温度的升高而降低，这会减慢电路速度。另一方面，阈值电压也随着温度的升高而降低，这有助于加快电路的速度。当阈值电压降低的影响超过载流子迁移率降低时，电路在较高的温度下会运行得更快。这就是众所周知的温度反转(temperature inversion)现象，在最新的亚微米cmos技术中变得越来越普遍。
3.由于温度反转的影响，在现代亚微米cmos技术中集成电路在较低的温度下变得较慢。由于每个电路都有温度范围的规格，这通常使得较低的温度界限成为电路开发和时序签核最具挑战性的角落。根据应用的不同，许多电路将在0℃、
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10℃或
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40℃的较低温度界限内停止工作。更低的温度角落往往会增加时序签核的挑战，推迟开发周期，降低产品性能，增加管芯尺寸和成本。
4.然而，对用于低温应用的集成电路的需求在持续增加。例如，汽车应用通常要求
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55℃的较低温度界限。这给现代亚微米cmos技术带来了重大挑战，并阻碍了集成电路在低温应用中的应用。


技术实现要素：

5.存在持续的需求对超大规模集成(vlsi)集成电路(ic)和片上系统(soc)应用改进的热管理。本公开提供了一种新颖的电路方案，该方案可以实现加热器模块并将其集成到vlsiic或soc管芯中。根据本公开的示例性系统或方法可以利用片上加热器来监控温度并控制soc的行为。该方案有助于稳定soc的温度并防止温度在操作过程中下降到某个低温以下。因此，soc的设计成本可能会随着更小的芯片尺寸和更短的开发周期而降低。此外，soc的应用可以扩展到那些极低温的应用中。
6.根据本公开的一个示例性实施例可以提供一种半导体芯片，该半导体芯片可以包括温度传感器、加热器、处理器和热控制逻辑。所述热控制逻辑可以包括电路，所述电路被配置为：确定来自温度传感器的第一读出温度达到第一温度阈值，打开加热器，确定来自温度传感器的第二读出温度达到低于第一温度阈值的第二温度阈值，暂停处理器的功能，确定来自温度传感器的第三读出温度达到第一温度阈值，恢复处理器的功能，并且确定来自温度传感器的第四读出温度达到高于第一温度阈值的第三温度阈值，关闭加热器。
7.在另一示例性实施例中，提供了一种用于操作半导体芯片的方法。该方法可以包括确定来自导体芯片上的温度传感器的第一读出温度达到第一温度阈值，打开半导体芯片上的加热器，确定来自温度传感器的第二读出温度达到低于第一温度阈值的第二温度阈值，暂停半导体芯片上处理器的功能，确定来自温度传感器的第三读出温度达到第一温度
阈值，恢复处理器的功能，并且确定来自温度传感器的第四读出温度达到高于第一温度阈值的第三温度阈值，关闭加热器。附图简要说明
8.图1示意性地示出了根据本公开的一个实施例中的片上系统。
9.图2示意性地示出了根据本公开的一个实施例中的加热器。
10.图3示意性地示出了根据本公开的一个实施例中的迟滞回线。
11.图4示意性地示出了根据本公开的一个实施例中的复位控制方案。
12.图5示意性地示出了根据本公开的一个实施例中的片上系统的平面图。
13.图6是根据本公开的一个实施例中的片上系统的热管理过程的流程图。
具体实施方式
14.现在将参考附图详细描述根据本技术的具体实施例。为了一致性，各个图中的相同元件由相同的附图标记表示。
15.图1示意性地示出了根据本公开的一个实施例中的片上系统(soc)100。soc 100可以是集成电路(ic)半导体芯片，其可以包括处理器102和热管理模块104。热管理模块104可包括热控制逻辑块106、温度传感器108和加热器110。热控制逻辑块106可以包括控制逻辑电路并称为热控制逻辑106。在至少一个实施例中，热控制逻辑106可以用专用模拟电路来实现，以确保在极端低温下的可靠性和时序收敛。热控制逻辑106可以耦合到温度传感器108，并被配置为向温度传感器108发送多个控制信号(例如，配置和校准温度传感器108)，并从温度传感器108接收读出温度。
16.热控制逻辑106还可以耦合到加热器110，并被配置成控制加热器110(例如，打开和关闭它)。加热器110可以是可通过焦耳加热产生热的电阻结构。在一个实施例中，热控制逻辑106可以利用包括例如“使能(enable)”信号的多个控制信号来控制加热器110。当使能信号是有效的(asserted)时，加热器110可以被打开。当使能信号是无效的(de
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asserted)时，加热器110可以被关闭。
17.热控制逻辑106也可以耦合到加热器模块104的外部。例如，热控制逻辑106可以耦合到处理器102。处理器102可以通过向热控制逻辑106发送控制和命令信号来配置加热器110的控制。热控制逻辑106还可以向处理器102发送控制信号。例如，热控制逻辑106可基于由温度传感器108接收的读出温度向处理器102发送信号以允许处理器102暂停或恢复功能。
18.热控制逻辑106可以包括可被配置为将从温度传感器108接收的读出温度与多个阈值进行比较的电路。例如，热控制逻辑106可以包括可被配置为将从温度传感器108接收的读出温度与第一阈值ton进行比较的电路。热控制逻辑106可以连续地接收来自温度传感器108的读出温度，并确定在某一点上，由温度传感器108测量的温度可以降低以达到第一阈值ton。在一个实施例中，当测量温度可能曾经高于ton但下降到或低于ton时，测量温度降低到ton。响应于确定温度降低到第一阈值ton，热控制逻辑106可向加热器110发送控制信号(例如，将“使能”信号设置为有效)以打开加热器110。
19.热控制逻辑106还可以包括可被配置为将从温度传感器108接收的读出温度与第二阈值tr(例如，温度复位(reset))进行比较的电路。热控制逻辑106可以连续接收来自温
度传感器108的读出温度，并确定在另一点，由温度传感器108测量的温度可以降低以达到第二阈值tr。在一个实施例中，当测量温度可能曾经高于tr但下降到或低于tr时，测量温度降低到tr。响应于确定温度降低到第二阈值tr，热控制逻辑106可向处理器102发送信号(例如，将“复位”信号设置为有效或逻辑“零”)以暂停处理器102的正常功能。
20.在加热器110可以打开一段时间之后，温度可以开始上升。热控制逻辑106可以继续监测来自温度传感器108的读出温度。一旦热控制逻辑106确定由温度传感器108测量的温度上升到第一温度阈值ton(例如，等于或高于ton)，热控制逻辑106还可以向处理器102发送另一信号(例如，将“复位”信号设置为无效)以恢复处理器102的正常功能。
21.热控制逻辑106可以包括可被配置为将从温度传感器108接收的读出温度与第三阈值toff进行比较的电路。热控制逻辑106可连续地接收来自温度传感器108的读出温度，并确定在又一点，由温度传感器108测量的温度上升以达到第三阈值toff。热控制逻辑106可以向加热器110发送控制信号(例如，将“使能”信号设置为无效)以关闭加热器110。在一个实施例中，热控制逻辑106可以在测量温度等于或高于toff时确定测量温度达到toff。
22.应当注意，加热器模块104不一定具有物理边界，并且加热器模块104的组件可以分布在soc 100上，并且加热器模块104的组件可以基于组件的布图分散在soc 100的其他组件中。此外，除了处理器102之外，soc 100还可以包括许多其他可能在低温下关闭或暂停其功能的组件，例如，存储器、模拟组件和输入/输出(i/o)组件。处理器102可以是可以在低温下关闭或暂停的此类组件的示例。在一个实施例中，将在低温下关闭或暂停的其他组件也可由来自温度控制逻辑106的复位信号控制。在一些其他实施例中，将在低温下关闭或暂停的其他组件可以由处理器102控制。例如，处理器102可以在暂停其自身功能之前向其他组件发送控制信号以暂停它们的操作。
23.图2示意性地示出了根据本公开的一个实施例中的加热器200。加热器200可以是加热器110的一个实施例。加热器200可以包括开关202和加热元件204。开关202可以具有连接到电源(例如，vdd)的一端和连接到加热元件204的另一端，并且可以由控制信号(例如来自热控制逻辑106)控制以接通和关断。例如，当控制信号被设置为有效(例如，热控制逻辑106将“使能”信号设置为有效)时，开关202可以被接通，而当控制信号被设置为无效(例如，热控制逻辑106将“使能”信号设置为无效)时，开关202可以被关断。在一个实施例中，开关202可以是nmos开关，其栅极耦合到来自热控制逻辑106的控制信号线，并且“使能”信号可以是高有效逻辑信号。
24.加热元件204可以是电阻结构，并且具有耦合到地(例如，gnd)的一端和耦合到开关202的另一端。当开关202接通时，电流可以流过加热元件204，并且加热元件204可以产生热。在一个实施例中，加热元件204可以是正向偏置二极管，其n端耦合到地(例如，gnd)且其p端耦合到开关202。偏置电压可由开关202控制。在开关202是nmos开关的实施例中，当使能信号被设置为高时，nmos开关可以接通，从而打开二极管。然后二极管传导电流并加热到其周围区域。当使能信号被设置为无效时，nmos开关关断，从而关断二极管，并且加热器200随后有效地关闭。
25.图3示意性地示出了根据本公开的一个实施例中的迟滞回线。热控制逻辑106可以连续接收来自温度传感器108的读出温度。基于检测到的温度，热控制逻辑106可以采用迟滞回线来控制加热器110。如图3所示，当检测到的温度下降到温度阈值ton时，热控制逻辑
106可打开加热器110以加热soc 100。当检测到的温度升高时，加热器110可以保持打开，直到达到更高的温度阈值toff。一旦温度上升到toff，则热控制逻辑106可以关闭加热器110，并保持关闭直到温度下降到ton。通过使toff>ton，加热器110可以根据如图3所示的迟滞回线工作。在一些实施例中，温度阈值toff和ton可以具有适当的温度间隔(例如，20℃(摄氏度))以用于稳定操作和足够的误差容限。
26.图4示意性地示出了根据本公开的一个实施例中的控制方案。当热控制逻辑106在时间t0确定检测到的温度降低以达到温度阈值ton时，加热器110可以打开。在时间t0打开加热器110之后，温度可以继续下降。当热控制逻辑106在时间t1确定检测到的温度降低以达到温度阈值tr时，可将复位信号设置为逻辑零(或低)。复位信号线可以耦合到处理器102，并且逻辑零信号可以触发或导致处理器102进入复位状态，其中处理器102的常规功能可以暂停。
27.如图4所示，在加热器110被打开一小段时间后，温度可以开始上升。当在时间t2检测到温度上升并达到阈值ton时，热控制逻辑106可以将该复位信号设置为无效，例如，设置为逻辑1(或高)。逻辑1信号可以触发或导致处理器102离开复位状态并恢复其正常功能。此时，加热器110可能仍然处于打开状态，并且温度可能继续上升。当在时间t3检测到温度上升到达到阈值toff时，热控制逻辑106可以关闭加热器110。
28.如图4所示，三个阈值可以具有以下关系：tr<ton<toff。例如，在一个实现中，tr可能为
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10℃(摄氏度或dc)，ton可能为0℃，并且toff可能为20℃。加热器110可以在电路进入复位之前打开，并且可以有足够的余量来防止电路进入复位。由于tr是最低阈值，这可能有助于避免soc由于加热器调谐打开和关闭而不断在复位和正常状态之间切换。在一个实施例中，阈值温度toff、ton和tr可以由固件编程。
29.图5示意性地示出了根据本公开的一个实施例中的soc 500的平面图。soc 100的实施例可包括多个加热器。例如，为了使加热在soc 100的管芯上有效且均匀，可以在soc管芯区域上均匀地放置多个加热器。soc 500可以是soc 100的一个实施例。如图5所示，soc 500可包括处理器102、热控制逻辑106、温度传感器108和多个加热器510.1至510.4。每个加热器510.1
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510.4可以是图2的加热器200的一个实施例。四个加热器510.1
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510.4可以放置在soc 500的四个角处。
30.应当注意的是，在其他实施例中也可以实现其他数量的加热器，并且加热器可以均匀且一致地放置在soc上。此外，为了说明目的，图5中仅示出了相关单元，soc 500可以具有一些未示出的其他公共功能块，例如但不限于存储器(例如，sram)和模拟组件。
31.图6是根据本公开的一个实施例中的用于操作片上系统的热管理过程600的流程图。过程600可以由soc 100的实施例来实现。在框602，可以确定来自半导体芯片上的温度传感器的第一读出温度已经达到第一温度阈值。例如，热控制逻辑106可以连续接收来自温度传感器108的读出温度，并确定在如图4所示的时间t0处，温度已降低以达到温度阈值ton。在框604，可以打开半导体芯片上的加热器。例如，当由温度传感器108检测到的温度已经达到阈值ton时，热控制逻辑106可以打开加热器110中的开关以打开加热器110。
32.在框606，可以确定来自温度传感器的第二读出温度已经降低以达到低于第一温度阈值的第二温度阈值。例如，热控制逻辑106可连续接收来自温度传感器108的读出温度，并确定在如图4所示的时间t1处温度已降低以达到温度阈值tr。在一个实施例中，温度阈值
tr可以低于第一温度阈值(例如，至少10摄氏度)。在框608，可以暂停半导体芯片上处理器的功能。在一个实施例中，热控制逻辑106可以将处理器102的复位信号设置为有效，以使处理器102进入复位状态，从而暂停处理器102的功能。
33.在框610，可以确定来自温度传感器的第三读出温度已经达到第一温度阈值。例如，热控制逻辑106可进一步连续地接收来自温度传感器108的读出温度，并确定在如图4所示的时间t2处，温度已经上升以达到温度阈值ton。在框612，可以恢复处理器的功能。在一个实施例中，热控制逻辑106可以将处理器102的复位信号设置为无效，以让处理器102离开复位状态并恢复其正常功能。
34.在框614，可以确定来自温度传感器的第四读出温度已经达到高于第一温度阈值的第三温度阈值。例如，热控制逻辑106可进一步连续地接收来自温度传感器108的读出温度，并确定在如图4所示的时间t3处，温度已经上升以达到温度阈值toff。在一个实施例中，温度阈值toff可以高于第一温度阈值(例如至少20摄氏度)。在框616，可以关闭加热器。例如，当温度传感器108检测到的温度已经达到阈值toff时，热控制逻辑106可以关闭加热器110中的开关以关闭加热器110。
35.根据本公开的一个示例性实施例可以提供一种半导体芯片，该半导体芯片可以包括温度传感器、加热器、处理器和热控制逻辑。所述热控制逻辑可以包括电路，所述电路被配置为：确定来自温度传感器的第一读出温度达到第一温度阈值，打开加热器，确定来自温度传感器的第二读出温度达到低于第一温度阈值的第二温度阈值，暂停处理器的功能，确定来自温度传感器的第三读出温度达到第一温度阈值，恢复处理器的功能，并且确定来自温度传感器的第四读出温度达到高于第一温度阈值的第三温度阈值，关闭加热器。
36.在一个实施例中，热控制逻辑可被配置为通过将输出到所述处理器的信号设置为有效来暂停所述处理器的功能，并通过将输出到所述处理器的所述信号设置为无效来恢复所述处理器的功能。
37.在一个实施例中，该信号可被设置为逻辑低，以暂停所述处理器的功能。
38.在一个实施例中，该加热器可以包括开关和电阻结构，并且所述热控制逻辑被配置为通过将输出到所述开关的控制信号设置为有效以接通所述开关来打开所述加热器，以及通过将输出到所述开关的所述控制信号设置为无效以关断所述开关来关闭所述加热器。
39.在一个实施例中，该电阻结构可以是正向偏置二极管，该开关是nmos，并且所述正向偏置二极管的偏置电压可以由nmos控制。
40.在一个实施例中，该加热器可以是均匀放置在半导体芯片管芯上的多个加热器之一。
41.在一个实施例中，该第一温度阈值、第二温度阈值和第三温度阈值可以通过固件编程。
42.在一个实施例中，该半导体芯片可以进一步包括存储器和输入/输出，当处理器的功能被暂停时，存储器和输入/输出的功能也可被暂停。
43.在一个实施例中，该热控制逻辑还可被配置为向所述温度传感器发送多个控制信号以配置和校准所述温度传感器。
44.在一个实施例中，该处理器可以被配置为通过向所述热控制逻辑发送控制和命令信号来配置所述热控制逻辑。
45.在另一示例性实施例中，提供了一种用于操作半导体芯片的方法。该方法可以包括确定来自导体芯片上的温度传感器的第一读出温度达到第一温度阈值，打开半导体芯片上的加热器，确定来自温度传感器的第二读出温度达到低于第一温度阈值的第二温度阈值，暂停半导体芯片上处理器的功能，确定来自温度传感器的第三读出温度达到第一温度阈值，恢复处理器的功能，并且确定来自温度传感器的第四读出温度达到高于第一温度阈值的第三温度阈值，关闭加热器。
46.在一个实施例中，暂停所述处理器的功能可以包括将输出到所述处理器的信号设置为有效，并且恢复所述处理器的功能包括将输出到所述处理器的所述信号设置为无效。
47.在一个实施例中，该信号可被设置为逻辑低，以暂停所述处理器的功能。
48.在一个实施例中，所述加热器可以包括开关和电阻结构，并且所述热控制逻辑被配置为通过将输出到所述开关的控制信号设置为有效以接通所述开关来打开所述加热器，以及通过将输出到所述开关的所述控制信号设置为无效以关断所述开关来关闭所述加热器。
49.在一个实施例中，所述电阻结构是正向偏置二极管，所述开关是nmos，并且所述正向偏置二极管的偏置电压由所述nmos控制。
50.在一个实施例中，所述加热器可以是均匀放置在半导体芯片管芯上的多个加热器之一。
51.在一个实施例中，所述第一温度阈值、第二温度阈值和第三温度阈值可由固件编程。
52.在一个实施例中，所述半导体芯片可以进一步包括存储器和输入/输出，当所述处理器的功能被暂停时，所述存储器和输入/输出的功能也被暂停。
53.在一个实施例中，该方法还可以包括向温度传感器发送多个控制信号以配置和校准所述温度传感器。
54.在一个实施例中，该方法还可以包括通过从处理器向热控制逻辑发送控制和命令信号来配置半导体芯片的热控制逻辑。
55.可以以有助于理解本发明的实施方式的方式将各种操作依次描述为多个离散操作。但是，描述的顺序不应解释为暗示这些操作与顺序有关。此外，一些实施例可以包括比所描述的更多或更少的操作。
56.该描述可以使用短语“在一个实施例中”，“在实施例中”，“在一些实施例中”或“在各种实施例中”，其可以分别指代相同或不同实施例中的一个或多个。此外，关于本发明的实施例使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。
57.术语芯片、颗粒、集成电路、单片器件、半导体器件和微电子器件在微电子领域中经常互换使用。如本领域中通常所理解的，本发明适用于所有上述内容。
58.尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例是出于说明的目的，而不是旨在进行限制，真实的范围和精神由所附权利要求书指示。