一种处理器、处理器系统及片上系统的制作方法

1.本技术涉及计算机技术领域，具体涉及一种处理器、处理器系统及片上系统。


背景技术：

2.随着计算机技术的发展，处理器性能不断提升，而性能的提升也意味着处理器有更大的功耗需求。出于平衡处理器功耗的目的，处理器的工作电压普遍较低，导致处理器，特别是处理器核心的工作电压允许的波动范围不大，超过允许的波动范围可能会导致处理器工作异常，进而影响整个系统的正常工作。
3.因此，如何提高处理器核心供电的稳定性，避免处理器核心的工作电压大范围波动，进而提高处理器的运行可靠性，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术致力于提供一种处理器、处理器系统及片上系统，处理器中设置稳压电路，在处理器核心的当前工作电压小于第一电压阈值情况下输出大于第一电压阈值的补偿电压，减少处理器核心工作电压的跌落，避免处理器核心的工作电压大范围波动，进而提高处理器的供电稳定性以及运行可靠性。
5.第一方面，本技术提供一种处理器，包括：处理器核心和稳压电路，其中，所述处理器核心的电源端连接所述处理器外部的第一电源的供电端，所述第一电源为所述处理器核心提供工作电压；所述稳压电路的供电端与处理器核心的电源端连接；所述稳压电路在所述处理器核心的当前工作电压小于第一电压阈值情况下，输出大于所述第一电压阈值的补偿电压。
6.在本技术提供的处理器中，处理器包括处理器核心和稳压电路，在处理器核心与处理器外部的第一电源相连，由第一电源为处理器核心提供工作电压的前提下，稳压电路的供电端与处理器核心的电源端电连接，在处理器核心的当前工作电压小于第一电压阈值情况下，稳压电路输出大于第一电压阈值的补偿电压，与第一电源配合，共同为处理器核心供电，由于处理器核心获得额外的电压供应且补偿电压大于第一电压阈值，因此，可以有效补偿处理器核心工作电压跌落，避免工作电压大范围波动，进而提高处理器的供电稳定性以及运行可靠性。
7.在一种可能的实施方式中，所述补偿电压大于等于所述处理器核心的额定电压，且小于等于所述处理器核心的最高工作电压；所述额定电压大于所述第一电压阈值。
8.在本技术提供的处理器中，稳压电路输出的补偿电压大于等于处理器核心的额定电压，并且额定电压大于第一电压阈值，即本方案中稳压电路输出的补偿电压更高，当与第一电源配合共同为处理器核心供电时，更高的补偿电压能够更好的弥补由于第一电源响应延迟产生的电压降低，提高补偿处理器核心工作电压跌落的效果，进一步提高处理器的供
电稳定性以及运行可靠性。
9.在一种可能的实施方式中，所述稳压电路在所述处理器核心的当前工作电压大于第二电压阈值情况下，停止输出所述补偿电压；所述第二电压阈值小于所述第一电压阈值。
10.在本技术提供的处理器中，随着处理器核心的工作电压逐渐升高，稳压电路在处理器核心的当前工作电压大于第二电压阈值情况下，停止输出补偿电压，在减少处理器核心工作电压跌落过程中，稳压电路仅短时间运行，产生的损耗和热量都非常有限，不会产生额外的散热需求，有利于处理器整体性能的控制。
11.在一种可能的实施方式中，所述稳压电路包括检测电路和电源电路，其中，所述检测电路的检测端与所述处理器核心连接，所述检测电路的输出端与所述电源电路的控制端连接；所述电源电路的输入端与所述处理器外部的第二电源的供电端连接，所述电源电路的输出端作为所述稳压电路的供电端；所述检测电路检测所述处理器核心的当前工作电压，并在所述当前工作电压小于所述第一电压阈值情况下控制所述电源电路输出所述补偿电压。
12.在本技术提供的处理器中，提供稳压电路的具体构成，通过检测电路检测处理器核心的当前工作电压并对电源电路输出补偿电压的过程进行控制，同样可以有效补偿处理器核心工作电压跌落，避免工作电压大范围波动，进而提高处理器的供电稳定性以及运行可靠性。
13.在一种可能的实施方式中，所述检测电路在所述处理器核心的当前工作电压大于第二电压阈值情况下，控制所述电源电路停止输出所述补偿电压；所述第二电压阈值小于所述第一电压阈值。
14.在本技术提供的处理器中，提供一种检测电路控制电源电路的具体实现方式，在处理器核心的当前工作电压大于第二电压阈值情况下，控制电源电路停止输出补偿电压，在减少处理器核心工作电压跌落过程中，使得稳压电路仅短时间运行，产生的损耗和热量都非常有限，不会产生额外的散热需求，有利于处理器整体性能的控制。
15.在一种可能的实施方式中，所述处理器中的外围电路的电源端与所述第二电源的供电端连接，所述第二电源为所述外围电路供电；其中，所述外围电路包括所述处理器中所述处理器核心以外的电路。
16.在本技术提供的处理器中，处理器的外围电路与稳压电路中的电源电路共用第二电源，可减少供电电源的设置数量，有利于处理器所属系统的整体成本控制。
17.在一种可能的实施方式中，所述稳压电路与所述处理器核心之间的距离小于预设距离阈值。
18.在本技术提供的处理器中，限定稳压电路与处理器核心之间的距离小于预设距离阈值，通过设置预设距离阈值，可以使得稳压电路靠近处理器核心设置，进而减少稳压电路输出的补偿电压到达处理器核心的反应时间，提升瞬态响应性能，同时，还可以减少补偿电压在供电路径上的压降。
19.第二方面，本发明提供一种处理器系统，包括：第一电源、第二电源以及本发明第一方面任一项所述的处理器，其中，
所述第一电源的供电端与所述处理器中的处理器核心的电源端连接，所述第一电源用于为所述处理器核心提供工作电压；所述第二电源的供电端与所述处理器中稳压电路的电源端连接，所述第二电源用于为所述稳压电路供电；所述稳压电路在所述处理器核心的当前工作电压小于第一电压阈值情况下，输出大于所述第一电压阈值的补偿电压。
20.在一种可能的实施方式中，本发明第二方面提供的处理器系统，还包括：储能电路，其中，所述储能电路与所述第二电源的供电端连接，所述储能电路用于在所述稳压电路输出所述补偿电压时补充所述第二电源输出的电能。
21.第三方面，本发明提供一种片上系统，包括如本发明第二方面任一项所述的处理器系统。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明实施例提供的一种处理器的结构框图。
24.图2是本发明实施例提供的处理器中稳压电路的工作原理示意图。
25.图3是本发明实施例提供的另一种处理器的结构框图。
26.图4是本发明实施例提供的第一电源和第二电源的电路拓扑图。
27.图5是本发明实施例提供的一种电源电路的电路拓扑图。
28.图6是本发明实施例提供的稳压电路在处理器中的设置位置的示意图。
29.图7是本发明实施例提供的一种处理器系统的结构框图。
具体实施方式
30.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.处理器是计算机系统的运算和控制中心，同时也是信息处理以及程序运行的最终执行单元，属于计算机系统中的核心部件。近年来，随着计算机技术的发展，特别是半导体制造工艺的不断进步，使得处理器性能不断提升，而处理器性能的提升也意味着处理器有更大的功耗需求，比如，应用于服务器的处理器，由于需要处理海量的信息，处理器的电流需求普遍在200a以上。出于平衡处理器功耗的目的，处理器的工作电压普遍较低，导致处理器，特别是处理器核心的工作电压允许的波动范围不大，一旦电压波动超过允许的波动范围，就可能会导致处理器工作异常，进而影响整个系统的正常工作。
32.基于上述实际情况，本发明提供处理器，该处理器包括处理器核心和稳压电路，处
理器核心与处理器外部的第一电源相连，由第一电源为处理器核心提供工作电压，在此前提下，稳压电路的供电端与处理器核心的电源端电连接，在处理器核心的当前工作电压小于第一电压阈值情况下，稳压电路输出大于第一电压阈值的补偿电压，与第一电源配合，共同为处理器核心供电，可以有效补偿处理器核心工作电压跌落，避免工作电压大范围波动，为处理器安全运行提供可靠保障，提高处理器的运行可靠性。
33.参见图1，图1是本发明实施例提供的一种处理器的结构框图，本实施例提供的处理器包括：稳压电路10和处理器核心20，其中，如图1所示，处理器核心20的电源端与处理器外部的第一电源30的供电端相连，由第一电源30为处理器核心20提供工作电压。需要强调的是，在处理器运行过程中，第一电源30一直处于运行状态，持续为处理器核心30提供运行所需的电能。
34.进一步的，稳压电路10的供电端同样与处理器核心20的电源端连接，在处理器核心的当前工作电压小于第一电压阈值情况下，稳压电路10输出大于第一电压阈值的补偿电压，与第一电源30配合，共同为处理器核心20供电。
35.基于上述内容，参见图2，处理器核心20在运行过程中，其负载电流发生突变，即由较低的负载电流i1在极短的时间内跳变为较高的负载电流i2，由于第一电源30在供电响应上不可避免的存在延时，其输出的工作电压便会降低，相应的，处理器核心20的工作电压会同步出现跌落，即由正常运行时的额定电压ve逐渐下降，由于处理器核心20的工作电压允许在一定范围内波动，因此，在处理器核心20的当前工作电压小于额定电压ve时，稳压电路10并不会立即输出补偿电压，而是在处理器核心20的当前工作电压小于第一电压阈值v1的情况下才会输出补偿电压。
36.需要说明的是，在实际应用中，第一电压阈值的具体取值，应结合处理器核心20允许的电压波动范围以及具体的控制需求确定，通常情况下，第一电压阈值小于处理器核心20的额定电压。当然，在一种可能的实施方式中，也可以选取处理器核心20的额定电压作为第一电压阈值，即当处理器核心20的当前工作电压小于其额定电压时，稳压电路10立即运行，输出补偿电压，从而为处理器核心20提供更为稳定、可靠的电压供应。
37.稳压电路10在处理器核心20的当前运行电压小于第一电源阈值的情况下输出补偿电压，为了达到减少处理器核心20电压跌落的目的，要求补偿电压大于第一电压阈值。进一步的，稳压电路10输出的补偿电压还可以大于等于处理器核心20的额定电压，以达到更好的补偿效果，确保处理器核心20的工作电压以更快的速率恢复至额定电压，当然，在减少电压跌落的同时，还应确保处理器核心20可以正常运行，避免过压烧毁，因此，在实际应用中，稳压电路10输出的补偿电压应小于等于处理器核心20的最高工作电压。
38.结合图2所示，随着稳压电路10输出补偿电压，处理器核心20的工作电压会逐渐升高，稳压电路10在处理器核心20的当前工作电压大于第二电压阈值情况下，会停止输出补偿电压。由此可见，在减少处理器核心20工作电压跌落过程中，稳压电路10短时间运行，产生的损耗和热量都非常有限，对于处理器整体性能几乎没有影响。
39.在实际应用中，第二电压阈值小于前述第一电压阈值，与第一电压阈值的取值要求类似，第二电压阈值的具体取值同样需要结合处理器核心20允许的电压波动范围以及具体的控制需求确定。在一种可能的实施方式中，可以将处理器核心20允许的电压波动范围的下限值，作为第二电压阈值，即在处理器核心20的当前工作电压大于电压波动范围的下
限值时，稳压电路10停止输出补偿电压。
40.综上所述，本实施例提供的处理器，在处理器核心与处理器外部的第一电源相连，由第一电源为处理器核心提供工作电压的前提下，稳压电路的供电端与处理器核心的电源端电连接，在处理器核心的当前工作电压小于第一电压阈值情况下，稳压电路输出大于第一电压阈值的补偿电压，与第一电源配合，共同为处理器核心供电，由于处理器核心获得额外的电压供应且补偿电压大于第一电压阈值，因此，可以有效补偿处理器核心工作电压跌落，避免工作电压大范围波动，进而提高处理器的供电稳定性以及运行可靠性。
41.进一步的，稳压电路设置于处内理器部，与处理器的内部电路，比如处理器核心、处理器核心以外的外围电路等采用相同的生产工艺，因此，在实际应用中，稳压电路的瞬态响应带宽甚至可以达到100mhz以上，响应带宽的提升，可以使得稳压电路瞬态响应性能大幅提高，可达到ns级别，在极短的时间内输出补偿电压，更有效的减少处理器核心的电压跌落。而且，稳压电路优异的瞬态响应性能，配合前述输出电压的控制过程（在处理器核心的当前工作电压大于第二电压阈值情况下停止输出补偿电压），使得稳压电路的持续工作时间为us级别，发热时间短，从而不会对处理器的散热设计提出额外要求，有利于处理器的整体成本控制。
42.再进一步的，由于稳压电路可以按照前述内容输出补偿电压，减少处理器核心的电压跌落，为处理器核心提供更为稳定的电压供应，使得处理器核心的额定电压可以进一步降低，进而降低处理器运行过程中的损耗，有助于提高处理器的整体性能。
43.在前述实施例的基础上，参见图3，图3是本发明实施例提供的另一种处理器的结构框图，本实施例提供一种稳压电路的可选实现方式，稳压电路10具体包括检测电路101和电源电路102。
44.如图3所示，检测电路101检测端与处理器核心20连接，检测电路101用于检测处理器核心20的当前工作电压，因此，在实际应用中，检测电路101的检测端可以和处理器核心20的电源端相连，也可以和处理器核心20中其他能够提供处理器核心20当前工作电压的任何位置相连，本发明对此不做具体限定。进一步的，检测电路101的输出端与电源电路102的控制端连接。电源电路102的输入端与处理器外部的第二电源40的供电端连接，电源电路102的输出端作为稳压电路10的供电端，与处理器核心20的电源端相连。
45.结合前述内容，检测电路101检测处理器核心20的当前工作电压，并在当前工作电压小于第一电压阈值情况下控制电源电路102输出补偿电压，与第一电源30配合，共同为处理器核心20供电。相应的，检测电路101在处理器核心20的当前工作电压大于第二电压阈值情况下，控制电源电路102停止输出补偿电压。
46.与稳压电路10不同的是，第一电源30以及第二电源40均设置于印刷电路板之上，属于板级电源，二者生产工艺较低，在综合考虑电源的工作效率以及瞬态响应性能的情况下，工作频率通常在1mhz以内，对应的瞬态响应带宽一般在数百khz，远低于稳压电路10。第一电源30和第二电源40可以采用如图4所示的电路结构，电源主要包括功率电路、控制电路以及低通滤波电路，其中，功率电路的输入端vin接系统电源，输出端vout接相应的负载。当然，在实际应用中，第一电源30以及第二电源40还可以选择其他相关的电路实现，二者同样可以选择不同形式的电路构成，本发明对于第一电源30以及第二电源40的具体实现方式不做限定。
47.需要说明的是，第一电源30以及第二电源40在实际应用中所输出的电源电压通常是不同的，需要结合各自所连接负载的具体情况确定。结合图3，第一电源30为处理器核心20提供工作电压，是处理器核心20的主供电电源，因此，第一电源30的输出电压应以满足处理器核心20正常工作需求为前提，通常，第一电源30的输出电压为处理器核心20的额定电压。
48.第二电源40为电源电路102供电，应以满足电源电路102正常工作需求为前提。在一种可能的实施方式中，处理器中的外围电路50，即处理器中处理器核心以外的电路的电源端与第二电源40的供电端连接，由第二电源40为外围电路50供电。在此情况下，第二电源40则需要同时满足电源电路102以及外围电路50的用电需求。
49.通常，外围电路50的额定电压为1.8v，要高于处理器核心20的额定电压，第二电源40输出1.8v电压即可满足外围电路50的用电需求，在此基础上，还要兼顾电源电路102输出满足前述要求的补偿电压，基于此，电源电路102可采用如图5所示的数字低压差线性稳压器（low dropout regulator，ldo）实现，数字ldo采用纯数字设计实现，相较于图4所示的电路结构，数字ldo不需要电感等储能元件，结构简单，更容易集成于处理器中。在图5所示的电源电路中，主要包括控制电路以及mosfet阵列两部分，电源电路102的输入端vin连接第二电源40的供电端，即输入1.8v电压，电源电路102的输出端vout输出补偿电压，控制电路的控制端即作为电源电路102的控制端与检测电路101相连。当然，在实际应用中，电源电路102还可以基于其他形式的电路结构实现，此处不再详述。而对于稳压电路10中的检测电路101，可参照相关技术实现，此处亦不详述。
50.综上所述，在前述实施例的基础上，本实施例提供一种稳压电路的具体实现方式，通过检测电路检测处理器核心的工作电压并对电源电路输出补偿电压的过程进行控制，同样可以有效补偿处理器核心工作电压跌落，避免工作电压大范围波动，进而提高处理器的供电稳定性以及运行可靠性。
51.进一步的，处理器中的外围电路与电源电路共用第二电源，可减少供电电源的设置数量，有利于处理器所属系统的整体成本控制。
52.在一种可能的实施方式中，上述任一实施例提供的处理器中，稳压电路与处理器核心之间的距离小于预设距离阈值，使得稳压电路靠近处理器核心设置。参见图6，在图6所示示例中，边框s1表示处理器封装边界，即处理器芯片的物理外形，边框s2表示处理器裸片在封装结构内的位置，边框s3表示前述处理器核心，通常，边框s1的中心、边框s2的中心与边框s3的中心重合。在实际应用中，稳压电路应靠近边框s3放置，缩短稳压电路与处理器核心之间的距离，基于此，本实施例中述及的预设距离阈值，需要结合处理器内部电路的具体布局情况设置，本发明对于预设距离阈值的具体取值不做限定。通过将稳压电路靠近处理器核心设置，可以减少稳压电路输出的补偿电压到达处理器核心的反应时间，提升瞬态响应性能，同时，还可以减少补偿电压在供电路径上的压降。
53.进一步的，本发明还提供一种处理器系统，其结构可以参见图7所示，本实施例提供的处理器系统包括：第一电源30、第二电源40以及前述任一项实施例提供的处理器（以图3所示实施例提供的处理器为例），其中，第一电源30的供电端与处理器中的处理器核心20的电源端连接，第一电源30用于为处理器核心20提供工作电压。第二电源40的供电端与处理器中稳压电路10的电源端连
接，第二电源40用于为稳压电路40供电。稳压电路10在处理器核心10的当前工作电压小于第一电压阈值情况下，输出大于第一电压阈值的补偿电压。
54.对于第一电源30、第二电源40以及分别与二者相连处理器的具体实现，均可以参照前述内容，此处不再复述。
55.进一步的，结合上述内容可以想到，在稳压电路10关闭，即未输出补偿电压的情况下，第二电源40单独为处理器中的外围电路50供电，相应的，在稳压电路10开启，即输出补偿电压的情况下，第二电源40相当于同时为两个负载供电，加之稳压电路10优异的瞬态响应性能，会给第二电源40输出的电能带来扰动，影响供电稳定性。为解决这一问题，本发明提供的处理器系统中还可以设置储能电路60，如图7所示，储能电路60与第二电源40的供电端连接，储能电路60在稳压电路10输出补偿电压，即第二电源40同时为稳压电路10以及外围电路50供电时，补充第二电源40输出的电能。
56.在一种可选的实施方式中，储能电路60包括至少一个电容，在实际应用中，该电容可以选择大容量的陶瓷电容，电容的一端连接第二电源40的供电端，电容的另一端接地。至于电容的具体数量以及容值的具体选择，需要结合稳压电路10的设计参数、第二电源40的功率以及外围电路50的用电需求确定，本发明对此不做限定。
57.进一步的，本发明还提供一种片上系统，该片上系统包括前述任一实施例提供的处理器系统。
58.本领域技术人员能够理解，本公开所披露的内容可以出现多种变型和改进。例如，以上所描述的各种设备或组件可以通过硬件实现，也可以通过软件、固件、或者三者中的一些或全部的组合实现。
59.此外，虽然本公开对根据本公开的实施例的系统中的某些单元做出了各种引用，然而，任何数量的不同单元可以被使用并运行在客户端和/或服务器上。单元仅是说明性的，并且系统和处理器的不同方面可以使用不同单元。
60.本公开中使用了流程图用来说明根据本公开的实施例的处理器的步骤。应当理解的是，前面或后面的步骤不一定按照顺序来精确的进行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中。
61.本领域普通技术人员可以理解上述处理器中的全部或部分的步骤可通过计算机程序来指令相关硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本公开并不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
62.除非另有定义，这里使用的所有术语具有与本公开所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
63.以上是对本公开的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本公开的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本公开的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本公开范围内。应当理解，上面是对本公开的说明，而不应被认为是限于所公开的特
定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本公开由权利要求书及其等效物限定。