峰值電流控制在高端顯卡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、峰值電流控制在高端顯卡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用超大規(guī)模高性能并行圖像處理器經(jīng)常集成了數(shù)十億計(jì)的晶體管，工作頻率達(dá)ghz以上。這樣當(dāng)處理復(fù)雜圖像應(yīng)用程序時，gpu將在微秒時光內(nèi)急劇升高到數(shù)百瓦功耗，這對電源分布系統(tǒng)（pds）將產(chǎn)生巨大的沖擊，導(dǎo)致gpu芯片不足，從而浮現(xiàn)系統(tǒng)功能異樣。2.系統(tǒng)異樣的緣由分析 gpu中工藝的要求：為了降低功耗，gpu芯片工作電壓較低，并允許在寬的范圍工作，如0.7v-1.2v。電壓越高時，內(nèi)部開關(guān)mos管的vgs越高，mos管導(dǎo)通越小，因而傳輸時光常數(shù)削減，工作頻率提高；當(dāng)電壓過低時，mos管將無法形成正常導(dǎo)電溝道，引起規(guī)律錯誤。因次，一個電壓相對穩(wěn)定的電源供給系統(tǒng)（pds）是

2、系統(tǒng)正常工作的前提。 gpu動態(tài)工作模式的需求：高性能gpu采納了無數(shù)先進(jìn)功率控制技術(shù)，使得最大功耗達(dá)到幾百瓦，而待機(jī)功耗約幾瓦，動態(tài)性能模式切換（dpm）便是其中技術(shù)之一。通常dpm時鐘頻率設(shè)置在100mhz1000mhz范圍，電壓在0.7v-1.2v之間。1所示，gpu可在不同dpm狀態(tài)切換，當(dāng)gpu處理負(fù)載加重時，將迅速轉(zhuǎn)換到高性能模式，如hclk1-hclk4，電壓v3，而假如電壓不足，內(nèi)部將不能維持這個模式，而引起系統(tǒng)故障。圖1 gpu動態(tài)工作模式 pds性能限制本身性能的限制。開關(guān)電源供電能力強(qiáng)，體積小，成本廉價(jià)，帶有ocp、ovp庇護(hù)功能。但是開關(guān)電源周期性地打開和關(guān)閉mos管，

3、會產(chǎn)生很大的電源紋波和噪聲。電源分布網(wǎng)絡(luò)參數(shù)限制。它是指從電源至負(fù)載的全部電氣分布參數(shù)的總和，即線路的r、l、c、g的整體效應(yīng)，來源于材料、層疊、印制線、過孔、屏蔽以及gpu封裝以及內(nèi)部硅電路設(shè)計(jì)。全部這些分布參數(shù)，會在電路中產(chǎn)生分壓、分流以及反射、衰減損耗等多種影響。對gpu負(fù)載而言，溝通高頻信號來源于負(fù)載的動態(tài)切換引起的瞬態(tài)變幻，加之電源分布網(wǎng)絡(luò)中的阻抗不延續(xù)，而在lc分布網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生高頻噪聲信號。對大電流（如200a以上）的gpu來說，電壓跌落達(dá)數(shù)百毫伏，超出dpm設(shè)置范圍。3.峰值電流控制技術(shù)gpu瞬態(tài)電流變幻過大，必定造成供電網(wǎng)絡(luò)損耗增大，gpu可獲得電壓降低。為了避免電壓跌落造成的沖

4、擊，gpu須準(zhǔn)時向下切換動態(tài)模式，降低時鐘頻率，降低工作電壓。峰值電流控制技術(shù)正是基于這個目的所設(shè)計(jì)的，它還需要軟件一起配合。圖2所示是峰值電流控制技術(shù)軟件流程圖。系統(tǒng)通過準(zhǔn)時檢測工作電流變幻，可迅速調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，削減芯片功耗，避開系統(tǒng)死機(jī)。圖2 峰值電流控制技術(shù)軟件流程圖4.gpu工作電流感應(yīng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)3所示，為了對gpu眨眼大電流變幻做出準(zhǔn)時反應(yīng)，電流檢測由硬件電路完成。當(dāng)gpu動態(tài)電流超過預(yù)定閾值時，硬件電路會產(chǎn)生一個規(guī)律信號通知軟件單元。本技術(shù)巧妙地利用電源網(wǎng)絡(luò)分布電阻來感應(yīng)在線路中損耗而產(chǎn)生的電壓降。我們?nèi)‰娫摧敵龆薬點(diǎn)和負(fù)載端b點(diǎn)作為電流的輸入。當(dāng)a、b點(diǎn)壓降過大時，gpu消耗

5、的電流過大，電壓輸出一個高電平通知軟件準(zhǔn)時調(diào)節(jié)gpu動態(tài)模式，降低頻率和電壓，從而保證gpu及電源均能夠正常工作，避開死機(jī)。圖3 gpu電流感應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)框圖5.測試結(jié)果該計(jì)劃已經(jīng)應(yīng)用到某型號gpu產(chǎn)品上，經(jīng)過調(diào)試及性能測試，取得了愜意的效果。圖4是gpu芯片電流眨眼變幻時用所測試得到的波形圖。圖4 峰值電流控制技術(shù)波形圖圖4所示中，通道1為預(yù)設(shè)電流閾值（約47.7a）；通道2為實(shí)際a、b點(diǎn)壓降，除以0.1ohm（線路分布阻抗）后表示最大電流約為55.2a；通道3為遲滯比較器輸出；通道4為gpu管腳電壓波形。當(dāng)電流超過閾值時，遲滯比較器被觸發(fā)，產(chǎn)生高電平中斷信號。軟件開頭切換動態(tài)工作模式，設(shè)置gpu電壓vload降低約100mv。當(dāng)電流減小并小于閾值時，比較器輸出低電平，系統(tǒng)回來正常并繼續(xù)監(jiān)測。6.結(jié)論由上分析及測試結(jié)果可知，峰值電流控制技術(shù)是一