【導讀】隨著(zhù)新型處理器的執行效率飛速提高，其對計算能力的追求有時(shí)超過(guò)了冷卻系統的能力。而且，機械和散熱設計通常是最后完成的研發(fā)步驟。因此，在設計的過(guò)程中可能在最后階段才發(fā)現超過(guò)了散熱系統的限制。設計師通常需優(yōu)化系統并找到可接受的折中方案。
摘要
隨著(zhù)新型處理器的執行效率飛速提高，其對計算能力的追求有時(shí)超過(guò)了冷卻系統的能力。而且，機械和散熱設計通常是最后完成的研發(fā)步驟。因此，在設計的過(guò)程中可能在最后階段才發(fā)現超過(guò)了散熱系統的限制。設計師通常需優(yōu)化系統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)導者，多年來(lái)一直致力于提高超越標準性能指標的定制處理器的核心競爭力，使系統設計師能夠增加系統安全的余量，并優(yōu)化SWaP (尺寸，重量和功耗）。
本文將介紹Teledyne e2v為系統設計師提供的定制方案，以調整高可靠性處理器系統的功耗。
在大多數情況下，選擇一種或多種定制的方案可大大提高設計的價(jià)值。這里將討論以下三種方案：
1.優(yōu)化功耗。包括根據客戶(hù)的應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。在大多數情況下也可以保護電路和裸片。
3.提高最大節溫(TJ)。這需要額外測試器件在高溫下的工作情況和使用壽命。重點(diǎn)是如何量化這些測試，因為升高的溫度會(huì )影響器件的失效率。
Teledyne e2v的高可靠性微處理器在國防、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這樣的大供應商對高可靠性產(chǎn)品的供應鏈有深遠的影響。許多應用對這些產(chǎn)品并沒(méi)有很?chē)栏竦目煽啃砸蟆?/span>
同時(shí)，SWaP（尺寸，重量和功耗）對于航空、國防甚至宇航等嚴苛環(huán)境的應用非常重要。本文將重點(diǎn)介紹如何選擇用于這些應用的處理器。畢竟，處理器是系統中的重要器件，會(huì )產(chǎn)生系統中大部分的功耗（SWaP中的 P）。另外，散熱系統需要使用散熱器，影響系統的尺 寸和重量（SWaP中的S和W）。
處理器功耗的背景知識
每一代處理器的功耗需求都在逐步增加。研究特定器 件的電參數是一件復雜的工作，尤其對于準備解決系統級設計問(wèn)題的設計師。
表1是從四核ARM Cortex A72 64位Layerscape處理器LS1046的數據手冊里摘錄的，包含2種處理器時(shí)鐘頻率
（1.6和1.8GHz）和3種節溫（標稱(chēng)值65, 85和105℃） 時(shí)的功耗。另外，圖中還標出了三種不同的功耗模式： 典型、散熱和最大?？梢钥闯?，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計指標。
通常情況下，廠(chǎng)商制定的器件標準規格會(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)的應用必須用到最高的節溫，看了表1他可能會(huì )得出這款處理器雖然功能強大但功耗太大的結論，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
這包括評估一系列目標器件，并對它們做相關(guān)測試， 分析功耗的分布。最終的目的是為某一個(gè)特定的應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用中工作。對此，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的分析結果。在某個(gè)特定的項目中，Teledyne e2v通過(guò)結合客戶(hù)應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為不適合這個(gè)任務(wù)的器件，現在可以被用戶(hù)充滿(mǎn)信心地設計到系統中。
圖1: T1042處理器最壞情況下的功耗 vs.客戶(hù)目標應用中的功耗
•不同的器件的靜態(tài)功耗差異顯著(zhù)。
•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表示對于一款真實(shí)的處理器節溫和靜態(tài)功耗的典型關(guān)系曲線(xiàn)。隨著(zhù)節溫（Tj）的升高，功耗非線(xiàn)性增加。在這個(gè)例子里，隨著(zhù)溫度從45℃上升到125℃（標稱(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)加強的散熱系統降低節溫。
這并不是一件容易實(shí)現的事情。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的所有內部外設所需的功耗，與器件性能和運行的代碼無(wú)關(guān)。
•動(dòng)態(tài)功耗——計算能力所需的功耗。對于多核處理器， 對于不同的瞬時(shí)計算負載，這個(gè)功耗可能有很大差異。
Teledyne e2v對功耗的獨特見(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)知識體系，并可獲得和原始制造商相同的工具、產(chǎn)品測試向量和測試程序。這使得Teledyne e2v可通過(guò)篩選和測試的方式提供定制的功耗優(yōu)化方案。
Teledyne e2v對處理器參數測試表明當代處理器有以下幾點(diǎn)常見(jiàn)特性：
圖2: 靜態(tài)功耗和節溫的典型關(guān)系
這個(gè)曲線(xiàn)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，則必須降低節溫，而使用散熱器，則會(huì )增加設備的尺寸和重量。
因此，雖然SWaP是一個(gè)核心的設計要素，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獲取原始測試向量、等效測試工具和測試技術(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可對特定的用戶(hù)應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)器件的規格書(shū)表明在最壞情況下器件的功耗高達8.3W(1.2GHz 時(shí)鐘，Tj是125℃）。但是，用戶(hù)可以降低功耗至4.5W。如果不是因為功耗的降低，客戶(hù)可能從一開(kāi)始就不會(huì )選用T1042。
基于加強的器件測試和對用戶(hù)實(shí)際應用的分析，Teledyne e2v保證特定器件的功耗大約是原始器件預期功耗的一半。這可幫助降低功耗并簡(jiǎn)化項目的散熱設計。
方法2: 定制封裝
包括修改或重新設計標準器件的封裝，以減小節到板子的熱阻，或節到封裝頂部的熱阻器。在另一方面，也可以減少冷卻系統的尺寸和重量，因為熱阻(Rth)越小，所需散熱器越大。
•可加強器件的震動(dòng)防護，并簡(jiǎn)化冷卻系統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
大多數處理器都有封裝蓋，用于散熱和保護器件裸片。取決于不同的應用，有些設計師可能會(huì )選擇有封裝蓋的設計，從而更容易地集成散熱器；而另一些設計師則選擇無(wú)封裝蓋的設計，因為他們無(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(zhù)降低節到板子的熱阻，對于主要依靠印制電路板(PCB)散熱的應用非常有利。
圖3: LS1046有蓋設計(上)和T1040無(wú)蓋設計(下)
•可降低節溫，從而降低功耗（假設使用相同的散熱
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)。對此，通常設計師無(wú)法選擇，因為這是商用貨架產(chǎn)品(COTS)。而Teledyne e2v可根據用戶(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擁有重封裝半導體器件的專(zhuān)業(yè)知識和豐富的經(jīng)驗。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模數轉換器開(kāi)發(fā)的封 裝，此外，Teledyne e2v還可幫助客戶(hù)對封裝重新植球，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用中出現錫須）。
成果: 定制的封裝
最近Teledyne e2v做了一項為NXP T1040處理器加上封裝蓋的可行性研究?？蛇x的封裝蓋的機械尺寸如圖 4。Teledyne e2v也估算了散熱指標的變化。由于增加
了封裝蓋，節到板的熱阻大約是4.66℃/W的一半，比標準封裝下降了9℃/W。而節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
理想的散熱設計是不使用散熱器，所有的熱量都通過(guò)PCB傳導。雖然這聽(tīng)起來(lái)有些不現實(shí)，但在某些應用中確實(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，降低節到PCB板的熱阻，可使相當部分的熱量通過(guò)PCB傳導，減小散熱器的設計壓力，并減少使用相同散熱器的設計的功耗（通過(guò)降低節溫）。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）。雖然它們在尺寸上類(lèi)似，在熱性能方面卻有顯著(zhù)的區別。由于PC8548使用了陶瓷基板，節到板的熱阻（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)于降低節到板的熱阻，相似的方法也可被用于降低節到封裝頂部的熱阻。
方法3: 擴展的節溫(即大于125℃)
這個(gè)優(yōu)化方法考慮到硅片在超過(guò)傳統商業(yè)級標準器件的溫度范圍時(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用。較高的工作節溫可為應用提供較大的余量。但是，正如前面介紹的，較高的溫度會(huì )顯著(zhù)提高功耗（參考圖2）。高節溫適合用于允許短時(shí)間動(dòng)態(tài)功耗迅速爆發(fā)的應用。用戶(hù)需注意這種爆發(fā)需滿(mǎn)足系統散熱設計的要求。
Teledyne e2v可提供擴展溫度的器件
Teledyne e2v擁有專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)品知識和測試經(jīng)驗，結合不同的產(chǎn)品質(zhì)量標準，可與客戶(hù)深入討論擴展溫度范圍對器件工作壽命的影響。Teledyne e2v已經(jīng)可以提供高達125℃的NXP處理器——超過(guò)了商業(yè)器件105℃的限制。
成果: 擴展的溫度范圍
經(jīng)過(guò)可行性評估，Teledyne e2v可提供較高工作節溫的定制IC的產(chǎn)品規格。制定產(chǎn)品規格時(shí)需仔細考慮如下的四個(gè)問(wèn)題：
擴展節溫工作的四個(gè)問(wèn)題：
為了提高工作節溫，需評估以下四個(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的測試表明可能需要降低最高時(shí)鐘頻率以滿(mǎn)足手冊上指標（參考圖5）。因此，如果需器件在擴展溫度范圍正常工作，可能需降低某些規格參數。
•可靠性：隨著(zhù)溫度升高，硅器件的可靠性以非線(xiàn)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105℃范圍內的典型FIT(失效率）。將曲線(xiàn)延伸到150℃，器件的可靠性與105℃時(shí)相比降低了10倍。目標應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(zhù)溫度上升迅速增加，這意味著(zhù)在擴展溫度范圍工作需承受更高的功耗。
•需驗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展特定應用的器件的高溫限制、調整電氣參數或更換封裝材料。Teledyne e2v提供的定制服務(wù)依賴(lài)于客戶(hù)對其任務(wù)的理解和工作壽命的分析，包括擴展溫度條件會(huì )持續多 久，高溫條件是瞬時(shí)還是穩定的狀態(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
三種調整處理器功耗的方法
本文討論了Teledyne e2v如何基于和NXP的長(cháng)期戰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（例如T系列處理器T1042）或ARM架構（例如Layerscape LS1046）。這里列出了三種為惡劣環(huán)境的應用優(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
•增強散熱能力的定制化封裝
•提高允許的最高節溫(Tj)以支持大動(dòng)態(tài)功耗需求
Teledyne e2v擁有獨立的測試、質(zhì)量管理體系和專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)品工程師，結合和NXP長(cháng)期的合作關(guān)系，可為特定復雜應用的客戶(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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