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峰值电流控制在高端显卡设计中的应用

王海波?? 耿相铭?? 上海交通大学 电子世界?? 2015年07月07日 ?? 收藏0
1.引言

超大规模高性能并行图像处理器常常集成了数十亿计的晶体管,工作频率达GHz以上。这样当处理复杂图像应用程序时,GPU将在微秒时间内急剧上升到数百瓦功耗,这对电源分布系统(PDS)将产生巨大的冲击,导致GPU芯片电压不足,从而出现系统功能异常。

2.系统异常的原因分析

● GPU中CMOS工艺的要求:

为了降低功耗,GPU芯片工作电压较低,并允许在宽的范围工作,如0.7V-1.2V。电压越高时,内部开关MOS管的Vgs越高,MOS管导通电阻越小,因而传输时间常数减少,工作频率提高;当电压过低时,MOS管将无法形成正常导电沟道,引起逻辑错误。因次,一个电压相对稳定的电源供应系统(PDS)是系统正常工作的前提。

● GPU动态工作模式的需求:

高性能GPU采用了很多先进功率控制技术,使得最大功耗达到几百瓦,而待机功耗约几瓦,动态性能模式切换(DPM)便是其中技术之一。通常DPM时钟频率设置在100MHz-1000MHz范围,电压在0.7V-1.2V之间。如图1所示,GPU可在不同DPM状态切换,当GPU处理负载加重时,将快速转换到高性能模式,如HCLK1-HCLK4,电压V3,而如果电压不足,内部电路将不能维持这个模式,而引起系统故障。

图1 GPU动态工作模式
图1 GPU动态工作模式

● PDS性能限制

开关电源本身性能的限制。开关电源供电能力强,体积小,成本便宜,带有OCP、OVP保护功能。但是开关电源周期性地打开和关闭MOS管,会产生很大的电源纹波和噪声。

电源分布网络参数限制。它是指从电源至负载的所有电气分布参数的总和,即线路的R、L、C、G的整体效应,来源于PCB材料、层叠、印制线、过孔、屏蔽以及GPU封装以及内部硅电路设计。所有这些分布参数,会在电路中产生分压、分流以及反射、衰减损耗等多种影响。

对GPU负载而言,交流高频信号来源于负载的动态切换引起的电流瞬态变化,加之电源分布网络中的阻抗不连续,而在LC分布网络中产生高频噪声信号。对大电流(如200A以上)的GPU来说,电压跌落达数百毫伏,超出DPM设置范围。

3.峰值电流控制技术

GPU瞬态电流变化过大,必然造成供电网络损耗增大,GPU可获得电压降低。为了避开电压跌落造成的冲击,GPU须及时向下切换动态模式,降低时钟频率,降低工作电压。峰值电流控制技术正是基于这个目的所设计的,它还需要软件一起协作。图2所示是峰值电流控制技术软件流程图。系统通过及时检测工作电流变化,可快速调整工作状态,减少芯片功耗,避免系统死机。

图2 峰值电流控制技术软件流程图
图2 峰值电流控制技术软件流程图

下一页:GPU工作电流感应的硬件电路实现


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