【導讀】隨著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超過了冷卻系統的能力。而且，機械和散熱設計通常是最后完成的研發步驟。因此，在設計的過程中可能在最后階段才發現超過了散熱系統的限制。設計師通常需優化系統并找到可接受的折中方案。
摘要
隨著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超過了冷卻系統的能力。而且，機械和散熱設計通常是最后完成的研發步驟。因此，在設計的過程中可能在最后階段才發現超過了散熱系統的限制。設計師通常需優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導者，多年來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值。這里將討論以下三種方案：
1.優化功耗。包括根據客戶的應用需求選擇合適的處理器，并優先選擇低功耗的器件。
2.優化封裝的熱阻。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。重點是如何量化這些測試，因為升高的溫度會影響器件的失效率。
Teledyne e2v的高可靠性微處理器在國防、宇航等高可靠性領域已服務了幾十年的時間。今天，現代處理器的發展主要依靠諸如無人駕駛等未來的新市場推動。因此，像NXP這樣的大供應商對高可靠性產品的供應鏈有深遠的影響。許多應用對這些產品并沒有很嚴格的可靠性要求。
同時，SWaP（尺寸，重量和功耗）對于航空、國防甚至宇航等嚴苛環境的應用非常重要。本文將重點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，會產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種處理器時鐘頻率
（1.6和1.8GHz）和3種節溫（標稱值65, 85和105℃） 時的功耗。另外，圖中還標出了三種不同的功耗模式： 典型、散熱和最大。可以看出，在不同的工作環境，器件的功耗可能會相差一倍。這說明散熱管理是處理器的重要設計指標。
通常情況下，廠商制定的器件標準規格會包含一些余量，以兼容不同批次的差異。例如，如果某個客戶的應用必須用到最高的節溫，看了表1他可能會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。實際上，我們后面會看到，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: 優化功耗
這包括評估一系列目標器件，并對它們做相關測試， 分析功耗的分布。最終的目的是為某一個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。在某個特定的項目中，Teledyne e2v通過結合客戶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任務的器件，現在可以被用戶充滿信心地設計到系統中。
圖1: T1042處理器最壞情況下的功耗 vs.客戶目標應用中的功耗
•不同的器件的靜態功耗差異顯著。
•在低溫環境靜態功耗可能接近0，但在125℃時可能占總功耗的40甚至更多（參見圖2）。
•動態功耗由用戶的使用情況決定。不同器件、不同溫度和不同的批次對其影響不大。
處理器功耗和環境溫度的關系
圖2表示對于一款真實的處理器節溫和靜態功耗的典型關系曲線。隨著節溫（Tj）的升高，功耗非線性增加。在這個例子里，隨著溫度從45℃上升到125℃（標稱最大值），靜態功耗增加了3倍，從4W升高到14W。因此， 降低功耗的方法之一是通過加強的散熱系統降低節溫。
這并不是一件容易實現的事情。我們需要了解處理器的功耗包含下面兩個要素：
•靜態功耗——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關。
•動態功耗——計算能力所需的功耗。對于多核處理器， 對于不同的瞬時計算負載，這個功耗可能有很大差異。
Teledyne e2v對功耗的獨特見解
經過和NXP(之前是Freescale)幾十年的合作，Teledyne e2v建立了高性能處理器的專業知識體系，并可獲得和原始制造商相同的工具、產品測試向量和測試程序。這使得Teledyne e2v可通過篩選和測試的方式提供定制的功耗優化方案。
Teledyne e2v對處理器參數測試表明當代處理器有以下幾點常見特性：
圖2: 靜態功耗和節溫的典型關系
這個曲線也表明，無法同時改善處理器SWaP的所有要素。如果想優化功耗，則必須降低節溫，而使用散熱器，則會增加設備的尺寸和重量。
因此，雖然SWaP是一個核心的設計要素，但通常需要作出下面的妥協：
•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，并研發新的處理器性能優化技術，以提供定制功耗的產品。另外，Teledyne e2v可對特定的用戶應用做深入的功耗分析，找出特別的動態功耗需求。
成果：降低功耗
圖1中可以看出T1042四核處理器的功耗情況。商業器件的規格書表明在最壞情況下器件的功耗高達8.3W(1.2GHz 時鐘，Tj是125℃）。但是，用戶可以降低功耗至4.5W。如果不是因為功耗的降低，客戶可能從一開始就不會選用T1042。
基于加強的器件測試和對用戶實際應用的分析，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。
•可加強器件的震動防護，并簡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封裝蓋的設計，因為他們無法接受封裝蓋帶來的額外的熱阻。在另一方面，封裝蓋會顯著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，通常設計師無法選擇，因為這是商用貨架產品(COTS)。而Teledyne e2v可根據用戶的需求，幫助用戶增加或移除封裝蓋。
Teledyne e2v可提供定制的封裝
關于改進封裝的進一步思考
Teledyne e2v擁有重封裝半導體器件的專業知識和豐富的經驗。這不僅僅包括特定封裝的開發，例如專門為Teledyne e2v的EV12AQ600模數轉換器開發的封 裝，此外，Teledyne e2v還可幫助客戶對封裝重新植球，改變焊接流程，以滿足一些宇航客戶的特定需求
（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。可選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PCB傳導。雖然這聽起來有些不現實，但在某些應用中確實是值得考慮的方案。考慮到多層PCB的熱阻較低， 通過改進封裝，降低節到PCB板的熱阻，可使相當部分的熱量通過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（通過降低節溫）。一個典型的例子是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似，在熱性能方面卻有顯著的區別。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 。
雖然上述的兩個例子都是關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℃)
這個優化方法考慮到硅片在超過傳統商業級標準器件的溫度范圍時正常工作的可行性。實際上，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，較高的溫度會顯著提高功耗（參考圖2）。高節溫適合用于允許短時間動態功耗迅速爆發的應用。用戶需注意這種爆發需滿足系統散熱設計的要求。
Teledyne e2v可提供擴展溫度的器件
Teledyne e2v擁有專業的產品知識和測試經驗，結合不同的產品質量標準，可與客戶深入討論擴展溫度范圍對器件工作壽命的影響。Teledyne e2v已經可以提供高達125℃的NXP處理器——超過了商業器件105℃的限制。
成果: 擴展的溫度范圍
經過可行性評估，Teledyne e2v可提供較高工作節溫的定制IC的產品規格。制定產品規格時需仔細考慮如下的四個問題：
擴展節溫工作的四個問題：
為了提高工作節溫，需評估以下四個問題：
•性能：在較高的溫度下，處理器可能無法滿足某些電特性需求。Teledyne e2v的測試表明可能需要降低最高時鐘頻率以滿足手冊上指標（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：隨著溫度升高，硅器件的可靠性以非線性的方式急速下降，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）。將曲線延伸到150℃，器件的可靠性與105℃時相比降低了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，功耗隨著溫度上升迅速增加，這意味著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。特別是塑封環氧樹脂封 裝，在大約160℃時開始惡化。可考慮使用高溫環氧樹脂重新封裝的方案。
圖 5: 高溫（>100℃）時1.8GHz時鐘頻率限制的例子
考慮以上四個問題，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提供的定制服務依賴于客戶對其任務的理解和工作壽命的分析，包括擴展溫度條件會持續多 久，高溫條件是瞬時還是穩定的狀態等。無論是哪個方面，Teledyne e2v都可以提供專業的建議。
圖 6: 溫度延展到150℃時的典型失效率
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的長期戰略合作提供定制處理器的服務。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境的應用優化功耗并定制處理器的方案：
•優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)以支持大動態功耗需求
Teledyne e2v擁有獨立的測試、質量管理體系和專業的產品工程師，結合和NXP長期的合作關系，可為特定復雜應用的客戶提供專業、高可靠性的處理器功率優化方案。
（來源：Teledyne e2v）
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