ВВЕДЕНИЕ. ПРИМЕРЫ ИЗ ПРАКТИКИ

Как известно, технология усовершенствования интегральных микросхем долгое время являлась движущей силой инноваций. Каждые два года современные достижения обеспечивали рост быстродействия, снижение рассеиваемой мощности, снижение стоимости и увеличение плотности. Удавалось даже следовать закону Мура. К сожалению, это время подходит к концу. От технологических достижений больше не приходится ожидать ни существенного прироста быстродействия, ни снижения рассеиваемой мощности. Действительно, рост тактовой частоты пошел ниже ожидаемой кривой более 10 лет назад. В то же время, рассеиваемая мощность начала отклоняться вниз от своей траектории около пяти лет назад.

Следовательно, необходимо искать новые пути для удовлетворения растущих потребностей в повышении быстродействия и достижения этого быстродействия при более низком уровне потребления. Один из способов состоит в понимании того, каким образом быстродействие и рассеиваемая мощность зависят от контролируемых нами параметров. Кроме того, важно понимать, как производители интегральных микросхем используют расширенный диапазон рабочих параметров для того, чтобы гарантировать рабочие характеристики своих изделий. Поняв эти условия, можно обнаружить дополнительные резервы рабочих характеристик.

Прежде чем вдаваться в подробности, приведем несколько примеров того, как клиенты компании Texas Instruments (TI) использовали резервы рабочих характеристик. Много лет назад один клиент запросил письменное подтверждение, гарантирующее, что конкретный компонент функционирует при температуре 200°C. Наш первоначальный ответ состоял в том, что наши компоненты не работают при температуре 200°C. Клиент ответил: «Работают. Мы применяем их при температуре 200°C, но наше руководство хочет подтверждения работоспособности в данных условиях от компании TI.» Мы дали понять, что не можем гарантировать работоспособность наших компонентов за пределами требований документации, и у нас есть данные, подтверждающие это. Поразительно, но наши компоненты до сих пор работают в этом приборе при указанной температуре. Клиент испытал эти компоненты и был удовлетворен их работоспособностью в своем приборе при 200°C.

Другой клиент приобретал бескорпусные кристаллы. Мы поставляли компоненты целиком на пластине, которую сопровождали картой пластины, указывающей, где находится годный кристалл, а где бракованный. Однажды клиент спросил, для чего мы присылаем карту пластины. Мы объяснили, что это дает понять, где находятся годные кристаллы. Мы были поражены их ответом: «Я не понимаю. Все устройства годны. Так для чего же нам карта?» В их аппаратуре были работоспособны все кристаллы на пластине.

Один из наших клиентов, разрабатывая свое изделие, осознал необходимость работы компонента на 20% быстрее, чем допускается документацией. Проведя испытания большого количества компонентов в своей аппаратуре, он определил, что можно поднять рабочую частоту на 20%. В результате они поставляют свое изделие с компонентом с тактовой частотой на 20% больше, чем указано в документации.

Это всего лишь три примера того, как разработчики аппаратуры использовали компоненты в режимах, превышающих требования документации. Для понимания того, как разработчики смогли «обойти» документацию, сначала рассмотрим общее представление о зависимости параметров от изменения условий рабочей среды. Затем применим эти понятия к быстродействию и рассеиваемой мощности. В заключение сведем все это воедино и объясним, как можно использовать эти понятия при проектировании аппаратуры. 

ОБЗОР ОБЩИХ ПОНЯТИЙ

Быстродействие и рассеиваемая мощность компонента зависит от множества условий. Зависимости, на которых мы сосредоточимся - технологический разброс, температура среды и напряжение питания. Общая зависимость быстродействия и рассеиваемой мощности от технологического процесса, температуры среды и напряжения питания приведена в табл. 1. Ниже рассмотрим эти зависимости подробнее.

Таблица 1. Обзор основных зависимостей

Приводя данные зависимости, производители микросхем испытывают каждый компонент, чтобы гарантировать его полное соответствие документации. Это не так просто, как звучит. При испытаниях производители должны учесть следующие факторы:

• Разброс калибровки испытательного оборудования как у поставщика, так и у производителя.
• Непостоянность условий испытаний ввиду различия испытательного оборудования, операторов и т.д.
• Дрейф параметров изделия при начальной стабилизации параметров.
• Другие дополнительные отклонения.

Производители компенсируют эти изменения, испытывая приборы в диапазонах, отличающихся от рабочего диапазона, указанного в документации. Эти диапазоны известны как запасы работоспособности. Например, если прибор предназначен для функционирования при напряжении питания от 1,1 до 1,2 В, то производитель должен испытывать прибор при напряжении питания 1,05 и 1,25 В. Аналогично, если прибор предназначен для функционирования в диапазоне частот от 10 до 100 МГц, то производитель должен испытывать прибор при 9,5 и 105 МГц. Если прибор предназначен для работы в диапазоне температур от 0°C до 70°C, то он должен быть испытан при -5°C и 75°C.

Удивительно, но эти испытания обычно не влияют на объем выхода годных компонентов. Если интересно как такое возможно, ответим, что нами рассмотрена только часть характеристик, обладающих запасами работоспособности. Другими характеристиками, имеющими запасы работоспособности, являются:

• Параметры технологического процесса
• Параметры применения в аппаратуре

По большому счету это означает, что значительный объем параметров функционирования компонентов не входит в документацию. Это также означает, что рассеиваемая мощность компонента, примененного в конкретном устройстве, скорее всего, будет значительно меньше максимального значения, приведенного в документации. Принимая это во внимание, рассмотрим некоторые детали. После рассмотрения деталей поговорим о том, что это значит для разработчика аппаратуры. 

БЫСТРОДЕЙСТВИЕ

Существует множество технологических процессов изготовления ИС. Используемые сейчас технологические нормы составляют 180 нм, 130 нм и 90 нм. Быстродействие микросхемы зависит от параметров соответствующего технологического процесса. Когда производители разрабатывают микросхему, они ориентируются на номинальные параметры технологического процесса. Однако в результате технологического разброса получаются компоненты, которые иногда слабее («холоднее») или сильнее («горячее»), чем номинальные. Горячие компоненты обладают повышенным быстродействием, по сравнению с холодными или номинальными компонентами, и наоборот. Типичные соотношения приведены на рис. 1.
 

Рис. 1. Зависимость параметров от технологического разброса и температуры

Производительность, указанная в документации, учитывает худший случай технологического разброса. Иными словами, максимальная рабочая частота, приведенная в документации, определена слабейшим, холодным компонентом. Как показано на рисунке 2, эти слабые приборы составляют только часть поставляемых компонентов. Поэтому максимальное быстродействие большинства компонентов превышает параметры, указанные в документации.

По аналогии с производительностью в документации приведен диапазон рабочих температур, например от -40°C до 105°C. Указанное в документации быстродействие является наихудшим во всем температурном диапазоне. На рисунке 1 показано, как рабочая частота прибора растет с уменьшением температуры. Конкретный прибор может иметь значительно большее быстродействие, если будет работать при температуре ниже максимальной, заявленной в документации, например, при 75°C вместо 105°C.

Подобные соотношения имеют место и в случае с напряжением питания. Компонент обеспечивает большее быстродействие при увеличении напряжения питания. На рисунке 2 минимальное напряжение Va определяет быстродействие, приведенное в документации. При более высоких напряжениях питания (Vb, Vc, Vd соответственно), быстродействие возрастает.
 

Рис. 2. Зависимость быстродействия от напряжения питания

Все эти зависимости лежат в основе характеристик, приведенных в окончательной документации, поставляемой потребителю. Для того чтобы обеспечить некоторый минимально-необходимый запас, каждый параметр имеет расширенный диапазон значений рабочих параметров. Это также обеспечивает соответствие документации любому напряжению питания, частоте, температуре и условиям технологического процесса при определенном значении времени наработки. Если компонент не соответствует требуемым рабочим характеристикам, определяемым документацией с учетом расширенного диапазона рабочих параметров, он бракуется.

В партии компонентов, соответствующих документации, параметры большинства компонентов скорее всего будут превышать предельные значения рабочих характеристик, указанных в документации. 

РАССЕИВАЕМАЯ МОЩНОСТЬ

Рассеиваемая мощность сильно зависит от температуры среды, параметров технологического процесса, частоты, режима работы и напряжения питания. Мощность можно разделить на постоянную и динамическую составляющие. Обе составляющих зависят от частоты и напряжения питания. Постоянная мощность в основном определяется токами утечки, и токи утечки являются значимым фактором в общей рассеиваемой мощности. Ток утечки легко может составить более 50% от рассеиваемой мощности в некоторых устройствах при высокой температуре среды. На рисунке 3 показано, как мощность рассеивания компонента экспоненциально возрастает в зависимости от температуры среды и напряжения питания, где Va меньше Vb, и Vb меньше Vc. Важно иметь в виду, что ток утечки напрямую связан с «силой» технологического процесса конкретного компонента. «Горячий» компонент обладает повышенным током утечки, а «холодный» компонент - пониженным.
 

Рис. 3. Зависимость мощности рассеивания от температуры среды и напряжения питания (Vc>Vb>Va) в заданной точке

Рассеиваемую мощность, определяемую током утечки, можно контролировать ограничением рабочей температуры среды. Небольшое снижение температуры может привести к значительному сокращению потребления для конкретной аппаратуры. Кроме того, небольшое снижение напряжения питания также может оказать воздействие на мощность, рассеиваемую компонентом.

Существует множество способов измерения мощности. Она может быть измерена при номинальной или высокой температуре среды, номинальном или высоком напряжении питания и так далее. Самый консервативный способ приведения значения мощности в документации основан на использовании значения самого крайнего «горячего» технологического процесса при наихудшей температуре среды и наихудшем напряжении питания. Это обеспечивает запасы работоспособности при технологическом разбросе. Другими словами, ток утечки не должен превысить требования документации, так как измерение было проведено на горячем пределе технологического процесса. На рисунке 1 показано, что только часть приборов достигает верхнего предела мощности рассеивания, вызванной током утечки. Это значит, что подавляющее большинство поставляемых компонентов рассеивает меньшую мощность, вызванную током утечки, чем отражено в документации. 

ПРИМЕНЕНИЕ НА ПРАКТИКЕ

Итак, что же все это означает для инженера, разрабатывающего аппаратуру?

• Для приложений, критичных к быстродействию, можно получить дополнительное быстродействие понижением рабочей температуры, или повышением напряжения питания, или и тем и другим.
• Для приложений, критичных к потреблению, можно снизить мощность понижением рабочей температуры, понижением напряжения питания или и тем и другим.
• Для приложений, требующих одновременно пониженной мощности рассеивания и повышенного быстродействия, можно оптимизировать аппаратуру по мощности и быстродействию одновременно.
• Большинство приборов обладают более высоким быстродействием и более низкой рассеиваемой мощностью, чем указано в документации.

Прежде чем вы решитесь нарушить все ограничения для характеристик, указанных в документации с целью получения повышенного быстродействия или увеличенного срока службы батареи, необходимо принять во внимание несколько предостережений:

• Поставщик не может (и не будет) гарантировать работоспособность компонентов, если они используются в режимах, превышающих требования документации.
• Условия применения прибора могут повлиять на его надежность.
• Следующая партия приобретаемых компонентов может оказаться изготовленной на пределе допускаемого технологического разброса.
• Вам понадобится провести испытания изделия и испытания на надежность для подтверждения самому себе, что ваша аппаратура удовлетворяет ожиданиям потребителей.

Имея представления об особенностях применения компонентов в режимах, превышающих требования документации, вы сможете создавать необходимую продукцию, даже если в документации говорится, что это невозможно.

Оригинал статьи: http://www.dspdesignline.com/showArticle.jhtml?articleID=188100764. 

По вопросам получения технической информации обращайтесь в компанию КОМПЭЛ.
Е-mail: theory.vesti@compel.ru.

МНЕНИЕ

Сергей Кривандин, к.т.н.

В настоящей заметке терминами «производитель», «производитель компонента» называется производитель интегральных схем (ИС). Производитель электронной техники называется «заказчиком»

В приведенном переводе статьи «Push performance and power beyond the data sheet» сайта www.dspdesignline.com затрагиваются в основном цифровые сигнальные процессоры. Обсуждение в указанной статье, связанное с расширением температурного диапазона, относится к процессорам с вентиляторами. Его с оговорками можно распространить на ИС, установленные на платы или кассеты с внешним обдувом, а также на оборудование, установленное в принудительно вентилируемых шкафах, т.е. на изделия, внешней температурой которых можно хоть как-то управлять.

Отметим, что разные производители различают «предельнo допустимые режимы» и «предельные режимы», указывают их в фирменном описании и специально оговаривают условия применения ИС в этих и пограничных режимах. Например, «при воздействии предельных режимов работоспособность ИС не гарантируется. После снятия предельных режимов гарантируется работоспособность в предельно допустимом режиме».

Перейдем к теме статьи. Любая аппаратура, приборы, техпроцессы, как известно, проектируются с запасом. В фирменном описании производитель компонента указывает значения параметров, которые производитель безусловно гарантирует по итогам своих испытаний. Использование ИС за пределами параметров, указанных в технической документации, производитель электронной техники производит на свой страх и риск. Он несет полную и всеобъемлющую ответственность за последствия такого применения, как для аппаратуры, так и для людей, работающих с этой аппаратурой.

Использование ИС за пределами параметров, указанных в технической документации, возможно только после тщательных и всесторонних испытаний на этапе проектирования, которые проводит производитель электронной техники. Если принято решение о применении ИС по результатам этих испытаний, возникает необходимость в дополнительном входном контроле приобретаемых ИС, специально под решаемую задачу.

Применять ИС за пределами параметров, указанных в фирменном описании, следует с большой осторожностью, и совсем не рекомендуется такое применение в аппаратуре, которая может повлиять на жизнь и самочувствие людей (медицина, транспорт, энергетика).

Самое надежное для производителя электронной техники - все же не выходить за пределы, указанные в описании, и тем самым не зависеть от разбросов параметров ИС от партии к партии, от изменения параметров окружающей среды, не нести затраты на дополнительные испытания и входной контроль. Тем более что современное разнообразие ИС во многих случаях позволяет решить задачу, применив нужную ИС, не выходя за пределы параметров.