【導(dǎo)讀】本文解析峰值電流控制在高端顯卡設(shè)計的應(yīng)用方案，首先分析了系統(tǒng)異常狀況的原因，詳細(xì)介紹了峰值電流控制技術(shù)，并且在設(shè)計過程中實現(xiàn)了GPU工作電流感應(yīng)的硬件電路。
超大規(guī)模高性能并行圖像處理器常常集成了數(shù)十億計的晶體管，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將在微秒時間內(nèi)急劇上升到數(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芯片電壓不足，從而出現(xiàn)系統(tǒng)功能異常。
系統(tǒng)異常的原因分析
● GPU中CMOS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)通電阻越小，因而傳輸時間常數(shù)減少，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，引起邏輯錯誤。因次，一個電壓相對穩(wěn)定的電源供應(yīng)系統(tǒng)（PDS）是系統(tǒng)正常工作的前提。
● GPU動態(tài)工作模式的需求：
高性能GPU采用了很多先進(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100MHz－1000MHz范圍，電壓在0.7V-1.2V之間。如圖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，將快速轉(zhuǎn)換到高性能模式，如HCLK1-HCLK4，電壓V3，而如果電壓不足，內(nèi)部電路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
開關(guān)電源本身性能的限制。開關(guān)電源供電能力強(qiáng)，體積小，成本便宜，帶有OCP、OVP保護(hù)功能。但是開關(guān)電源周期性地打開和關(guān)閉MOS管，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)載的所有電氣分布參數(shù)的總和，即線路的R、L、C、G的整體效應(yīng)，來源于PCB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。所有這些分布參數(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，交流高頻信號來源于負(fù)載的動態(tài)切換引起的電流瞬態(tài)變化，加之電源分布網(wǎng)絡(luò)中的阻抗不連續(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。
峰值電流控制技術(shù)
GPU瞬態(tài)電流變化過大，必然造成供電網(wǎng)絡(luò)損耗增大，GPU可獲得電壓降低。為了避開電壓跌落造成的沖擊，GPU須及時向下切換動態(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)計的，它還需要軟件一起協(xié)作。圖2所示是峰值電流控制技術(shù)軟件流程圖。系統(tǒng)通過及時檢測工作電流變化，可快速調(diào)整工作狀態(tài)，減少芯片功耗，避免系統(tǒng)死機(jī)。
圖2 峰值電流控制技術(shù)軟件流程圖
[page] GPU工作電流感應(yīng)的硬件電路實現(xiàn)
如圖3所示，為了對GPU瞬間大電流變化做出及時反應(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)生一個邏輯信號通知軟件單元。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)‰娫摧敵龆薃點和負(fù)載端B點作為電流放大器的輸入。當(dāng)A、B點壓降過大時，GPU消耗的電流過大，電壓比較器輸出一個高電平通知軟件及時調(diào)整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，避免死機(jī)。
圖3 GPU電流感應(yīng)的硬件實現(xiàn)框圖
測試結(jié)果
該方案已經(jīng)應(yīng)用到某型號GPU產(chǎn)品上，經(jīng)過調(diào)試及性能測試，取得了滿意的效果。圖4是GPU芯片電流瞬間變化時用示波器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為實際A、B點壓降，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。軟件開始切換動態(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)回歸正常并繼續(xù)監(jiān)測。結(jié)語
由上分析及測試結(jié)果可知，峰值電流控制技術(shù)是一種能夠合理分配GPU負(fù)載，避免系統(tǒng)意外死機(jī)的很好的控制機(jī)制，可顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，可在高性能計算、圖形處理芯片設(shè)計等領(lǐng)域投入實際應(yīng)用。
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