隨著新型處理器的執(zhí)行效率飛速提高，其對(duì)計(jì)算能力的追求有時(shí)超過(guò)了冷卻系統(tǒng)的能力。而且，機(jī)械和散熱設(shè)計(jì)通常是最后完成的研發(fā)步驟。因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可能在最后階段才發(fā)現(xiàn)超過(guò)了散熱系統(tǒng)的限制。設(shè)計(jì)師通常需優(yōu)化系統(tǒng)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(dǎo)者，多年來(lái)一直致力于提高超越標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)的定制處理器的核心競(jìng)爭(zhēng)力，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠增加系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)師提供的定制方案，以調(diào)整高可靠性處理器系統(tǒng)的功耗。

在大多數(shù)情況下，選擇一種或多種定制的方案可大大提高設(shè)計(jì)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(jù)客戶的應(yīng)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(shù)情況下也可以保護(hù)電路和裸片。

3. 提高最大節(jié)溫（TJ）。這需要額外測(cè)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(cè)試，因?yàn)樯叩臏囟葧?huì)影響器件的失效率。

Teledyne e2v 的高可靠性微處理器在國(guó)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(xiàn)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(yīng)商對(duì)高可靠性產(chǎn)品的供應(yīng)鏈有深遠(yuǎn)的影響。許多應(yīng)用對(duì)這些產(chǎn)品并沒(méi)有很嚴(yán)格的可靠性要求。

同時(shí)，SWaP（尺寸，重量和功耗）對(duì)于航空、國(guó)防甚至宇航等嚴(yán)苛環(huán)境的應(yīng)用非常重要。本文將重點(diǎn)介紹如何選擇用于這些應(yīng)用的處理器。畢竟，處理器是系統(tǒng)中的重要器件，會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)中大部分的功耗（SWaP 中的 P）。另外，散熱系統(tǒng)需要使用散熱器，影響系統(tǒng)的尺寸和重量（SWaP 中的 S 和 W）。

處理器功耗的背景知識(shí)

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(shù)是一件復(fù)雜的工作，尤其對(duì)于準(zhǔn)備解決系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)問(wèn)題的設(shè)計(jì)師。

表 1 是從四核 ARM Cortex A72 64 位 Layerscape 處理器

LS1046 的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(jié)溫（標(biāo)稱值 65， 85 和 105℃）時(shí)的功耗。另外，圖中還標(biāo)出了三種不同的功耗模式：典型、散熱和最大?？梢钥闯觯诓煌墓ぷ鳝h(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(shè)計(jì)指標(biāo)。

通常情況下，廠商制定的器件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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)客戶的應(yīng)用必須用到最高的節(jié)溫，看了表 1 他可能會(huì)得出這款處理器雖然功能強(qiáng)大但功耗太大的結(jié)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。

三種解決方法

方法 1： 優(yōu)化功耗

這包括評(píng)估一系列目標(biāo)器件，并對(duì)它們做相關(guān)測(cè)試，分析功耗的分布。最終的目的是為某一個(gè)特定的應(yīng)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(yīng)用中工作。對(duì)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(xì)的分析結(jié)果。在某個(gè)特定的項(xiàng)目中，Teledyne e2v 通過(guò)結(jié)合客戶應(yīng)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%。

T1042 處理器最壞情況下的功耗 vs. 客戶目標(biāo)應(yīng)用中的功耗

這樣，起初由于功耗太大而被認(rèn)為不適合這個(gè)任務(wù)的器件，現(xiàn)在可以被用戶充滿信心地設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中。這并不是一件容易實(shí)現(xiàn)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(nèi)部外設(shè)所需的功耗，與器件性能和運(yùn)行的代碼無(wú)關(guān)。

動(dòng)態(tài)功耗——計(jì)算能力所需的功耗。對(duì)于多核處理器，對(duì)于不同的瞬時(shí)計(jì)算負(fù)載，這個(gè)功耗可能有很大差異。

Teledyne e2v 對(duì)功耗的獨(dú)特見(jiàn)解

經(jīng)過(guò)和 NXP（之前是 Freescale）幾十年的合作，Teledynee2v 建立了高性能處理器的專業(yè)知識(shí)體系，并可獲得和原始制造商相同的工具、產(chǎn)品測(cè)試向量和測(cè)試程序。這使得 Teledyne e2v 可通過(guò)篩選和測(cè)試的方式提供定制的功耗優(yōu)化方案。

Teledyne e2v 對(duì)處理器參數(shù)測(cè)試表明當(dāng)代處理器有以下幾點(diǎn)常見(jiàn)特性：

不同的器件的靜態(tài)功耗差異顯著。

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。

動(dòng)態(tài)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(duì)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(duì)于一款真實(shí)的處理器節(jié)溫和靜態(tài)功耗的典型關(guān)系曲線。隨著節(jié)溫（Tj）的升高，功耗非線性增加。在這個(gè)例子里，隨著溫度從 45℃上升到 125℃（標(biāo)稱最大值），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(qiáng)的散熱系統(tǒng)降低節(jié)溫。

靜態(tài)功耗和節(jié)溫的典型關(guān)系

這個(gè)曲線也表明，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(jié)溫，而使用散熱器，則會(huì)增加設(shè)備的尺寸和重量。

因此，雖然 SWaP 是一個(gè)核心的設(shè)計(jì)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(tǒng)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(cè)試向量、等效測(cè)試工具和測(cè)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(duì)特定的用戶應(yīng)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(guī)格書(shū)表明在最壞情況下器件的功耗高達(dá) 8.3W（1.2GHz 時(shí)鐘，Tj 是 125℃）。但是，用戶可以降低功耗至 4.5W。如果不是因?yàn)楣牡慕档停蛻艨赡軓囊婚_(kāi)始就不會(huì)選用 T1042。

基于加強(qiáng)的器件測(cè)試和對(duì)用戶實(shí)際應(yīng)用的分析，Teledyne e2v 保證特定器件的功耗大約是原始器件預(yù)期功耗的一半。

這可幫助降低功耗并簡(jiǎn)化項(xiàng)目的散熱設(shè)計(jì)。

方法 2： 定制封裝

包括修改或重新設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)器件的封裝，以減小節(jié)到板子的熱阻，或節(jié)到封裝頂部的熱阻：

可降低節(jié)溫，從而降低功耗（假設(shè)使用相同的散熱器）。在另一方面，也可以減少冷卻系統(tǒng)的尺寸和重量，因?yàn)闊嶙瑁≧th）越小，所需散熱器越大。

可加強(qiáng)器件的震動(dòng)防護(hù)，并簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)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(shù)處理器都有封裝蓋，用于散熱和保護(hù)器件裸片。取決于不同的應(yīng)用，有些設(shè)計(jì)師可能會(huì)選擇有封裝蓋的設(shè)計(jì)，從而更容易地集成散熱器；而另一些設(shè)計(jì)師則選擇無(wú)封裝蓋的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗麄儫o(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)顯著降低節(jié)到板子的熱阻，對(duì)于主要依靠印制電路板（PCB）散熱的應(yīng)用非常有利。

?LS1046 有蓋設(shè)計(jì)（上）和 T1040 無(wú)蓋設(shè)計(jì)（下）

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(duì)此，通常設(shè)計(jì)師無(wú)法選擇，因?yàn)檫@是商用貨架產(chǎn)品（COTS）。而 Teledyne e2v 可根據(jù)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

Teledyne e2v 擁有重封裝半導(dǎo)體器件的專業(yè)知識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。這不僅僅包括特定封裝的開(kāi)發(fā)，例如專門(mén)為 Teledyne e2v 的 EV12AQ600 模數(shù)轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)的封裝，此外，Teledyne e2v 還可幫助客戶對(duì)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(yīng)用中出現(xiàn)錫須）。

成果： 定制的封裝

最近 Teledyne e2v 做了一項(xiàng)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(jī)械尺寸如圖 4。Teledyne e2v 也估算了散熱指標(biāo)的變化。由于增加了封裝蓋，節(jié)到板的熱阻大約是 4.66℃/W 的一半，比標(biāo)準(zhǔn)封裝下降了 9℃/W。而節(jié)到頂部的熱阻卻從少于 0.1℃/W 增加到 0.85℃/W。

T1040 可選的封裝蓋

關(guān)于改進(jìn)封裝的進(jìn)一步思考

理想的散熱設(shè)計(jì)是不使用散熱器，所有的熱量都通過(guò) PCB 傳導(dǎo)。雖然這聽(tīng)起來(lái)有些不現(xiàn)實(shí)，但在某些應(yīng)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(jié)到 PCB 板的熱阻，可使相當(dāng)部分的熱量通過(guò) PCB 傳導(dǎo)，減小散熱器的設(shè)計(jì)壓力，并減少使用相同散熱器的設(shè)計(jì)的功耗（通過(guò)降低節(jié)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?cè)诔叽缟项愃?，在熱性能方面卻有顯著的區(qū)別。由于 PC8548 使用了陶瓷基板，節(jié)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(jié)到板的熱阻，相似的方法也可被用于降低節(jié)到封裝頂部的熱阻。

方法 3： 擴(kuò)展的節(jié)溫（即大于 125℃）

這個(gè)優(yōu)化方法考慮到硅片在超過(guò)傳統(tǒng)商業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。較高的工作節(jié)溫可為應(yīng)用提供較大的余量。但是，正如前面介紹的，較高的溫度會(huì)顯著提高功耗。高節(jié)溫適合用于允許短時(shí)間動(dòng)態(tài)功耗迅速爆發(fā)的應(yīng)用。用戶需注意這種爆發(fā)需滿足系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)的要求。

Teledyne e2v 可提供擴(kuò)展溫度的器件

Teledyne e2v 擁有專業(yè)的產(chǎn)品知識(shí)和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合不同的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可與客戶深入討論擴(kuò)展溫度范圍對(duì)器件工作壽命的影響。Teledyne e2v 已經(jīng)可以提供高達(dá) 125℃的 NXP 處理器——超過(guò)了商業(yè)器件 105℃的限制。

成果： 擴(kuò)展的溫度范圍

經(jīng)過(guò)可行性評(píng)估，Teledyne e2v 可提供較高工作節(jié)溫的定制 IC 的產(chǎn)品規(guī)格。制定產(chǎn)品規(guī)格時(shí)需仔細(xì)考慮如下的四個(gè)問(wèn)題：

擴(kuò)展節(jié)溫工作的四個(gè)問(wèn)題：

為了提高工作節(jié)溫，需評(píng)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)法滿足某些電特性需求。Teledyne e2v 的測(cè)試表明可能需要降低最高時(shí)鐘頻率以滿足手冊(cè)上指標(biāo)。因此，如果需器件在擴(kuò)展溫度范圍正常工作，可能需降低某些規(guī)格參數(shù)。

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。表示 NXP 處理器在高達(dá) 105℃范圍內(nèi)的典型 FIT（失效率）。將曲線延伸到 150℃，器件的可靠性與 105℃時(shí)相比降低了 10 倍。目標(biāo)應(yīng)用必須能允許上述可靠性的下降。

功耗：功耗隨著溫度上升迅速增加，這意味著在擴(kuò)展溫度范圍工作需承受更高的功耗。

需驗(yàn)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。

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(kuò)展特定應(yīng)用的器件的高溫限制、調(diào)整電氣參數(shù)或更換封裝材料。

Teledyne e2v 提供的定制服務(wù)依賴于客戶對(duì)其任務(wù)的理解和工作壽命的分析，包括擴(kuò)展溫度條件會(huì)持續(xù)多久，高溫條件是瞬時(shí)還是穩(wěn)定的狀態(tài)等。無(wú)論是哪個(gè)方面，Teledyne e2v 都可以提供專業(yè)的建議。

?溫度延展到 150℃時(shí)的典型失效率

三種調(diào)整處理器功耗的方法

本文討論了 Teledyne e2v 如何基于和 NXP 的長(zhǎng)期戰(zhàn)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(gòu)（例如 T 系列處理器 T1042）或 ARM 架構(gòu)（例如 Layerscape LS1046）。這里列出了三種為惡劣環(huán)境的應(yīng)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(qiáng)散熱能力的定制化封裝

提高允許的最高節(jié)溫（Tj）以支持大動(dòng)態(tài)功耗需求

Teledyne e2v 擁有獨(dú)立的測(cè)試、質(zhì)量管理體系和專業(yè)的產(chǎn)品工程師，結(jié)合和 NXP 長(zhǎng)期的合作關(guān)系，可為特定復(fù)雜應(yīng)用的客戶提供專業(yè)、高可靠性的處理器功率優(yōu)化方案。
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