峰值电流控制在高端显卡设计中的应用

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关键字：显卡   GPU   峰值电流控制   POS  
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

● 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