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(jì)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(shí)，GPU將在微秒時(shí)間內(nèi)急劇上升到數(shù)百瓦功耗，這對(duì)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(shí)，內(nèi)部開(kāi)關(guān)MOS管的Vgs越高，MOS管導(dǎo)通電阻越小，因而傳輸時(shí)間常數(shù)減少，工作頻率提高；當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，MOS管將無(wú)法形成正常導(dǎo)電溝道，引起邏輯錯(cuò)誤。因次，一個(gè)電壓相對(duì)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(dòng)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(dòng)態(tài)性能模式切換（DPM）便是其中技術(shù)之一。通常DPM時(shí)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(shí)，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(gè)模式，而引起系統(tǒng)故障。


● PDS性能限制

開(kāi)關(guān)電源本身性能的限制。開(kāi)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(kāi)關(guān)電源周期性地打開(kāi)和關(guān)閉MOS管，會(huì)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(lái)源于PCB材料、層疊、印制線、過(guò)孔、屏蔽以及GPU封裝以及內(nèi)部硅電路設(shè)計(jì)。所有這些分布參數(shù)，會(huì)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(duì)GPU負(fù)載而言，交流高頻信號(hào)來(lái)源于負(fù)載的動(dòng)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(hào)。對(duì)大電流（如200A以上）的GPU來(lái)說(shuō)，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(guò)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(kāi)電壓跌落造成的沖擊，GPU須及時(shí)向下切換動(dòng)態(tài)模式，降低時(shí)鐘頻率，降低工作電壓。峰值電流控制技術(shù)正是基于這個(gè)目的所設(shè)計(jì)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(guò)及時(shí)檢測(cè)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)。

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GPU工作電流感應(yīng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，為了對(duì)GPU瞬間大電流變化做出及時(shí)反應(yīng)，電流檢測(cè)由硬件電路完成。當(dāng)GPU動(dòng)態(tài)電流超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，硬件電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)邏輯信號(hào)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(lái)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(diǎn)和負(fù)載端B點(diǎn)作為電流放大器的輸入。當(dāng)A、B點(diǎn)壓降過(guò)大時(shí)，GPU消耗的電流過(guò)大，電壓比較器輸出一個(gè)高電平通知軟件及時(shí)調(diào)整GPU動(dòng)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)。


測(cè)試結(jié)果

該方案已經(jīng)應(yīng)用到某型號(hào)GPU產(chǎn)品上，經(jīng)過(guò)調(diào)試及性能測(cè)試，取得了滿意的效果。圖4是GPU芯片電流瞬間變化時(shí)用示波器所測(cè)試得到的波形圖。

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(shí)際A、B點(diǎn)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(guò)閾值時(shí)，遲滯比較器被觸發(fā)，產(chǎn)生高電平中斷信號(hào)。軟件開(kāi)始切換動(dòng)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(shí)，比較器輸出低電平，系統(tǒng)回歸正常并繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

結(jié)語(yǔ)

由上分析及測(cè)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(jì)算、圖形處理芯片設(shè)計(jì)等領(lǐng)域投入實(shí)際應(yīng)用。

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