【導讀】本文解析峰值電流控制在高端顯卡設計的應用方案，首先分析了系統(tǒng)異常狀況的原因，詳細介紹了峰值電流控制技術，并且在設計過程中實現(xiàn)了GPU工作電流感應的硬件電路。
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GHz以上。這樣當處理復雜圖像應用程序時，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MOS管的Vgs越高，MOS管導通電阻越小，因而傳輸時間常數(shù)減少，工作頻率提高；當電壓過低時，MOS管將無法形成正常導電溝道，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采用了很多先進功率控制技術，使得最大功耗達到幾百瓦，而待機功耗約幾瓦，動態(tài)性能模式切換（DPM）便是其中技術之一。通常DPM時鐘頻率設置在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GPU處理負載加重時，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
開關電源本身性能的限制。開關電源供電能力強，體積小，成本便宜，帶有OCP、OVP保護功能。但是開關電源周期性地打開和關閉MOS管，會產(chǎn)生很大的電源紋波和噪聲。
電源分布網(wǎng)絡參數(shù)限制。它是指從電源至負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，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負載而言，交流高頻信號來源于負載的動態(tài)切換引起的電流瞬態(tài)變化，加之電源分布網(wǎng)絡中的阻抗不連續(xù)，而在LC分布網(wǎng)絡中產(chǎn)生高頻噪聲信號。對大電流（如200A以上）的GPU來說，電壓跌落達數(shù)百毫伏，超出DPM設置范圍。
峰值電流控制技術
GPU瞬態(tài)電流變化過大，必然造成供電網(wǎng)絡損耗增大，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。峰值電流控制技術正是基于這個目的所設計的，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。
圖2 峰值電流控制技術軟件流程圖
[page] GPU工作電流感應的硬件電路實現(xiàn)
如圖3所示，為了對GPU瞬間大電流變化做出及時反應，電流檢測由硬件電路完成。當GPU動態(tài)電流超過預定閾值時，硬件電路會產(chǎn)生一個邏輯信號通知軟件單元。本技術巧妙地利用電源網(wǎng)絡分布電阻來感應在線路中損耗而產(chǎn)生的電壓降。我們?nèi)‰娫摧敵龆薃點和負載端B點作為電流放大器的輸入。當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。
圖3 GPU電流感應的硬件實現(xiàn)框圖
測試結(jié)果
該方案已經(jīng)應用到某型號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 峰值電流控制技術波形圖
圖4所示中，通道1為預設電流閾值（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，設置GPU電壓VLOAD降低約100mV。當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，峰值電流控制技術是一種能夠合理分配GPU負載，避免系統(tǒng)意外死機的很好的控制機制，可顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，可在高性能計算、圖形處理芯片設計等領域投入實際應用。
相關閱讀：
峰值電流控制的非隔離負電壓DC/DC開關電源設計
直擊boost升壓電路負載能力及峰值【原創(chuàng)】
探究：反激變壓器峰值感量方式的三種計算分析
