DE69533329T2 - Verwendung von auf dem halbleiterträger angeordneten temperaturfühlern und fehlersignalen des kühlventilators zum kontrollieren der verlustleistung - Google Patents

Verwendung von auf dem halbleiterträger angeordneten temperaturfühlern und fehlersignalen des kühlventilators zum kontrollieren der verlustleistung Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der thermischen Überwachung von Halbleitervorrichtungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltung und ein Verfahren zum Herabsetzen einer internen Taktfrequenz der Halbleitervorrichtung beim Empfang eines ersten Signals, welches den Ausfall eines Lüfters anzeigt und/oder beim Empfang eines zweiten Signals, welches eine thermische Überlastung anzeigt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es ist allgemein bekannt, wie in 1 dargestellt ist, daß die meisten Halbleitervorrichtungen eine integrierte Schaltung in Form eines Chips 2 aufweisen, welches in einem Hohlraum 3 eines Bausteingehäuses 4, der beispielsweise als eine gitterförmige Stiftanordnung (Pin Grid Array, PGA) gestaltet ist, untergebracht ist. Gewöhnlich ist dieses Bausteingehäuse 4 aus Keramik hergestellt und dient vielen Funktionen, zum Beispiel folgenden Funktionen, jedoch nicht auf diese beschränkt: Schutz der integrierten Schaltung gegen Beschädigung, Abführen der während des Betriebs der integrierten Schaltung erzeugten Wärme und Bereitstellen der elektrischen Kommunikationswege zwischen der Halbleitervorrichtung und anderen Halbleitervorrichtungen. Zur Bereitstellung der elektrischen Kommunikationswege mit anderen Halbleitervorrichtungen, die in einem System eingesetzt sind, wird eine Vielzahl von Drahtleitungen 5 am Chip 2 angeschlossen und entsprechend auch mit einer Vielzahl von Anschlußstiften 6 verbunden. Diese vielen Anschlußstifte 6 sind elektrisch und mechanisch mit einer Vielzahl von Bus-Leiterbahnen auf einer Leiterplatte 7 (z. B. auf einer Peripheriekarte, auf einer Hauptplatine, usw.) verbunden, die meistens in einem Computersystem eingesetzt wird.
  • Im Betrieb verbraucht der Chip 2 elektrische Energie mit einer Leistung, die mit der internen Taktfrequenz des Chips korreliert ist, wobei Wärme als Nebenprodukt erzeugt wird. Generell wird diese Wärme vom wärmeleitenden Chip 2 abgeführt, indem dieser im Bausteingehäuse 4 mit dem Bausteingehäuse klebend verbunden ist. Dabei gibt das Bausteingehäuse 4 die Wärme an die umgebende Luft 8 ab. Für Halbleitervorrichtungen mit niedriger Leistungsaufnahme bewirkt die Wärmeabgabe des Bausteingehäuses 4 allein an die Umgebung eine ausreichende Kühlung.
  • Viele Halbleitervorrichtungen, insbesondere Mikroprozessoren, arbeiten mit einer internen Taktfrequenz, die wesentlich höher als die Systembus-Taktfrequenz eines Computersystems liegt, um der Halbleitervorrichtung 1 zu erlauben, mit ihrer höchstmöglichen Taktfrequenz zu arbeiten, während der Datenaustausch zwischen der Halbleitervorrichtung 1 und der Leiterplatte 7 mit der niedrigeren Systembus-Taktfrequenz abläuft. Eine dynamische Rückkopplungsschleife, die ein Phasenregelkreis (phase-locked loop, PLL) sein kann, jedoch nicht darauf beschränkt ist, ermöglicht es, mehrere Taktfrequenzen von der System-Taktfrequenz abzuleiten. Eine höhere interne Taktfrequenz bewirkt zwar eine höhere Leistungsfähigkeit des Halbleiterchips, sie erhöht jedoch auch die Menge der abzuführenden Wärme, so daß das Bausteingehäuse 4 alleine meistens keine ausreichende Wärmeabfuhr bewirken kann, sondern wenigstens eine herkömmliche thermische Kühlvorrichtung, wie ein Kühlkörper 9a, mit Kühlschuh 9b als Option, zum Ankoppeln an den Bodenteil 4a des Bausteingehäuses 4 in der Nähe des Chips 2, wie in 2 dargestellt, erforderlich ist.
  • Entsprechend diesen Überlegungen ist die Leistungsaufnahme einiger Halbleitervorrichtungen der gegenwärtigen Generation und der meisten Halbleitervorrichtungen der nächsten Generation höher als die Leistungsaufnahme aller vorherigen Halbleitervorrichtungen, so daß der Kühlkörper 9a und/oder der Kühlschuh 9b möglicherweise keine ausreichende Ableitung der erzeugten Wärme mehr ermöglichen. Folglich wird meistens eine zusätzliche Kühlvorrichtung (z. B. ein Lüfter) 10 an den Kühlkörper 9a gekoppelt, um, wie in 3 dargestellt, eine starke Luftströmung zu erzeugen. Die Notwendigkeit, sich auf die Betriebsfähigkeit des Lüfters zum Kühlen der Halbleiter-Vorrichtung verlassen zu müssen, bringt viele Nachteile mit sich.
  • Ein erster Nachteil ist, daß die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung nun von der Zuverlässigkeit des Lüfters abhängt, wegen der Tatsache, daß bei nicht funktionierendem Lüfter (d. h. bei Lüfterausfall), die Halbleitervorrichtung ebenfalls ausfallen wird. Dadurch ergibt sich ein Problem, insbesondere, wenn die Zuverlässigkeit des Lüfters grundsätzlich schlechter als die der Halbleitervorrichtung ist, so daß die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung beeinträchtigt wird.
  • Ein weiterer Nachteil ist, daß der Einsatz des Lüfters ohne Überwachungssystem die Halbleitervorrichtung einer potentiellen Beschädigungsgefahr durch zu hohe Chiptemperatur aussetzt ("thermische Überlastung"). Eine solche thermische Überlastung ist wahrscheinlich, wenn der Lüfter betriebsunfähig wird oder seine Leistungsfähigkeit zu stark absinkt.
  • Es wäre deshalb wünschenswert, eine Schaltung und ein Verfahren zu schaffen, welche die direkt mit der Leistungsaufnahme korrelierte Arbeitsgeschwindigkeit der Halbleitervorrichtung bei Erkennen eines Lüfterausfalls und/oder eines thermischen Überlastungszustands modifiziert. Obwohl eine solche Modifikation der Betriebsgeschwindigkeit eine vorübergehende Minderung der Leistung der Halbleitervorrichtung mit sich bringen würde, beugt sie einem Totalausfall ihrer Funktionalität vor, der sonst bei thermischer Beschädigung der Halbleitervorrichtung entstehen würde.
  • Ein weiteres Beispiel einer Anordnung gemäß dem Stand der Technik wurde in PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Vol. 15, Nr. 219 (E-1074), 5. Juni 1991 und JP 03 062611 A offenbart. Dieses Dokument offenbart eine Anordnung zum Herabsetzen der Taktfrequenz in einem System, welches eine Umschaltschaltung zwischen den Eingängen mit einem ersten Taktsignal hoher Frequenz und einem zweiten Taktsignal kleinerer Taktfrequenz als die des ersten Signals vornimmt. Die Umschaltschaltung wird von einem Signal gesteuert, so daß das erste Taktsignal für eine Kernschaltung ausgewählt ist, wenn dieses Steuersignal im inaktiven Zustand ist. Dieses Steuersignal wird über einen Komparator ausgegeben, von welchem ein Eingang mit dem Ausgang eines Thermistors verbunden ist.
  • Ein weiterer Temperatursensor ist im Dokument JP-A-56135963 offenbart.
  • Noch ein weiteres System gemäß dem Stand der Technik ist aus dem Dokument DE 35 16 989 bekannt. Dieses Dokument beschreibt ein System zum Herabsetzen einer Taktfrequenz eines internen Taktsignals, welches von einer Kernschaltung innerhalb eines Computers verwendet wird. Der Computer ist mit einem Lüfter ausgerüstet und wird mit einem Temperatursensor überwacht. Wenn ein Ausfall des Lüfters und/oder eine zu hohe Temperatur innerhalb des Computers erkannt wird, wird die Frequenz des internen Taktsignals angepaßt und entsprechend zwischen einer ersten, hohen Taktfrequenz (das Taktsignal für den Normalbetrieb) und einer niedrigeren Taktfrequenz umgeschaltet, wobei Logikmittel ein Selektionssignal liefern, um das entsprechende, zu verwendende Taktsignal zu wählen. Es wurden zwei Fälle des Herabsetzens der Taktfrequenz beschrieben: im ersten Fall wird die Frequenz des Taktsignals von der hohen zu einer niedrigeren Frequenz umgeschaltet, wenn der Zustand "Temperatur zu hoch/Lüfterausfall" erkannt wird. Im zweiten Fall wird die Frequenz kleiner gemacht, bis eine akzeptable Betriebstemperatur erreicht ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Wegen der oben beschriebenen Nachteile ist es ersichtlich, daß ein Bedarf gegeben ist für die oben genannte Schaltung und für das entsprechende Verfahren. Deshalb ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zur Verfügung zu stellen, mit welcher die Taktfrequenz der Halbleitervorrichtung herabgesetzt wird, wenn bestimmte Lüfterausfälle und/oder Übertemperaturzustände erkannt werden.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Überwachung des mit der Halbleitervorrichtung verbundenen Lüfterelements und die Herabsetzung der Taktfrequenz der Halbleitervorrichtung, wenn ein vorbestimmter Grad der Leistungsbeeinträchtigung des Lüfters erreicht ist.
  • Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Unterbringung eines Temperatursensors innerhalb der Halbleitervorrichtung, um festzustellen, ob die Betriebstemperatur der Halbleitervorrichtung höher als ein vorgegebener Grenzwert ist, und um die Taktfrequenz entsprechend zu reduzieren, wenn dies der Fall ist.
  • Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden mit einer integrierten Schaltung gemäß Anspruch 1 des vorliegenden Patentes erzielt.
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten, abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung, in welcher:
  • 1 eine Querschnittsansicht einer konventionellen Halbleitervorrichtung mit kleiner Leistungsaufnahme, in einem PGA-Bausteingehäuse untergebracht, darstellt.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht einer konventionellen Halbleitervorrichtung mit einem Kühlkörper an einer Bodenfläche des PGA-Bausteingehäuses angeordnet, um zusätzliche Wärmeabfuhr zu ermöglichen.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht einer konventionellen Halbleitervorrichtung mit einer Lüfter/Kühlkörper-Kombination zur Kühlung.
  • 4 ist eine Ausführungsform eines Computersystems, welches die vorliegende Erfindung beinhaltet.
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung, welche die vorliegende Erfindung verwendet.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung, welche die vorliegende Erfindung verwendet.
  • 7 ist ein Schaltplan der vorliegenden Erfindung:
  • 8 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Temperatursensors innerhalb der Halbleitervorrichtung, die die vorliegende Erfindung verwendet.
  • 9 ist ein detaillierter Schaltplan einer Ausführungsform der Bandlücken-Referenzschaltung, die im Temperatursensor untergebracht ist.
  • 10 ist ein detaillierter Schaltplan einer Ausführungsform einer Konstantstromquelle, die mit der Bandlücken-Referenzschaltung von 8 gekoppelt ist.
  • 11 ist ein detaillierter Schaltplan einer Ausführungsform der programmierbaren Vbe-Schaltung.
  • 12 ist ein Statusdiagramm der Betriebszustände der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Es handelt sich um eine Schaltung und ein Verfahren zum Herabsetzen der Taktfrequenz für eine bestimmte Halbleitervorrichtung mit einem Lüfterelement zusammen mit einem Kühlkörper, für den Fall, daß das Lüfterelement ausfällt oder eine nicht tolerierbare Beeinträchtigung seiner Leistungsfähigkeit von einem Temperatursensor erfaßt wird, der vorzugsweise innerhalb der Halbleitervorrichtung angeordnet ist, und meldet, daß die Halbleitervorrichtung mit einer Temperatur arbeitet, die höher als der vorgegebene Temperaturgrenzwert ist. Zur Erläuterung führt die folgende Beschreibung spezifische Einzelheiten auf, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu übermitteln. Der Fachmann für Schaltungstechnik wird jedoch erkennen, daß die vorliegende Erfindung in jeder Halbleitervorrichtung, insbesondere in Prozessoren, auch ohne diese spezifischen Einzelheiten realisiert werden kann. An anderen Stellen werden wohlbekannte Operationen, Funktionen und Vorrichtungen nicht aufgezeigt, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht zu verschleiern.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform eines Computersystems 20, welche die vorliegende Erfindung verwendet. Das Computersystem 20 umfaßt allgemein einen Systembus 21, der Adressen-, Daten- und Steuerbussysteme aufweist, in Zusammenarbeit mit einem Systembus-Taktsignal ("CLK") mit vorgegebener Taktfrequenz, die z. B. normalerweise dreiunddreißig Megahertz ("MHz") beträgt. Der Systembus 21 ermöglicht den Austausch und die gemeinsame Nutzung von Daten seitens einer Vielzahl von Funktionsvorrichtungen, darunter ein Speicher-Untersystem 22, ein Eingabe-/Ausgabe-Untersystem ("E/A") 23 und ein Prozessor 24.
  • Das Speicher-Untersystem 22 umfaßt einen Speichercontroller 25, der mit dem Systembus 21 gekoppelt ist, um eine Schnittstelle zu bilden zur Kontrolle des Zugriffs auf wenigstens ein Speicherelement 26, beispielsweise ein dynamischer Speicherbaustein für den wahlfreien Schreiblese-Zugriff ("DRAM"), ein Nurlesespeicherbaustein ("ROM"), ein Videospeicherbaustein für den wahlfreien Schreiblese-Zugriff ("VRAM"), usw. Das Speicherelement 26 speichert Daten und Instruktionen für den Prozessor 24.
  • Das E/A-Untersystem 23 umfaßt einen E/A-Controller 27, der mit dem Systembus 21 verbunden ist, und einen konventionellen E/A-Bus 28. Der E/A-Controller 27 ist eine Schnittstelle zwischen dem E/A-Bus 28 und dem Systembus 21, die einen Kommunikationspfad (d. h. eine Brücke) bilden für die am Systembus 21 angeschlossenen Geräte, um ihnen den Zugriff auf Daten von und die Übergabe von Daten an Geräte, die mit dem E/A-Bus 28 verbunden sind, zu ermöglichen, und umgekehrt. Der E/A-Bus 28 übermittelt Daten zwischen wenigstens einem Peripheriegerät im Computersystem 20, darunter folgende Geräte, jedoch nicht auf diese beschränkt: ein Anzeigegerät 29 (z. B. als Kathodenstrahlröhre, Flüssigkristallanzeige usw.) zur Darstellung von Bildern; ein alphanumerisches Eingabegerät 30 (z. B. eine alphanumerische Tastatur usw.) zur Übermittlung von Daten und selektierten Befehlen an den Prozessor 24; ein Positionszeiger/Cursor-Steuergerät 31 (z. B. eine Maus, eine Rollkugel, ein Tastfeld usw.) zur Steuerung der Cursorbewegungen; ein Massenspeichergerät 32 (z. B. Magnetbänder, eine Festplatte, ein Diskettenlaufwerk usw.) zum Speichern von Daten und Instruktionen; und ein Hardcopygerät 33 (z. B. ein Plotter, ein Drucker, ein FAX-Gerät usw.) zur Ausgabe einer sichtbaren, anfaßbaren Darstellung der Informationen. Das in 4 dargestellte Computersystem kann einige oder alle diese Komponenten aufweisen oder Komponenten, die von den dargestellten Komponenten verschieden sind.
  • Der Prozessor 24, bevorzugt ein Prozessor mit Intel(R)-Architektur, ist ebenfalls am Systembus 21 angeschlossen, um Zugriff zu bekommen auf das Speicher-Untersystem 22 und auf ein Eingabe-/Ausgabe-Untersystem ("E/A") 23, und um die erforderlichen Taktsignale zu bekommen. Um seine Leistung zu steigern, weist der Prozessor 24 normalerweise einen Phasenregelkreis ("PLL") 34 auf, der das Signal CLK als Eingangssignal empfängt und ein internes Taktsignal ("ICLK") erzeugt. Das vom CLK-Signal abgeleitete ICLK-Signal weist eine höhere Taktfrequenz als das CLK-Signal und ein konstantes Tastverhältnis auf. Das ICLK-Signal wird der Kernschaltung des Prozessors 24 zugeführt, die allgemein als Prozessorkern 35 bezeichnet wird und die erforderlichen Instruktions-Sequenzen abarbeitet.
  • Gemäß 5 weist der Prozessor 24 eine Lüfter/Kühlkörper-Kombination 46 auf, die ein Kühlkörperelement 47 auf einer Bodenfläche 42a des Bausteingehäuses 42 und ein Lüfterelement 48 auf dem Kühlkörperelement 47, wie dargestellt, umfaßt. Die drei elektrischen Verbindungsstellen 50, 51 und 52 sind auf der Bodenfläche 42a des Bausteingehäuses 42 angeordnet. Eine erste und eine zweite elektrische Anschlußstelle 50, 51, die den Stiften 44a und 44b des Bausteingehäuses zugeordnet sind, bilden den Stromversorgungs-Anschluß ("Vcc") und den Masse-Anschluß ("GND") für das Lüfter-Element 48, insbesondere eine Vorrichtung mit einem Lüfter-Hauptgehäuse 53 zum Drehen eines Propellers 49 (siehe 6). Eine dritte elektrische Anschlußstelle 52 ist mit einer besonderen Drahtleitung verbunden, über welche das Lüfterelement 48 ein Signal FANFAIL (Lüfterausfall) an den Chip 40 liefern kann. Das FANFAIL-Signal meldet, daß die Funktionsfähigkeit des Lüfterelements 48 in nicht mehr tolerierbarem Umfang beeinträchtigt ist (z. B. die Drehzahl des Propellers ist um einen vorgegebenen Prozentsatz niedriger als die normale Drehzahl).
  • 6 zeigt eine Querschnittsansicht des Prozessors 24. Der Prozessor 24 umfaßt eine integrierte Schaltung in der Form eines Chips 40, welcher gekapselt ist (vorzugsweise hermetisch) in einem Hohlraum 41 eines Bausteingehäuses 42 (wie dargestellt) oder in einer beliebigen anderen konventionellen Verpackung, zum Beispiel in einem Kugelgitteranordnungs-Gehäuse (Ball Grid Array, "BGA"), in einem Grundschichtgitteranordnungs-Gehäuse (Land Grid Array "LGA") oder dergleichen. Eine Mehrzahl von Drahtleitungen 43 ist mit wenigstens dem Chip 40 und einer Anzahl von Anschlußstiften 44 verbunden, die sich über das Bausteingehäuse 42 hinaus erstrecken. Diese Anschlußstifte 44 sind typisch an Busleitungen auf einer Leiterplatte 45 angelötet. Während des Betriebs des Chips 40 (d. h. während des Betriebs des Prozessors 24) erzeugt die Lüfter/Kühlkörper-Kombination 46 mittels der Drehbewegung des Propellers 49 einen Luftstrom, welcher die Wärmeabfuhrkapazität des Kühlkörperelements 47 verstärkt.
  • 7 zeigt eine Ausführungsform zum Herabsetzen der Taktfrequenz, die eine Schaltung aufweist mit zwei Eingangssignalleitungen 55 und 56 von verschiedenen Signalquellen außerhalb des Prozessors 24. Eine erste Signalquelle 57 für eine erste Eingangssignalleitung 55 ist das Lüfterelement 48, welches das FANFAIL-Signal auf die erste Eingangssignal-Leitung 55 legt, wenn eine nicht mehr tolerierbare Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit erkannt wird. Zum Beispiel kann das FANFAIL-Signal aktiviert werden, wenn das Lüfterelement 48 feststellt, daß der erzeugte Luftstrom um einen vorgegebenen Prozentsatz schwächer geworden ist.
  • Es gibt viele Alternativen, um eine verminderte Luftstromerzeugung des Lüfterelements festzustellen. Zum Beispiel verwenden Lüfter zum Kühlen von Halbleitervorrichtungen in vielen Fällen einen Chipset, der eine Motorantriebs-Drehzahl mit gegebener Frequenz erzeugt, um einen Lüftermotor anzutreiben. Indem die Frequenz der Motorimpulse verändert wird, wird das Lüfterelement 48 mit verschiedenen Geschwindigkeiten angetrieben und somit seine Luftstromerzeugung vergrößert oder verkleinert. Indem ein weiterer Steuerchip hinzugefügt wird, welcher einen Steuerimpuls mit einer bestimmten konstanten Frequenz erzeugt, die eine zur ordnungsgemäßen Wärmeabfuhr nicht ausreichende Luftströmung erzeugen würde, und die Frequenzen des Motorpulses und der Steuerleitung verglichen werden, braucht das Lüfterelement 48 nur noch festzustellen, ob die Motor-Impulsfrequenz niedriger als die Steuerimpuls-Frequenz ist. In diesem Fall aktiviert das Lüfterelement 48 das FANFAIL-Signal.
  • Eine zweite Signalquelle 58 für eine zweite Eingangssignalleitung 56 ist ein Temperatursensor 58, der eine integrierte Schaltung ist, die in der Nähe des Chips oder vorzugsweise auf dem Chip 40 angeordnet ist, um seine Temperatur zu überwachen. Der Temperatursensor 58 gibt ein THERMAL_OVERLOAD-Signal (thermische Überlastung) auf die zweite Eingangssignal-Leitung 56, wenn festgestellt wird, daß der Prozessor 24 bei einer Temperatur läuft, die höher als seine vorgegebene Grenztemperatur ist.
  • Um festzustellen, ob der Prozessor bei einer Temperatur läuft, die höher als die vorgegebene Grenztemperatur ist, überwacht der Temperatursensor 58 temperaturabhängige Spannungen. Hier wird nun ein als Beispiel ausgewählter Temperatursensor als Anschauungsbeispiel diskutiert, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß jeder gebräuchliche Temperatursensor mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Wie in 8 dargestellt ist, umfaßt der Temperatursensor 58 eine konventionelle Bandlücken-Referenzschaltung 110, eine Schaltung 120 mit programmierbarer Basis-Emitter-Spannung ("Vbe"), eine Konstantstromquelle 130 und einen Leseverstärker 140. Der Leseverstärker 140 gibt ein aktives Signal auf die zweite Eingangssignalleitung 56, wenn eine Basis-Emitter-Spannung ("Vbe"), d. h. eine temperaturabhängige Spannung, die von der programmierbaren Vbe-Schaltung 120 auf eine erste Eingangssignalleitung 77 geliefert wird, größer als eine Referenzspannung ("Vout") ist, die von der Bandlücken-Referenzschaltung 110 auf eine zweite Eingangsleitung 78 geliefert wird. Die Referenzspannung ("Vout") ist auf eine Spannung eingestellt, die bei der vorgegebenen Grenztemperatur den gleichen Wert wie Vbe annimmt.
  • Allgemein betrachtet ist die Spannung Vbe eines Transistors im Temperatursensor 58 temperaturabhängig (d. h. eine Temperaturänderung bewirkt eine Änderung der Spannung Vbe). Die Spannung Vbe wird mit der Spannung Vout verglichen, die von der Bandlücken-Referenzschaltung 110 erzeugt wird und sich mit der Temperatur nicht ändert. Wenn Vbe > Vout wird das Signal THERMISCHE_ÜBERLASTUNG aktiviert. Sonst bleibt das Signal THERMISCHE_ÜBERLASTUNG inaktiv.
  • In 8 liefert die Bandlücken-Referenzschaltung 110 eine stabile, temperaturunabhängige Spannung an einen ersten Eingang des Dualeingang-Leseverstärkers 140 und wirkt als Vorspannung für die Konstantstromquelle 130.
  • Die Bandlücken-Referenzschaltung 110 muß nicht nur gegenüber Änderungen von Vcc und der Temperatur, sondern auch gegenüber Prozeßvariationen stabil sein. Deshalb dürfen nur Widerstandsverhältniswerte vorgesehen werden, und alle Transistoren in der Bandlücken-Referenzschaltung 110 müssen in gleicher Richtung orientiert sein, so daß sie sich gegenseitig im Nachlauf folgen. Ein Transistorpaar 111 und 112 mit den Widerständen 116 und 115 (9), die einen Stromspiegel bilden, arbeitet mit verschiedenen Stromdichten. Dies erzeugt eine temperaturabhängige Spannung an einem ersten Widerstand 113. Ein dritter Transistor 114 steuert Vout der Bandlücken-Referenzschaltung 110, indem er den aktuellen Wert von Vout über den Widerstand 115 erfaßt. Folglich steuert der dritte Transistor 114 Vout auf einen Spannungswert, der die Summe der Basis-Emitter-Spannung ("Vbe") des dritten Transistors 114 und des Spannungsabfalls am Widerstand 115 ist. Wenn Vout in die Nähe einer bekannten Bandlücken-Spannung von Silizium (ungefähr 1,12 Volt) eingestellt ist, kompensiert der Spannungsabfall am Widerstand 115 den Temperaturkoeffizienten von Vbe, so daß Vout temperaturunabhängig wird.
  • Wie in den 8 und 9 dargestellt ist, wird eine Konstantstromquelle 130 benötigt, um den Temperatursensor 58 über die Variationsbereiche von Vcc stabil zu halten, da der vorgegebene Basisstrom ("Ib") konstant ist. Folglich ändert sich nur Vbe bei einer Temperaturänderung. Die Konstantstromquelle 130 wird implementiert, indem man die von der Bandlücken-Referenzschaltung 110 erzeugte Konstantspannung dafür nutzt. Diese mit der Stromquelle 130 gekoppelte Bandlücken-Referenzschaltung 110 ist in 10 dargestellt.
  • Eine Spannung an der Basis eines ersten Quellentransistors 131 wird auf dem Wert Vout gehalten, so daß ein konstanter Strom durch einen dritten Transistor 132 fließt. Dieser konstante Strom fließt durch einen zweiten Quellentransistor 133 und wird mit einem Transistorpaar als dritter und vierter Quellentransistor 134 und 135 gespiegelt. Die Stromquelle 130 liefert somit die Stromversorgung für die Bandlücken-Referenzschaltung 110 über den dritten Transistor 114 und einen fünften Quellentransistor 136. Zu beachten ist, daß der dritte Transistor 114 nicht an Vout, sondern mit der Basis eines fünften Quellentransistors 136 verbunden ist, der als Verstärkerstufe hinzugefügt wurde. Der vierte Quellentransistor 135 liefert eine Konstantstromquelle für die programmierbare Vbe-Schaltung 120.
  • Da die Bandlücken-Referenzspannung ("Vout") die Stromquelle 130 steuert, die ihrerseits die Bandlücken-Referenzschaltung 110 steuert, könnten einige Probleme auftreten. Ein erstes Problem betrifft die Gewährleistung der richtigen Startoperationen des Temperatursensors 58 beim Einschalten der Stromversorgung. Zur Gewährleistung dieser Startoperationen wurden die Transistoren 137a–137c hinzugefügt. Wenn Vcc anfängt, von null Volt anzusteigen, wird Strom an die Bandlücken-Referenzschaltung 110 über den Transistor 137a geliefert. Sowie der Strom durch den Transistor 137a zu fließen beginnt, wird er über den Transistor 137c gespiegelt, so daß der Transistor 137a beginnt, sich auszuschalten. Wegen der Spannungsverstärkung des fünften Quellentransistors 136 wächst der Strom in der Bandlücken-Referenzschaltung 110 weiter, bis der dritte Transistor 114 beginnt, die Basis des fünften Transistors 116 zu steuern. Es kann ein Transistor 138 zum Abschalten der Stromversorgung oder zum Sperren des Temperatursensors 58 für Prüfzwecke hinzugefügt werden.
  • Um den Temperatursensor 58 betriebsfähig zu machen, wird nicht nur eine stabile Spannung Vout benötigt, sondern auch eine Spannung, die sich mit der Temperatur ändert. Diese temperaturabhängige Spannung wird in der programmierbaren Vbe-Schaltung 120 erzeugt, die eine in 11 dargestellte Vbe-Multipliziererschaltung 121 aufweist. Die Multipliziererschaltung 121 umfaßt einen ersten Multiplizierertransistor 122, einen ersten Multipliziererwiderstand 123 und einen zweiten Multipliziererwiderstand 124 in Reihe mit einer Vielzahl von Widerständen (eine "Widerstandskette") 125. Die Widerstandskette 125 und der erste Multipliziererwiderstand 123 sind mit einer Basis 122b des ersten Multiplizierertransistors 122 und dem Emitter 122e des ersten Multiplizierertransistors 122 verbunden und beeinflussen deshalb die Ausgangsspannung Vbe auf der Signalleitung 129. Typisch ist die Ausgangsspannung Vbe gleich der Spannung Vbe des ersten Multiplizierertransistors 122 zuzüglich eines Spannungsabfalls am ersten Multipliziererwiderstand 123. Der Strom durch den ersten Multipliziererwiderstand 123 hängt vom Widerstandswert der Widerstandskette 125 ab, der wiederum davon abhängt, welche der selektierenden Transistoren 126–128 aktiviert sind (d. h., ob der Widerstand 125 kurzgeschlossen ist), um den Strom, der durch den ersten Multipliziererwiderstand 123 fließt, zu verändern.
  • Wie in 7 gezeigt ist, sind diese Signalleitungen mit einem Logikgatter 59 auf dem Chip verbunden (z. B. ein UND-, ODER-, Exklusiv-ODER- Gatter, usw.), welches wenigstens eine AUSFALL-Signalleitung 60 aufweist, die jedoch als Selektleitung für einen Multiplexer 61 auf dem Chip funktioniert. Es wird aber darauf hingewiesen, daß mehrere Leitungen erforderlich sein könnten, in Abhängigkeit von der Anzahl von Eingängen, die der Multiplexer 61 auf dem Chip aufweist.
  • Der Multiplexer 61 weist mehrfache Takteingänge 62 und 63 für verschiedene Frequenzen auf, wobei ein erster Takteingang für ein "Hoch"-Taktsignal mit einer Taktfrequenz, die einer vom Prozessor 24 unterstützten, maximalen Taktfrequenz entspricht, vorgesehen ist, und ein zweiter Takteingang für ein "Niedrig"-Taktsignal mit einer Taktfrequenz, die kleiner als die "Hoch"-Taktfrequenz ist, vorgesehen ist. Zum Beispiel, das niedrige Taktsignal kann das CLK-Signal mit einer Taktfrequenz von 33 MHz sein, und das hohe Taktsignal kann eine Taktfrequenz aufweisen, die mindestens das Zweifache der Taktfrequenz des CLK-Signals beträgt (d. h. im Bereich 80–100 MHz liegt). Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß eine Vielzahl von Taktsignalen mit unterschiedlichen Frequenzen dem Multiplexer 61 zugeführt werden könnten, unter der Voraussetzung, daß wenigstens das zweite Taktsignal eine ausreichend niedrige Taktfrequenz aufweist, bei welcher die Lüfter/Kühlkörper-Kombination die vom Prozessor erzeugte Wärme sicher abführen kann, auch wenn das Lüfterelement ausgefallen ist. Wenn die AUSFALL-Signalleitung 60 aktiv ist, liefert der Multiplexer 61 das niedrige Taktsignal an den Kernprozessor. Es wird außerdem darauf hingewiesen, daß der Multiplexer 61 mehr als zwei Eingänge aufweisen könnte, um eine stufenweise Leistungsminderung zu unterstützen, wobei das AUSFALL-Signal dann wie oben beschrieben mehrere Selektierleitungen aufweisen muß.
  • Das in 12 dargestellte Statusdiagramm der Operationssequenz der vorliegenden Erfindung zeigt die erwünschten Merkmale der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung weist zwei Zustände auf, nämlich einen Normalzustand 70 und einen Ausfallzustand 71. Jeder dieser Zustände hat einen Statusübergang, der mit den Pfeilen 72 und 73 dargestellt ist und der einzige mögliche Übergang vom aktuellen Zustand, 70 oder 71, im nächsten Taktzyklus ist.
  • Während des Einschaltvorgangs des Computersystems befindet sich die vorliegende Erfindung typisch im Normalzustand 70. Im Normalzustand 70 hat das ICLK-Signal eine Frequenz, die der maximalen Taktfrequenz entspricht. Sobald das AUSFALL-Signal aktiviert und mit dem CLK-Signal synchronisiert ist, geht die vorliegende Erfindung in den Ausfallzustand 71 über. In diesem Ausfallzustand 71 hat das ICLK-Signal eine Frequenz, die gleich der Frequenz des CLK-Signals oder einem anderen, vorgegebenen Vielfachbetrag der Frequenz des CLK-Signals ist, unter der Voraussetzung, daß dieser vorbestimmte Vielfachbetrag niedrig genug ist, um die zuverlässige Abfuhr der erzeugten Wärme bei ausgefallenem Lüfter/Kühlkörper zu erzielen.
  • Nach einem Übergang in den Ausfallzustand 71 kann die vorliegende Erfindung nicht mehr in den Normalzustand 70 zurückkehren, bis ein RÜCKSETZ-Signal aktiv ist und das AUSFALL-Signal inaktiv geworden ist. Der Grund hierfür ist, daß es nicht gut wäre, wenn der Prozessor zwischen den beiden Zuständen oszillieren würde, falls das AUSFALL-Signal pulsierend unterbrochen wird. Das RÜCKSETZ-Signal zeigt an, daß das Computersystem (und somit auch der Prozessor) den Betrieb eingestellt hat, was normalerweise dadurch bewirkt wird, daß der Computer ausgeschaltet wird, um den Prozessor abkühlen zu lassen und dem Lüfter die Rückkehr in den normalen Zustand zu ermöglichen.
  • Diverse Verfahren können eingesetzt werden, um einen Lüfterausfall zu erkennen und den Benutzer diesbezüglich zu informieren, beispielsweise die unten beschriebenen Verfahren, jedoch nicht auf diese beschränkt. Ein solches Verfahren wäre mittels Softwaresteuerung durch Abfrage eines Lüfterausfallbits in einem Maschinenprüfregister (Machine Check Type, "MCT") zu implementieren. Um dieses Verfahren zu implementieren, muß ein Zugriffstreiber für das MCT-Register spezifisch für das Betriebssystem (z. B. DOS(R), Windows(R), OS/2(R), UNIX(R) usw.) des Computersystems, welches die Halbleitervorrichtung mit dem Lüfter/Kühlkörper einsetzt, geschrieben werden. Dann kann eine Routine ausgeführt werden, die einen Funktionsaufruf des Treibers für den Zugriff auf das Lüfterausfallbit ausführt, der den aktuellen Wert dieses Bits zurückgibt. In Abhängigkeit vom zurückgegebenen Wert benachrichtigt die Routine den Benutzer mit einer entsprechenden Meldung auf dem Anzeigegerät (z. B. mit einer "print screen"-Anweisung) oder dergleichen. Diese Routine kann manuell vom Benutzer oder fortlaufend zyklisch zur ständigen Überwachung des Lüfterausfallbits automatisch aufgerufen werden.
  • Ein anderes Verfahren erstellt ein Softwareprogramm, welches die aktuelle Taktfrequenz des Prozessors kontrolliert, indem es eine Programmschleife über einige Befehle ausführt, und die Ausführungsgeschwindigkeit mit der vorbestimmten Geschwindigkeit im Normalbetrieb mit voller Taktfrequenz vergleicht. Wenn die aktuelle Ausführungsgeschwindigkeit um einen vorbestimmten Prozentsatz langsamer als die vorbestimmte, normale Ausführungsgeschwindigkeit ist, benachrichtigt das Softwareprogramm den Benutzer, daß die Leistungsfähigkeit reduziert wurde, vermutlich wegen eines thermischen Fehlerzustands.
  • Die hierin beschriebene, vorliegende Erfindung kann in vielen verschiedenen Ausführungsformen anders als die oben beschriebenen beiden Beispiele gestaltet werden, die vom Fachmann auf diesem Gebiet erkannt werden, ohne den beanspruchten Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel, obwohl bestimmte Taktfrequenzen als Beispiele aufgeführt wurden, können die Grundlagen der vorliegenden Erfindung auch in Systemen eingesetzt werden, die mit anderen Frequenzen arbeiten. Deshalb ist die vorliegende Erfindung an Hand der folgenden Ansprüche zu verstehen und zu bemessen.
  • Übersetzung der Figurenlegende
    Figure 00160001
  • Figure 00170001

Claims (6)

  1. Integrierter Schaltkreis zur Herabsetzung einer Taktfrequenz eines von der Kernschaltung (35) verwendeten, internen Taktsignals innerhalb einer Halbleitervorrichtung (24) mit einem aufgesetzten Lüfterelement (48), wobei der integrierte Schaltkreis gekennzeichnet ist durch: Multiplexermittel (61) zur Übertragung eines aus einer Mehrzahl von Eingangs-Taktsignalen (62, 63) an die Kernschaltung (35) als internes Taktsignal, wobei die Mehrzahl der Eingangs-Taktsignale (62, 63) wenigstens ein erstes Eingangs-Taktsignal (62) mit einer ersten Taktfrequenz und ein zweites Eingangs-Taktsignal (63) mit einer zweiten Taktfrequenz umfaßt, wobei die zweite Taktfrequenz wesentlich niedriger als die erste Taktfrequenz ist, wobei die zweite Taktfrequenz so niedrig ist, daß in der Halbleitervorrichtung (24) erzeugte Wärme ausreichend abgeführt wird, auch wenn das Lüfterelement (48) ausgefallen ist; und Logikmittel (59) zum Selektieren des internen Taktsignals, wobei das Logikmittel (59) mit dem Multiplexermittel (61) über eine Selektleitung (60) verbunden ist, wobei das Logikmittel (59) das erste Eingangs-Taktsignal (62) als internes Taktsignal selektiert, wenn die Selektleitung (60) inaktiv ist, und wobei das Logikmittel (59) die Selektleitung (60) aktiviert, wenn die Leistung des Lüfterelements (48) um einen vorgegebenen Prozentsatz vermindert ist, was festgestellt wird, indem ein Motorimpuls, der das Lüfterelement (48) ansteuert, mit einem Steuerimpuls einer vorgegebenen Frequenz verglichen wird, mit dem Ergebnis, daß die Luftströmung für eine ordnungsgemäße Wärmeabfuhr nicht ausreicht.
  2. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, in welchem das Logikmittel (59) die Selektleitung (60) aktiviert, wenn ein mit der Kernschaltung (35) gekoppelter Temperatursensor (58) anzeigt, daß die aktuelle Betriebstemperatur der Halbleitervorrichtung (24) höher als die vorgegebene Grenzwert-Temperatur ist.
  3. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 2, bei welchem die erste Taktfrequenz mindestens den doppelten Wert der zweiten Taktfrequenz aufweist.
  4. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 3, bei welchem die erste Taktfrequenz 33,3 Megahertz beträgt.
  5. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 4, bei welchem die Halbleitervorrichtung (24) ein Prozessor ist.
  6. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 2, bei welchem der Temperatursensor (58) eine Bandlücken-Referenzschaltung (110) gekoppelt mit einer Stromquelle (130), eine programmierbare Vbe-Schaltung (120) gekoppelt mit jener Stromquelle (130) und einen Leseverstärker (140) gekoppelt mit der Bandlücken-Referenzschaltung (110) und der programmierbaren Vbe-Schaltung (120) aufweist.
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