超大規模高性能並行圖像處理器常常集成了數十億計的晶體管，工作頻率達GHz以上。這樣當處理複雜圖像應用程序時，GPU將在微秒時間內急劇上升到數百瓦功耗，這對電源分布係統（PDS）將產生巨大的衝擊
，導致GPU芯片電壓不足，從而出現係統功能異常。

係統異常的原因分析

● GPU中CMOS工藝的要求：

為了降低功耗，GPU芯片工作電壓較低，並允許在寬的範圍工作，如0.7V-1.2V。電壓越高時
，內部開關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
，一個電壓相對穩定的電源供應係統（PDS）是係統正常工作的前提。

● GPU動態工作模式的需求：

高性能GPU采用了很多先進功率控製技術
，使得最大功耗達到幾百瓦

，而待機功耗約幾瓦
，動態性能模式切換（DPM）便是其中技術之一。通常DPM時鍾頻率設置在100MHz－1000MHz範圍，電壓在0.7V-1.2V之間。如圖1所示
，GPU可在不同DPM狀態切換
，當GPU處理負載加重時，將快速轉換到高性能模式，如HCLK1-HCLK4，電壓V3，而如果電壓不足，內部電路將不能維持這個模式，而引起係統故障。


● PDS性能限製

開關電源本身性能的限製。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，會產生很大的電源紋波和噪聲。

電源分布網絡參數限製。它是指從電源至負載的所有電氣分布參數的總和，即線路的R、L、C、G的整體效應，來源於PCB材料、層疊、印製線、過孔、屏蔽以及GPU封裝以及內部矽電路設計。所有這些分布參數
，會在電路中產生分壓、分流以及反射、衰減損耗等多種影響。

對GPU負載而言，交流高頻信號來源於負載的動態切換引起的電流瞬態變化，加之電源分布網絡中的阻抗不連續，而在LC分布網絡中產生高頻噪聲信號。對大電流（如200A以上）的GPU來說，電壓跌落達數百毫伏
，超出DPM設置範圍。

峰值電流控製技術

GPU瞬態電流變化過大，必然造成供電網絡損耗增大，GPU可獲得電壓降低。為了避開電壓跌落造成的衝擊，GPU須及時向下切換動態模式，降低時鍾頻率
，降低工作電壓。峰值電流控製技術正是基於這個目的所設計的，它還需要軟件一起協作。圖2所示是峰值電流控製技術軟件流程圖。係統通過及時檢測工作電流變化，可快速調整工作狀態，減少芯片功耗，避免係統死機。

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GPU工作電流感應的硬件電路實現

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(dong)態(tai)電(dian)流(liu)超(chao)過(guo)預(yu)定(ding)閾(yu)值(zhi)時(shi)，硬(ying)件(jian)電(dian)路(lu)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)邏(luo)輯(ji)信(xin)號(hao)通(tong)知(zhi)軟(ruan)件(jian)單(dan)元(yuan)。本(ben)技(ji)術(shu)巧(qiao)妙(miao)地(di)利(li)用(yong)電(dian)源(yuan)網(wang)絡(luo)分(fen)布(bu)電(dian)阻(zu)來(lai)感(gan)應(ying)在(zai)線(xian)路(lu)中(zhong)損(sun)耗(hao)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)壓(ya)降(jiang)。我(wo)們(men)取(qu)電(dian)源(yuan)輸(shu)出(chu)端(duan)A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整GPU動態模式，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。


測試結果

該方案已經應用到某型號GPU產品上，經過調試及性能測試，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）後表示最大電流約為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，產生高電平中斷信號。軟件開始切換動態工作模式
，設置GPU電壓VLOAD降低約100mV。當電流減小並小於閾值時
，比較器輸出低電平，係統回歸正常並繼續監測。

結語

由上分析及測試結果可知，峰值電流控製技術是一種能夠合理分配GPU負載
，避免係統意外死機的很好的控製機製，可顯著提高係統的穩定性和可靠性，可在高性能計算
、圖形處理芯片設計等領域投入實際應用。

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