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PECI和CPU数位温度感测器
智能热量管理专栏(4)

【作者: Dave Pivin】2006年09月11日 星期一

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在2006年6月推出的64位元双核心Xeon 5100处理器系列,正是采用Intel平台环境控制介面(Platform Environmental Control Interface;PECI)协定和数位温度感测器(Digital Thermal Sensor;DTS)的最新应用之一。这两项技术都是整合在新的Intel核心微架构(Core Microarchitecture)之中的一部分。相较于上一代的Intel伺服器产品,采用PECI和DTS的Xeon 5100处理器系列能提供135%的效能改善,以及降低40%的耗电状况。在这个专栏系列中的第四篇文章中将介绍这两项技术,并探讨其在系统层面的使用议题。


PECI通讯

Intel专属的平台环境控制介面是单线SST协定的一个子集,它专门用来报告CPU的温度,而不负责沟通电压方面的资讯(关于SST的介绍请参考专栏系列三)。这个单线汇流排介面和SST很相似,它的频宽范围从2Kbps到2Mbps,为保证资料的正确性,PECI使用循环冗余码校验(Cyclical Redundancy Check;CRC)位元组来进行错误检验。由于它只是完整SST协定的一个子集,所以并不会用到SST的所有指令,不过,像是取得温度“GetTemp0()”的SST指令和PECI是一样的。


在一开始的应用阶段,PECI是CPU和I/O控制中心(ICH8)的连结介面,不过,这并非唯一的主机方式。如(图一)所示,PECI主控制器可以嵌入在ICH8晶片组当中,也可以嵌入在外部的风扇速度控制器当中。从CPU的角度来看,PECI汇流排并不知道有什么在传递,只会等待指令去读取温度状况;需要知道CPU温度的是ICH8和外部的风扇速度控制(fan speed control;FSC)IC。



《图一 在Xeon 5100系列处理器中的PECI拓朴架构》
《图一 在Xeon 5100系列处理器中的PECI拓朴架构》

PECI的电性规范和SST相似,它也预期I/O的电源轨(power rail)电压是较低和可变的,而且是从CPU供电给PECI主机。以SST来说,用户会提供1.5V的轨电压,而两端都预期会在这个电压的可承受范围内,和TTL介面相似。 PECI存在的理由之一,就是在处理器之外产生SST通讯上所需要的1.5V轨电压。由于核心电压已被控制,这让PECI具有简化的电源,也让它比SST更容易建置,成本也更便宜。


PECI的动态电压及依赖CPU的电压,在定义上和提供给处理器来启动电源及驱动I/O缓冲电路(VTT)的电压是相同的。输入电压(Vin)有一个最大值是VTT+0.15V,以及最小值-0.15V。负向边缘临界电压(negative-edge threshold voltage)在定义上是介于0.500*VTT (max)和0.275*VTT (min)之间;正向边缘临界电压(positive-edge threshold voltage)则是介于0.725*VTT (max)和0.550*VTT (min)之间。如(图二)所示,最小的滞后电压值(hysteresis value)定义为0.1*VTT。



《图二 针对PECI输入设备的磁滞现象,使用Schmitt触发输入(Schmitt-triggered input)来改善噪声的抗扰性》
《图二 针对PECI输入设备的磁滞现象,使用Schmitt触发输入(Schmitt-triggered input)来改善噪声的抗扰性》

由于PECI只负责报告温度值,因此它并不需要具备和SST相同的协定内容细节。这能降低CPU端的额外负载(overhead),以及降低用来传输所需的电路。不过,PECI需要用到两个脚位,一个用来通讯,一个用于电压。从用户端的角度来看,SST只需要一个用于通讯的脚位即可,因为电压并未被带出,它是从内部的3V电源轨来获得。


数位温度感测器DTS

数位温度感测器(DTS)是一个具有类比转数位温度转换器的晶片上温度感测器。这个工厂校准(factory-calibrated)的DTS能改善先前用来指示处理器温度的晶片上温度二极体(thermal diode;TD)的准确度。当DTS进行感测并将结果储存在CPU暂存器后,PECI就能从DTS处获得资料;在其他的情况下只能透过BIOS来直接取得资料。


DTS在CPU晶片上位于更佳的位置。虽然它并不正好位于实际的热源(hot spot)上头,因为这样会影响到CPU的运算能力,不过相较于温度二极体来说,它的位置已改善许多。在CPU上最热到最冷的区域,可以相差20~40?C,有时温度梯度甚至会更高。温度梯度的变化和热量移除介面的能力是成比例的,采用好的散热槽(热阻抗低),热源的高温状况可以降低;若采用热阻抗较高的散热槽,温度变化的情况将会很糟。对CPU最高温度的量测总是要有些妥协,这又和温度变化的情况息息相关。此外,当风扇将热量移走后,热源可能会改变。由于热量管理的需求不断提升,DTS的出现能为过去使用TD的情况带来很大的改善。 (相关介绍请参考专栏系列二)


PECI和DTS的运作模式

PECI从DTS处获得的温度报告是负值,这是相对于CPU热量控制电路(thermal control circuit;TCC)设定的一个数值;相较之下,采用SST所获得的温度报告则是真实的温度(也就是当要求温度报告时,得到的温度值单位是?C)。 TCC是处理器必须采取行动来降低自己高温状况的一个温度,可能采取的行动包括降低核心电压,或对电压调节器下达降低核心电压的指令,它也可以降低时脉速度。这种安全措施(failsafe)的状况并不是一种理想状况。它完全是用来降低处理器所产生的高热量,而如(图三)所示,随着温度的上升,在到达TCC运作温度之前,Tcontrol的设定值已经到了,这个值也是负值。



《图三 DTS和Tcontrol的相互作用》
《图三 DTS和Tcontrol的相互作用》

在正常的操作状况下,温度的控制必须比TControl的设定再低大约8~10?C,如(图四)所示。但如果风扇已经以全速操作,而温度还是持续在上升时,安全措施就会启动。 DTS采用与既有的感测器相同的PROCHOT#输出信号来指示最大安全操作温度已经达到(也就是内部热量控制电路需要被启动)。采用负的温度值,处理器对处理器之间的最大操作温度变异情况将更容易被管控,因为FSC会努力保持在这个设定温度值之下。采用相对温度而非绝对温度的作法,让这个问题更容易处理,因为每个处理器系统的设计中都具有专属的TCC,它与冷却器(cooler)/散热槽(heatsink)共同使用并产生一个介于机箱和周遭环境(TC-A)之间的特殊热阻抗值。



《图四 PECI数字温度传感器(DTS)相较于温度二极管(TD)的温度读数》
《图四 PECI数字温度传感器(DTS)相较于温度二极管(TD)的温度读数》

一个具有PECI主机的风扇控制器晶片让系统设计者能同时得到PECI介面与DTS改善功能的双重好处。处理器执行温度量测并以一种新的方式来运算,不论是ICH8、FSC或是一颗整合风扇控制的超级I/O晶片,介面系统和/或晶片都会遵循协定来运行。这和过去针对散热所做的考量最大的不同点之一是CPU上可能不只有一个DTS,尤其是在多核心的架构中。目前DTS的位置会有一个或两个,为了处理多个温度感测器的输入,因此必须引入区域的观念。


一个区域包含这颗处理器上所有它能控制的DTS的报告值,当FSC或热量管理系统等外部的PECI装置来询问时,就会提供出目前最热的数值。 BIOS会侦测出处理器的型式为何,并告诉外部的PECI装置究竟有多少的区域。举例来说,双核心Intel Xeon 5100处理器系列包含两颗核心,两颗核心分别有一个区域及一个DTS。有些多核心处理器只有单一区域,有些处理器则会有多重的区域。 (图五)显示Xeon 5100处理器系列的区域通过介面连结至PECI主机。在多核心的产品中,各个处理器中只有TControl的最高输入值会送到热量管理系统。



《图五 双核心Xeon 5100处理器系列的DTS区域》
《图五 双核心Xeon 5100处理器系列的DTS区域》

除了要决定最大的温度值外,Xeon 5100处理器系列的热量资讯处理还包括低通滤波器(low pass filter)和温度平均运算,如(图六)所示。处理器的特殊模组暂存器(Model Specific Register;MSR)支援温度临界值、温度中断,也提供立即的资料。 PECI介面则会为风扇控制​​器提供资料。



《图六 各个核心的DTS信息透过PECI接口传给风扇速度控制器》
《图六 各个核心的DTS信息透过PECI接口传给风扇速度控制器》

迈向智慧型系统控制

PECI与DTS在Xeon处理上展现了效能与功耗效益的双重改善,因此成了新的Intel核心微架中的重要角色,在未来的平台中也会是关键性的一环。 PECI和DTS提供了更准确无误的CPU温度读取,进而能够改善风扇速度的控制以及噪音处理的能力。一个善用PECI介面和DTS 改善能力的分离式外部风扇控制晶片,能为系统设计者提供更多的选项与设计弹性。此系列的下篇文章将探讨智慧性系统控制。 (作者为Andigilog产品应用工程师)


(注:本系列中介绍如何从桌上型电脑及可携式电脑中移除热量及减低噪音的技术原理及解决方案,接下来的系列将陆续介绍:智慧型系统控制、电源供应器中的SST,以及智慧型风扇,敬请期待)


延伸阅读

Core微架构的电源管理机制基本上改良自Pentium M与Yonah的设计。处理器内各功能单元并非随时保持启动状态,可根据预测机制,仅启动需要的功能单元,这点与Pentium M/Yonah相同。由内而外,Core微架构分别针对处理器热量侦测、动态系统电压调整,以及调整系统风扇转速,提供对应的功能。相关介绍请见「2006春季IDF特别报导:深度解析英特尔Core微架构」一文。

由Core架构延伸到主流桌上型电脑核心的Conroe处理器,以及笔记型电脑核心的Merom处理器,已经在5月7日正式商标为Core2 Duo─第二代酷睿处理器。 Intel Core2(ICM)是全新设计的新一代核心架构,跟以往的P6核心截然不同。你可在「 英特尔Conroe/Merom正名制宪─Core 2 Duo」一文中得到进一步的介绍。

有助于获得精确的热管理加上免校准特性,将确保数位温度感测器继续受到欢迎。为满足需多个主元件共存的高可靠性和系统冗余要求,以及对于要求轻松添加新温度感测器的应用而言,I2C汇流排或SMBus将继续保持其作为温度感测器系统介面主要选择的地位。在「 如何为数位温度感测器选择系统介面」一文为你做了相关的评析。

市场动态

华邦电子(Winbond)针对为工作站与伺服器应用,推出硬体监测控制晶片──W83793G。该晶片号称为市面上唯一支援Intel PECI(Platform Environment Control Interface)的单颗硬体监测控制晶片,具备精准的电压、温度侦测,以及SMART FAN I&II风扇管理功能及系统异常保护功能,并支援VRM 11.0、ASF2.0、ARP2.0等规格。相关介绍请见「华邦新款硬体监控晶片支援Intel PECI 」一文。

在PC I/O控制晶片市场占有率极高的联阳半导体(ITE),以原有I/O技术为基础,推出数位温控I/O产品IT8718,除了拥有原I/O功能,包含先进的智慧型线性风扇控制、硬体监控、噪音控制、红外线传输介面、软碟控制外,更可支援Intel最新型微处理器及晶片组温度侦测介面(PECI、SST)。你可在「 联阳领先推出整合数位温控介面的LPC I/O控制晶片」一文中得到进一步的介绍。

Andigilog推出为下一代个人电脑Simple Serial Transport(SST)汇流排而设计的高精确度远端数位温度感测器。 SST汇流排可在个人电脑内以更快速度传送温度和电压等系统控制与管理资讯,Andigilog的温度感测器利用Andigilog的ThermalEdge技术提供准确的温度测量结果,这能让电脑减少风扇使用量以提供更快、更安静和更可靠的操作能力。你可在「 Andigilog温度感测器为SST个人电脑系统管理汇流排所设计 」一文中得到进一步的介绍。

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