在2006年6月推出的64位元雙核心Xeon 5100處理器系列，正是採用Intel平台環境控制介面（Platform Environmental Control Interface；PECI）協定和數位溫度感測器（Digital Thermal Sensor；DTS）的最新應用之一。這兩項技術都是整合在新的Intel核心微架構（Core Microarchitecture）之中的一部分。相較於上一代的Intel伺服器產品，採用PECI和DTS的Xeon 5100處理器系列能提供135％的效能改善，以及降低40％的耗電狀況。在這個專欄系列中的第四篇文章中將介紹這兩項技術，並探討其在系統層面的使用議題。

PECI通訊

Intel專屬的平台環境控制介面是單線SST協定的一個子集，它專門用來報告CPU的溫度，而不負責溝通電壓方面的資訊（關於SST的介紹請參考專欄系列三）。這個單線匯流排介面和SST很相似，它的頻寬範圍從2Kbps到2Mbps，為保證資料的正確性，PECI使用循環冗餘碼校驗（Cyclical Redundancy Check；CRC）位元組來進行錯誤檢驗。由於它只是完整SST協定的一個子集，所以並不會用到SST的所有指令，不過，像是取得溫度“GetTemp0()”的SST指令和PECI是一樣的。

在一開始的應用階段，PECI是CPU和I/O控制中心（ICH8）的連結介面，不過，這並非唯一的主機方式。如(圖一)所示，PECI主控制器可以嵌入在ICH8晶片組當中，也可以嵌入在外部的風扇速度控制器當中。從CPU的角度來看，PECI匯流排並不知道有什麼在傳遞，只會等待指令去讀取溫度狀況；需要知道CPU溫度的是ICH8和外部的風扇速度控制（fan speed control；FSC）IC。

《圖一　在Xeon 5100系列處理器中的PECI拓樸架構》

PECI的電性規範和SST相似，它也預期I/O的電源軌（power rail）電壓是較低和可變的，而且是從CPU供電給PECI主機。以SST來說，用戶會提供1.5V的軌電壓，而兩端都預期會在這個電壓的可承受範圍內，和TTL介面相似。PECI存在的理由之一，就是在處理器之外產生SST通訊上所需要的1.5V軌電壓。由於核心電壓已被控制，這讓PECI具有簡化的電源，也讓它比SST更容易建置，成本也更便宜。

PECI的動態電壓及依賴CPU的電壓，在定義上和提供給處理器來啟動電源及驅動I/O緩衝電路（VTT）的電壓是相同的。輸入電壓（Vin）有一個最大值是VTT+0.15V，以及最小值-0.15V。負向邊緣臨界電壓（negative-edge threshold voltage）在定義上是介於0.500*VTT (max)和0.275*VTT (min)之間；正向邊緣臨界電壓（positive-edge threshold voltage）則是介於0.725*VTT (max)和0.550*VTT (min)之間。如(圖二)所示，最小的滯後電壓值（hysteresis value）定義為0.1*VTT。

《圖二　針對PECI輸入設備的磁滯現象，使用Schmitt觸發輸入（Schmitt-triggered input）來改善雜訊的抗擾性》

由於PECI只負責報告溫度值，因此它並不需要具備和SST相同的協定內容細節。這能降低CPU端的額外負載（overhead），以及降低用來傳輸所需的電路。不過，PECI需要用到兩個腳位，一個用來通訊，一個用於電壓。從用戶端的角度來看，SST只需要一個用於通訊的腳位即可，因為電壓並未被帶出，它是從內部的3V電源軌來獲得。

數位溫度感測器DTS

數位溫度感測器（DTS）是一個具有類比轉數位溫度轉換器的晶片上溫度感測器。這個工廠校準（factory-calibrated）的DTS能改善先前用來指示處理器溫度的晶片上溫度二極體（thermal diode；TD）的準確度。當DTS進行感測並將結果儲存在CPU暫存器後，PECI就能從DTS處獲得資料；在其他的情況下只能透過BIOS來直接取得資料。

DTS在CPU晶片上位於更佳的位置。雖然它並不正好位於實際的熱源（hot spot）上頭，因為這樣會影響到CPU的運算能力，不過相較於溫度二極體來說，它的位置已改善許多。在CPU上最熱到最冷的區域，可以相差20～40?C，有時溫度梯度甚至會更高。溫度梯度的變化和熱量移除介面的能力是成比例的，採用好的散熱槽（熱阻抗低），熱源的高溫狀況可以降低；若採用熱阻抗較高的散熱槽，溫度變化的情況將會很糟。對CPU最高溫度的量測總是要有些妥協，這又和溫度變化的情況息息相關。此外，當風扇將熱量移走後，熱源可能會改變。由於熱量管理的需求不斷提升，DTS的出現能為過去使用TD的情況帶來很大的改善。（相關介紹請參考專欄系列二）

PECI和DTS的運作模式

PECI從DTS處獲得的溫度報告是負值，這是相對於CPU熱量控制電路（thermal control circuit；TCC）設定的一個數值；相較之下，採用SST所獲得的溫度報告則是真實的溫度（也就是當要求溫度報告時，得到的溫度值單位是?C）。TCC是處理器必須採取行動來降低自己高溫狀況的一個溫度，可能採取的行動包括降低核心電壓，或對電壓調節器下達降低核心電壓的指令，它也可以降低時脈速度。這種安全措施（failsafe）的狀況並不是一種理想狀況。它完全是用來降低處理器所產生的高熱量，而如(圖三)所示，隨著溫度的上升，在到達TCC運作溫度之前，Tcontrol的設定值已經到了，這個值也是負值。

《圖三　DTS和Tcontrol的相互作用》

在正常的操作狀況下，溫度的控制必須比TControl的設定再低大約8～10?C，如(圖四)所示。但如果風扇已經以全速操作，而溫度還是持續在上升時，安全措施就會啟動。DTS採用與既有的感測器相同的PROCHOT#輸出信號來指示最大安全操作溫度已經達到（也就是內部熱量控制電路需要被啟動）。採用負的溫度值，處理器對處理器之間的最大操作溫度變異情況將更容易被管控，因為FSC會努力保持在這個設定溫度值之下。採用相對溫度而非絕對溫度的作法，讓這個問題更容易處理，因為每個處理器系統的設計中都具有專屬的TCC，它與冷卻器（cooler）/散熱槽（heatsink）共同使用並產生一個介於機箱和週遭環境（TC-A）之間的特殊熱阻抗值。

《圖四　PECI數位溫度感測器（DTS）相較於溫度二極體（TD）的溫度讀數》

一個具有PECI主機的風扇控制器晶片讓系統設計者能同時得到PECI介面與DTS改善功能的雙重好處。處理器執行溫度量測並以一種新的方式來運算，不論是ICH8、FSC或是一顆整合風扇控制的超級I/O晶片，介面系統和/或晶片都會遵循協定來運行。這和過去針對散熱所做的考量最大的不同點之一是CPU上可能不只有一個DTS，尤其是在多核心的架構中。目前DTS的位置會有一個或兩個，為了處理多個溫度感測器的輸入，因此必須引入區域的觀念。

一個區域包含這顆處理器上所有它能控制的DTS的報告值，當FSC或熱量管理系統等外部的PECI裝置來詢問時，就會提供出目前最熱的數值。BIOS會偵測出處理器的型式為何，並告訴外部的PECI裝置究竟有多少的區域。舉例來說，雙核心Intel Xeon 5100處理器系列包含兩顆核心，兩顆核心分別有一個區域及一個DTS。有些多核心處理器只有單一區域，有些處理器則會有多重的區域。(圖五)顯示Xeon 5100處理器系列的區域通過介面連結至PECI主機。在多核心的產品中，各個處理器中只有TControl的最高輸入值會送到熱量管理系統。

《圖五　雙核心Xeon 5100處理器系列的DTS區域》

除了要決定最大的溫度值外，Xeon 5100處理器系列的熱量資訊處理還包括低通濾波器（low pass filter）和溫度平均運算，如(圖六)所示。處理器的特殊模組暫存器（Model Specific Register；MSR）支援溫度臨界值、溫度中斷，也提供立即的資料。PECI介面則會為風扇控制器提供資料。

《圖六　各個核心的DTS資訊透過PECI介面傳給風扇速度控制器》

邁向智慧型系統控制

PECI與DTS在Xeon處理上展現了效能與功耗效益的雙重改善，因此成了新的Intel核心微架中的重要角色，在未來的平台中也會是關鍵性的一環。PECI和DTS提供了更準確無誤的CPU溫度讀取，進而能夠改善風扇速度的控制以及噪音處理的能力。一個善用PECI介面和DTS 改善能力的分離式外部風扇控制晶片，能為系統設計者提供更多的選項與設計彈性。此系列的下篇文章將探討智慧性系統控制。（作者為Andigilog產品應用工程師）

（註：本系列中介紹如何從桌上型電腦及可攜式電腦中移除熱量及減低噪音的技術原理及解決方案，接下來的系列將陸續介紹：智慧型系統控制、電源供應器中的SST，以及智慧型風扇，敬請期待）

延伸閱讀

Core微架構的電源管理機制基本上改良自Pentium M與Yonah的設計。處理器內各功能單元並非隨時保持啟動狀態，可根據預測機制，僅啟動需要的功能單元，這點與Pentium M/Yonah相同。由內而外，Core微架構分別針對處理器熱量偵測、動態系統電壓調整，以及調整系統風扇轉速，提供對應的功能。相關介紹請見「2006春季IDF特別報導：深度解析英特爾Core微架構」一文。 由Core架構延伸到主流桌上型電腦核心的Conroe處理器，以及筆記型電腦核心的Merom處理器，已經在5月7日正式商標為Core2 Duo─第二代酷睿處理器。Intel Core2（ICM）是全新設計的新一代核心架構，跟以往的P6核心截然不同。你可在「 英特爾Conroe/Merom正名智現─Core2 Duo」一文中得到進一步的介紹。 有助於獲得精確的熱管理加上免校準特性，將確保數位溫度感測器繼續受到歡迎。為滿足需多個主元件共存的高可靠性和系統冗餘要求，以及對於要求輕鬆添加新溫度感測器的應用而言，I2C匯流排或SMBus將繼續保持其作為溫度感測器系統介面主要選擇的地位。在「 如何為數位溫度感測器選擇系統介面」一文為你做了相關的評析。

市場動態

華邦電子（Winbond）針對為工作站與伺服器應用，推出硬體監測控制晶片──W83793G。該晶片號稱為市面上唯一支援Intel PECI（Platform Environment Control Interface）的單顆硬體監測控制晶片，具備精準的電壓、溫度偵測，以及SMART FAN I&II風扇管理功能及系統異常保護功能，並支援VRM 11.0、ASF2.0、ARP2.0等規格。相關介紹請見「華邦新款硬體監控晶片支援Intel PECI 」一文。 在PC I/O控制晶片市場占有率極高的聯陽半導體（ITE），以原有I/O技術為基礎，推出數位溫控I/O產品IT8718，除了擁有原I/O功能，包含先進的智慧型線性風扇控制、硬體監控、噪音控制、紅外線傳輸介面、軟碟控制外，更可支援Intel最新型微處理器及晶片組溫度偵測介面（PECI、SST）。你可在「 聯陽領先推出整合數位溫控介面的LPC I/O控制晶片」一文中得到進一步的介紹。 Andigilog推出為下一代個人電腦Simple Serial Transport（SST）匯流排而設計的高精確度遠端數位溫度感測器。SST匯流排可在個人電腦內以更快速度傳送溫度和電壓等系統控制與管理資訊，Andigilog的溫度感測器利用Andigilog的ThermalEdge技術提供準確的溫度測量結果，這能讓電腦減少風扇使用量以提供更快、更安靜和更可靠的操作能力。你可在「 Andigilog溫度感測器為SST個人電腦系統管理匯流排所設計 」一文中得到進一步的介紹。