AMD CPUのthermal diode

AMD CPUのthermal diode

初出　2001.06.24
追記　2001.08.29
この私のページは、最初のページにも書きましたようにthermal diodeによってCPUの内部温度を測定することを目的としています。
残念ながら、これまでthermal diodeが内蔵されているCPUはIntelの製品だけでした。CyrixIIIのdata sheetにはthermal diodeの記述があるのですが、CyrixIIIはCeleron互換?にも書きましたように、CyrixIIIにはthermal diodeは搭載されていません。（新しいC3 CPUには搭載されているようです。）

そして、AMDのCPUにもthermal diodeは搭載されていなかったんです。AthlonはPentium系のCPUに比べて発熱が大きいにもかかわらず、温度を測定する方法は、CPUコア外部に取り付けたサーミスタなどのセンサに頼るしかなかったのです。

しかし、噂はありました。AMDが開発している新しいコアのAthlonはthermal diodeを搭載していると。そう、Palominoです。
そして、6月の初旬ついにAMD Athlon^TM MP Processor Model 6 が発売されたのです。同時にAMDのサイトにそのdata sheetが掲載されました。

早速そのdata sheetを確認したところ、thermal diodeが搭載されているという記述がありましたので、その部分の引用をさせていただくことにしました。

data sheetはもちろんすべて英語で書かれていますので、一応日本語訳をつけておきました。ただし、何度も言いますが、私の英語力は中学生程度しかないので、正確な訳になっていない可能性は十分にあります。申し訳ありません。

もし、不適切な訳文を発見された方はお知らせいただけると本当に嬉しく思います。

2001.8.29追記
新しいMorganコアのDuronが販売開始されたと言うことで、AMDのサイトからそのdata sheetをダウンロードしてきました。AMD Duron^TM Processor Model 7 です。
その結果、新コアのDuronにもthermal diodeが搭載されていることが判明しました。
data sheetの記述は下のAthlon MPと全く同一でした。

Ａｔｈｌｏｎ　ＭＰ

以下がAthlon^TM MP Processor Model 6のdata sheetの記述です。

7.13 Thermal Diode Characteristics

Table 14 shows the AMD Athlon MP processor model 6 characteristics of the on board thermal diode

Table 14. Thermal Diode Characteristics

Symbol Parameter Description Min Nom Max Units Notes

Ifw Forward bias current 5 300 μA 1

n Diode ideality factor 1.002 1.008 1.016 2,3,4,5

Notes:

1. The sourcing current should always be used in forward bias only.
2. Characterized at 95℃ with a forward bias current pair of 10 μA and 100 μA.
3. Not 100% tested. Specified by design and limited characterization.
4. The diode ideality factor, n, is a correction factor to the ideal diode equation.

For the following equations, use the following variables and constants:

n　　　diode ideality factor
k　　　Boltzmann constant
q　　　electron charge constant
T　　　diode temperature (Kelvin)
VBE　Voltage from base to emitter
Ic 　　Collector current
Is 　　Saturation current
N　　　Ratio of collector currents

The equation for VBE is:

By sourcing two currents and using the above equation, a difference in base emitter voltage
can be found which leads to the following equation for temperature:

5. If a different sourcing current pair is used other than 10 μA and 100 μA, the following equation
　　should be used to correct the temperature. Subtract this offset from the temperature measured
　　by the temperature sensor.

For the following equations, use the following variables and constants:
　　　Ihigh　　High sourcing current
　　　Ilow　　 Low sourcing current

　　Toffset (in ℃) can be found using the following equation:

7.13 Thermal Diodeの特性

表14はAMD Athlon MP processor model 6 のオンボードthermal diodeの特性である。

表14. Thermal Diodeの特性

記号変数の種類最小標準最大単位注

Ifw 順方向電流 5 300 μA 1

n ダイオード理想化項 1.002 1.008 1.016 2,3,4,5

注:

1. 電流は常に順方向のみで使用しなければならない。
2. 順方向電流が10μAと100μAの組み合わせで、95℃の時の特性。
3. 100%はテストされていない。特性設計上の、限られた記述である。
4. ダイオード理想化項nは、理想ダイオードの特性式からの調整項である。

以下の式においては、次の変数及び定数を使用する。

n　　　ダイオード理想化項
k　　　ボルツマン定数
q　　　電子の電荷素量
T　　　ダイオードの温度（絶対温度）
VBE　ベース・エミッタ間の電圧
Ic 　　コレクタ電流
Is 　　飽和電流
N　　　コレクタ電流比

VBEに付いての特性式は、

２つの電流値と上の特性式、ベース・エミッタ電圧の違いを使うことにより、
次の温度についての式を導くことができる。

5.　もし、10μAと100μAの組み合わせ以外の組み合わせの電流を用いる場合は、温度を修正するために
　　次の式が使用されなければならない。温度センサの測定温度からこの式によるオフセット値を減算する
　　こと。

以下の式においては、次の変数及び定数を使用する。
　　　Ｉhigh　　高い電流値
　　　Ｉlow　　低い電流値

　　Toffset (℃で表示したもの)は次の式によって求められる。

解説しておきます。

まず、表の上の部分は、IntelのCPUでもおなじみのthermal diodeの特性表ですね。
動作可能電流は5～300μAです。またn_ideality値は最小1.002、最大1.016で、標準が1.008となっています。Katmai/Mendochino/Deschutesとかなり近い値ですね。

その下の注がなかなか興味深いです。

注１、２、３、は同じような注がIntelのdata sheetにも存在しています。

注４はダイオードの特性式です。
まずはMAX1617の温度測定原理を見てきて下さい。
注４の最初の式は、MAX1617の温度測定原理の式１の最終項の－１を無視して変形を加えたものです。ちょっと考えれば解ると思います。

次の式は、MAX1617の温度測定原理の式１０と全く同じ式です。

最後に、注５です。
注５に書かれている式は、10μAと100μA以外のダイオード動作電流を使用して温度を測定しようとした場合、まず10μAと100μAの動作電流で測定したと仮定して温度を計算し、その後でこのToffset値を引けば、温度が求められるんだよということが書いてあります。

でも、私に言わせればこれは余計なお世話です。
どんな電流の組み合わせで測定したとしても、その電流値と測定された電圧の差を注４の２番目の式に直接放り込んでやれば温度は計算できます。

一体全体何でこんな式が記載されているのか不思議に思ってしまいます。

さて、次にthermal diodeは一体CPUのどのピンに接続されているかです。
これは、Table 17. Pin Name Abbreviations (Continued)に記載されています。THDA(THERMDA、ダイオード・アノード)がS7ピン、THDC(THERMDC、ダイオード・カソード)がU7ピンになっています。

S7ピンとU7ピンの位置は、data sheetの10 Pin Descriptionsに書いてあります。くれぐれもTopside ViewとBottomside Viewを間違えないように。
図に書けばいいのですが、とりあえず言葉で説明すると、
Athlonを裏側から見ると、ピンがない角が２個所あるはずです。そのピンの無い２つの角が上になるように置いて、上から７列目の左から９個目がS7、１０個目がU7です。

なお、THDAとTHDCピンの説明は、10.3 Detailed Pin Descriptionsのところに次のように書いてあります。

THDA and THDC Pins Thermal Diode anode and cathode pins are used to monitor the actual temperature of the processor die, providing more accurate temperature control to the system.

訳
THDAとTHDCピン、Thermal Diodeのアノードとカソードピンは、プロセッサーダイの実際の温度をモニタするのに使われ、システムコントロールのためのより正確な温度を提供する。

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Symbol	Parameter Description	Min	Nom	Max	Units	Notes
Ifw	Forward bias current	5		300	μA	1
n	Diode ideality factor	1.002	1.008	1.016		2,3,4,5
Notes: 1. The sourcing current should always be used in forward bias only. 2. Characterized at 95℃ with a forward bias current pair of 10 μA and 100 μA. 3. Not 100% tested. Specified by design and limited characterization. 4. The diode ideality factor, n, is a correction factor to the ideal diode equation. For the following equations, use the following variables and constants: n　　　diode ideality factor k　　　Boltzmann constant q　　　electron charge constant T　　　diode temperature (Kelvin) VBE　Voltage from base to emitter Ic 　　Collector current Is 　　Saturation current N　　　Ratio of collector currents The equation for VBE is: By sourcing two currents and using the above equation, a difference in base emitter voltage can be found which leads to the following equation for temperature: 5. If a different sourcing current pair is used other than 10 μA and 100 μA, the following equation 　　should be used to correct the temperature. Subtract this offset from the temperature measured 　　by the temperature sensor. For the following equations, use the following variables and constants: 　　　Ihigh　　High sourcing current 　　　Ilow　　 Low sourcing current 　　Toffset (in ℃) can be found using the following equation:

記号	変数の種類	最小	標準	最大	単位	注
Ifw	順方向電流	5		300	μA	1
n	ダイオード理想化項	1.002	1.008	1.016		2,3,4,5
注: 1. 電流は常に順方向のみで使用しなければならない。 2. 順方向電流が10μAと100μAの組み合わせで、95℃の時の特性。 3. 100%はテストされていない。特性設計上の、限られた記述である。 4. ダイオード理想化項nは、理想ダイオードの特性式からの調整項である。以下の式においては、次の変数及び定数を使用する。 n　　　ダイオード理想化項 k　　　ボルツマン定数 q　　　電子の電荷素量 T　　　ダイオードの温度（絶対温度） VBE　ベース・エミッタ間の電圧 Ic 　　コレクタ電流 Is 　　飽和電流 N　　　コレクタ電流比 VBEに付いての特性式は、２つの電流値と上の特性式、ベース・エミッタ電圧の違いを使うことにより、次の温度についての式を導くことができる。 5.　もし、10μAと100μAの組み合わせ以外の組み合わせの電流を用いる場合は、温度を修正するために　　次の式が使用されなければならない。温度センサの測定温度からこの式によるオフセット値を減算する　　こと。以下の式においては、次の変数及び定数を使用する。　　　Ｉhigh　　高い電流値　　　Ｉlow　　低い電流値　　Toffset (℃で表示したもの)は次の式によって求められる。