Напряжение ядра процессора

Напряжение ядра ЦП ( V _CORE ) — это источника питания, напряжение подаваемое на вычислительные ядра ЦП ( который представляет собой цифровую схему ), графического процессора или любого другого устройства с вычислительным ядром. Количество энергии, которую использует процессор, и, следовательно, количество тепла, которое он рассеивает, является произведением этого напряжения и тока , который он потребляет. В современных процессорах, которые представляют собой схемы КМОП , ток почти пропорционален тактовой частоте , процессор почти не потребляет ток между тактовыми циклами. (Однако см. подпороговую утечку .)

Энергосбережение и тактовая частота

Для экономии энергии и управления теплом многие процессоры ноутбуков и настольных компьютеров имеют функцию управления питанием , которую программное обеспечение (обычно операционная система ) может использовать для динамической регулировки тактовой частоты и напряжения ядра .

Часто модуль стабилизатора напряжения преобразует напряжение 5 В, 12 В или какое-либо другое напряжение в любое напряжение ядра ЦП, необходимое ЦП.

Тенденция направлена на снижение напряжения ядра, что позволяет экономить энергию. Это представляет собой сложную задачу для разработчика КМОП, поскольку в КМОП напряжения идут только на землю, а напряжение питания, клеммы истока, затвора и стока полевых транзисторов имеют только напряжение питания или нулевое напряжение на них.

Формула МОП-транзистора : $\,I_{D}=k((V_{GS}-V_{tn})V_{DS}-(V_{DS}/2)^{2})$ говорит, что нынешний $I_{D}$ подаваемый полевым транзистором, пропорционально напряжению затвор-исток, уменьшенному на пороговое напряжение $V_{tn}$ , которая зависит от геометрической формы канала и затвора полевого транзистора и их физических свойств, особенно емкости . Чтобы уменьшить $V_{tn}$ (необходимо уменьшить напряжение питания и увеличить ток) надо увеличить емкость. Однако управляемая нагрузка представляет собой другой затвор полевого транзистора, поэтому требуемый ток пропорционален емкости, что требует от разработчика поддерживать емкость на низком уровне.

Таким образом, тенденция к снижению напряжения питания противоречит цели повышения тактовой частоты. Только усовершенствования в фотолитографии и снижение порогового напряжения позволяют улучшить и то, и другое одновременно. С другой стороны, приведенная выше формула предназначена для МОП-транзисторов с длинным каналом. Поскольку площадь MOSFET-транзисторов уменьшается вдвое каждые 18-24 месяца ( закон Мура ), расстояние между двумя выводами MOSFET-переключателя, называемое длиной канала, становится все меньше и меньше. Это меняет характер связи между напряжением на клеммах и током.

Разгон процессора увеличивает его тактовую частоту за счет стабильности системы. Чтобы выдерживать более высокие тактовые частоты, часто требуется более высокое напряжение ядра за счет энергопотребления и рассеивания тепла. Это называется «перенапряжение» . ^[1] Перенапряжение обычно приводит к выходу процессора за пределы его технических характеристик, что может привести к его повреждению или сокращению срока службы процессора.

ЦП с двойным напряжением

ЦП с двойным напряжением поэтому использует конструкцию с разделенной шиной, ядро процессора может использовать более низкое напряжение, в то время как напряжение внешнего ввода/вывода ( I/O ) остается на уровне 3,3 В для обратной совместимости.

ЦП с одним напряжением использует одно напряжение питания по всему чипу, обеспечивая как питание ввода-вывода, так и внутреннее питание. Все ^{[ нужна ссылка ]} Процессоры до Pentium MMX были процессорами с одним напряжением.

Процессоры с двойным напряжением были введены для повышения производительности, когда увеличение тактовой частоты и более тонкие процессы изготовления полупроводников вызывали избыточное выделение тепла и проблемы с питанием, особенно в отношении портативных компьютеров . С помощью регулятора напряжения уровни напряжения внешнего ввода-вывода были преобразованы в более низкие напряжения для снижения энергопотребления, что привело к меньшему выделению тепла и возможности работы на более высоких частотах.

VRT — это функция старых процессоров Intel P5 Pentium , которые обычно предназначены для использования в мобильной среде. Это относится к отделению напряжения питания ядра от напряжения ввода-вывода. Процессор VRT имеет напряжение ввода-вывода 3,3 и напряжение ядра 2,9 В для экономии энергии по сравнению с типичным процессором Pentium, у которого напряжение ввода-вывода и ядра составляет 3,3 В. Все процессоры Pentium MMX и более поздние версии использовали этот так называемый блок питания с разделенной шиной.

Многовольтный процессор

Помимо напряжения ядра процессора, современные процессоры часто имеют множество различных напряжений для компонентов. Одной из причин этого было то, что современные процессоры объединяют множество компонентов, которые когда-то были отдельными интегральными схемами (ИС). По мере развития полупроводниковых технологий такие функции, как ядра ЦП, контроллеры памяти, контроллеры PCIe и, в некоторых случаях, встроенная графика, были объединены в один процессорный пакет. Однако, несмотря на общее уменьшение размеров транзисторов, не все требования к напряжению уменьшаются пропорционально. Некоторым компонентам ЦП для эффективной работы все еще может потребоваться более высокое напряжение, что приводит к необходимости использования нескольких уровней напряжения для эффективного питания различных компонентов.

Несколько примеров различных напряжений в современном процессоре:

Напряжение ядра (Vcore): первичное напряжение, подаваемое непосредственно на ядра ЦП.
Напряжение кэша (Vcache). Некоторые процессоры имеют отдельные домены напряжения для кэша L2.
Неядерное напряжение/напряжение системного агента (VCCSA). В некоторых архитектурах «неядерное» включает в себя такие компоненты, как кэш L3, контроллер памяти и системный агент, а также другие взаимосвязанные компоненты.
Входное/выходное напряжение (VCCIO): это напряжение обычно управляет интерфейсами ввода/вывода процессора, включая контроллеры памяти и интерфейсы PCIe.
Напряжения ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты): ФАПЧ генерируют частоты, используемые компонентами ЦП.
Напряжение интегрированной графики (VGT): процессоры со встроенной графикой могут иметь отдельную область напряжения для части графического процессора.

См. также

Ссылки

^ Виктория Жислина (19 февраля 2014 г.). «Почему частота процессора перестала расти?» . Интел.

Внешние ссылки

Статья на Hardwareanaанализ.com о том, как повысить напряжение для разгона. Архивировано 19 сентября 2012 г. на Wayback Machine.
Иллюстрированное руководство по процессорам Pentium (Karbos Guide). Архивировано 2 октября 2017 г. в Wayback Machine.
Напряжение процессора >> ПК-механик

[1] Виктория Жислина (19 февраля 2014 г.). «Почему частота процессора перестала расти?» . Интел.

[1]