В компьютерной архитектуре динамическое масштабирование напряжения — это метод управления питанием , при котором напряжение, используемое в компоненте, увеличивается или уменьшается в зависимости от обстоятельств. Динамическое масштабирование напряжения для увеличения напряжения известно как перенапряжение ; Динамическое масштабирование напряжения для уменьшения напряжения известно как пониженное напряжение . Понижение напряжения делается для экономии энергии , особенно в ноутбуках и других мобильных устройствах , где энергия поступает от аккумулятора и поэтому ограничена, или, в редких случаях, для повышения надежности. Перенапряжение делается для того, чтобы поддерживать более высокие частоты для повышения производительности .
Термин «перенапряжение» также используется для обозначения увеличения статического рабочего напряжения компонентов компьютера , чтобы обеспечить работу на более высокой скорости ( разгон ).
Цифровые схемы на основе MOSFET работают с использованием напряжений в узлах схемы для представления логического состояния. Напряжение в этих узлах переключается между высоким и низким напряжением во время нормальной работы — когда входы логического затвора переходят, транзисторы, составляющие этот затвор, могут переключать выход затвора.
Для переключения состояния полевого МОП-транзистора необходимо изменить напряжение на его затворе с уровня ниже порогового напряжения транзистора на уровень выше него (или с уровня выше порогового напряжения на уровень ниже него). Однако изменение напряжения затвора требует зарядки или разрядки емкости в его узле. Эта емкость представляет собой сумму емкостей из различных источников: в первую очередь емкости затвора транзистора , диффузионной емкости и проводов ( емкости связи ).
Более высокие напряжения питания приводят к более высокой скорости нарастания напряжения (скорости изменения напряжения в единицу времени) при зарядке и разрядке, что позволяет быстрее переходить через пороговое напряжение МОП-транзистора. Кроме того, чем больше напряжение затвора превышает пороговое напряжение, тем ниже сопротивление проводящего канала транзистора. Это приводит к уменьшению постоянной времени RC для более быстрой зарядки и разрядки емкости последующего логического каскада. Более быстрый переход, обеспечиваемый более высокими напряжениями питания, позволяет работать на более высоких частотах.
Многие современные компоненты позволяют управлять регулировкой напряжения через программное обеспечение (например, через BIOS ). Обычно можно контролировать напряжение, подаваемое на процессор, ОЗУ , PCI и порт PCI Express (или AGP ) через BIOS компьютера.
Однако некоторые компоненты не позволяют программно управлять напряжением питания, и оверклокерам, стремящимся повысить напряжение компонента для экстремального разгона, требуется модификация оборудования. Видеокарты и северные мосты материнской платы — это компоненты, которые часто требуют аппаратной модификации для изменения напряжения питания. Эти модификации известны в сообществе оверклокеров как «моды напряжения» или «Vmod».
Андервольтинг — это снижение напряжения компонента, обычно процессора, снижение требований к температуре и охлаждению и, возможно, позволяет отказаться от вентилятора. Как и при разгоне, пониженное напряжение во многом зависит от так называемой кремниевой лотереи: один процессор может снизить напряжение немного лучше, чем другой, и наоборот.
Мощность переключения, рассеиваемая микросхемой с использованием статических КМОП- вентилей , равна , где – переключаемая емкость за такт, – напряжение питания , – частота переключения, [1] и – коэффициент активности. Поскольку находится в квадрате, эта часть потребляемой мощности уменьшается квадратично с напряжением. Однако формула не точна, так как многие современные чипы реализованы не с использованием 100% КМОП, а также используют специальные схемы памяти, динамическую логику , такую как логика домино и т. д. Кроме того, существует также статический ток утечки , который стал больше и становится более выраженным, поскольку размеры элементов становятся меньше (ниже 90 нанометров), а пороговые уровни ниже.
Соответственно, динамическое масштабирование напряжения широко используется как часть стратегии управления энергопотреблением при переключении в устройствах с батарейным питанием, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры. Режимы низкого напряжения используются в сочетании с пониженными тактовыми частотами для минимизации энергопотребления, связанного с такими компонентами, как ЦП и DSP; только когда необходима значительная вычислительная мощность, напряжение и частота будут повышаться.
Некоторые периферийные устройства также поддерживают режимы работы с низким напряжением. Например, карты MMC и SD с низким энергопотреблением могут работать как при напряжении 1,8 В, так и при 3,3 В, а стеки драйверов могут экономить энергию, переключаясь на более низкое напряжение после обнаружения карты, которая его поддерживает.
Когда ток утечки является важным фактором с точки зрения энергопотребления, микросхемы часто проектируются таким образом, что некоторые их части могут быть полностью отключены. Обычно это не рассматривается как динамическое масштабирование напряжения, поскольку оно непрозрачно для программного обеспечения. Когда части микросхем могут быть отключены, как, например, в процессорах TI OMAP3 , драйверы и другое вспомогательное программное обеспечение должны поддерживать это.
Скорость, с которой цифровая схема может переключать состояния, то есть переходить от «низкого» ( VSS ) к «высокому» ( VDD ) или наоборот, пропорциональна разности напряжений в этой схеме. Снижение напряжения означает, что цепи переключаются медленнее, что снижает максимальную частоту, на которой может работать эта схема. Это, в свою очередь, снижает скорость выполнения программных инструкций, что может увеличить время выполнения сегментов программы, которые достаточно загружены ЦП.
Это еще раз подчеркивает, почему динамическое масштабирование напряжения обычно выполняется в сочетании с динамическим масштабированием частоты, по крайней мере, для процессоров. Необходимо учитывать сложные компромиссы, которые зависят от конкретной системы, нагрузки на нее и целей управления питанием. Когда необходимы быстрые реакции (например, мобильные датчики и контекстно-зависимые вычисления ), тактовая частота и напряжение могут повышаться одновременно. В противном случае они оба могут оставаться на низком уровне, чтобы продлить срок службы батареи.
167-процессорный чип AsAP 2 позволяет отдельным процессорам выполнять чрезвычайно быстрые (порядка 1–2 нс) и локально контролируемые изменения напряжения питания. Процессоры подключают свою локальную электросеть либо к более высокому (VddHi), либо к более низкому (VddLow) напряжению питания, либо их можно полностью отключить от любой сети, чтобы резко сократить мощность утечки.
Другой подход использует встроенные в каждое ядро импульсные стабилизаторы для динамического масштабирования напряжения и частоты (DVFS). [2]
Система Unix предоставляет регулятор пользовательского пространства, позволяющий изменять частоты процессора (хотя и ограничивается аппаратными возможностями).
Динамическое масштабирование частоты — это еще один метод энергосбережения, который работает по тем же принципам, что и динамическое масштабирование напряжения. Как динамическое масштабирование напряжения, так и динамическое масштабирование частоты можно использовать для предотвращения перегрева компьютерной системы, который может привести к сбоям программы или операционной системы и , возможно, к повреждению оборудования. Снижение напряжения, подаваемого на ЦП, ниже рекомендованного производителем минимального значения может привести к нестабильности системы.
Эффективность некоторых электрических компонентов, таких как регуляторы напряжения, снижается с повышением температуры, поэтому потребляемая мощность может увеличиваться с увеличением температуры, вызывая тепловой разгон . Увеличение напряжения или частоты может привести к увеличению энергопотребления системы даже быстрее, чем указано в формуле КМОП, и наоборот. [3] [4]
Основным предостережением при перенапряжении является повышенное выделение тепла: мощность, рассеиваемая цепью, увеличивается пропорционально квадрату приложенного напряжения, поэтому даже небольшое увеличение напряжения существенно влияет на мощность. При более высоких температурах производительность транзистора ухудшается, и при некотором пороге снижение производительности из-за нагрева превышает потенциальный выигрыш от более высоких напряжений. Перегрев и повреждение цепей могут произойти очень быстро при использовании высоких напряжений.
Существуют и более долгосрочные проблемы: различные неблагоприятные эффекты на уровне устройства, такие как инжекция горячих носителей и электромиграция , происходят быстрее при более высоких напряжениях, сокращая срок службы компонентов, находящихся под перенапряжением.
