Напряжение ядра ЦП ( V CORE ) — это напряжение питания, подаваемое на процессорные ядра ЦП (который представляет собой цифровую схему ), ГП или любое другое устройство с процессорным ядром. Количество потребляемой ЦП мощности и, следовательно, количество рассеиваемого им тепла является произведением этого напряжения и потребляемого им тока . В современных ЦП, которые представляют собой КМОП- схемы, ток почти пропорционален тактовой частоте , ЦП почти не потребляет ток между тактовыми циклами. (Однако см. подпороговую утечку .)
Для экономии энергии и управления тепловыделением 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 регулятора напряжения преобразует напряжение 5 В или 12 В или какое-либо другое напряжение в любое напряжение ядра ЦП, необходимое ЦП.
Тенденция направлена на снижение напряжения ядра, что экономит энергию. Это ставит перед разработчиком КМОП-схемы сложную задачу, поскольку в КМОП-схемах напряжения подаются только на землю, а напряжение питания, а на клеммах истока, затвора и стока полевых транзисторов присутствует только напряжение питания или нулевое напряжение.
Формула MOSFET : гласит, что ток, подаваемый FET, пропорционален напряжению затвор-исток, уменьшенному на пороговое напряжение , которое зависит от геометрической формы канала и затвора FET и их физических свойств, особенно емкости . Для уменьшения (необходимого для уменьшения напряжения питания и увеличения тока) необходимо увеличить емкость. Однако управляемая нагрузка — это другой затвор FET, поэтому требуемый ему ток пропорционален емкости, что, таким образом, требует от разработчика поддерживать емкость на низком уровне.
Таким образом, тенденция к снижению напряжения питания работает против цели высокой тактовой частоты. Только усовершенствования в фотолитографии и снижение порогового напряжения позволяют улучшить оба показателя одновременно. С другой стороны, приведенная выше формула относится к длинноканальным МОП-транзисторам. Поскольку площадь МОП-транзисторов уменьшается вдвое каждые 18–24 месяца ( закон Мура ), расстояние между двумя выводами переключателя МОП-транзистора, называемое длиной канала, становится все меньше и меньше. Это меняет характер взаимосвязи между напряжениями на выводах 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 подразумевает работу процессора за пределами его спецификаций, что может повредить его или сократить срок службы ЦП.
Процессор с двойным напряжением использует конструкцию с раздельными шинами , благодаря чему ядро процессора может использовать более низкое напряжение, в то время как внешние напряжения ввода-вывода ( I/O ) остаются на уровне 3,3 вольта (или 5 вольт для старых процессоров) для обеспечения обратной совместимости.
Процессор с одним напряжением использует одно напряжение питания по всему чипу, обеспечивая как питание ввода-вывода, так и внутреннее питание. Все [ требуется цитата ] процессоры до Pentium MMX являются 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 тепловыделение и проблемы с питанием, особенно в отношении ноутбуков . Используя регулятор напряжения , внешние уровни напряжения ввода-вывода были преобразованы в более низкие напряжения для снижения энергопотребления, что привело к меньшему нагреву для возможности работы на более высоких частотах.
VRT — это функция старых процессоров Intel P5 Pentium , которые обычно предназначены для использования в мобильной среде. Она относится к разделению напряжения питания ядра от напряжения ввода-вывода. Процессор VRT имеет напряжение питания 3,3 В/В и 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 используют этот так называемый раздельный источник питания.
Помимо напряжения ядра ЦП, современные ЦП часто имеют много разных напряжений для компонентов. Одной из причин этого было то, что современные ЦП интегрируют многочисленные компоненты, 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, интегрированная графика, были объединены в один корпус ЦП. Однако, несмотря на общее уменьшение размера транзистора, не все требования к напряжению уменьшаются пропорционально. Некоторые компоненты ЦП могут по-прежнему требовать более высоких напряжений для эффективной работы, что требует использования нескольких уровней напряжения для эффективного питания различных компонентов.
Некоторые примеры различных напряжений в современном процессоре:
