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 понижение напряжения . Понижение напряжения выполняется для экономии энергии , особенно в ноутбуках и других мобильных устройствах , где энергия поступает от батареи и, таким образом, ограничена, или, в редких случаях, для повышения надежности. Повышенное напряжение выполняется для поддержки более высоких частот для производительности .
Термин «перенапряжение» также используется для обозначения повышения статического рабочего напряжения компонентов компьютера для обеспечения работы на более высокой скорости ( разгон ).
Цифровые схемы на основе MOSFET работают, используя напряжения в узлах схемы для представления логического состояния. Напряжение в этих узлах переключается между высоким и низким напряжением во время нормальной работы — когда входы логического вентиля изменяют свое состояние, транзисторы, составляющие этот вентиль, могут переключать выход вентиля.
Переключение состояния MOSFET требует изменения напряжения на его затворе с уровня ниже порогового напряжения транзистора на уровень выше его (или с уровня выше его на уровень ниже его). Однако изменение напряжения на затворе 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 (скорости изменения напряжения за единицу времени) при зарядке и разрядке, что позволяет быстрее проходить пороговое напряжение MOSFET. Кроме того, чем больше напряжение затвора превышает пороговое напряжение, тем меньше сопротивление проводящего канала транзистора. Это приводит к меньшей 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 контролировать регулировку напряжения с помощью программного обеспечения (например, через BIOS ). Обычно можно контролировать напряжения, подаваемые на ЦП, ОЗУ , PCI и порт PCI Express (или AGP ) через BIOS ПК.
Однако некоторые компоненты не позволяют программно управлять напряжением питания, и оверклокерам, желающим перенапряжить компонент для экстремального разгона, требуется аппаратная модификация. Видеокарты и северные мосты материнских плат — это компоненты, которые часто требуют аппаратных модификаций для изменения напряжения питания. Эти модификации известны в сообществе оверклокеров как «модификации напряжения» или «Vmod».
Андервольтинг — это снижение напряжения компонента, обычно процессора, снижение требований к температуре и охлаждению, а также возможность отказа от вентилятора. Как и разгон, андервольтинг в значительной степени подвержен так называемой кремниевой лотерее: один процессор может понизить напряжение немного лучше, чем другой, и наоборот.
Мощность переключения , рассеиваемая чипом с использованием статических затворов КМОП , равна , где - емкость , переключаемая за такт, - напряжение питания , - частота переключения, [1] и - коэффициент активности. Поскольку - квадрат, эта часть потребляемой мощности уменьшается квадратично с напряжением. Однако формула не точна, поскольку многие современные чипы не реализованы 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 становится все более и более выраженным по мере того, как размеры элементов становятся меньше (менее 90 нанометров) и пороговые уровни ниже.
Соответственно, динамическое масштабирование напряжения широко используется как часть стратегий управления потреблением мощности переключения в устройствах с питанием от батареи, таких как мобильные телефоны и ноутбуки. Режимы низкого напряжения используются в сочетании с пониженными тактовыми частотами для минимизации потребления энергии, связанного с такими компонентами, как ЦП и ЦСП; только когда требуется значительная вычислительная мощность, напряжение и частота будут повышены.
Некоторые периферийные устройства также поддерживают режимы работы с низким напряжением. Например, карты MMC и SD с низким энергопотреблением могут работать как при 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 существенным фактором с точки зрения энергопотребления, чипы часто проектируются так, чтобы их части могли быть полностью отключены. Обычно это не рассматривается как динамическое масштабирование напряжения, поскольку оно непрозрачно для программного обеспечения. Когда части чипов могут быть отключены, как, например, на процессорах TI OMAP3 , драйверы и другое вспомогательное программное обеспечение должны поддерживать это.
Скорость, с которой цифровая схема может переключать состояния, то есть переходить из состояния «низкий» ( VSS ) в состояние «высокий» ( VDD ) или наоборот, пропорциональна разнице напряжений в этой схеме. Уменьшение напряжения означает, что схемы переключаются медленнее, что снижает максимальную частоту, на которой эта схема может работать. Это, в свою очередь, снижает скорость, с которой могут быть выданы инструкции программы, что может увеличить время выполнения для сегментов программы, которые в достаточной степени привязаны к процессору.
Это снова подчеркивает, почему динамическое масштабирование напряжения обычно выполняется в сочетании с динамическим масштабированием частоты, по крайней мере для ЦП. Необходимо учитывать сложные компромиссы, которые зависят от конкретной системы, нагрузки, представляемой ей, и целей управления питанием. Когда требуются быстрые ответы (например, мобильные датчики и контекстно-зависимые вычисления ), тактовые частоты и напряжения могут быть повышены одновременно. В противном случае они оба могут поддерживаться на низком уровне, чтобы максимизировать срок службы батареи.
167-процессорный чип AsAP 2 позволяет отдельным процессорам производить чрезвычайно быстрые (порядка 1-2 нс) и локально контролируемые изменения собственных напряжений питания. Процессоры подключают свою локальную электросеть либо к более высокому (VddHi), либо к более низкому (VddLow) напряжению питания, или могут быть полностью отключены от любой из сетей, чтобы резко сократить мощность утечки.
Другой подход использует внутрикристальные импульсные регуляторы для каждого ядра для динамического масштабирования напряжения и частоты (DVFS). [2]
Система Unix предоставляет регулятор пользовательского пространства, позволяющий изменять частоты ЦП [ требуется ссылка ] (хотя и ограниченный возможностями оборудования).
Динамическое масштабирование частоты — это еще один метод энергосбережения, работающий по тем же принципам, что и динамическое масштабирование напряжения. Как динамическое масштабирование напряжения, так и динамическое масштабирование частоты могут использоваться для предотвращения перегрева компьютерной системы, что может привести к сбоям программы или операционной системы , а также к возможному повреждению оборудования. Уменьшение напряжения, подаваемого на ЦП, ниже рекомендуемого производителем минимального значения может привести к нестабильности системы.
Эффективность некоторых электрических компонентов, таких как регуляторы напряжения, снижается с ростом температуры, поэтому потребляемая мощность может увеличиваться с температурой, вызывая тепловой разгон . Увеличение напряжения или частоты может увеличить требования к мощности системы даже быстрее, чем показывает формула CMOS, и наоборот. [3] [4]
Основной недостаток перенапряжения — повышенное тепловыделение: мощность, рассеиваемая схемой, увеличивается пропорционально квадрату приложенного напряжения, поэтому даже небольшое увеличение напряжения существенно влияет на мощность. При более высоких температурах производительность транзистора ухудшается, и при некотором пороговом значении снижение производительности из-за тепла превышает потенциальный выигрыш от более высоких напряжений. Перегрев и повреждение схем могут произойти очень быстро при использовании высоких напряжений.
Существуют также долгосрочные проблемы: различные неблагоприятные эффекты на уровне устройств, такие как инжекция горячих носителей и электромиграция, происходят быстрее при более высоких напряжениях, что сокращает срок службы компонентов, подверженных перенапряжению.
Чтобы смягчить повышенное тепло от перенапряжения, рекомендуется использовать жидкостное охлаждение для достижения более высоких потолков и порогов, чем вы обычно делаете с кулерами стороннего рынка. Также известные как кулеры «все в одном» (AIO), они предлагают гораздо более эффективный метод охлаждения блока, перемещая тепло за пределы корпуса компьютера через вентиляторы на радиаторе, тогда как воздушное охлаждение только рассеивает тепло от затронутого блока, повышая общую температуру окружающей среды. [5]
