基于自適應技術的CPU供電電路系統(tǒng)
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/176541.htm
Intel為其各款處理器產(chǎn)品制定了相應的電壓調(diào)節(jié)模塊(Voltage Regulation Model,VRM)設計規(guī)范,從Prescott核心微處理器開始,電壓調(diào)節(jié)規(guī)范改用VRD(Voltage Regulation Down)來命名,各版本供電設計規(guī)范中VID位數(shù)、電壓調(diào)節(jié)精度和電壓調(diào)節(jié)范圍都各不相同,見表2。
VRD10.0將VID編碼從5位升級到6位,使得電壓調(diào)節(jié)精度從25mV提升到12.5mV,同時VRD10.0還提出了對VID進行動態(tài)調(diào)整的要求。
三、 動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術
摩爾定律在芯片規(guī)模和性能方面的定義無比精確,但它卻忽視了芯片功耗帶來的制約:性能與功耗幾乎是同步提升,到2005年內(nèi)微處理器的最高功耗可能要攀升至150W,但目前采用的風冷或水冷散熱技術所依托的熱傳導方式,都不可能將核心內(nèi)部的熱量迅速帶走,導致核心溫度過高,從而引發(fā)藍屏和死機故障。
動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage adjusting,DVA)技術正是在這種背景下提出來的,其基本思想是根據(jù)CPU核心功率變化適時調(diào)節(jié)供電電壓值,最大限度地減少微處理器的發(fā)熱量。譬如,Prescott處理器的功率達到100W之多,這個功率是指CPU占用率100%時的情況,功耗大小隨CPU的忙碌程度的變化而變化,在系統(tǒng)空閑時CPU實際負荷要小很多。如果CPU輸出的VID維持不變,Vcore將超過CPU的實際需求,從而帶來不必要的電能浪費。
另一方面,當CPU處于十分忙碌的狀態(tài)時,CPU和供電電路自身內(nèi)阻的電壓降會隨電流增加而增加,如果CPU輸出的VID維持不變,Vcore的實際數(shù)值將隨電流的增加而降低,電壓的降低勢必降低CPU的穩(wěn)定性,這是毋庸置疑的。
動態(tài)自適應電壓調(diào)節(jié)技術是一種智能供電技術,與傳統(tǒng)的供電技術相比,動態(tài)VID的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面:
?。?) 向CPU核心(die)提供穩(wěn)定的電壓,提高了CPU工作穩(wěn)定性;
?。?) 根據(jù)CPU工作情況,動態(tài)地將供電電壓調(diào)節(jié)到某一時刻所需的最低水平,使供電電壓“恰好滿足需求”,實現(xiàn)最大限度的節(jié)能。
(3) 如果出現(xiàn)電流猛增的意外情況,VID控制器可以限制電流增加,保護CPU免于因發(fā)熱過多而燒毀。
為了配合CPU內(nèi)VID控制器實現(xiàn)CPU核心電壓的動態(tài)調(diào)節(jié),Intel提出了柔性主板(Flexible Main Board,F(xiàn)MB)概念,并相繼推出了FMB 1.X和FMB2.X設計規(guī)范。為了能夠向CPU提供足夠的電力,降壓電路必須擁有功率足夠的MOSFET器件,同時在電流超標時能及時采取措施讓電流降下來,防止產(chǎn)生過多的熱量摧毀CPU和主板。
四、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)的實現(xiàn)
關于動態(tài)電壓調(diào)整的策略,Intel在VRD10.0設計指南中說得很明白:供電系統(tǒng)需要提供對動態(tài)VID技術的支持,使得CPU中VID控制器通過VID總線每隔5ms對VID進行一次調(diào)整,步長(steps)為12.5mV,直到某一VID能夠滿足要求為止。那么,調(diào)整的根據(jù)是什么呢?
為了描述電壓調(diào)整的過程,首先定義下面3個負載曲線:
電壓最大值Vmax= VID – (RLL* ICC)
電壓典型值Vtype = VID – TOB – (RLL* ICC)
電壓最小值Vmin = VID – 2*TOB – (RLL* ICC)
式中RLL是傳輸線路等效電阻,這里是指電壓調(diào)整電路經(jīng)CPU插座(Socket)到CPU引腳之間的阻抗,包括導線電阻和CPU引腳與插座間的接觸電阻。由于RLL的存在,使得在主板輸出電壓與實際提供給CPU核心電壓之間存在一個落差。電壓跌落隨ICC的增加而線性增加,因此RLL是負載線的斜率。TOB是由制造誤差和溫度漂移等因素形成的誤差。
CPU中VID控制器采用“查表式”調(diào)節(jié)方式,圖5描述了處理器電壓調(diào)低的過程。處理器開始時負荷比較高,隨著負荷的減輕,實際電壓隨ICC減少而升高,并停止執(zhí)行VID編碼(①→②);進入狀態(tài)②之后,處理器經(jīng)過短暫延時,以便為降低VID的操作做準備,然后對VID編碼進行初始化,導致電流拉回到狀態(tài)③;從狀態(tài)③到狀態(tài)④的變化,表示VID降低,從初始負載線窗口轉(zhuǎn)入較低的負載線窗口;從狀態(tài)④到狀態(tài)⑤表示在較低的VID負載窗口中,VCC隨ICC變化的瞬態(tài)過程。VID從低到高的調(diào)整過程與上述過程相反。
圖5 負載線
五、結(jié)語
供電系統(tǒng)的工作質(zhì)量關系到計算機系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全,供電系統(tǒng)工作不好,就等于計算機患了心臟病。自適應供電技術不僅方便了用戶,也增加了CPU供電的安全性;動態(tài)供電使供電電壓恰好滿足CPU需求,不僅提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,還降低了CPU功耗。除此以外,作為一種智能化供電技術,動態(tài)供電技術對實現(xiàn)過流保護和過熱保護等保護功能也更加方便了。
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