Войти
Динамическое масштабирование напряжения - это метод управления питанием в компьютерной архитектуре, где напряжение, используемое в компоненте, увеличивается или уменьшается в зависимости от на обстоятельства. Динамическое масштабирование напряжения для увеличения напряжения известно как перенапряжение ; масштабирование динамического напряжения для уменьшения напряжения известно как пониженное напряжение . Пониженное напряжение 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. Перенапряжение сделано для увеличения производительности компьютера.
Термин «перенапряжение» также используется для обозначения увеличения статического рабочего напряжения компонентов компьютера для обеспечения работы на более высокой скорости (разгон ).
Цифровые схемы на основе MOSFET работают с использованием напряжений в узлах схемы для представления логических штат. Напряжение в этих узлах переключается между высоким и низким напряжением во время нормальной работы - когда входы в переход логический вентиль, транзисторы, составляющие этот вентиль, могут переключать выход затвора.
В каждом узле цепи есть определенная величина емкости. Емкость можно рассматривать как меру того, сколько времени требуется данному току, чтобы вызвать заданное изменение напряжения. Емкость возникает из различных источников, в основном транзисторов (в основном, и диффузионная емкость ) и проводов (емкость связи ). Переключение напряжения в узле схемы требует зарядки или разрядки емкости в этом узле; поскольку токи связаны с напряжением, время, необходимое для этого, зависит от приложенного напряжения. При подаче более высокого напряжения на устройства в цепи емкости заряжаются и разряжаются быстрее, что приводит к более быстрой работе схемы и позволяет работать с более высокой частотой.
Многие современные компоненты позволяют управлять регулированием напряжения с помощью программного обеспечения (например, через BIOS ). Обычно можно контролировать напряжение, подаваемое на порт ЦП, RAM, PCI и PCI Express (или AGP ) через порт BIOS ПК.
Однако некоторые компоненты не позволяют программно управлять напряжениями питания, и оверклокерам требуется модификация оборудования, стремящиеся увеличить напряжение компонента для экстремального разгона. Видеокарты и материнские платы северные мосты - это компоненты, которые часто требуют модификации оборудования для изменения напряжения питания. Эти модификации известны как «моды напряжения» или «Vmod» в сообществе оверклокеров.
Пониженное напряжение снижает напряжение компонента, обычно процессора, снижает требования к температуре и охлаждению и, возможно, позволяет отказаться от вентилятора. Как и разгон, понижение напряжения в значительной степени зависит от так называемой кремниевой лотереи: один процессор может понижать напряжение немного лучше, чем другой, и наоборот.
Коммутационная мощность, рассеиваемая микросхемой с использованием статических CMOS вентилей, составляет 
Соответственно, динамическое масштабирование напряжения широко используется как часть стратегии управления потребляемой мощностью переключения в устройствах с батарейным питанием, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры. Режимы низкого напряжения используются вместе с пониженными тактовыми частотами для минимизации энергопотребления, связанного с такими компонентами, как процессоры и DSP; только когда требуется значительная вычислительная мощность, напряжение и частота будут повышены.
Некоторые периферийные устройства также поддерживают режимы работы с низким напряжением. Например, маломощные карты MMC и SD могут работать как при напряжении 1,8 В, так и при 3,3 В, а стеки драйверов могут экономить электроэнергию, переключаясь на более низкое напряжение после обнаружения карты, которая его поддерживает.
Когда ток утечки является существенным фактором с точки зрения энергопотребления, микросхемы часто проектируются таким образом, что 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, на 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 - пропорционально разности напряжений в этой цепи. Снижение напряжения означает, что цепи переключаются медленнее, уменьшая максимальную частоту, на которой может работать эта цепь. Это, в свою очередь, снижает скорость, с которой могут быть выполнены программные инструкции, что может увеличить время выполнения программных сегментов, которые в достаточной степени связаны с процессором.
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 требуются быстрые ответы, часы и напряжение могут повышаться вместе. В противном случае они могут оставаться на низком уровне, чтобы продлить срок службы батареи.
Микросхема с 167 процессорами AsAP 2 позволяет отдельным процессорам очень быстро (порядка 1-2 нс) и локально контролировать изменения в собственном источнике питания напряжения. Процессоры подключают свою локальную электросеть к более высокому (VddHi) или более низкому (VddLow) напряжению питания или могут быть полностью отключены от любой сети для значительного сокращения мощности утечки.
В другом подходе для динамического масштабирования напряжения и частоты (DVFS) используются внутрикристальные импульсные регуляторы.
Система Unix предоставляет регулятор пространства пользователя, позволяющий для изменения частот 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, что может привести к сбоям программы или операционной системы и, возможно, повреждению оборудования. Снижение напряжения, подаваемого на ЦП, ниже минимального значения, рекомендованного производителем, 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 неуправляемый. Повышение напряжения или частоты может увеличить потребность системы в мощности даже быстрее, чем указывает формула CMOS, и наоборот.
Основное предупреждение перенапряжения - это повышенное тепло: 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 на некотором пороге снижение производительности из-за тепла превышает потенциальный выигрыш от более высоких напряжений. Перегрев и повреждение цепей могут произойти очень быстро при использовании высокого напряжения.
Есть и более долгосрочные проблемы: различные неблагоприятные эффекты на уровне устройства, такие как инжекция горячих носителей и электромиграция, происходят быстрее при более высоких напряжениях, уменьшая срок службы компонентов, подверженных перенапряжению.
