Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Динамическое масштабирование напряжения - это метод управления питанием в компьютерной архитектуре , 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 . Пониженное напряжение используется для экономии энергии , особенно в ноутбуках и других мобильных устройствах [1], где энергия поступает от батареи и, таким образом, ограничена, а в редких случаях - для повышения надежности. Перенапряжение сделано для поддержки более высоких частот для производительности.

Термин «перенапряжение» также используется для обозначения увеличения статического рабочего напряжения компонентов компьютера, чтобы обеспечить работу на более высокой скорости ( разгон ).

Фон [ править ]

Цифровые схемы на основе полевых МОП-транзисторов 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 в логический вентиль переходят, транзисторы, составляющие этот вентиль, могут переключать выход затвора.

В каждом узле цепи есть определенная емкость . Емкость можно рассматривать как меру того, сколько времени требуется заданному току, чтобы вызвать заданное изменение напряжения. Емкость возникает из различных источников, в основном транзисторов (в первую очередь, емкости затвора и диффузионной емкости ) и проводов ( емкости 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.

Методы [ править ]

Многие современные компоненты позволяют управлять регулированием напряжения через программное обеспечение (например, через BIOS ). Обычно можно контролировать напряжение, подаваемое на ЦП, ОЗУ , PCI и порт PCI Express (или AGP ) через 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 северные мосты материнских плат - это компоненты, которые часто требуют модификации оборудования для изменения напряжения питания. Эти модификации известны как «моды напряжения» или «Vmod» в сообществе оверклокеров.

Пониженное напряжение [ править ]

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.

Мощность [ править ]

Основная статья: рассеиваемая мощность процессора

Коммутируемая мощность , рассеиваемая микросхемой с использованием статических КМОП логических элементов , где С представляет собой емкость , переключаясь за такт, V является подача напряжения , а F является частота переключения, [2] , чтобы эта часть потребляемой мощности уменьшается квадратично Напряжение. Однако формула не является точной, поскольку многие современные микросхемы не реализованы с использованием 100% CMOS, но также используют специальные схемы памяти, динамическую логику, такую ​​как логика домино и т. Д. Кроме того, существует также статический ток утечки , который стал все больше и больше. более акцентировано, поскольку размеры элементов стали 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 вместе с пониженными тактовыми частотами для минимизации энергопотребления, связанного с такими компонентами, как процессоры и DSP; только когда потребуются значительные вычислительные мощности, 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 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 некоторые из них 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 выполнения программы [ править ]

Скорость, с которой цифровая схема может переключать состояния, то есть переходить от «низкого» ( VSS ) к «высокому» ( VDD ) или наоборот, пропорциональна 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 привязаны к 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 требуются быстрые ответы, часы и напряжение могут повышаться вместе. В противном случае они могут оставаться на низком уровне, чтобы продлить срок службы батареи.

Реализации [ править ]

Микросхема AsAP 2 с 167 процессорами позволяет отдельным процессорам производить чрезвычайно быстрые (порядка 1-2 нс) и локально контролируемые изменения собственных напряжений питания. 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. [3]

API операционной системы [ править ]

Система Unix предоставляет регулятор пространства пользователя, позволяющий изменять частоту процессора (хотя и ограничен аппаратными возможностями).

Стабильность системы [ править ]

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, повреждению оборудования. Снижение напряжения, подаваемого на ЦП, ниже минимального значения, рекомендованного производителем, может привести к нестабильности системы.

Температура [ править ]

Эффективность некоторых электрических компонентов, таких как регуляторы напряжения, снижается с повышением температуры, поэтому потребляемая мощность может увеличиваться с повышением температуры, вызывая тепловое отклонение . Повышение напряжения или частоты может увеличить потребность системы в мощности даже быстрее, чем указывает формула CMOS, и наоборот. [4] [5]

Предостережения [ править ]

Основное предостережение при перенапряжении - это повышенное тепло: 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 на некотором пороге снижение производительности из-за нагрева 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, сокращая срок службы компонентов, находящихся под перенапряжением.

См. Также [ править ]

  • Динамическое масштабирование напряжения и частоты (DVFS)
  • Динамическое масштабирование частоты
  • Стробирование мощности
  • Устройство задержки питания (PDP)
  • Продукт задержки энергии (EDP)
  • Приложения импульсных источников питания (SMPS)
  • Коммутационная энергия

Ссылки [ править ]

  1. ^ С. Миттал, " Обзор методов повышения энергоэффективности встраиваемых вычислительных систем ", IJCAET, 6 (4), 440–459, 2014.
  2. ^ JM Rabaey. Цифровые интегральные схемы. Прентис Холл, 1996.
  3. ^ Wonyoung Ким, Meeta С. Гупта, Гу-Ен Вэй и Дэвид Брукс. «Анализ системного уровня быстрых DVFS на уровне ядра с использованием встроенных регуляторов коммутации» . 2008 г.
  4. ↑ Майк Чин. "Видеокарта Asus EN9600GT Silent Edition" . Бесшумный обзор ПК . п. 5 . Проверено 21 апреля 2008 .
  5. ^ MIke Chin. «80 Plus расширяет подиум для бронзы, серебра и золота» . Бесшумный обзор ПК . Проверено 21 апреля 2008 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Годе, Винсент К. (2014-04-01) [2013-09-25]. «Глава 4.1. Методы проектирования с низким энергопотреблением для современных КМОП-технологий». В Steinbach, Bernd (ред.). Недавний прогресс в булевой области (1-е изд.). Ньюкасл-апон-Тайн, Великобритания: Cambridge Scholars Publishing . С. 187–212. ISBN 978-1-4438-5638-6. Проверено 4 августа 2019 . [1] (455 стр.)