Dynamiczne skalowanie napięcia - Dynamic voltage scaling

Dynamiczne skalowanie napięcia to technika zarządzania energią w architekturze komputerowej , w której napięcie używane w komponencie jest zwiększane lub zmniejszane w zależności od okoliczności. Dynamiczne skalowanie napięcia w celu zwiększenia napięcia jest znane jako przepięcie ; dynamiczne skalowanie napięcia w celu zmniejszenia napięcia jest znane jako podnapięcie . Podnapięcie jest wykonywane w celu oszczędzania energii , szczególnie w laptopach i innych urządzeniach mobilnych, w których energia pochodzi z baterii, a zatem jest ograniczona, lub w rzadkich przypadkach, w celu zwiększenia niezawodności. Przepięcie jest wykonywane w celu obsługi wyższych częstotliwości dla wydajności.

Termin „przepięcie” jest również używany w odniesieniu do zwiększania statycznego napięcia roboczego komponentów komputera , aby umożliwić działanie z większą prędkością ( podkręcanie ).

tło

Cyfrowe obwody oparte na MOSFET działają przy użyciu napięć w węzłach obwodu do reprezentowania stanu logicznego. Napięcie w tych węzłach przełącza się między wysokim napięciem a niskim napięciem podczas normalnej pracy - gdy wejścia do przejścia bramki logicznej , tranzystory tworzące tę bramkę mogą przełączać wyjście bramki.

W każdym węźle w obwodzie znajduje się pewna ilość pojemności . Pojemność można traktować jako miarę czasu potrzebnego na wytworzenie danej zmiany napięcia przez dany prąd. Pojemność pochodzi z różnych źródeł, głównie tranzystorów (przede wszystkim pojemność bramki i pojemność dyfuzyjna ) oraz przewodów ( pojemność sprzęgająca ). Przełączanie napięcia w węźle obwodu wymaga ładowania lub rozładowywania pojemności w tym węźle; ponieważ prądy są powiązane z napięciem, czas potrzebny na to zależy od przyłożonego napięcia. Poprzez przyłożenie wyższego napięcia do urządzeń w obwodzie, pojemności są szybciej ładowane i rozładowywane, co powoduje szybszą pracę obwodu i pozwala na pracę z wyższą częstotliwością.

Metody

Wiele nowoczesnych komponentów umożliwia sterowanie regulacją napięcia za pomocą oprogramowania (na przykład przez BIOS ). Zwykle możliwe jest kontrolowanie napięć dostarczanych do procesora, pamięci RAM , PCI i portu PCI Express (lub AGP ) poprzez BIOS komputera.

Jednak niektóre komponenty nie pozwalają na programową kontrolę napięcia zasilania, a przetaktowanie wymaga modyfikacji sprzętu przez overclockerów, którzy chcą zwiększyć napięcie komponentu w celu ekstremalnego przetaktowania. Karty graficzne i mostki północne płyty głównej to elementy, które często wymagają modyfikacji sprzętowych w celu zmiany napięcia zasilania. Te modyfikacje są znane w społeczności overclockingu jako „mody napięciowe” lub „Vmod”.

Niski poziom napięcia

Podnapięcie to zmniejszenie napięcia komponentu, zwykle procesora, zmniejszenie wymagań dotyczących temperatury i chłodzenia, a także możliwość pominięcia wentylatora. Podobnie jak w przypadku podkręcania, undervolting jest w dużej mierze przedmiotem tak zwanej loterii krzemowej: jeden procesor może być nieco lepszy niż drugi i na odwrót.

Moc

Główny artykuł: rozpraszanie mocy procesora

Włączeniu zasilania rozpraszane przez układ za pomocą statycznych CMOS bram , gdzie C jest pojemnością włączeniu cyklu zegarowym, V jest dostarczenie napięcia , f jest częstotliwością przełączania, więc tę część zużycie energii obniża się do kwadratu napięcia. Formuła nie jest jednak dokładna, ponieważ wiele nowoczesnych chipów nie jest zaimplementowanych przy użyciu 100% CMOS, ale również wykorzystuje specjalne układy pamięci, logikę dynamiczną, taką jak logika domina itp. Ponadto występuje również statyczny prąd upływu , który stał się coraz bardziej i bardziej uwydatnione, gdy rozmiary cech stały się mniejsze (poniżej 90 nanometrów) i poziomy progowe niższe.

W związku z tym dynamiczne skalowanie napięcia jest szeroko stosowane jako część strategii zarządzania zużyciem energii podczas przełączania w urządzeniach zasilanych bateryjnie, takich jak telefony komórkowe i laptopy. Tryby niskiego napięcia są używane w połączeniu z obniżonymi częstotliwościami zegara, aby zminimalizować zużycie energii związane z komponentami, takimi jak procesory i DSP; tylko wtedy, gdy potrzebna jest znaczna moc obliczeniowa, napięcie i częstotliwość wzrosną.

Niektóre urządzenia peryferyjne obsługują również tryby pracy niskiego napięcia. Na przykład karty MMC i SD o małej mocy mogą działać zarówno przy napięciu 1,8 V, jak i 3,3 V, a stosy sterowników mogą oszczędzać energię, przełączając się na niższe napięcie po wykryciu karty, która je obsługuje.

Gdy prąd upływu jest istotnym czynnikiem pod względem zużycia energii, chipy są często projektowane tak, aby ich część mogła być całkowicie wyłączona. Zwykle nie jest to postrzegane jako dynamiczne skalowanie napięcia, ponieważ nie jest to przejrzyste dla oprogramowania. Gdy sekcje układów można wyłączyć, jak na przykład w procesorach TI OMAP3 , sterowniki i inne oprogramowanie pomocnicze muszą to obsługiwać.

Szybkość wykonywania programu

Szybkość, z jaką obwód cyfrowy może przełączać stany – to znaczy przechodzić z „niskiego” ( VSS ) do „wysokiego” ( VDD ) lub odwrotnie – jest proporcjonalna do różnicy napięć w tym obwodzie. Zmniejszenie napięcia oznacza, że ​​obwody przełączają się wolniej, zmniejszając maksymalną częstotliwość, z jaką ten obwód może działać. To z kolei zmniejsza szybkość, z jaką mogą być wydawane instrukcje programu, co może wydłużyć czas wykonywania segmentów programu, które są wystarczająco związane z procesorem.

To ponownie podkreśla, dlaczego dynamiczne skalowanie napięcia jest generalnie wykonywane w połączeniu z dynamicznym skalowaniem częstotliwości, przynajmniej w przypadku procesorów. Należy wziąć pod uwagę złożone kompromisy, które zależą od konkretnego systemu, prezentowanego mu obciążenia i celów zarządzania energią. Gdy potrzebne są szybkie odpowiedzi, zegary i napięcia mogą być razem podniesione. W przeciwnym razie oba mogą być utrzymywane na niskim poziomie, aby zmaksymalizować żywotność baterii.

Realizacje

167-procesorowy układ AsAP 2 umożliwia poszczególnym procesorom dokonywanie niezwykle szybkich (rzędu 1-2ns) i lokalnie kontrolowanych zmian własnego napięcia zasilania. Procesory podłączają lokalną sieć energetyczną do wyższego (VddHi) lub niższego (VddLow) napięcia zasilania lub mogą być całkowicie odcięte od którejkolwiek sieci, aby radykalnie zmniejszyć moc upływu.

W innym podejściu do dynamicznego skalowania napięcia i częstotliwości (DVFS) stosuje się regulatory przełączające na rdzeń na chipie.

System operacyjny API Operating

System Unix zapewnia zarządcę przestrzeni użytkownika, pozwalając na modyfikację częstotliwości procesora (choć ograniczone do możliwości sprzętowych).

Stabilność systemu

Dynamiczne skalowanie częstotliwości to kolejna technika oszczędzania energii, która działa na tych samych zasadach, co dynamiczne skalowanie napięcia. Zarówno dynamiczne skalowanie napięcia, jak i dynamiczne skalowanie częstotliwości może służyć do zapobiegania przegrzaniu systemu komputerowego, co może spowodować awarię programu lub systemu operacyjnego , a nawet uszkodzenie sprzętu. Zmniejszenie napięcia dostarczanego do procesora poniżej zalecanego przez producenta ustawienia minimalnego może spowodować niestabilność systemu.

Temperatura

Sprawność niektórych elementów elektrycznych, takich jak regulatory napięcia, maleje wraz ze wzrostem temperatury, więc zużyta moc może wzrosnąć wraz z temperaturą, powodując niestabilność cieplną . Wzrost napięcia lub częstotliwości może zwiększyć zapotrzebowanie systemu na moc nawet szybciej niż wskazuje wzór CMOS i na odwrót.

Zastrzeżenia

Podstawowym zastrzeżeniem przepięcia jest zwiększone ciepło: moc rozpraszana przez obwód wzrasta wraz z kwadratem przyłożonego napięcia, więc nawet niewielki wzrost napięcia znacząco wpływa na moc. W wyższych temperaturach ma to negatywny wpływ na wydajność tranzystora, a przy pewnym progu spadek wydajności spowodowany ciepłem przekracza potencjalny zysk z wyższych napięć. Przegrzanie i uszkodzenie obwodów może nastąpić bardzo szybko przy zastosowaniu wysokiego napięcia.

Istnieją również obawy długoterminowe: różne niekorzystne efekty na poziomie urządzenia, takie jak wstrzykiwanie gorącego nośnika i elektromigracja, występują szybciej przy wyższych napięciach, skracając żywotność elementów przepiętych.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura