Как найти напряжение питания ядра

Напряжение ядра процессора – это одна из основных характеристик, определяющих производительность центрального процессора (ЦП) в компьютере или мобильном устройстве. Оно также известно как Vcore, Core Voltage или CPU Voltage и измеряется в вольтах (В).

Проще говоря, напряжение ядра процессора – это количество электроэнергии, подаваемой на процессор для питания его основных цепей. Центральный процессор – это мозг компьютера, он выполняет все вычислительные задачи, необходимые системе. Поэтому напряжение, подаваемое на центральный процессор, должно быть достаточным для обеспечения его вычислительных возможностей.

Напряжение ядра процессора – это критически важная характеристика, поскольку она напрямую влияет на производительность процессора. Если напряжение слишком низкое, процессор не сможет работать на полную мощность, что приведет к снижению скорости обработки данных и производительности. И наоборот, если напряжение слишком высокое, это может привести к повреждению процессора из-за избыточного тепла, выделяемого микросхемами.

Большинство современных процессоров имеют встроенные регуляторы напряжения, которые автоматически регулируют напряжение питания ядра в зависимости от рабочей нагрузки, требуемой системой. Эта технология известна как динамическое масштабирование напряжения (DVS), она учитывает напряжение, температуру и частоту процессора для обеспечения оптимальной производительности при одновременном энергосбережении.

Однако любители разгона и энтузиасты могут вручную регулировать напряжение питания процессора для достижения более высоких уровней производительности. Этот процесс принято называть разгоном, когда процессор выводится за пределы стандартной производительности путем увеличения напряжения, частоты и других параметров.

Разгон может быть рискованным процессом, поскольку он может повысить температуру и энергопотребление процессора, что приведет к нестабильности, сбоям и даже необратимым повреждениям. Поэтому рекомендуется приступать к разгону только при наличии достаточных знаний, опыта и осторожности.

В целом, напряжение ядра процессора – это важная характеристика, определяющая производительность процессора в компьютере или мобильном устройстве. Очень важно убедиться, что напряжение соответствует мощности процессора, не вызывая его повреждения или снижения производительности. По мере развития технологий центральные процессоры становятся все более эффективными и, следовательно, более энергосберегающими.

Питание современных процессоров

Обеспечение питания – одна из наиболее сложных задач при разработке современных процессоров. Сеть доставки питания (power delivery network, PDN) должна отвечать повышенным требованиям современной КМОП-технологии, обеспечивать питание с высокой эффективностью и быстро реагировать на изменения в энергопотреблении.

И эти проблемы встречаются как у смартфонов с потреблением в 1 Вт, так и у серверных процессоров на 200 Вт и массивных ускорителей машинного обучения – к примеру, Cerebras CS-1 на 15 кВт. Для работы с заданной тактовой частотой каждому транзистору и каждой схеме современного чипа требуется питание с правильным напряжением. Если напряжение будет слишком низким, элементы схемы будут переключаться медленно, что приведёт к появлению ошибок, проблемам со стабильностью и другим неожиданным отказам.

Из-за физики кремния КМОП обычно работает на напряжении в 1 В. Однако у современных технологий, использующих транзисторы FinFET и другие техники, номинальные напряжения могут находиться в диапазоне от 0,65 В до 1,2 В. Инновационные схемы могут использовать напряжение питания, близкое к пороговому значению транзисторов (near-threshold voltage, NTV) – эту технологию продемонстрировало исследование от Intel. И хотя процессоры, использующие NTV (к примеру, Ambiq Micro), уже появились в продаже, эта технология всё ещё довольно нова. Энергопотребление коммутационной схемы (такой, как процессор) пропорционально квадрату напряжения, поэтому для увеличения эффективности необходимо уменьшать напряжение. Для разработчиков чипов это классическая проблема поиска золотой середины: напряжение должно быть достаточно высоким для того, чтобы избежать ошибок, но не выше.

Однако работа под низким напряжением – это сложная задача в плане обеспечения питания, поскольку в этом случае к процессору нужно подводить большой ток. Возьмём современный серверный процессор – Intel Cascade Lake Xeon 14 нм. TDP у самых мощных процессоров этой модели достигают 205 Вт, что теоретически даёт нам ток в 205 А при напряжении в 1 В. На самом деле, конечно, процессоры устроены гораздо сложнее, и используют различные напряжения и схемы питания, однако такой простой пример будет полезен для понимания ситуации. Если энергопотребление процессора останется на том же уровне, а напряжение понизится до 0,75 В, это увеличит нужный ток до 274 А. И хотя передовые серверные процессоры от Intel довольно прожорливы, они не идут в сравнение с некоторыми ускорителями вычислений. К примеру Nvidia Volta V100 потребляет 450 Вт, некоторые будущие их процессоры будут есть уже по 600 Вт, и, как было упомянуто ранее, Cerebras CS-1 потребляет невероятные 15 кВт.

Обычно гораздо эффективнее получается передавать энергию при высоком напряжении и низком токе. Чем выше напряжение, тем меньше ток и тем меньше требуется проводов, что уменьшает стоимость системы. Кроме того, потери на сопротивление пропорциональны квадрату тока, поэтому увеличение напряжения и уменьшение тока понижает потери на сопротивление и увеличивает эффективность энергетической системы. Поэтому обычно линии электропередач работают с напряжением выше 110 кВ – и те же самые базовые принципы применимы и для сервера или дата-центра. Хотя некоторые сервера используют традиционные 12 В, некоторые из новых перешли на 48 В для эффективности – в особенности ускорители, потребляющие более 350 Вт.

Если свести всё это вместе, то теоретической целью обеспечения питания будет передача энергии по системе с максимально возможным напряжением, а потом преобразование в очень низкое и стабильное напряжение, для эффективных и стабильных вычислений.

Анатомия сети передачи питания

Как показано на рис. 1, проблема обеспечения питания затрагивает всю систему, начинаясь с основного источника питания и продолжаясь до электрораспределительной сети в процессоре, доходя в итоге до транзисторов, выполняющих вычисления на кристалле. У настольных компьютеров БП преобразует 110 В или 220 В в 12 В постоянного тока, распространяемого по всей материнской плате, к процессору и другим компонентам. У ноутбуков или смартфонов всё немного не так – типичные литий-ионные батареи выдают постоянное напряжение в 3,7 В, поэтому преобразования переменного напряжения в постоянное не происходит, а понижение напряжения требуется не такое сильное.

Рис. 1: Обеспечение питания в современных системах. Слева — Intel FIVR, справа – традиционный VRM

У стандартных процессоров, например, от AMD, модуль регулятора напряжения (voltage regulation module, VRM) понижает напряжение примерно до 1 В. Обычно VRM располагаются недалеко от процессора, так, чтобы большую часть расстояния проходили сигналы на 12 В. 1 В передаётся на небольшое расстояние по материнской плате, через плату процессора, и внутрь самого процессора по его контактам. В процессоре есть своя электрораспределительная сеть, расходящаяся от контактов и использующая различные промежуточные металлические слои для доставки энергии к транзисторам. VRM работают на довольно низкой частоте в 1 МГц, то есть, могут подстраивать выходящее напряжение только раз в микросекунду.

Многие системы на базе Intel работают по той же схеме, однако используют дополнительный шаг в обеспечении питания. FIVR (fully-integrated voltage regulator – полностью интегрированный модуль регулятора напряжения) интегрирован в сам кристалл процессора и распределяет энергию по десяткам шин питания в его различные блоки (ядра CPU, кэши L2, блоки GPU и т.п.). FIVR используется в большинстве серверных процессоров, начиная с поколения Haswell. Также он используется в клиентских процессорах Haswell и Broadwell, а теперь и в клиентах Ice Lake и Tiger Lake. Отметим, что семейство клиентов Skylake (Coffee Lake, Comet Lake, и т.д.) FIVR не используют. В этих системах VRM на материнской плате преобразуют 12 В (или 48 В) в 1,8 В, и передают энергию от VRM, через всю материнскую плату, плату процессора и его контакты в FIVR. FIVR отвечает за последний шаг в преобразовании энергии, и понижает напряжение с 1,8 В до 1 В, в зависимости от нужд конкретной шины питания.

Одно из преимуществ FIVR состоит в том, что напряжение, поданное с VRM материнской платы на процессор получается в два раза выше, чем у обычных систем. Использование более высокого напряжения уменьшает требуемую силу тока примерно в 2 раза, уменьшает количество контактов питания и повышает эффективность. Минус в том, что преобразование напряжения никогда не бывает на 100% эффективным, и FIVR теряют часть энергии. Взаимоотношение между выигрышем в эффективности и потерей при преобразовании сильно зависит от конкретной ситуации. В целом для процессоров с высоким энергопотреблением система с FIVR обычно выигрывает. Кроме того, FIVR потрясающе быстро работает – её тактовая частота составляет 140 МГц, на два порядка больше, чем у VRM на материнке.

Необходимость быстрой реакции в изменчивых условиях

Скорость FIVR подводит нас к одной из крупнейших проблем обеспечения питания современных процессоров. Концентрация на постоянном питании и температурных характеристик (TDP) преуменьшает значимость проблемы. Современные процессы чрезвычайно динамичны, а их поведение меняется на основе нагрузки. Транзистору при переключении требуется относительно небольшой ток. Однако если множество транзисторов переключаются одновременно, то общее потребление может достичь значительных величин и создать шум на питании чипа. У таких высокоскоростных чипов, как CPU или GPU, количество переключающихся транзисторов может значительно меняться от цикла к циклу. К примеру, когда ядро CPU начинает выполнять команды умножения с накоплением AVX512, энергопотребление становится гораздо больше, чем в случае выполнения целочисленной арифметики. Сходным образом системы динамического изменения напряжения и частоты (DVFS) меняют частоту и напряжение процессора на лету в ответ на изменения загрузки или рабочих условий. Эти внезапные всплески в энергопотреблении могут привести к временным проседаниям напряжения.

Эту проблему могут проиллюстрировать два примера. Большинство дата-центров оптимизируют под эффективность и высокую утилизацию – то есть, 40-60% утилизации CPU, а в пиках и того больше. Если мы вернёмся к TPD 205 Вт у Intel Xeon по спецификации, то этот процессор в моменты максимальной загрузки потребляет ток в 273,75 A по основным шинам питания, и невероятные 413 Вт.

Клиентские процессоры, особенно у ноутбуков и смартфонов, ведут себя совсем не так, и представляют ещё более интересную проблему. Они обычно оптимизированы под очень неровную работу и должны выдавать максимальную мощность на кратких промежутках времени (к примеру, при загрузке веб-страницы), и потреблять очень мало во время простоя (к примеру, ожидая пользовательского ввода). Ноутбук, работающий с 40-60% утилизацией CPU, нереально быстро просаживал бы батарею. Клиентский процессор порядка 90% времени проводит в режиме ожидания. В итоге у клиентских процессоров получается ещё большая разница между TPD, максимальной мощностью и потреблением тока. Последние процессоры Ice Lake серий U и Y имеют TPD в 15 Вт и 9 Вт соответственно. Для увеличения быстродействия вендоры могут устанавливать TPD выше, вплоть до 25 Вт и 12 Вт соответственно. Однако максимальное энергопотребление для CPU и GPU значительно выше – до 70 А и 49 А соответственно, и это не считая питание контроллера памяти и всей периферии ядра.

Основная проблема тут в том, что регуляторы напряжения, будь то VRM на материнской плате или FIVR от Intel, реагируют гораздо медленнее, чем могут появляться кратковременные всплески, вызванные переключениями транзисторов. FIVR у Haswell может повысить напряжение на шине питания от 0 до 0,8 В за 0,32 мкс. Однако для современных процессоров на 3 ГГц это выльется в порядка 1000 тактов. Обычные, менее быстрые VRM могут увеличивать напряжение на 10-23 мВ за мкс, и на аналогичное повышение от 0 до 0,8 у них уйдёт в 100 раз больше времени, или порядка 100 000 тактов. Без очень эффективной схемы эти временные пики могут вызвать проседания напряжения – по смыслу это похоже на то, как в старых домах тускнеет свет лампочек, когда хозяева включают микроволновку или фен. Исключение составляют клиентские процессоры Skylake и процессоры от AMD, использующие регуляторы с небольшим падением напряжения (LDO), которые также работают очень быстро. Однако LDO работают как переменное сопротивление, и умеют только уменьшать напряжение, идущее на шину питания. Поскольку LDO работают через сопротивление, для больших изменений напряжения (более 10%) они становятся неэффективными.

Как уже упоминалось, если процессор работает на частоте 3 ГГц, а напряжение внезапно падает, то транзисторы могут уже не работать корректно – поэтому либо нужно держать постоянное напряжение, либо ронять частоту. На практике же большинство компаний используют комбинацию из разных мер. К примеру, AMD разработала технологию адаптивного изменения частоты, уменьшающую её во время проседаний напряжения.

Плавная подача питания развязывающими конденсаторами

Чтобы устранить несоответствие между почти мгновенными всплесками потребления и задержкой на регуляторах напряжения, современные системы полагаются на развязывающие, или обходные конденсаторы. Эти конденсаторы хранят энергию и могут быстро высвобождать её, чтобы гарантировать постоянное напряжение в моменты, когда регуляторы только начинают реагировать. Вернёмся к рис. 1: системы включают в себя развязывающие конденсаторы на каждом шаге работы сети подачи питания. На МА конденсаторы встречаются во многих местах, но особенно много их вокруг гнезда процессора – см. рис. 2. В платы процессоров также встраивают развязывающие конденсаторы, обычно по краям и снизу. Наконец, на кристаллах процессора тоже располагают конденсаторы; они ближе всего расположены к активным схемам и дают скорейший отклик на временные всплески энергопотребления.

Рис. 2: развязывающие конденсаторы вокруг гнезда процессора

На кристаллах располагаются совершенно разные конденсаторы. Простейший их тип – обычный транзистор, который иногда называют МОП-конденсатором. Такие конденсаторы можно легко вставлять в стандартные ячейки на небольшом расстоянии от важных участков, где ожидается сильный шум переключения. Поскольку они располагаются близко к активным участкам, они легко могут поглощать шум и быстро подавать дополнительный ток.

Кроме того, на чипах, разработанных при помощи различных средств автоматизации, встречаются «пробелы» – участки, оставшиеся пустыми из-за несовершенства инструментов и ограничений по расположению блоков разной формы в непосредственной близости друг от друга. Распространённой практикой является заполнение этих пробелов конденсаторами – по сути, это «бесплатно». И хотя МОП-конденсаторы можно сделать в любом техпроцессе и легко разместить на кристалле, они не являются идеальными конденсаторами. Как и другие транзисторы, они дают утечку, а также их бывает сложно втиснуть в забитые компонентами участки чипа. Ещё один вариант – изменить техпроцесс и создавать более специализированные структуры, такие, как металл-диэлектрик-металл (MIM) конденсаторы, металл-оксид-металл (MOM) конденсаторы, или траншейные конденсаторы [deep trench capacitors].

Рис. 3: MIM- конденсаторы от Intel на 22 нм для eDRAM

Как следует из названия, MIM- конденсаторы формируется из двух параллельных металлических слоёв с high-k диэлектриком между ними. В процессе на 22 нм от Intel используются два разных вида MIM-конденсаторов. Как видно на рис. 3, первый тип MIM-конденсаторов используется для одноразрядных ячеек в eDRAM и формируется в нижних металлических слоях M2-M4. Второй представлен в процессе 22FFL и использует толстые верхние слои в 4 мкм в качестве параллельных металлических слоёв. Intel тут не делает ничего уникального – другие производители тоже используют MIM-конденсаторы. К примеру, AMD использовала MIM-конденсаторы верхнего уровня в процессоре Zen CCX для развязки и уменьшения провалов напряжения. MIM-конденсаторы обычно работают лучше, чем МОП-конденсаторы, однако располагаются они чуть дальше, поскольку нхаодятся в верхних металлических слоях, а необходимость предпринимать дополнительные шаги на производстве немного увеличивает стоимость. MOM-конденсаторы используют сходную идею параллельных металлических линий, только поворачивают их на 90°. Металлические линии формируются горизонтально в двух соседних вертикальных металлических слоях (к примеру, M3 и M4), а межслойный оксид-диэлектрик играет роль изолятора.

Ещё одним вариантом будут траншейные конденсаторы, однако они редко встречаются в производстве, поскольку травление траншей с высоким разрешением значительно повышает стоимость процесса. Их использовали уже несколько поколений технологий изготовления процессоров, начиная с техпроцесса SOI на 32 нм от IBM и далее, с SOI на 14 нм. Траншейные конденсаторы от IBM используются для развязки в больших массивах eDRAM, реализующих кэши L2, L3 и L4 в процессорах POWER и zArch. В качестве примера IBM заявляет, что смогла убрать все конденсаторы с платы процессора z12, сделанного для мейнфрейма по техпроцессу 32 нм, и заменить их траншейными конденсаторами. После этого на IEDM 2019 TSMC рассказала о процессе формирования траншейных конденсаторов на кремниевой вставке. Хитроумный и элегантный подход – хотя такие конденсаторы располагаются уже не так близко к активной логике, как те, что находятся на самом кристалле, поэтому неспособны полностью заменить развязывающие конденсаторы.

Обеспечение системы питанием находит компромисс между быстродействием, эффективностью и стоимостью

При обеспечивании питанием высокоскоростных процессоров приходится обходить несметное количество проблем. В идеале, сеть доставки питания должна работать при высоком напряжении для эффективности передачи энергии, но в итоге выдавать низкое и стабильное напряжение для КМОП-логики, на которой реализован процессор. Преобразование питания, из переменного в постоянный ток, и из высокого в низкое напряжение должно быть максимально эффективным.

В то же время, ток, требуемый для работы процессора, постоянно меняется, реагируя на изменяющиеся условия работы – такие, как смесь инструкций или динамическое изменение напряжения. Для сглаживания этих почти мгновенных изменений и уменьшения шума в современных схемах почти на каждом уровне доставки питания, от материнской платы до кристалла процессора, используются развязывающие конденсаторы. Чем быстрее и отзывчивее сеть, тем меньше развязывающих конденсаторов ей требуется. Если взять сам процессор, то для него доступно несколько вариантов размещения конденсаторов на кристалле. Проще всего использовать обычные транзисторы, поскольку их легко разместить в рамках любого техпроцесса, однако они работают не очень эффективно. Многие производители предлагают конденсаторы улучшенной эффективности, созданные при помощи особых технологий или схем разработки — такие, как MIM-конденсаторы, и более редкие ТК, на кремнии или вставке.

Все эти переменные связаны между собой – техпроцесс, развязывающие конденсаторы, динамическое изменение напряжения и частоты, регуляторы напряжения – и разработчики процессоров обязаны учитывать их все, чтобы получать максимально возможные быстродействие, эффективность по минимальной цене.

Источник

Что такое CPU Core Voltage?

Всем здравствуйте! Сегодня разберем CPU Core Voltage — что это такое, для чего используется и как работает. Также, какой должен быть этот параметр, на что влияет и влияет ли.

О том, что такое Active Core Control: как работает и для чего используется, можно почитать здесь.

Что такое вольтаж ЦП

Для работы любой микросхемы, а центральный процессор представляет собой очень сложную, но все-таки микросхему, необходима подача электрического тока. Как вы, вероятно, помните из курса физики, один из его параметров — напряжение.

CPU Core Voltage — напряжение, которое подается на ядро процессора и которое необходимо для его работы. На коннектор, который подключается в слот рядом с ЦП, блок питания подает 12 В. После преобразования напряжения с помощью отдельного блока на системной плате среднее значение тока, подаваемого на CPU, приблизительно 1.2 В.

При разгоне ЦП, то есть увеличении тактовой частоты, ему для стабильной работы необходимо напряжение немного больше. А вот максимальный вольтаж, который можно поднять без последствий, уже зависит от конкретной модели «камня».

Если вы всерьез озадачились разгоном, рекомендую почитать или посмотреть видео о возможностях используемой вами модели, так как есть некоторые нюансы. Благо, энтузиастов, которые этим занимаются, в интернет огромное количество.

Также учитывайте, что в режиме Override, то есть при разгоне, увеличение напряжения почти всегда ведет к дополнительному нагреву ЦП. Это не критично у Intel или новых моделях Ryzen. А вот у старых моделей AMD это было хронической «болячкой»: они сильно грелись даже и без разгона.

Как повысить вольтаж процессора

Настройки могут отличаться от модели системной платы и, соответственно, вшитого BIOS. Например, у ASUS и MSI они преимущественно разные, так как используется БИОС разных разработчиков.

С UEFI ситуация немного проще: у современных плат он уже русифицирован — если, конечно, вы купили лицензионную деталь, а не контрафактный самопал, не адаптированный для нашего региона.

Опция, как правило, находится в разделе CPU в настройках БИОСа и может называться CPU Core Voltage, VCore Voltage, CPU Voltage Control, CPU Volt Cache Mode и т.д. Единственное, что я заметил — в названии почти всегда присутствует слово «Вольт».

Для возможности разгона в автоматическом нужно будет установить значение Override, или Offset для мануального управления. После этого становится активной следующий пункт, где значение подаваемого напряжения нужно выбрать из списка доступных. Также функция может иметь значения enabled/disabled или on/off в зависимости от версии БИОС.

Режим Offset Mode или Manual позволяет вручную ввести подходящее значение напряжения, набрав его вручную на цифровой клавиатуре. И осталось упомянуть режим Auto, когда вольтаж выбирает сама системная плата в зависимости от подаваемой на процессор нагрузки.

Рекомендую аккуратно подходить к разгону. Повышая напряжение не более чем на 0,1 на каждом заходе. После этого сохраняйте настройки и проверяйте, как работает компьютер — не стал ли он зависать или уходить в ребут(перезагружаться).

Также мониторьте нагрев всех ядер с помощью специальных утилит, например CPU Z или Speccy. Если после повышения частоты и вольтажа компьютер работает стабильно, можно увеличить напряжение еще на 0,1 В.

Закончить следует тогда, когда вы заметите лаги в работе ПК или ноутбука. В этом случае снизьте напряжение на последнего значения, когда устройство работало стабильно. И не стоит переживать слишком сильно, что ситуация выйдет из-под контроля. Встроенная «защита от дурака» не даст сжечь ЦП, вовремя выключив компьютер.

Буду признателен всем, кто поделится этой публикацией в социальных сетях. До скорой встречи!

Источник

Cpu vcore voltage какое должно быть значение

С помощью опции CPU VCore Voltage можно вручную изменить напряжение питания центрального процессора.

Auto или Normal — автоматическое определение напряжения питания центрального процессора;

Значения напряжения питания – набор значений зависит от типа процессора и модели материнской платы.

Опция также может иметь другие названия:

• CPU Voltage Control

Примечание 1. Центральный процессор (ЦП, CPU) – это микросхема, которая является главным элементом аппаратного обеспечения компьютера. Центральный процессор обрабатывает код программ и руководит работой других устройств.

Программа Setup BIOS фирмы AWARD Software International Inc на системных платах GIGABYTE TECHNOLOGY

Название данной опции у данного производителя в данной версии BIOS:

Другие идентичные по назначению параметры: VCore Voltage, CPU VCore, CPU Voltage Control, NPT Vid Control.

Одной из наиболее часто используемых опций BIOS, связанных с центральным процессором (ЦП) персонального компьютера, является опция CPU Voltage. Она предназначена для изменения такого важного параметра работы процессора, как напряжение питания его ядра. Варианты значений опции зависят от конкретной материнской платы. Кроме того, в разных BIOS опция может иметь различные названия.

Принцип работы

Как и большинство других устройств персонального компьютера, центральный процессор имеет определенное рабочее напряжение электропитания. И на многих, хотя и далеко не на всех материнских платах этот параметр работы ЦП может быть изменен пользователем. Для этой цели и предназначена опция BIOS CPU Voltage.

Данная функция будет чрезвычайно полезной при мероприятиях по разгону центрального процессора. Как правило, для разгона процессора применяется метод увеличения тактовой частоты шины FSB, однако при этом иногда может потребоваться и увеличение напряжения процессора.

Рассмотрим подробнее варианты, которые могут встретиться пользователю в опции. Значение Auto позволяет установить стандартное для определенной модели процессора показание Вольт. Аналогичную функцию выполняют и варианты By CPU Default, Startup, Disabled, Normal, No.

Выбор значения Manual позволяет пользователю установить необходимую величину. Иногда вариант Manual отсутствует, а пользователь может сразу же установить нужное ему напряжение. Процесс установки значений напряжения в разных BIOS может выглядеть по-разному – пользователь может напрямую установить нужное ему значение, введя его в текстовое поле, или установить значение, увеличивая параметр на фиксированную величину при помощи клавиш + и -. Иногда есть возможность выбрать параметр из предложенного BIOS списка. Наконец, выбор нужного параметра может быть организован в виде ввода величины, на которую напряжение будет превышать стандартное значение. Величина напряжения обычно указывается в вольтах или милливольтах. Часто в опции указывается также минимальный и максимальный возможный показатель.

Какое значение выбрать?

Для большинства пользователей, не занимающихся разгоном процессора, лучше всего установить значение Auto (CPU Default). В этом случае будет использоваться напряжение, стандартное для данной модели процессора и гарантирующее его безотказную работу.

В противном случае, если вас не устраивает стандартное значение напряжения, вы можете установить его самостоятельно. Однако при этом следует помнить, что установка напряжения ЦП, превосходящего номинал более чем на 0,2 В, может привести к выходу ЦП из строя. Кроме того, увеличение напряжения обычно приводит к чрезмерному нагреву процессора, что потребует дополнительных мер по его охлаждению.

Vcore Voltage или напряжение на ядро — это напряжение, которое питает процессор. Энергопотребление и нагрев процессора напрямую с ним связаны. Показатель VID определяет уровень напряжения, при котором процессор стабильно работает на базовой частоте.

Напряжение на ядро разнится от процессора к процессору. У всех ЦП одной модели может быть одинаковый VID, но стабильность в работе у каждого кристалла отличается. Чтобы процессоры стабильно работали на заявленном VID и тактовой частоте, их тестируют.

Напряжение на ядро обычно не меняется; однако при высокой нагрузке оно может колебаться. Такие просадки напряжения (Vdroop) исправляются с помощью функции BIOS LLC (Load-Line Calibration). При высокой нагрузке на процессор, LLC повышает напряжение.

Vcore Voltage и разгон

Разгонять тактовую частоту процессора можно до возникновения проблем со стабильностью. Если переборщить, программы начнут вылетать или зависать, производительность в играх упадёт, а компьютер может вообще не загрузиться в ОС. Это значит, что процессору не хватает энергии для стабильной работы.

Повышение напряжения позволит разогнать процессор по максимуму.

Чтобы это сделать, нужно загрузиться в BIOS. Vcore выражается в виде числа с тремя цифрами после запятой, например, 1.235v. По умолчанию напряжение на ядро выставляется автоматически. Но вы можете поставить любое значение. Убедитесь, что не превышаете рекомендуемый максимум вашего ЦП.

Перед тонкой настройкой Vcore, важно найти хорошее базовое значение для нужной тактовой частоты. У каждой модели всё по-разному. Узнать сколько должно быть vcore voltage вам могут помочь обзоры на процессор, особенно связанные с разгоном.

В большинстве статей указывается напряжение, на котором процессор стабильно работал при такой-то тактовой частоте. Опять же, каждый процессор индивидуален. Но эти значения дадут понять, с чего начать.

Если вы загрузились в ОС и всё работает стабильно — понижайте напряжение Vcore Voltage. При разгоне нужно найти минимально стабильное напряжение, ведь большее напряжение — большее тепловыделение.

Лучше всего изменять напряжение CPU Vcore Voltage на .01 вольт. Уменьшайте напряжение, пока компьютер не начнёт работать нестабильно. Для стресс-тестов используйте программы Extreme Tuning Utility или Prime95 .

Если есть проблемы, то вернитесь к предыдущему стабильному напряжению. Для тонкой настройки, повышайте напряжение на .005 вольта.

И наоборот, если ваш разгон нестабилен при базовом напряжении, увеличивайте напряжение Vcore Voltage пока компьютер не перестанет сбоить. Для точной настройки, уменьшайте напряжение на 0,005 вольта.

Уменьшение напряжения Vcore Voltage

Менять напряжение полезно не только при разгоне. Мы уже говорили, что высокое напряжение это больший нагрев, вне зависимости от тактовой частоты. У некоторых процессоров VID выше необходимого для работы на базовой частоте. Уменьшение напряжения продлевает жизнь процессору и делает его холоднее.

Распространено заблуждение, что отключение Turbo Boost в этом случае более эффективно. Температура и вправду уменьшается, но это не альтернативное решение. Цель уменьшения напряжения — работать на такой же стабильной системе, но с меньшим тепловыделением. Принцип тут такой же — уменьшайте значение на .01 вольта, а для точнейшей настройки на .005.

Источник

CPU Voltage

Другие идентичные по назначению параметры: VCore Voltage, CPU VCore, CPU Voltage Control, NPT Vid Control.

Одной из наиболее часто используемых опций BIOS, связанных с центральным процессором (ЦП) персонального компьютера, является опция CPU Voltage. Она предназначена для изменения такого важного параметра работы процессора, как напряжение питания его ядра. Варианты значений опции зависят от конкретной материнской платы. Кроме того, в разных BIOS опция может иметь различные названия.

Принцип работы

Как и большинство других устройств персонального компьютера, центральный процессор имеет определенное рабочее напряжение электропитания. И на многих, хотя и далеко не на всех материнских платах этот параметр работы ЦП может быть изменен пользователем. Для этой цели и предназначена опция BIOS CPU Voltage.

Данная функция будет чрезвычайно полезной при мероприятиях по разгону центрального процессора. Как правило, для разгона процессора применяется метод увеличения тактовой частоты шины FSB, однако при этом иногда может потребоваться и увеличение напряжения процессора.

Рассмотрим подробнее варианты, которые могут встретиться пользователю в опции. Значение Auto позволяет установить стандартное для определенной модели процессора показание Вольт. Аналогичную функцию выполняют и варианты By CPU Default, Startup, Disabled, Normal, No.

Выбор значения Manual позволяет пользователю установить необходимую величину. Иногда вариант Manual отсутствует, а пользователь может сразу же установить нужное ему напряжение. Процесс установки значений напряжения в разных BIOS может выглядеть по-разному – пользователь может напрямую установить нужное ему значение, введя его в текстовое поле, или установить значение, увеличивая параметр на фиксированную величину при помощи клавиш + и -. Иногда есть возможность выбрать параметр из предложенного BIOS списка. Наконец, выбор нужного параметра может быть организован в виде ввода величины, на которую напряжение будет превышать стандартное значение. Величина напряжения обычно указывается в вольтах или милливольтах. Часто в опции указывается также минимальный и максимальный возможный показатель.

Какое значение выбрать?

Для большинства пользователей, не занимающихся разгоном процессора, лучше всего установить значение Auto (CPU Default). В этом случае будет использоваться напряжение, стандартное для данной модели процессора и гарантирующее его безотказную работу.

В противном случае, если вас не устраивает стандартное значение напряжения, вы можете установить его самостоятельно. Однако при этом следует помнить, что установка напряжения ЦП, превосходящего номинал более чем на 0,2 В, может привести к выходу ЦП из строя. Кроме того, увеличение напряжения обычно приводит к чрезмерному нагреву процессора, что потребует дополнительных мер по его охлаждению.

Источник

Cpu voltage сколько должно быть

Сообщения: 8722
Благодарности: 1886

Конфигурация компьютера
Материнская плата: B450
HDD: SSD
Звук: проф.
CD/DVD: Asus 24B3ST
ОС: Win 10

ну судя по райзен калькулятору, для первого райзена и такой памяти, vsoc оптимален 1,03 — 1,06v

гигабайты обычно склонны завышать это напряжение . но это не является критичным . рекомендуемое пиковое значение не должно превышать 1,2v

——-
Хочу ребёнка—>девочку лет 18-ти DDD

Если же вы забыли свой пароль на форуме, то воспользуйтесь данной ссылкой для восстановления пароля.

Сообщения: 8722
Благодарности: 1886

» width=»100%» style=»BORDER-RIGHT: #719bd9 1px solid; BORDER-LEFT: #719bd9 1px solid; BORDER-BOTTOM: #719bd9 1px solid» cellpadding=»6″ cellspacing=»0″ border=»0″>

Конфигурация компьютера
Материнская плата: B450
HDD: SSD
Звук: проф.
CD/DVD: Asus 24B3ST
ОС: Win 10

не знаю в чем беспокойство . просто с завода приподняли вольтаж для перестраховки .
до 1,2 это рабочий рекомендуемый потолок, производителя .

если вы на процессоре подымите до 1,28 . от этого он хуже работать не станет .
да, конечно будет чуть больше греться, но NB это не ядра процессора . там нет такого энергопотребления .

просто производитель перестраховался и для пущей стабильности приподнял с рекомендуемых 1,05 до 1,12
да и то нужно еще учитывать погрешность датчиков . может там как-раз и есть 1,05 +/-

——-
Хочу ребёнка—>девочку лет 18-ти DDD

если вы на процессоре подымите до 1,28 . от этого он хуже работать не станет . »

Конфигурация компьютера
Материнская плата: B450
HDD: SSD
Звук: проф.
CD/DVD: Asus 24B3ST
ОС: Win 10

Там погрешность минимальная. А здесь аж на 0.030 »

ну тут сэкономили, на элементной базе .

в любом случае я бы советовал поставить чуть выше рекомендуемых 1,03/5 .
что-бы в будущем (пусть и не близком) из-за деградации элементов в цепи питания, не искать с бубном причины нестабильной работы .
да и датчики могут немного привирать . поэтому в идеале выбрать золотую середину, между базовыми 1,04 и максимальными 1,19 .

——-
Хочу ребёнка—>девочку лет 18-ти DDD

Последний раз редактировалось samara1532, 11-01-2019 в 18:48 .

Это сообщение посчитали полезным следующие участники:

Сообщения: 8722
Благодарности: 1886

» width=»100%» style=»BORDER-RIGHT: #719bd9 1px solid; BORDER-LEFT: #719bd9 1px solid; BORDER-BOTTOM: #719bd9 1px solid» cellpadding=»6″ cellspacing=»0″ border=»0″>

Конфигурация компьютера
Материнская плата: B450
HDD: SSD
Звук: проф.
CD/DVD: Asus 24B3ST
ОС: Win 10

Ничего же страшного в этом нет, что стоят последние режимы? »

для NB не так страшно . на цпу выше тройки лучше не ставить .

хотя честно скажу, для меня эти все эти попытки загнать туда куда не обязательно, из категори «упоротого оверклокинга» .
чего его насиловать . если и без этого всё прекрасно будет работать .

——-
Хочу ребёнка—>девочку лет 18-ти DDD

Это сообщение посчитали полезным следующие участники:

Adblock
detector

Что такое CPU Core Voltage?

Всем здравствуйте! Сегодня разберем CPU Core Voltage — что это такое, для чего используется и как работает. Также, какой должен быть этот параметр, на что влияет и влияет ли.

О том, что такое Active Core Control: как работает и для чего используется, можно почитать здесь.

Что такое вольтаж ЦП

Для работы любой микросхемы, а центральный процессор представляет собой очень сложную, но все-таки микросхему, необходима подача электрического тока. Как вы, вероятно, помните из курса физики, один из его параметров — напряжение.

CPU Core Voltage — напряжение, которое подается на ядро процессора и которое необходимо для его работы. На коннектор, который подключается в слот рядом с ЦП, блок питания подает 12 В. После преобразования напряжения с помощью отдельного блока на системной плате среднее значение тока, подаваемого на CPU, приблизительно 1.2 В.

При разгоне ЦП, то есть увеличении тактовой частоты, ему для стабильной работы необходимо напряжение немного больше. А вот максимальный вольтаж, который можно поднять без последствий, уже зависит от конкретной модели «камня».

Если вы всерьез озадачились разгоном, рекомендую почитать или посмотреть видео о возможностях используемой вами модели, так как есть некоторые нюансы. Благо, энтузиастов, которые этим занимаются, в интернет огромное количество.

Также учитывайте, что в режиме Override, то есть при разгоне, увеличение напряжения почти всегда ведет к дополнительному нагреву ЦП. Это не критично у Intel или новых моделях Ryzen. А вот у старых моделей AMD это было хронической «болячкой»: они сильно грелись даже и без разгона.

Как повысить вольтаж процессора

Настройки могут отличаться от модели системной платы и, соответственно, вшитого BIOS. Например, у ASUS и MSI они преимущественно разные, так как используется БИОС разных разработчиков.

С UEFI ситуация немного проще: у современных плат он уже русифицирован — если, конечно, вы купили лицензионную деталь, а не контрафактный самопал, не адаптированный для нашего региона.

Опция, как правило, находится в разделе CPU в настройках БИОСа и может называться CPU Core Voltage, VCore Voltage, CPU Voltage Control, CPU Volt Cache Mode и т.д. Единственное, что я заметил — в названии почти всегда присутствует слово «Вольт».

Для возможности разгона в автоматическом нужно будет установить значение Override, или Offset для мануального управления. После этого становится активной следующий пункт, где значение подаваемого напряжения нужно выбрать из списка доступных. Также функция может иметь значения enabled/disabled или on/off в зависимости от версии БИОС.

Режим Offset Mode или Manual позволяет вручную ввести подходящее значение напряжения, набрав его вручную на цифровой клавиатуре. И осталось упомянуть режим Auto, когда вольтаж выбирает сама системная плата в зависимости от подаваемой на процессор нагрузки.

Рекомендую аккуратно подходить к разгону. Повышая напряжение не более чем на 0,1 на каждом заходе. После этого сохраняйте настройки и проверяйте, как работает компьютер — не стал ли он зависать или уходить в ребут(перезагружаться).

Также мониторьте нагрев всех ядер с помощью специальных утилит, например CPU Z или Speccy. Если после повышения частоты и вольтажа компьютер работает стабильно, можно увеличить напряжение еще на 0,1 В.

Закончить следует тогда, когда вы заметите лаги в работе ПК или ноутбука. В этом случае снизьте напряжение на последнего значения, когда устройство работало стабильно. И не стоит переживать слишком сильно, что ситуация выйдет из-под контроля. Встроенная «защита от дурака» не даст сжечь ЦП, вовремя выключив компьютер.

Буду признателен всем, кто поделится этой публикацией в социальных сетях. До скорой встречи!

Источник

Питание современных процессоров

Обеспечение питания – одна из наиболее сложных задач при разработке современных процессоров. Сеть доставки питания (power delivery network, PDN) должна отвечать повышенным требованиям современной КМОП-технологии, обеспечивать питание с высокой эффективностью и быстро реагировать на изменения в энергопотреблении.

И эти проблемы встречаются как у смартфонов с потреблением в 1 Вт, так и у серверных процессоров на 200 Вт и массивных ускорителей машинного обучения – к примеру, Cerebras CS-1 на 15 кВт. Для работы с заданной тактовой частотой каждому транзистору и каждой схеме современного чипа требуется питание с правильным напряжением. Если напряжение будет слишком низким, элементы схемы будут переключаться медленно, что приведёт к появлению ошибок, проблемам со стабильностью и другим неожиданным отказам.

Из-за физики кремния КМОП обычно работает на напряжении в 1 В. Однако у современных технологий, использующих транзисторы FinFET и другие техники, номинальные напряжения могут находиться в диапазоне от 0,65 В до 1,2 В. Инновационные схемы могут использовать напряжение питания, близкое к пороговому значению транзисторов (near-threshold voltage, NTV) – эту технологию продемонстрировало исследование от Intel. И хотя процессоры, использующие NTV (к примеру, Ambiq Micro), уже появились в продаже, эта технология всё ещё довольно нова. Энергопотребление коммутационной схемы (такой, как процессор) пропорционально квадрату напряжения, поэтому для увеличения эффективности необходимо уменьшать напряжение. Для разработчиков чипов это классическая проблема поиска золотой середины: напряжение должно быть достаточно высоким для того, чтобы избежать ошибок, но не выше.

Однако работа под низким напряжением – это сложная задача в плане обеспечения питания, поскольку в этом случае к процессору нужно подводить большой ток. Возьмём современный серверный процессор – Intel Cascade Lake Xeon 14 нм. TDP у самых мощных процессоров этой модели достигают 205 Вт, что теоретически даёт нам ток в 205 А при напряжении в 1 В. На самом деле, конечно, процессоры устроены гораздо сложнее, и используют различные напряжения и схемы питания, однако такой простой пример будет полезен для понимания ситуации. Если энергопотребление процессора останется на том же уровне, а напряжение понизится до 0,75 В, это увеличит нужный ток до 274 А. И хотя передовые серверные процессоры от Intel довольно прожорливы, они не идут в сравнение с некоторыми ускорителями вычислений. К примеру Nvidia Volta V100 потребляет 450 Вт, некоторые будущие их процессоры будут есть уже по 600 Вт, и, как было упомянуто ранее, Cerebras CS-1 потребляет невероятные 15 кВт.

Обычно гораздо эффективнее получается передавать энергию при высоком напряжении и низком токе. Чем выше напряжение, тем меньше ток и тем меньше требуется проводов, что уменьшает стоимость системы. Кроме того, потери на сопротивление пропорциональны квадрату тока, поэтому увеличение напряжения и уменьшение тока понижает потери на сопротивление и увеличивает эффективность энергетической системы. Поэтому обычно линии электропередач работают с напряжением выше 110 кВ – и те же самые базовые принципы применимы и для сервера или дата-центра. Хотя некоторые сервера используют традиционные 12 В, некоторые из новых перешли на 48 В для эффективности – в особенности ускорители, потребляющие более 350 Вт.

Если свести всё это вместе, то теоретической целью обеспечения питания будет передача энергии по системе с максимально возможным напряжением, а потом преобразование в очень низкое и стабильное напряжение, для эффективных и стабильных вычислений.

Анатомия сети передачи питания

Как показано на рис. 1, проблема обеспечения питания затрагивает всю систему, начинаясь с основного источника питания и продолжаясь до электрораспределительной сети в процессоре, доходя в итоге до транзисторов, выполняющих вычисления на кристалле. У настольных компьютеров БП преобразует 110 В или 220 В в 12 В постоянного тока, распространяемого по всей материнской плате, к процессору и другим компонентам. У ноутбуков или смартфонов всё немного не так – типичные литий-ионные батареи выдают постоянное напряжение в 3,7 В, поэтому преобразования переменного напряжения в постоянное не происходит, а понижение напряжения требуется не такое сильное.

Рис. 1: Обеспечение питания в современных системах. Слева — Intel FIVR, справа – традиционный VRM

У стандартных процессоров, например, от AMD, модуль регулятора напряжения (voltage regulation module, VRM) понижает напряжение примерно до 1 В. Обычно VRM располагаются недалеко от процессора, так, чтобы большую часть расстояния проходили сигналы на 12 В. 1 В передаётся на небольшое расстояние по материнской плате, через плату процессора, и внутрь самого процессора по его контактам. В процессоре есть своя электрораспределительная сеть, расходящаяся от контактов и использующая различные промежуточные металлические слои для доставки энергии к транзисторам. VRM работают на довольно низкой частоте в 1 МГц, то есть, могут подстраивать выходящее напряжение только раз в микросекунду.

Многие системы на базе Intel работают по той же схеме, однако используют дополнительный шаг в обеспечении питания. FIVR (fully-integrated voltage regulator – полностью интегрированный модуль регулятора напряжения) интегрирован в сам кристалл процессора и распределяет энергию по десяткам шин питания в его различные блоки (ядра CPU, кэши L2, блоки GPU и т.п.). FIVR используется в большинстве серверных процессоров, начиная с поколения Haswell. Также он используется в клиентских процессорах Haswell и Broadwell, а теперь и в клиентах Ice Lake и Tiger Lake. Отметим, что семейство клиентов Skylake (Coffee Lake, Comet Lake, и т.д.) FIVR не используют. В этих системах VRM на материнской плате преобразуют 12 В (или 48 В) в 1,8 В, и передают энергию от VRM, через всю материнскую плату, плату процессора и его контакты в FIVR. FIVR отвечает за последний шаг в преобразовании энергии, и понижает напряжение с 1,8 В до 1 В, в зависимости от нужд конкретной шины питания.

Одно из преимуществ FIVR состоит в том, что напряжение, поданное с VRM материнской платы на процессор получается в два раза выше, чем у обычных систем. Использование более высокого напряжения уменьшает требуемую силу тока примерно в 2 раза, уменьшает количество контактов питания и повышает эффективность. Минус в том, что преобразование напряжения никогда не бывает на 100% эффективным, и FIVR теряют часть энергии. Взаимоотношение между выигрышем в эффективности и потерей при преобразовании сильно зависит от конкретной ситуации. В целом для процессоров с высоким энергопотреблением система с FIVR обычно выигрывает. Кроме того, FIVR потрясающе быстро работает – её тактовая частота составляет 140 МГц, на два порядка больше, чем у VRM на материнке.

Необходимость быстрой реакции в изменчивых условиях

Скорость FIVR подводит нас к одной из крупнейших проблем обеспечения питания современных процессоров. Концентрация на постоянном питании и температурных характеристик (TDP) преуменьшает значимость проблемы. Современные процессы чрезвычайно динамичны, а их поведение меняется на основе нагрузки. Транзистору при переключении требуется относительно небольшой ток. Однако если множество транзисторов переключаются одновременно, то общее потребление может достичь значительных величин и создать шум на питании чипа. У таких высокоскоростных чипов, как CPU или GPU, количество переключающихся транзисторов может значительно меняться от цикла к циклу. К примеру, когда ядро CPU начинает выполнять команды умножения с накоплением AVX512, энергопотребление становится гораздо больше, чем в случае выполнения целочисленной арифметики. Сходным образом системы динамического изменения напряжения и частоты (DVFS) меняют частоту и напряжение процессора на лету в ответ на изменения загрузки или рабочих условий. Эти внезапные всплески в энергопотреблении могут привести к временным проседаниям напряжения.

Эту проблему могут проиллюстрировать два примера. Большинство дата-центров оптимизируют под эффективность и высокую утилизацию – то есть, 40-60% утилизации CPU, а в пиках и того больше. Если мы вернёмся к TPD 205 Вт у Intel Xeon по спецификации, то этот процессор в моменты максимальной загрузки потребляет ток в 273,75 A по основным шинам питания, и невероятные 413 Вт.

Клиентские процессоры, особенно у ноутбуков и смартфонов, ведут себя совсем не так, и представляют ещё более интересную проблему. Они обычно оптимизированы под очень неровную работу и должны выдавать максимальную мощность на кратких промежутках времени (к примеру, при загрузке веб-страницы), и потреблять очень мало во время простоя (к примеру, ожидая пользовательского ввода). Ноутбук, работающий с 40-60% утилизацией CPU, нереально быстро просаживал бы батарею. Клиентский процессор порядка 90% времени проводит в режиме ожидания. В итоге у клиентских процессоров получается ещё большая разница между TPD, максимальной мощностью и потреблением тока. Последние процессоры Ice Lake серий U и Y имеют TPD в 15 Вт и 9 Вт соответственно. Для увеличения быстродействия вендоры могут устанавливать TPD выше, вплоть до 25 Вт и 12 Вт соответственно. Однако максимальное энергопотребление для CPU и GPU значительно выше – до 70 А и 49 А соответственно, и это не считая питание контроллера памяти и всей периферии ядра.

Основная проблема тут в том, что регуляторы напряжения, будь то VRM на материнской плате или FIVR от Intel, реагируют гораздо медленнее, чем могут появляться кратковременные всплески, вызванные переключениями транзисторов. FIVR у Haswell может повысить напряжение на шине питания от 0 до 0,8 В за 0,32 мкс. Однако для современных процессоров на 3 ГГц это выльется в порядка 1000 тактов. Обычные, менее быстрые VRM могут увеличивать напряжение на 10-23 мВ за мкс, и на аналогичное повышение от 0 до 0,8 у них уйдёт в 100 раз больше времени, или порядка 100 000 тактов. Без очень эффективной схемы эти временные пики могут вызвать проседания напряжения – по смыслу это похоже на то, как в старых домах тускнеет свет лампочек, когда хозяева включают микроволновку или фен. Исключение составляют клиентские процессоры Skylake и процессоры от AMD, использующие регуляторы с небольшим падением напряжения (LDO), которые также работают очень быстро. Однако LDO работают как переменное сопротивление, и умеют только уменьшать напряжение, идущее на шину питания. Поскольку LDO работают через сопротивление, для больших изменений напряжения (более 10%) они становятся неэффективными.

Как уже упоминалось, если процессор работает на частоте 3 ГГц, а напряжение внезапно падает, то транзисторы могут уже не работать корректно – поэтому либо нужно держать постоянное напряжение, либо ронять частоту. На практике же большинство компаний используют комбинацию из разных мер. К примеру, AMD разработала технологию адаптивного изменения частоты, уменьшающую её во время проседаний напряжения.

Плавная подача питания развязывающими конденсаторами

Чтобы устранить несоответствие между почти мгновенными всплесками потребления и задержкой на регуляторах напряжения, современные системы полагаются на развязывающие, или обходные конденсаторы. Эти конденсаторы хранят энергию и могут быстро высвобождать её, чтобы гарантировать постоянное напряжение в моменты, когда регуляторы только начинают реагировать. Вернёмся к рис. 1: системы включают в себя развязывающие конденсаторы на каждом шаге работы сети подачи питания. На МА конденсаторы встречаются во многих местах, но особенно много их вокруг гнезда процессора – см. рис. 2. В платы процессоров также встраивают развязывающие конденсаторы, обычно по краям и снизу. Наконец, на кристаллах процессора тоже располагают конденсаторы; они ближе всего расположены к активным схемам и дают скорейший отклик на временные всплески энергопотребления.

Рис. 2: развязывающие конденсаторы вокруг гнезда процессора

На кристаллах располагаются совершенно разные конденсаторы. Простейший их тип – обычный транзистор, который иногда называют МОП-конденсатором. Такие конденсаторы можно легко вставлять в стандартные ячейки на небольшом расстоянии от важных участков, где ожидается сильный шум переключения. Поскольку они располагаются близко к активным участкам, они легко могут поглощать шум и быстро подавать дополнительный ток.

Кроме того, на чипах, разработанных при помощи различных средств автоматизации, встречаются «пробелы» – участки, оставшиеся пустыми из-за несовершенства инструментов и ограничений по расположению блоков разной формы в непосредственной близости друг от друга. Распространённой практикой является заполнение этих пробелов конденсаторами – по сути, это «бесплатно». И хотя МОП-конденсаторы можно сделать в любом техпроцессе и легко разместить на кристалле, они не являются идеальными конденсаторами. Как и другие транзисторы, они дают утечку, а также их бывает сложно втиснуть в забитые компонентами участки чипа. Ещё один вариант – изменить техпроцесс и создавать более специализированные структуры, такие, как металл-диэлектрик-металл (MIM) конденсаторы, металл-оксид-металл (MOM) конденсаторы, или траншейные конденсаторы [deep trench capacitors].

Рис. 3: MIM- конденсаторы от Intel на 22 нм для eDRAM

Как следует из названия, MIM- конденсаторы формируется из двух параллельных металлических слоёв с high-k диэлектриком между ними. В процессе на 22 нм от Intel используются два разных вида MIM-конденсаторов. Как видно на рис. 3, первый тип MIM-конденсаторов используется для одноразрядных ячеек в eDRAM и формируется в нижних металлических слоях M2-M4. Второй представлен в процессе 22FFL и использует толстые верхние слои в 4 мкм в качестве параллельных металлических слоёв. Intel тут не делает ничего уникального – другие производители тоже используют MIM-конденсаторы. К примеру, AMD использовала MIM-конденсаторы верхнего уровня в процессоре Zen CCX для развязки и уменьшения провалов напряжения. MIM-конденсаторы обычно работают лучше, чем МОП-конденсаторы, однако располагаются они чуть дальше, поскольку нхаодятся в верхних металлических слоях, а необходимость предпринимать дополнительные шаги на производстве немного увеличивает стоимость. MOM-конденсаторы используют сходную идею параллельных металлических линий, только поворачивают их на 90°. Металлические линии формируются горизонтально в двух соседних вертикальных металлических слоях (к примеру, M3 и M4), а межслойный оксид-диэлектрик играет роль изолятора.

Ещё одним вариантом будут траншейные конденсаторы, однако они редко встречаются в производстве, поскольку травление траншей с высоким разрешением значительно повышает стоимость процесса. Их использовали уже несколько поколений технологий изготовления процессоров, начиная с техпроцесса SOI на 32 нм от IBM и далее, с SOI на 14 нм. Траншейные конденсаторы от IBM используются для развязки в больших массивах eDRAM, реализующих кэши L2, L3 и L4 в процессорах POWER и zArch. В качестве примера IBM заявляет, что смогла убрать все конденсаторы с платы процессора z12, сделанного для мейнфрейма по техпроцессу 32 нм, и заменить их траншейными конденсаторами. После этого на IEDM 2019 TSMC рассказала о процессе формирования траншейных конденсаторов на кремниевой вставке. Хитроумный и элегантный подход – хотя такие конденсаторы располагаются уже не так близко к активной логике, как те, что находятся на самом кристалле, поэтому неспособны полностью заменить развязывающие конденсаторы.

Обеспечение системы питанием находит компромисс между быстродействием, эффективностью и стоимостью

При обеспечивании питанием высокоскоростных процессоров приходится обходить несметное количество проблем. В идеале, сеть доставки питания должна работать при высоком напряжении для эффективности передачи энергии, но в итоге выдавать низкое и стабильное напряжение для КМОП-логики, на которой реализован процессор. Преобразование питания, из переменного в постоянный ток, и из высокого в низкое напряжение должно быть максимально эффективным.

В то же время, ток, требуемый для работы процессора, постоянно меняется, реагируя на изменяющиеся условия работы – такие, как смесь инструкций или динамическое изменение напряжения. Для сглаживания этих почти мгновенных изменений и уменьшения шума в современных схемах почти на каждом уровне доставки питания, от материнской платы до кристалла процессора, используются развязывающие конденсаторы. Чем быстрее и отзывчивее сеть, тем меньше развязывающих конденсаторов ей требуется. Если взять сам процессор, то для него доступно несколько вариантов размещения конденсаторов на кристалле. Проще всего использовать обычные транзисторы, поскольку их легко разместить в рамках любого техпроцесса, однако они работают не очень эффективно. Многие производители предлагают конденсаторы улучшенной эффективности, созданные при помощи особых технологий или схем разработки — такие, как MIM-конденсаторы, и более редкие ТК, на кремнии или вставке.

Все эти переменные связаны между собой – техпроцесс, развязывающие конденсаторы, динамическое изменение напряжения и частоты, регуляторы напряжения – и разработчики процессоров обязаны учитывать их все, чтобы получать максимально возможные быстродействие, эффективность по минимальной цене.

Источник