動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù) - 基于自適應(yīng)技術(shù)的CPU供電電路系統(tǒng)

　　Intel為其各款處理器產(chǎn)品制定了相應(yīng)的電壓調(diào)節(jié)模塊（Voltage Regulation Model，VRM）設(shè)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(shè)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(jìn)行動態(tài)調(diào)整的要求。

　　三、 動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

　　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(fēng)冷或水冷散熱技術(shù)所依托的熱傳導(dǎo)方式，都不可能將核心內(nèi)部的熱量迅速帶走，導(dǎo)致核心溫度過高，從而引發(fā)藍(lán)屏和死機(jī)故障。

　　動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（Dynamic Voltage adjusting，DVA）技術(shù)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(dá)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(shí)際負(fù)荷要小很多。如果CPU輸出的VID維持不變，Vcore將超過CPU的實(shí)際需求，從而帶來不必要的電能浪費(fèi)。

　　另一方面，當(dāng)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(shí)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(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)是一種智能供電技術(shù)，與傳統(tǒng)的供電技術(shù)相比，動態(tài)VID的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面：

　　（1） 向CPU核心（die）提供穩(wěn)定的電壓，提高了CPU工作穩(wěn)定性;

　　（2） 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(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能。

　?。?） 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(hù)CPU免于因發(fā)熱過多而燒毀。

　　為了配合CPU內(nèi)VID控制器實(shí)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(shè)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(biāo)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(shí)現(xiàn)

　　關(guān)于動態(tài)電壓調(diào)整的策略，Intel在VRD10.0設(shè)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(shù)的支持，使得CPU中VID控制器通過VID總線每隔5ms對VID進(jìn)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(fù)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(dǎo)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(shí)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(fù)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(fù)荷比較高，隨著負(fù)荷的減輕，實(shí)際電壓隨ICC減少而升高，并停止執(zhí)行VID編碼（①→②）;進(jìn)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(zhǔn)備，然后對VID編碼進(jìn)行初始化，導(dǎo)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(fù)載線窗口轉(zhuǎn)入較低的負(fù)載線窗口;從狀態(tài)④到狀態(tài)⑤表示在較低的VID負(fù)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(fù)載線

　　五、結(jié)語

　　供電系統(tǒng)的工作質(zhì)量關(guān)系到計算機(jī)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(jī)患了心臟病。自適應(yīng)供電技術(shù)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(shù)，動態(tài)供電技術(shù)對實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)和過熱保護(hù)等保護(hù)功能也更加方便了。