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基于自适应技术的CPU供电电路系统

作者:时间:2012-08-03来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/176541.htm

  

  Intel为其各款处理器产品制定了相应的电压调节模块(Voltage Regulation Model,VRM)设计规范,从Prescott核心微处理器开始,电压调节规范改用VRD(Voltage Regulation Down)来命名,各版本设计规范中VID位数、电压调节精度和电压调节范围都各不相同,见表2。

  

  VRD10.0将VID编码从5位升级到6位,使得电压调节精度从25mV提升到12.5mV,同时VRD10.0还提出了对VID进行动态调整的要求。

  三、 动态电压调节

  摩尔定律在芯片规模和性能方面的定义无比精确,但它却忽视了芯片功耗带来的制约:性能与功耗几乎是同步提升,到2005年内微处理器的最高功耗可能要攀升至150W,但目前采用的风冷或水冷散热所依托的热传导方式,都不可能将核心内部的热量迅速带走,导致核心温度过高,从而引发蓝屏和死机故障。

  动态电压调节(Dynamic Voltage adjusting,DVA)正是在这种背景下提出来的,其基本思想是根据核心功率变化适时调节电压值,最大限度地减少微处理器的发热量。譬如,Prescott处理器的功率达到100W之多,这个功率是指占用率100%时的情况,功耗大小随的忙碌程度的变化而变化,在空闲时CPU实际负荷要小很多。如果CPU输出的VID维持不变,Vcore将超过CPU的实际需求,从而带来不必要的电能浪费。

  另一方面,当CPU处于十分忙碌的状态时,CPU和自身内阻的电压降会随电流增加而增加,如果CPU输出的VID维持不变,Vcore的实际数值将随电流的增加而降低,电压的降低势必降低CPU的稳定性,这是毋庸置疑的。

  动态自电压调节技术是一种智能供电技术,与传统的供电技术相比,动态VID的优势体现在以下三个方面:

  (1) 向CPU核心(die)提供稳定的电压,提高了CPU工作稳定性;

  (2) 根据CPU工作情况,动态地将供电电压调节到某一时刻所需的最低水平,使供电电压“恰好满足需求”,实现最大限度的节能。

  (3) 如果出现电流猛增的意外情况,VID控制器可以限制电流增加,保护CPU免于因发热过多而烧毁。

  为了配合CPU内VID控制器实现CPU核心电压的动态调节,Intel提出了柔性主板(Flexible Main Board,FMB)概念,并相继推出了FMB 1.X和FMB2.X设计规范。为了能够向CPU提供足够的电力,降压必须拥有功率足够的MOSFET器件,同时在电流超标时能及时采取措施让电流降下来,防止产生过多的热量摧毁CPU和主板。

  四、动态电压调节的实现

  关于动态电压调整的策略,Intel在VRD10.0设计指南中说得很明白:供电需要提供对动态VID技术的支持,使得CPU中VID控制器通过VID总线每隔5ms对VID进行一次调整,步长(steps)为12.5mV,直到某一VID能够满足要求为止。那么,调整的根据是什么呢?

  为了描述电压调整的过程,首先定义下面3个负载曲线:

  电压最大值Vmax= VID – (RLL* ICC)

  电压典型值Vtype = VID – TOB – (RLL* ICC)

  电压最小值Vmin = VID – 2*TOB – (RLL* ICC)

  式中RLL是传输线路等效电阻,这里是指电压调整经CPU插座(Socket)到CPU引脚之间的阻抗,包括导线电阻和CPU引脚与插座间的接触电阻。由于RLL的存在,使得在主板输出电压与实际提供给CPU核心电压之间存在一个落差。电压跌落随ICC的增加而线性增加,因此RLL是负载线的斜率。TOB是由制造误差和温度漂移等因素形成的误差。

  CPU中VID控制器采用“查表式”调节方式,图5描述了处理器电压调低的过程。处理器开始时负荷比较高,随着负荷的减轻,实际电压随ICC减少而升高,并停止执行VID编码(①→②);进入状态②之后,处理器经过短暂延时,以便为降低VID的操作做准备,然后对VID编码进行初始化,导致电流拉回到状态③;从状态③到状态④的变化,表示VID降低,从初始负载线窗口转入较低的负载线窗口;从状态④到状态⑤表示在较低的VID负载窗口中,VCC随ICC变化的瞬态过程。VID从低到高的调整过程与上述过程相反。

  

  图5 负载线

  五、结语

  供电的工作质量关系到计算机系统的稳定和安全,供电系统工作不好,就等于计算机患了心脏病。自供电技术不仅方便了用户,也增加了CPU供电的安全性;动态供电使供电电压恰好满足CPU需求,不仅提高了系统稳定性,还降低了CPU功耗。除此以外,作为一种智能化供电技术,动态供电技术对实现过流保护和过热保护等保护功能也更加方便了。

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