基于自適應技術(shù)的CPU供電電路系統

　　Intel為其各款處理器產(chǎn)品制定了相應的電壓調節模塊（Voltage Regulation Model，VRM）設計規范，從Prescott核心微處理器開(kāi)始，電壓調節規范改用VRD（Voltage Regulation Down）來(lái)命名，各版本供電設計規范中VID位數、電壓調節精度和電壓調節范圍都各不相同，見(jiàn)表2。

　　VRD10.0將VID編碼從5位升級到6位，使得電壓調節精度從25mV提升到12.5mV，同時(shí)VRD10.0還提出了對VID進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整的要求。

　　三、 動(dòng)態(tài)電壓調節技術(shù)

　　摩爾定律在芯片規模和性能方面的定義無(wú)比精確，但它卻忽視了芯片功耗帶來(lái)的制約：性能與功耗幾乎是同步提升，到2005年內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)所依托的熱傳導方式，都不可能將核心內部的熱量迅速帶走，導致核心溫度過(guò)高，從而引發(fā)藍屏和死機故障。

　　動(dòng)態(tài)電壓調節（Dynamic Voltage adjusting，DVA）技術(shù)正是在這種背景下提出來(lái)的，其基本思想是根據CPU核心功率變化適時(shí)調節供電電壓值，最大限度地減少微處理器的發(fā)熱量。譬如，Prescott處理器的功率達到100W之多，這個(gè)功率是指CPU占用率100%時(shí)的情況，功耗大小隨CPU的忙碌程度的變化而變化，在系統空閑時(shí)CPU實(shí)際負荷要小很多。如果CPU輸出的VID維持不變，Vcore將超過(guò)CPU的實(shí)際需求，從而帶來(lái)不必要的電能浪費。

　　另一方面，當CPU處于十分忙碌的狀態(tài)時(shí)，CPU和供電電路自身內阻的電壓降會(huì )隨電流增加而增加，如果CPU輸出的VID維持不變，Vcore的實(shí)際數值將隨電流的增加而降低，電壓的降低勢必降低CPU的穩定性，這是毋庸置疑的。

　　動(dòng)態(tài)自適應電壓調節技術(shù)是一種智能供電技術(shù)，與傳統的供電技術(shù)相比，動(dòng)態(tài)VID的優(yōu)勢體現在以下三個(gè)方面：

　?。?） 向CPU核心（die）提供穩定的電壓，提高了CPU工作穩定性;

　?。?） 根據CPU工作情況，動(dòng)態(tài)地將供電電壓調節到某一時(shí)刻所需的最低水平，使供電電壓“恰好滿(mǎn)足需求”，實(shí)現最大限度的節能。

　?。?） 如果出現電流猛增的意外情況，VID控制器可以限制電流增加，保護CPU免于因發(fā)熱過(guò)多而燒毀。

　　為了配合CPU內VID控制器實(shí)現CPU核心電壓的動(dòng)態(tài)調節，Intel提出了柔性主板（Flexible Main Board，FMB）概念，并相繼推出了FMB 1.X和FMB2.X設計規范。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(shí)在電流超標時(shí)能及時(shí)采取措施讓電流降下來(lái)，防止產(chǎn)生過(guò)多的熱量摧毀CPU和主板。

　　四、動(dòng)態(tài)電壓調節的實(shí)現

　　關(guān)于動(dòng)態(tài)電壓調整的策略，Intel在VRD10.0設計指南中說(shuō)得很明白：供電系統需要提供對動(dòng)態(tài)VID技術(shù)的支持，使得CPU中VID控制器通過(guò)VID總線(xiàn)每隔5ms對VID進(jìn)行一次調整，步長(cháng)（steps）為12.5mV，直到某一VID能夠滿(mǎn)足要求為止。那么，調整的根據是什么呢？

　　為了描述電壓調整的過(guò)程，首先定義下面3個(gè)負載曲線(xiàn)：

　　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(xiàn)路等效電阻，這里是指電壓調整電路經(jīng)CPU插座（Socket）到CPU引腳之間的阻抗，包括導線(xiàn)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(gè)落差。電壓跌落隨ICC的增加而線(xiàn)性增加，因此RLL是負載線(xiàn)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”調節方式，圖5描述了處理器電壓調低的過(guò)程。處理器開(kāi)始時(shí)負荷比較高，隨著(zhù)負荷的減輕，實(shí)際電壓隨ICC減少而升高，并停止執行VID編碼（①→②）;進(jìn)入狀態(tài)②之后，處理器經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)，以便為降低VID的操作做準備，然后對VID編碼進(jìn)行初始化，導致電流拉回到狀態(tài)③;從狀態(tài)③到狀態(tài)④的變化，表示VID降低，從初始負載線(xiàn)窗口轉入較低的負載線(xiàn)窗口;從狀態(tài)④到狀態(tài)⑤表示在較低的VID負載窗口中，VCC隨ICC變化的瞬態(tài)過(guò)程。VID從低到高的調整過(guò)程與上述過(guò)程相反。

　　圖5 負載線(xiàn)

　　五、結語(yǔ)

　　供電系統的工作質(zhì)量關(guān)系到計算機系統的穩定和安全，供電系統工作不好，就等于計算機患了心臟病。自適應供電技術(shù)不僅方便了用戶(hù)，也增加了CPU供電的安全性;動(dòng)態(tài)供電使供電電壓恰好滿(mǎn)足CPU需求，不僅提高了系統穩定性，還降低了CPU功耗。除此以外，作為一種智能化供電技術(shù)，動(dòng)態(tài)供電技術(shù)對實(shí)現過(guò)流保護和過(guò)熱保護等保護功能也更加方便了。