CPU是怎么调节输入电压的?为什么要这么做?

时间:2019-03-05

从含有1亿4000万个场效应晶体管FET的奔驰4到高达80多亿的Kabylake,Intel虔诚的按照摩尔定律增加着晶体管的数目。这么多个FET随着每一次的翻转都在消耗者能量。一个FET的简略示用意如下:

P代表能耗。C可能简单看作一个常数,它由制程等因素决定,制程越小,C越小;V代表电压,跟P是二次方的关联;而f就是频率了。空想情况,提高一倍频率,则能耗进步一倍。而V的幂函数关系对P来说更至关重要。

除了供应更高的性能之外,CPU们的战场还有一个:谁的能效比更好。古代CPU往往采用低电压大电流的供电打算,也是为了改进能效比:低电压带来低功耗。要理解这点,要从原理上谈起。

有友人问我CPU的核心电压Vcore是多少,我的答案是大略1V左右。这个回答引起了争议,”到底是左还是右,打算机科学这种事可容不得含糊!“,我也很无奈,中心电压是个动态变革的过程,会随着运行频率不同会被动态调节,1V只是个中位数。核心电压也曾经小而美,但跟着CPU电源管理的演进早已十分复杂。今天咱们就一起来懂得一下为什么要随着频率不同而转变电压?怎么和由谁改变电压?电压调节的演进等等,也就是从Why,How,Who跟When来全面把持CPU电压调节的常识。WHY?为什么要调节电压?

从图示中,兴许你可以直观的看出,能耗和频率是正相关的。这个懂得很正确,实际上能耗和频率成线性相干。能耗关系公示是(参考资料1):

当输入低电平时,CL被充电,咱们假设a焦耳的电能被储存在电容中。而当输入变成高电平后,这些电能则被释放,a焦耳的能量被开释了出来。因为CL很小,这个a也非常的小,几乎能够忽视不计。但如果我们以1GHz频率翻转这个FET,则能量耗费就是a × 10^9,这就不能疏忽了,再加上CPU中有多少十亿个FET,花费的能量变得相当可观。