Dynamische Spannungsskalierung - Dynamic voltage scaling

Die dynamische Spannungsskalierung ist eine Energieverwaltungstechnik in der Computerarchitektur , bei der die in einer Komponente verwendete Spannung je nach Umständen erhöht oder verringert wird. Die dynamische Spannungsskalierung zur Erhöhung der Spannung wird als Überspannung bezeichnet ; Die dynamische Spannungsskalierung zur Verringerung der Spannung wird als Undervolting bezeichnet . Undervolting wird durchgeführt, um Strom zu sparen , insbesondere in Laptops und anderen mobilen Geräten, bei denen die Energie aus einer Batterie stammt und daher begrenzt ist, oder in seltenen Fällen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Überspannung wird durchgeführt, um höhere Frequenzen für die Leistung zu unterstützen.

Der Begriff "Overvolting" wird auch verwendet, um sich auf die Erhöhung der statischen Betriebsspannung von Computerkomponenten zu beziehen, um einen Betrieb mit höherer Geschwindigkeit zu ermöglichen ( Overclocking ).

Hintergrund

MOSFET- basierte digitale Schaltungen arbeiten unter Verwendung von Spannungen an Schaltungsknoten, um den logischen Zustand darzustellen. Die Spannung an diesen Knoten wechselt während des normalen Betriebs zwischen einer hohen Spannung und einer niedrigen Spannung – wenn die Eingänge eines Logikgatters übergehen, können die Transistoren, die dieses Gatter bilden, den Ausgang des Gatters umschalten.

An jedem Knoten einer Schaltung befindet sich eine bestimmte Kapazität . Die Kapazität kann als Maß dafür angesehen werden, wie lange es dauert, bis ein bestimmter Strom eine bestimmte Spannungsänderung erzeugt. Die Kapazität entsteht aus verschiedenen Quellen, hauptsächlich Transistoren (hauptsächlich Gate-Kapazität und Diffusionskapazität ) und Drähten ( Koppelkapazität ). Das Umschalten einer Spannung an einem Schaltungsknoten erfordert das Laden oder Entladen der Kapazität an diesem Knoten; Da Ströme von der Spannung abhängig sind, hängt die benötigte Zeit von der angelegten Spannung ab. Durch Anlegen einer höheren Spannung an die Geräte in einer Schaltung werden die Kapazitäten schneller geladen und entladen, was zu einem schnelleren Betrieb der Schaltung führt und einen Betrieb mit höherer Frequenz ermöglicht.

Methoden

Viele moderne Komponenten ermöglichen die Steuerung der Spannungsregelung durch Software (z. B. über das BIOS ). Es ist normalerweise möglich, die Spannungen, die an den CPU-, RAM- , PCI- und PCI-Express (oder AGP ) -Port geliefert werden, über das BIOS eines PCs zu steuern .

Einige Komponenten erlauben jedoch keine Softwaresteuerung der Versorgungsspannungen, und von Übertaktern, die versuchen, die Komponente für extreme Übertaktungen zu übersteuern, sind Hardware-Modifikationen erforderlich. Grafikkarten und Motherboard- Northbridges sind Komponenten, die häufig Hardwaremodifikationen erfordern, um die Versorgungsspannungen zu ändern. Diese Modifikationen werden in der Overclocking-Community als "Voltage Mods" oder "Vmod" bezeichnet.

Unterspannung

Undervolting reduziert die Spannung einer Komponente, normalerweise des Prozessors, reduziert die Temperatur- und Kühlanforderungen und ermöglicht möglicherweise den Verzicht auf einen Lüfter. Ebenso wie das Übertakten unterliegt auch das Undervolting stark der sogenannten Silizium-Lotterie: Eine CPU kann etwas besser undervolten als die andere und umgekehrt.

Leistung

Die Schaltleistung durch einen Chip dissipiert statisch unter Verwendung von CMOS - Gatter ist , wobei C die ist Kapazität Einschalten pro Taktzyklus, V die Versorgungs ist Spannung und f die Schaltfrequenz ist , so dass dieser Teil des Energieverbrauchs verringert quadratisch mit der Spannung. Die Formel ist jedoch nicht genau, da viele moderne Chips nicht mit 100% CMOS implementiert sind, sondern auch spezielle Speicherschaltungen, dynamische Logik wie Dominologik usw. verwenden. Darüber hinaus gibt es auch einen statischen Leckstrom , der mehr und mehr geworden ist stärker akzentuiert, da die Strukturgrößen kleiner geworden sind (unter 90 Nanometer) und die Schwellenwerte niedriger geworden sind.

Dementsprechend wird die dynamische Spannungsskalierung weit verbreitet als Teil von Strategien verwendet, um den Schaltleistungsverbrauch in batteriebetriebenen Geräten wie Mobiltelefonen und Laptop-Computern zu verwalten. Niederspannungsmodi werden in Verbindung mit abgesenkten Taktfrequenzen verwendet, um den mit Komponenten wie CPUs und DSPs verbundenen Stromverbrauch zu minimieren; Nur wenn erhebliche Rechenleistung benötigt wird, werden Spannung und Frequenz angehoben.

Einige Peripheriegeräte unterstützen auch Niederspannungsbetriebsmodi. MMC- und SD-Karten mit geringem Stromverbrauch können beispielsweise sowohl mit 1,8 V als auch mit 3,3 V betrieben werden, und Treiberstapel können Energie sparen, indem sie auf die niedrigere Spannung umschalten, nachdem eine Karte erkannt wurde, die diese unterstützt.

Wenn der Leckstrom hinsichtlich des Stromverbrauchs ein wesentlicher Faktor ist, werden Chips oft so konstruiert, dass Teile davon vollständig abgeschaltet werden können. Dies wird normalerweise nicht als dynamische Spannungsskalierung angesehen, da es für Software nicht transparent ist. Wenn Teile von Chips ausgeschaltet werden können, wie zum Beispiel bei TI OMAP3- Prozessoren, müssen Treiber und andere Support-Software dies unterstützen.

Geschwindigkeit der Programmausführung

Die Geschwindigkeit, mit der eine digitale Schaltung den Zustand wechseln kann – d. h. von "low" ( VSS ) auf "high" ( VDD ) oder umgekehrt übergehen kann - ist proportional zur Spannungsdifferenz in dieser Schaltung. Eine Verringerung der Spannung bedeutet, dass Schaltkreise langsamer schalten, wodurch die maximale Frequenz verringert wird, mit der dieser Schaltkreis betrieben werden kann. Dies wiederum verringert die Rate, mit der Programmbefehle ausgegeben werden können, was die Laufzeit für ausreichend CPU-gebundene Programmsegmente erhöhen kann.

Dies unterstreicht erneut, warum die dynamische Spannungsskalierung im Allgemeinen in Verbindung mit der dynamischen Frequenzskalierung durchgeführt wird, zumindest für CPUs. Es sind komplexe Kompromisse zu berücksichtigen, die von dem jeweiligen System, der ihm dargebotenen Last und den Zielen der Energieverwaltung abhängen. Wenn schnelle Reaktionen erforderlich sind, können Takte und Spannungen gemeinsam erhöht werden. Andernfalls können beide niedrig gehalten werden, um die Batterielebensdauer zu maximieren.

Implementierungen

Der 167-Prozessor- AsAP-2- Chip ermöglicht es einzelnen Prozessoren, extrem schnelle (in der Größenordnung von 1-2 ns) und lokal gesteuerte Änderungen ihrer eigenen Versorgungsspannungen vorzunehmen. Prozessoren verbinden ihr lokales Stromnetz entweder mit einer höheren (VddHi) oder niedrigeren (VddLow) Versorgungsspannung oder können vollständig von einem der beiden Netze getrennt werden, um die Verlustleistung drastisch zu reduzieren.

Ein anderer Ansatz verwendet kernspezifische On-Chip-Schaltregler für die dynamische Spannungs- und Frequenzskalierung (DVFS).

Betriebssystem-API

Das Unix-System bietet einen Userspace-Governor, der es erlaubt, die CPU-Frequenzen zu ändern (obwohl auf Hardware-Fähigkeiten beschränkt).

Systemstabilität

Die dynamische Frequenzskalierung ist eine weitere Energiespartechnik, die nach den gleichen Prinzipien wie die dynamische Spannungsskalierung funktioniert. Sowohl UNDERVOLTING und dynamische Frequenzskalierung können verwendet werden , das Computersystem einer Überhitzung zu verhindern , die in Programm oder Betriebssystem zur Folge haben können Abstürzen und möglicherweise Schäden an der Hardware. Eine Reduzierung der an die CPU gelieferten Spannung unter die vom Hersteller empfohlene Mindesteinstellung kann zu Systeminstabilität führen.

Temperatur

Die Effizienz einiger elektrischer Komponenten, wie z. B. Spannungsregler, nimmt mit steigender Temperatur ab, so dass die verbrauchte Leistung mit der Temperatur steigen kann, was zu einem thermischen Durchgehen führt . Spannungs- oder Frequenzerhöhungen können den Leistungsbedarf des Systems noch schneller erhöhen, als die CMOS-Formel anzeigt, und umgekehrt.

Vorbehalte

Der Hauptvorbehalt der Überspannung besteht in erhöhter Hitze: Die Verlustleistung eines Stromkreises nimmt mit dem Quadrat der angelegten Spannung zu, sodass selbst kleine Spannungserhöhungen die Leistung erheblich beeinflussen. Bei höheren Temperaturen wird die Transistorleistung nachteilig beeinflusst, und bei einem gewissen Schwellenwert übersteigt die Leistungsverringerung aufgrund der Wärme die potentiellen Gewinne aus den höheren Spannungen. Bei hohen Spannungen kann es sehr schnell zu Überhitzung und Beschädigung von Stromkreisen kommen.

Es gibt auch längerfristige Bedenken: Verschiedene nachteilige Effekte auf Geräteebene wie die Injektion heißer Ladungsträger und Elektromigration treten bei höheren Spannungen schneller auf, wodurch die Lebensdauer von übervoltierten Komponenten verkürzt wird.

Siehe auch

Verweise

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