CPU是怎麼調節輸入電壓的？為什麼要這麼做？

CPU · 發表 2019-02-16 21:30:06

摘要：有知友問我CPU的核心電壓Vcore是多少，我的答案是大概 1V左右。這個回答引起了爭議，”到底是左還是右，電腦科學這種事可容不得模糊！“，我也很無奈，核心電壓是個動態變化的過程，會隨著執行頻率不同會被動態調節，1V只是箇中位數。核心電壓也曾經小而美，但隨著CPU電源管理的演進早已...

有知友問我CPU的核心電壓Vcore是多少，我的答案是大概 1V左右。這個回答引起了爭議，”到底是左還是右，電腦科學這種事可容不得模糊！“，我也很無奈，核心電壓是個動態變化的過程，會隨著執行頻率不同會被動態調節，1V只是箇中位數。核心電壓也曾經小而美，但隨著CPU電源管理的演進早已十分複雜。今天我們就一起來了解一下為什麼要隨著頻率不同而改變電壓？怎麼和由誰改變電壓？電壓調節的演進等等，也就是從Why,How,Who和When來全面掌握CPU電壓調節的知識。

WHY？為什麼要調節電壓？

除了提供更高的效能之外，CPU們的戰場還有一個：誰的能效比更好。現代CPU往往採用低電壓大電流的供電方案，也是為了改善能效比：低電壓帶來低功耗。要理解這點，要從原理上談起。

從含有1億4000萬個場效應電晶體FET的奔騰4到高達80多億的Kabylake，Intel忠實的按照摩爾定律增加著電晶體的數目。這麼多個FET隨著每一次的翻轉都在消耗者能量。一個FET的簡單示意圖如下：

當輸入低電平時，CL被充電，我們假設a焦耳的電能被儲存在電容中。而當輸入變成高電平後，這些電能則被釋放，a焦耳的能量被釋放了出來。因為CL很小，這個a也十分的小，幾乎可以忽略不計。但如果我們以1GHz頻率翻轉這個FET，則能量消耗就是a × 10^9，這就不能忽略了，再加上CPU中有幾十億個FET，消耗的能量變得相當可觀。

從圖示中，也許你可以直觀的看出，能耗和頻率是正相關的。這個理解很正確，實際上能耗和頻率成線性相關。能耗關係公示是(參考資料1)：

P代表能耗。C可以簡單看作一個常數，它由製程等因素決定，製程越小，C越小；V代表電壓， 和P是二次方的關係 ；而f就是頻率了。理想情況，提高一倍頻率，則能耗提高一倍。而V的冪函式關係對P來說更至關重要。

通俗的來講，CPU可以看作由幾十億到上百億個小開關組成的。開關切換的速度f決定了計算機的效能。為了高效能，必須提高開關速度f，這才是大家關心的。而V則因為省電的原因越小越好。那為什麼不把v定成很低很低呢？

我們這裡要引入門延遲（Gate Delay）的概念。簡單來說，組成CPU的FET充放電需要一定時間，這個時間就是門延遲。只有在充放電完成後取樣才能保證訊號的完整性。而這個充放電時間和電壓負相關，即電壓高，則充放電時間就短。也和製程正相關，即製程越小，充放電時間就短。讓我們去除製程的干擾因素，當我們不斷提高頻率f後，過了某個節點，太快的翻轉會造成門延遲跟不上，從而影響數字訊號的完整性，從而造成錯誤。這也是為什麼超頻到某個階段會不穩定，隨機出錯的原因。那麼怎麼辦呢？聰明的你也許想到了超頻中常用的辦法：加壓。對了，可以通過提高電壓來減小門延遲，讓系統重新穩定下來。

也就是說， 為了省電，要降低V，但為了達到數G的主頻，而不得不提高電壓V到一個可以接受的最小值，達到一個平衡 。

我們來總結一下，對於一定頻率，需要保證一定的最低電壓，雖然不同晶片這個值不同，但同一種晶片卻有著明確的對應關係，我們把它叫做頻率電壓對照表T1。它是一個靜態表，T1往往存貯在PCU裡面。PCU是什麼可以參考我的這篇文章：

老狼：CPU中的電源管家：PCU zhuanlan.zhihu.com

怎麼和由誰改變電壓？

在曾經那個什麼都很簡單的年代，CPU一開機就是一個頻率，當然沒有動態調整電壓的需求，這一切隨著EIST的引入( 老狼：CPU省電的祕密（一）：EIST )而不得不發生了改變。

有了EIST，隨著工作量不同，作業系統可以動態調節頻率。而光調頻率不調電壓，節能的目的就大半浪費了。於是Intel提出來VRM(Voltage Regulator Module, 電壓調節模組)標準，對位於主機板上的VRM建立了標準，以期規範其電氣特性和CPU和VRM的通訊協議。

VRM負責將8/4 pin的CPU 12V供電轉成CPU的低電壓輸入。最新的VRM已經是11.1了，可以在Intel官網上下載到，我也在參考資料2裡面附上了它的連結。

對於其中的電氣標準我們這裡不再詳述，CPU和VRM如何通訊才是我們感興趣的地方:

可以看到，CPU傳入VID給VRM，VRM根據VID給出不同的Vcore。VID原來有5 bit，現在被擴充套件到了8 bit。不同的VID根據標準對應不同的電壓，對應關係太長，我這裡只列出最大和最小值：

有同學會問最小值只有0.03125v, 這麼小能夠驅動CPU核心嗎？這個是理論上VRM可以提供的最小值，而真實條件下，PCU並不會輸入11111101的VID值。

電壓調節模組VRM根據傳入引數不同，根據標準提供不同的電壓。那麼誰來提供VID呢？還記得我們前面說的表T1嗎?PCU在改變頻率的同時，根據頻率找到響應VID，傳給VRM來得到相應電壓。

VRM在哪裡？

看到VRM有spec，有些人認為它是一個模組，實際上它是由幾部分組成的：

包括MOSFETs，Chokes（電感）, 電容和PWM晶片。 PWM晶片實現了VID==>電壓的邏輯，常見的是ISL6334，支援VRM 11.1標準。

最開始VRM只有一個，給CPU核心供電。隨著北橋和GPU被整合進CPU，VRM也由一個變成了5+1，分別是給CPU的：Core VR、Graphics VR、PLL VR、System Agent VR和IO VR，加上另外的記憶體VR。

高階VRM效果不錯，但低端主機板VRM十分糟糕，Intel在Haswell將為CPU服務的VRM全部整合進了CPU，變成了FIVR（Fully Integrated Voltage Regulator，全整合式電壓調節模組）或者ISVR（Integrated Silicon Voltage Regulator），只在主機板上留下了為記憶體服務的VR：