基于自适应技术的动态CPU供电单元

CPU核心电压Vcore波动会影响CPU正常工作,Vcore过高,将导致CPU发热量上升、寿命缩短甚至烧毁;反之,Vcore过低则可能引起数据损坏、死机、蓝屏等故障。由于CPU集成度越来越高,制作工艺越来越精细,CPU功耗越来越大,因此对供电系统提出了更高的要求。
   　　一、自适应电压调节系统的结构
   早期主板普遍采用跳线或DIP开关来设定CPU电压,在安装或更换CPU时,需要根据CPU核心电压对照主板说明书,在主板上插拔挑线或拨动DIP开关进行设置,稍有不慎就可能烧毁CPU和主板,十分危险。为了解决这个问题,Intel公司从Pentium Ⅱ开始采用VID（Voltage Identification,电压识别）技术,VID技术是一种自适应电压调节技术,采用这种技术后,主板供电电路可按CPU需要自动设置供电电压,不再需要进行人工干预了。
   自适应电压调节技术的核心是在CPU上增加了若干个VID引脚,这些引脚输出的编码信号控制Vcore供电电路中的PWM(Pulse Width Modulation,脉宽调制)控制器。开机后CPU将VID信号发送给PWM控制器,调整PWM控制器输出脉冲信号的占空比,迫使DC/DC电路输出的直流电压与CPU的额定电压相一致（图1）。采用VID编码后,VID的可编程特性使得用户可以在BIOS中修改Vcore,一些主板制造商还编制了专门的工具软件来显示和修改Vcore值,给用户带来很大方便。
   
   　　　　　　　图1 自动设定原理
   自适应CPU供电电路的信号流程如图2,电脑的主电源工作后,VttVR调压器开始工作,它一方面为CPU中的VID控制器提供电源,一方面输出VID_PWRGD信号。VID_PWRGD信号同时送往CPU中的VID控制器和Vcc调压器中的PWM控制芯片的对应引脚,分别作为VID控制器和PWM芯片的输出允许信号。VID控制器接收到VID_PWRGD信号这个信号后立即通过若干条信号线同时输出各位VID信号。在VCC调压器内,PWM控制器接收到VID信号后,向场效应管驱动器输出脉冲信号,启动DC/DC转换功能,输出Vcc电压。待电压稳定后,PWM芯片向CPU提供VCC_PWRGD信号,让CPU开始工作,如图3。
   
   　　　图2 供电系统原理框图
   
   　　　　图3 自适应电路时序图
   
   　　二、VID与Vcore的关系
   如前所述,CPU供给PWM控制器VID信号,由PWM控制器控制DC／DC降压电路,实现对输出电压的调整。实际上,PWM控制器输出的脉冲信号的频率（或周期t）通常维持不变,改变的只是脉冲的占空比t1/t的大小,如图4。由于t不变,t1增大则输出电压高,t1减小则输出电压降低,t1不变则输出电压不变。电压数值最终由MOSFET导通的时间所决定,输出电压V的大小与MOSFET的导通时间t1成正比。
   
   　　图4 PWM原理

在实际电路中,PWM采用移相式控制方式输出脉冲信号,控制MOSFET的导通和关断。DC／DC电路输出脉动直流电,其纹波分量很大,须经电容滤波后输出平滑的直流电。当滤波电容的容量足够大时,实际输出的波形近似为一条直线。
   在自适应供电系统中,t1是由CPU提供的VID编码控制的。CPU的每个VID引脚有高电平和低电平两种状态,分别代表“1”和“0”。“1”和“0”的不同组合构成了VID编码与输出电压之间的关系,见表1。由于VID编码是不连续的,因此DC/DC转换器实际上是一种阶梯式降压器(Step Down Regulator,简称SDR)。
   
   
   
   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,各版本供电设计规范中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、 动态电压调节技术
   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技术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）技术正是在这种背景下提出来的,其基本思想是根据CPU核心功率变化适时调节供电电压值,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CPU占用率100%时的情况,功耗大小随CPU的忙碌程度的变化而变化,在系统空闲时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和供电电路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。
   动态自适应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,降压电路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：供电系统需要提供对动态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,这里是指电压调整电路经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
   供电系统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。自适应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。