El escalado dinámico de voltaje es una técnica de administración de energía en la arquitectura de computadoras , donde el voltaje utilizado en un componente aumenta o disminuye, según las circunstancias. El escalado dinámico de voltaje para aumentar el voltaje se conoce como sobrevoltaje ; El escalado dinámico de voltaje para disminuir el voltaje se conoce como subtensión . La subvoltaje se realiza para ahorrar energía , particularmente en computadoras portátiles y otros dispositivos móviles, donde la energía proviene de una batería y, por lo tanto, es limitada, o en casos raros, para aumentar la confiabilidad. La sobretensión se realiza para admitir frecuencias más altas para el rendimiento.
El término "sobrevoltaje" también se utiliza para referirse al aumento del voltaje de funcionamiento estático de los componentes de la computadora para permitir el funcionamiento a mayor velocidad ( overclocking ).
Fondo
Los circuitos digitales basados en MOSFET operan usando voltajes en los nodos del circuito para representar el estado lógico. El voltaje en estos nodos cambia entre un voltaje alto y un voltaje bajo durante el funcionamiento normal; cuando las entradas a una puerta lógica cambian , los transistores que forman esa puerta pueden alternar la salida de la puerta.
En cada nodo de un circuito hay una cierta cantidad de capacitancia . La capacitancia se puede considerar como una medida del tiempo que tarda una corriente dada en producir un cambio de voltaje dado. La capacitancia surge de varias fuentes, principalmente transistores (principalmente capacitancia de puerta y capacitancia de difusión ) y cables ( capacitancia de acoplamiento ). Alternar un voltaje en un nodo de circuito requiere cargar o descargar la capacitancia en ese nodo; dado que las corrientes están relacionadas con el voltaje, el tiempo que toma depende del voltaje aplicado. Al aplicar un voltaje más alto a los dispositivos en un circuito, las capacitancias se cargan y descargan más rápidamente, lo que resulta en una operación más rápida del circuito y permite una operación de frecuencia más alta.
Métodos
Muchos componentes modernos permiten controlar la regulación de voltaje a través del software (por ejemplo, a través del BIOS ). Por lo general, es posible controlar los voltajes suministrados a la CPU, RAM , PCI y puerto PCI Express (o AGP ) a través del BIOS de una PC.
Sin embargo, algunos componentes no permiten el control por software de los voltajes de suministro, y los overclockers que buscan sobretensión del componente requieren una modificación del hardware para overclocks extremos. Las tarjetas de video y los puentes norte de la placa base son componentes que frecuentemente requieren modificaciones de hardware para cambiar los voltajes de suministro. Estas modificaciones se conocen como "modificaciones de voltaje" o "Vmod" en la comunidad de overclocking.
Undervolting
Subvoltaje es reducir el voltaje de un componente, generalmente el procesador, reducir la temperatura y los requisitos de enfriamiento, y posiblemente permitir que se omita un ventilador. Al igual que el overclocking, el subvoltaje está muy sujeto a la llamada lotería de silicio: una CPU puede subvolverse ligeramente mejor que la otra y viceversa.
Energía
La potencia de conmutación disipada por un chip que utiliza puertas CMOS estáticas es, donde C es la capacitancia que se conmuta por ciclo de reloj, V es la tensión de alimentación y f es la frecuencia de conmutación, [1] por lo que esta parte del consumo de energía disminuye cuadráticamente con la tensión. Sin embargo, la fórmula no es exacta, ya que muchos chips modernos no se implementan usando 100% CMOS, sino que también usan circuitos de memoria especiales, lógica dinámica como la lógica dominó , etc. Además, también hay una corriente de fuga estática , que se ha vuelto cada vez más más acentuado a medida que los tamaños de las características se han vuelto más pequeños (por debajo de 90 nanómetros) y los niveles de umbral más bajos.
En consecuencia, el escalado dinámico de voltaje se usa ampliamente como parte de las estrategias para administrar el consumo de energía de conmutación en dispositivos que funcionan con baterías, como teléfonos celulares y computadoras portátiles. Los modos de bajo voltaje se utilizan junto con frecuencias de reloj reducidas para minimizar el consumo de energía asociado con componentes como CPU y DSP; sólo cuando se necesite una potencia computacional significativa se elevarán el voltaje y la frecuencia.
Algunos periféricos también admiten modos operativos de bajo voltaje. Por ejemplo, las tarjetas MMC y SD de baja potencia pueden funcionar tanto a 1,8 V como a 3,3 V, y las pilas de controladores pueden ahorrar energía al cambiar al voltaje más bajo después de detectar una tarjeta que lo admita.
Cuando la corriente de fuga es un factor importante en términos de consumo de energía, los chips se diseñan a menudo de modo que partes de ellos se puedan apagar por completo. Por lo general, esto no se considera un escalado de voltaje dinámico, porque no es transparente para el software. Cuando se pueden apagar secciones de chips, como por ejemplo en los procesadores TI OMAP3 , los controladores y otro software de soporte deben admitirlo.
Velocidad de ejecución del programa
La velocidad a la que un circuito digital puede cambiar de estado, es decir, pasar de "bajo" ( VSS ) a "alto" ( VDD ) o viceversa, es proporcional al diferencial de voltaje en ese circuito. Reducir el voltaje significa que los circuitos cambian más lentamente, reduciendo la frecuencia máxima a la que ese circuito puede funcionar. Esto, a su vez, reduce la velocidad a la que se pueden emitir las instrucciones del programa, lo que puede aumentar el tiempo de ejecución para los segmentos del programa que están suficientemente vinculados a la CPU.
Esto nuevamente resalta por qué el escalado dinámico de voltaje generalmente se realiza junto con el escalado dinámico de frecuencia, al menos para las CPU. Hay que considerar complejas compensaciones que dependen del sistema en particular, la carga que se le presenta y los objetivos de administración de energía. Cuando se necesitan respuestas rápidas, los relojes y los voltajes pueden elevarse juntos. De lo contrario, es posible que ambos se mantengan bajos para maximizar la vida útil de la batería.
Implementaciones
El chip AsAP 2 de 167 procesadores permite a los procesadores individuales realizar cambios extremadamente rápidos (del orden de 1-2 ns) y controlados localmente en sus propios voltajes de suministro. Los procesadores conectan su red eléctrica local a un voltaje de suministro más alto (VddHi) o más bajo (VddLow), o se pueden cortar por completo de cualquiera de las redes para reducir drásticamente la potencia de fuga.
Otro enfoque utiliza reguladores de conmutación en chip por núcleo para escalado dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS). [2]
API del sistema operativo
El sistema Unix proporciona un gobernador del espacio de usuario, lo que permite modificar las frecuencias de la CPU (aunque limitado a las capacidades del hardware).
Estabilidad del sistema
El escalado dinámico de frecuencia es otra técnica de conservación de energía que funciona con los mismos principios que el escalado dinámico de voltaje. Tanto el escalado dinámico de voltaje como el escalado dinámico de frecuencia se pueden utilizar para evitar el sobrecalentamiento del sistema informático, lo que puede provocar fallas en el programa o el sistema operativo y posiblemente daños en el hardware. Reducir el voltaje suministrado a la CPU por debajo de la configuración mínima recomendada por el fabricante puede resultar en inestabilidad del sistema.
Temperatura
La eficiencia de algunos componentes eléctricos, como los reguladores de voltaje, disminuye con el aumento de la temperatura, por lo que la energía utilizada puede aumentar con la temperatura, lo que provoca una fuga térmica . Los aumentos de voltaje o frecuencia pueden aumentar las demandas de energía del sistema incluso más rápido de lo que indica la fórmula CMOS, y viceversa. [3] [4]
Advertencias
La advertencia principal de la sobretensión es el aumento del calor: la potencia disipada por un circuito aumenta con el cuadrado del voltaje aplicado, por lo que incluso pequeños aumentos de voltaje afectan significativamente a la potencia. A temperaturas más altas, el rendimiento del transistor se ve afectado negativamente y, en algún umbral, la reducción del rendimiento debido al calor excede las ganancias potenciales de los voltajes más altos. El sobrecalentamiento y el daño a los circuitos pueden ocurrir muy rápidamente cuando se usan altos voltajes.
También existen preocupaciones a más largo plazo: varios efectos adversos a nivel del dispositivo, como la inyección de portador caliente y la electromigración, ocurren más rápidamente a voltajes más altos, lo que reduce la vida útil de los componentes sobrevoltados.
Ver también
Referencias
- ^ JM Rabaey. Circuitos integrados digitales. Prentice Hall, 1996.
- ^ Wonyoung Kim, Meeta S. Gupta, Gu-Yeon Wei y David Brooks. "Análisis de nivel de sistema de DVFS rápido por núcleo utilizando reguladores de conmutación en chip" . 2008.
- ^ Mike Chin. "Tarjeta gráfica Asus EN9600GT Silent Edition" . Revisión silenciosa de PC . pag. 5 . Consultado el 21 de abril de 2008 .
- ^ MIke Chin. "80 Plus amplía el podio para Bronce, Plata y Oro" . Revisión silenciosa de PC . Consultado el 21 de abril de 2008 .
Otras lecturas
- Gaudet, Vincent C. (1 de abril de 2014) [25 de septiembre de 2013]. "Capítulo 4.1. Técnicas de diseño de bajo consumo de energía para tecnologías CMOS de última generación". En Steinbach, Bernd (ed.). Progreso reciente en el dominio booleano (1 ed.). Newcastle upon Tyne, Reino Unido: Cambridge Scholars Publishing . págs. 187–212. ISBN 978-1-4438-5638-6. Consultado el 4 de agosto de 2019 . [1] (455 páginas)