通過自適應電壓調節(jié)技術實現CPU自動設置供電電壓

CPU核心電壓Vcore波動會影響CPU正常工作，Vcore過高，將導致CPU發(fā)熱量上升、壽命縮短甚至燒毀;反之，Vcore過低則可能引起數據損壞、死機、藍屏等故障。由于CPU集成度越來越高，制作工藝越來越精細，CPU功耗越來越大，因此對供電系統(tǒng)提出了更高的要求。

一、自適應電壓調節(jié)系統(tǒng)的結構

早期主板普遍采用跳線或DIP開關來設定CPU電壓，在安裝或更換CPU時，需要根據CPU核心電壓對照主板說明書，在主板上插拔挑線或撥動DIP開關進行設置，稍有不慎就可能燒毀CPU和主板，十分危險。為了解決這個問題，Intel公司從Pentium Ⅱ開始采用VID（Voltage Identification，電壓識別）技術，VID技術是一種自適應電壓調節(jié)技術，采用這種技術后，主板供電電路可按CPU需要自動設置供電電壓，不再需要進行人工干預了。

自適應電壓調節(jié)技術的核心是在CPU上增加了若干個VID引腳，這些引腳輸出的編碼信號控制Vcore供電電路中的PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調制）控制器。開機后CPU將VID信號發(fā)送給PWM控制器，調整PWM控制器輸出脈沖信號的占空比，迫使DC/DC電路輸出的直流電壓與CPU的額定電壓相一致（圖1）。采用VID編碼后，VID的可編程特性使得用戶可以在BIOS中修改Vcore，一些主板制造商還編制了專門的工具軟件來顯示和修改Vcore值，給用戶帶來很大方便。

自適應CPU供電電路的信號流程如圖2，電腦的主電源工作后，VttVR調壓器開始工作，它一方面為CPU中的VID控制器提供電源，一方面輸出VID_PWRGD信號。VID_PWRGD信號同時送往CPU中的VID控制器和Vcc調壓器中的PWM控制芯片的對應引腳，分別作為VID控制器和PWM芯片的輸出允許信號。VID控制器接收到VID_PWRGD信號這個信號后立即通過若干條信號線同時輸出各位VID信號。在VCC調壓器內，PWM控制器接收到VID信號后，向場效應管驅動器輸出脈沖信號，啟動DC/DC轉換功能，輸出Vcc電壓。待電壓穩(wěn)定后，PWM芯片向CPU提供VCC_PWRGD信號，讓CPU開始工作，如圖3。

二、VID與Vcore的關系

如前所述，CPU供給PWM控制器VID信號，由PWM控制器控制DC／DC降壓電路，實現對輸出電壓的調整。實際上，PWM控制器輸出的脈沖信號的頻率（或周期t）通常維持不變，改變的只是脈沖的占空比t1/t的大小，如圖4。由于t不變，t1增大則輸出電壓高，t1減小則輸出電壓降低，t1不變則輸出電壓不變。電壓數值最終由MOSFET導通的時間所決定，輸出電壓V的大小與MOSFET的導通時間t1成正比。

在實際電路中，PWM采用移相式控制方式輸出脈沖信號，控制MOSFET的導通和關斷。DC／DC電路輸出脈動直流電，其紋波分量很大，須經電容濾波后輸出平滑的直流電。當濾波電容的容量足夠大時，實際輸出的波形近似為一條直線。

在自適應供電系統(tǒng)中，t1是由CPU提供的VID編碼控制的。CPU的每個VID引腳有高電平和低電平兩種狀態(tài)，分別代表“1”和“0”?！?”和“0”的不同組合構成了VID編碼與輸出電壓之間的關系，見表1。由于VID編碼是不連續(xù)的，因此DC/DC轉換器實際上是一種階梯式降壓器（Step Down Regulator，簡稱SDR）。

Intel為其各款處理器產品制定了相應的電壓調節(jié)模塊（Voltage Regulation Model，VRM）設計規(guī)范，從Prescott核心微處理器開始，電壓調節(jié)規(guī)范改用VRD（Voltage Regulation Down）來命名，各版本供電設計規(guī)范中VID位數、電壓調節(jié)精度和電壓調節(jié)范圍都各不相同，見表2。

VRD10.0將VID編碼從5位升級到6位，使得電壓調節(jié)精度從25mV提升到12.5mV，同時VRD10.0還提出了對VID進行動態(tài)調整的要求。

三、 動態(tài)電壓調節(jié)技術

摩爾定律在芯片規(guī)模和性能方面的定義無比精確，但它卻忽視了芯片功耗帶來的制約：性能與功耗幾乎是同步提升，到2005年內微處理器的最高功耗可能要攀升至150W，但目前采用的風冷或水冷散熱技術所依托的熱傳導方式，都不可能將核心內部的熱量迅速帶走，導致核心溫度過高，從而引發(fā)藍屏和死機故障。

動態(tài)電壓調節(jié)（Dynamic Voltage adjusting，DVA）技術正是在這種背景下提出來的，其基本思想是根據CPU核心功率變化適時調節(jié)供電電壓值，最大限度地減少微處理器的發(fā)熱量。譬如，Prescott處理器的功率達到100W之多，這個功率是指CPU占用率100%時的情況，功耗大小隨CPU的忙碌程度的變化而變化，在系統(tǒng)空閑時CPU實際負荷要小很多。如果CPU輸出的VID維持不變，Vcore將超過CPU的實際需求，從而帶來不必要的電能浪費。

另一方面，當CPU處于十分忙碌的狀態(tài)時，CPU和供電電路自身內阻的電壓降會隨電流增加而增加，如果CPU輸出的VID維持不變，Vcore的實際數值將隨電流的增加而降低，電壓的降低勢必降低CPU的穩(wěn)定性，這是毋庸置疑的。

動態(tài)自適應電壓調節(jié)技術是一種智能供電技術，與傳統(tǒng)的供電技術相比，動態(tài)VID的優(yōu)勢體現在以下三個方面：

（1）向CPU核心（die）提供穩(wěn)定的電壓，

提高了CPU工作穩(wěn)定性;

（2）根據CPU工作情況，動態(tài)地將供電電壓調節(jié)到某一時刻所需的最低水平，使供電電壓“恰好滿足需求”，實現最大限度的節(jié)能。

（3）如果出現電流猛增的意外情況，VID控制器可以限制電流增加，保護CPU免于因發(fā)熱過多而燒毀。

為了配合CPU內VID控制器實現CPU核心電壓的動態(tài)調節(jié)，Intel提出了柔性主板（Flexible Main Board，FMB）概念，并相繼推出了FMB 1.X和FMB2.X設計規(guī)范。為了能夠向CPU提供足夠的電力，降壓電路必須擁有功率足夠的MOSFET器件，同時在電流超標時能及時采取措施讓電流降下來，防止產生過多的熱量摧毀CPU和主板。

四、動態(tài)電壓調節(jié)的實現

關于動態(tài)電壓調整的策略，Intel在VRD10.0設計指南中說得很明白：供電系統(tǒng)需要提供對動態(tài)VID技術的支持，使得CPU中VID控制器通過VID總線每隔5ms對VID進行一次調整，步長（steps）為12.5mV，直到某一VID能夠滿足要求為止。那么，調整的根據是什么呢？

為了描述電壓調整的過程，首先定義下面3個負載曲線：

電壓最大值Vmax= VID – （RLL* ICC）

電壓典型值Vtype = VID – TOB – （RLL* ICC）

電壓最小值Vmin = VID – 2*TOB – （RLL* ICC）

式中RLL是傳輸線路等效電阻，這里是指電壓調整電路經CPU插座（Socket）到CPU引腳之間的阻抗，包括導線電阻和CPU引腳與插座間的接觸電阻。由于RLL的存在，使得在主板輸出電壓與實際提供給CPU核心電壓之間存在一個落差。電壓跌落隨ICC的增加而線性增加，因此RLL是負載線的斜率。TOB是由制造誤差和溫度漂移等因素形成的誤差。

CPU中VID控制器采用“查表式”調節(jié)方式，圖5描述了處理器電壓調低的過程。處理器開始時負荷比較高，隨著負荷的減輕，實際電壓隨ICC減少而升高，并停止執(zhí)行VID編碼（①→②）;進入狀態(tài)②之后，處理器經過短暫延時，以便為降低VID的操作做準備，然后對VID編碼進行初始化，導致電流拉回到狀態(tài)③;從狀態(tài)③到狀態(tài)④的變化，表示VID降低，從初始負載線窗口轉入較低的負載線窗口;從狀態(tài)④到狀態(tài)⑤表示在較低的VID負載窗口中，VCC隨ICC變化的瞬態(tài)過程。VID從低到高的調整過程與上述過程相反。

五、結語

供電系統(tǒng)的工作質量關系到計算機系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，供電系統(tǒng)工作不好，就等于計算機患了心臟病。自適應供電技術不僅方便了用戶，也增加了CPU供電的安全性;動態(tài)供電使供電電壓恰好滿足CPU需求，不僅提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，還降低了CPU功耗。除此以外，作為一種智能化供電技術，動態(tài)供電技術對實現過流保護和過熱保護等保護功能也更加方便了。