CPU核心電壓Vcore波動會影響CPU正常工作,Vcore過高,將導致CPU發熱量上升、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,因此對供電系統提出了更高的要求。
一、自適應電壓調節系統的結構
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。
圖1 自動設定原理
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。待電壓穩定后,PWM芯片向CPU提供VCC_PWRGD信號,讓CPU開始工作,如圖3。
圖2 供電系統原理框圖
圖3 自適應電路時序圖
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。
圖4 PWM原理
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,分別代表“1”和“0”。“1”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模塊（Voltage Regulation Model,VRM）設計規范,從Prescott核心微處理器開始,電壓調節規范改用VRD（Voltage Regulation Down）來命名,各版本供電設計規范中VID位數、電壓調節精度和電壓調節范圍都各不相同,見表2。
VRD10.0將VID編碼從5位升級到6位,使得電壓調節精度從25mV提升到12.5mV,同時VRD10.0還提出了對VID進行動態調整的要求。
三、 動態電壓調節技術
摩爾定律在芯片規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,從而引發藍屏和死機故障。
動態電壓調節（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供電電壓值,最大限度地減少微處理器的發熱量。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的穩定性,這是毋庸置疑的。
動態自適應電壓調節技術是一種智能供電技術,與傳統的供電技術相比,動態VID的優勢體現在以下三個方面：
（1） 向CPU核心（die）提供穩定的電壓,
提高了CPU工作穩定性;
（2） 根據CPU工作情況,動態地將供電電壓調節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核心電壓的動態調節,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、動態電壓調節的實現
關于動態電壓調整的策略,Intel在VRD10.0設計指南中說得很明白：供電系統需要提供對動態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,并停止執行VID編碼（①→②）;進入狀態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③;從狀態③到狀態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④到狀態⑤表示在較低的VID負載窗口中,VCC隨ICC變化的瞬態過程。VID從低到高的調整過程與上述過程相反。
圖5 負載線
五、結語
供電系統的工作質量關系到計算機系統的穩定和安全,供電系統工作不好,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;動態供電使供電電壓恰好滿足CPU需求,不僅提高了系統穩定性,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。