Escala de tensão dinâmica - Dynamic voltage scaling

A escala de voltagem dinâmica é uma técnica de gerenciamento de energia em arquitetura de computador , onde a voltagem usada em um componente é aumentada ou diminuída, dependendo das circunstâncias. A escala de tensão dinâmica para aumentar a tensão é conhecida como sobrevoltagem ; A escala de tensão dinâmica para diminuir a tensão é conhecida como undervolting . Undervolting é feito para conservar energia , especialmente em laptops e outros dispositivos móveis, onde a energia vem de uma bateria e, portanto, é limitada, ou em casos raros, para aumentar a confiabilidade. Overvolting é feito para suportar frequências mais altas para desempenho.

O termo "overvolting" também é usado para se referir ao aumento da voltagem operacional estática dos componentes do computador para permitir a operação em velocidades mais altas ( overclocking ).

Fundo

Os circuitos digitais baseados em MOSFET operam usando tensões em nós de circuito para representar o estado lógico. A tensão nesses nós alterna entre alta e baixa tensão durante a operação normal - quando as entradas para uma porta lógica fazem a transição, os transistores que compõem essa porta podem alternar a saída da porta.

Em cada nó de um circuito existe uma certa quantidade de capacitância . A capacitância pode ser considerada uma medida de quanto tempo leva para uma dada corrente produzir uma dada mudança de tensão. A capacitância surge de várias fontes, principalmente transistores (principalmente capacitância de porta e capacitância de difusão ) e fios ( capacitância de acoplamento ). Alternar uma tensão em um nó de circuito requer carregar ou descarregar a capacitância naquele nó; como as correntes estão relacionadas à tensão, o tempo que leva depende da tensão aplicada. Ao aplicar uma tensão mais alta aos dispositivos em um circuito, as capacitâncias são carregadas e descarregadas mais rapidamente, resultando em uma operação mais rápida do circuito e permitindo uma operação de frequência mais alta.

Métodos

Muitos componentes modernos permitem que a regulação da tensão seja controlada por meio de software (por exemplo, por meio do BIOS ). Geralmente é possível controlar as tensões fornecidas à CPU, RAM , PCI e porta PCI Express (ou AGP ) por meio do BIOS de um PC.

No entanto, alguns componentes não permitem o controle de software das tensões de alimentação, e a modificação do hardware é necessária para overclockers que buscam sobrecarregar o componente para overclocks extremos. Placas de vídeo e pontes norte da placa - mãe são componentes que freqüentemente requerem modificações de hardware para alterar as tensões de alimentação. Essas modificações são conhecidas como "mods de voltagem" ou "Vmod" na comunidade de overclocking.

Undervolting

Undervolting é reduzir a tensão de um componente, geralmente o processador, reduzindo os requisitos de temperatura e resfriamento e, possivelmente, permitindo que um ventilador seja omitido. Assim como o overclocking, o undervolting está altamente sujeito à chamada loteria do silício: uma CPU pode undervolt ligeiramente melhor do que a outra e vice-versa.

Poder

Artigo principal: dissipação de energia da CPU

A energia de comutação dissipada por um chip usando portas CMOS estáticas é , onde C é a capacitância sendo comutada por ciclo de clock, V é a tensão de alimentação ef é a frequência de chaveamento, então esta parte do consumo de energia diminui quadraticamente com a tensão. A fórmula não é exata, entretanto, já que muitos chips modernos não são implementados usando 100% CMOS, mas também usam circuitos de memória especiais, lógica dinâmica , como lógica dominó , etc. Além disso, há também uma corrente de fuga estática , que se tornou mais e mais acentuado à medida que os tamanhos dos recursos se tornam menores (abaixo de 90 nanômetros) e os níveis de limite mais baixos.

Consequentemente, a escala de tensão dinâmica é amplamente usada como parte das estratégias para gerenciar o consumo de energia de comutação em dispositivos alimentados por bateria, como telefones celulares e laptops. Os modos de baixa tensão são usados ​​em conjunto com frequências de clock reduzidas para minimizar o consumo de energia associado a componentes como CPUs e DSPs; somente quando uma potência computacional significativa for necessária, a tensão e a frequência serão aumentadas.

Alguns periféricos também suportam modos operacionais de baixa tensão. Por exemplo, os cartões MMC e SD de baixa potência podem funcionar a 1,8 V, bem como a 3,3 V, e as pilhas de drivers podem economizar energia mudando para a tensão mais baixa depois de detectar um cartão compatível.

Quando a corrente de fuga é um fator significativo em termos de consumo de energia, os chips geralmente são projetados para que partes deles possam ser totalmente desligadas. Isso geralmente não é visto como uma escala de tensão dinâmica, porque não é transparente para o software. Quando seções de chips podem ser desligadas, como por exemplo em processadores TI OMAP3 , drivers e outros softwares de suporte precisam oferecer suporte a isso.

Velocidade de execução do programa

A velocidade na qual um circuito digital pode mudar de estado - isto é, ir de "baixo" ( VSS ) para "alto" ( VDD ) ou vice-versa - é proporcional ao diferencial de tensão nesse circuito. Reduzir a tensão significa que os circuitos mudam mais devagar, reduzindo a frequência máxima na qual o circuito pode funcionar. Isso, por sua vez, reduz a taxa na qual as instruções do programa podem ser emitidas, o que pode aumentar o tempo de execução para segmentos de programa que são suficientemente vinculados à CPU.

Isso novamente destaca porque a escala de tensão dinâmica é geralmente feita em conjunto com a escala de frequência dinâmica, pelo menos para CPUs. Existem compensações complexas a serem consideradas, que dependem do sistema específico, da carga apresentada a ele e dos objetivos de gerenciamento de energia. Quando respostas rápidas são necessárias, os relógios e as tensões podem ser aumentados juntos. Caso contrário, ambos podem ser mantidos baixos para maximizar a vida útil da bateria.

Implementações

O chip AsAP 2 de 167 processadores permite que os processadores individuais façam alterações extremamente rápidas (na ordem de 1 a 2 ns) e controladas localmente em suas próprias tensões de alimentação. Os processadores conectam sua rede elétrica local a uma tensão de alimentação superior (VddHi) ou inferior (VddLow), ou podem ser totalmente desligados de qualquer rede para reduzir drasticamente o vazamento de energia.

Outra abordagem usa reguladores de comutação no chip por núcleo para tensão dinâmica e escala de frequência (DVFS).

API do sistema operacional

O sistema Unix fornece um governador de espaço do usuário, permitindo modificar as frequências da CPU (embora limitado aos recursos de hardware).

Estabilidade do sistema

A escala de frequência dinâmica é outra técnica de conservação de energia que funciona com os mesmos princípios da escala de tensão dinâmica. Tanto a escala de tensão dinâmica quanto a escala de frequência dinâmica podem ser usadas para evitar o superaquecimento do sistema do computador, o que pode resultar em travamentos do programa ou do sistema operacional e, possivelmente, danos ao hardware. Reduzir a tensão fornecida à CPU abaixo da configuração mínima recomendada pelo fabricante pode resultar em instabilidade do sistema.

Temperatura

A eficiência de alguns componentes elétricos, como reguladores de tensão, diminui com o aumento da temperatura, de modo que a energia usada pode aumentar com a temperatura, causando descontrole térmico . Os aumentos na tensão ou frequência podem aumentar as demandas de energia do sistema ainda mais rápido do que indica a fórmula CMOS e vice-versa.

Ressalvas

A principal advertência da sobrevoltagem é o aumento do calor: a potência dissipada por um circuito aumenta com o quadrado da tensão aplicada, portanto, mesmo pequenos aumentos de tensão afetam significativamente a potência. Em temperaturas mais altas, o desempenho do transistor é adversamente afetado e, em algum limite, a redução de desempenho devido ao calor excede os ganhos potenciais das tensões mais altas. Superaquecimento e danos aos circuitos podem ocorrer muito rapidamente ao usar altas tensões.

Existem também preocupações de longo prazo: vários efeitos adversos no nível do dispositivo, como injeção de portador quente e eletromigração, ocorrem mais rapidamente em tensões mais altas, diminuindo a vida útil dos componentes com excesso de voltas.

Veja também

Referências

Leitura adicional