X86 управление на захранването Основи на транзисторно ниво Цяла електроника

Преди да обмислите управлението на захранването на най-новите вградени x86 процесори, които консумират около 6 до 60 W, е важно да знаете основните граници на силициевата логика. Настоящите системи за управление на захранването трябва да гарантират, че тези граници не се надвишават и да осигуряват високо ниво на надеждност и функционалност при всички работни условия. Следователно статията следователно се занимава основно с тези влияещи фактори за процесори x86, дори ако има много други фактори.

Спазвайте експлоатационните ограничения

Данни от ъгъла

Вградените процесори като Epyc и Ryzen от AMD с x86 архитектура и 14 nm технология FinFET са проектирани за оптимална изчислителна мощност, но изискват сложно управление на захранването. В тази първа част статията описва основите на необходимостта от добро управление на мощността на транзисторно ниво: влиянието на работния цикъл върху консумацията на енергия, токовете на изтичане, дисперсиите на процесора и натоварването. Последното е особено важно, тъй като настоящите вградени процесори интегрират много функции, които преди това са били поети от външни компоненти - най-добрият пример за това е графичният процесор.

Тактовият процесор е може би най-очевидният фактор, ограничаващ производителността. Дори крайните клиенти са запознати с връзката между производителността и тактовата честота. Работният цикъл определя колко бързо се превключва логиката и колко бързо могат да се изпълняват команди. Ефективността на два процесора, които работят с една и съща тактова честота, но с различна архитектура, няма да бъде еднаква. Независимо от това, скоростта на изпълнение се увеличава и с двамата. Възможностите за увеличаване на работната скорост - т.е. честотата на процесора - обаче са ограничени от няколко фактора. Най-важните са напрежението и токът.

Всеки, запознат с транзисторната технология, знае, че напрежението има изключително важно влияние върху честотата. В транзистора по-бързите процеси на превключване изискват по-високо напрежение, за да могат да преодолеят резистивните и капацитивни елементи на транзистора. По-високите напрежения обаче водят до повишени ефекти на стареене. В резултат на това има ограничения за прилагането на напрежение, ако някой иска да осигури дълъг експлоатационен живот. По-бързите процеси на превключване в транзистора също генерират по-високи токове, тъй като капацитивните елементи се зареждат и разреждат по-силно. Дори ако отделният транзисторен ток може да е много малък, токовите процесори пак могат да имат няколко милиарда транзистори, така че много малки токове се събират бързо. Процесорната матрица обикновено се помещава в пакет. Тук също има ограничения за това колко мощност може ефективно да бъде подадена към матрицата. Следователно всяка цифрова интегрална схема трябва да има идеален баланс между напрежението и тока на транзистора, за да постигне максималната си използваема тактова честота.

Работният цикъл е равен на консумацията на енергия

Комбинацията от закона на Ом и Джоул също учи, че напрежението и токът генерират загуба на мощност и че двата параметъра имат пряко влияние върху консумацията на енергия. Следователно в действителност ограничението на работния цикъл всъщност е ограничение на консумацията на енергия или консумацията на енергия. По-бързите процеси на превключване в транзистора водят до по-висок токов поток и могат да изискват и по-високи напрежения. И двете увеличават консумацията на енергия. Следователно се определя максимална консумация на енергия за всички интегрални схеми, така че разработчиците да могат да проектират системите в съответствие с изискванията за мощност и охлаждане. Следователно ограничаването на консумацията на енергия често е най-критичният ограничаващ фактор за производителността, особено за процесорите, които са в долния край на консумацията на енергия - т.е. те са проектирани да бъдат особено енергоспестяващи. Следователно днешните процесори, базирани на архитектурата x86, обикновено са по-ограничени от консумацията на енергия, отколкото от максималната си работна скорост, когато са силно използвани.

Температурата на матрицата е друг фактор, който трябва да се има предвид, макар и не най-очевидният. При работа на процесора консумираната електрическа енергия се преобразува в топлина. Въпреки това, топлината влияе както върху работните свойства на силициевия транзистор, така и върху скоростта на дифузия на легиращите елементи в транзисторните кръстовища. В крайна сметка дифузията променя електрическите свойства на транзистора, докато той вече не функционира правилно и достигне края на своя експлоатационен живот. Следователно ограничаването на температурата при преходите в процесора е от решаващо значение за очаквания експлоатационен живот. Ето защо производителите на процесори също определят максималните температури на матрицата. Спазването на тези температурни ограничения е една от най-важните задачи за управление на захранването в процесора.

Токове на утечка

транзисторно

Фигура 1: Дял на тока на утечка за вграден процесор AMD в 14 nm производствен процес FinFET. AMD

Друг основен принцип на силициевите транзистори е появата на токове на утечка в кръстовищата и към субстрата. Нивото на ток на изтичане в процесор от определен тип процес може да варира в зависимост от приложеното напрежение и температура и може да достигне изключително високи стойности при настоящите високопроизводителни процесори. Това е така, защото същите фактори, които карат транзистора да превключва по-бързо - т.е. позволяват по-висока тактова честота - също увеличават токовете на изтичане. Тези течове генерират допълнително разсейване на мощността, което трябва да се добави към консумацията на енергия на процесора. По този начин загубата на мощност поради токове на утечка също намалява ефективната мощност, достъпна за процесора, т.е. мощността, която се използва за работната част на транзисторната верига. Фигура 1 показва дела на токовете на утечка в общата консумация на енергия като функция на тока за процесор AMD с 14 nm транзистори FinFET.

Фигура 2: Делът на загубата на мощност поради токове на утечка като функция от температурата за процесор x86 от AMD в 14 nm FinFET технология. AMD

Загубата на мощност поради токове на утечка нараства експоненциално с температурата на матрицата. В интегралната схема тя се увеличава многократно над работната температура. Това означава, че консумацията на енергия на процесора се увеличава автоматично с повишаване на температурата, въпреки че останалите параметри като тактова честота, напрежение и натоварване на обработката остават същите. Следователно производителите на процесори трябва или да предоставят достатъчно свобода за увеличаване на консумацията на енергия, когато температурата се повиши, или да използват зависима от температурата схема за управление на мощността. Фигура 2 показва загубата на мощност поради токове на утечка като функция от температурата за споменатото по-горе семейство AMD процесори.

Дисперсии на процесора

Процесът на силициевата фотолитография за производство на полупроводници има присъщи несъвършенства, които се проявяват като отклонения в конструкцията на транзистора и по този начин засягат техните работни характеристики. Такива отклонения се проявяват не само при различни партиди силициеви пластини, но и при отделни пластини. Те могат да доведат до това, че процесорът умира от една област на пластината, изисквайки по-високо напрежение за същата честота от съседите си или имащ по-високи токове на утечка. Фигура 1 също илюстрира доста добре тези отклонения в токовете на утечка. И тъй като електрическата мощност е ключов фактор за определяне на постижимата производителност с определен процесор, това естествено води и до колебания в производителността.

Следователно производителите на процесори категоризират матриците в различни групи и ги присвояват на различни модели процесори с различни спецификации (например 25 W и 35 W), за да увеличат максимално добива. Производителят определя обхвата на тези отклонения за всеки модел, като по-рентабилните модели обикновено имат право да имат по-високи отклонения. Тези променливи отклонения също трябва да могат да се справят с текущите решения за управление на мощността.

Различно натоварване, различни енергийни изисквания

GPU на борда

Интеграцията на графичния процесор (GPU) е най-важна, защото е много голямо, специално изчислително ядро. Графичният процесор в някои процесори x86 може да съдържа повече транзистори, отколкото предлагат ядрата на процесора, тъй като приложенията стават все по-интензивни за графика. Това важи особено за компании като AMD, които разчитат специално на много мощни, интегрирани графични модули в своите микропроцесори. Смесените натоварвания, изпълняващи едновременно комбинация от инструкции за CPU и GPU, могат да увеличат този ефект от диференцираната консумация на енергия.

Фигура 3: Консумация на енергия на процесор с две различни натоварвания, ограничени до процесора (AMD Embedded RX-421BD-SoC, Prime 95 v29.3 b1 Large FFT, Microsoft Sysinternals CPU Stress v1.0), Prime 95 симулира тук Екстремен случай. AMD

Фигура 3 показва пример за това. Тук консумираната мощност на процесор с две различни натоварвания, ограничени до процесора, беше измерена на произволно избран AMD Embedded RX-421BD SoC, базиран на архитектурата на багер. И двете работни натоварвания имат едно ядро ​​на процесора, напълно използвано, като същевременно се поддържа максималната тактова честота. За това беше използван Prime 95, защото тази програма симулира крайния случай. Поради това често се нарича "термичен вирус". Стойностите на консумацията на енергия за другото натоварване бяха нормализирани до това ниво.

Стойностите на фигура 3 показват, че консумацията на енергия на ядрото на процесора е била само около 57% в сравнение с Prime 95 с по-малко нужда от работа. Екстраполирайки се на множество физически ядра, лесно е да се види, че разликите в консумацията на енергия могат да бъдат много големи в зависимост от натоварването. В този случай процесорът успя да запази максималната тактова честота от 3,5 GHz на активното ядро, без да достигне обхвата на мощност или регулиране на тока, така че скоростта на работа не трябваше да се намалява.

Фигура 4: Сравнение на просто 3D натоварване от Microsoft Direct X 9 SDK (Blobs) с Furmark, външно натоварване на графичния процесор. AMD

Изискванията за производителност на натоварванията на графичния процесор са подобни. Фигура 4 сравнява просто 3D натоварване от Microsoft DirectX 9 SDK ("Blobs") с Furmark, екстремно натоварване на GPU, което също принадлежи към класа на термичните вируси. Честотата на графичния процесор беше изкуствено ограничена до 720 MHz, за да се избегне ограничението на мощността и да се покаже пълната възможна разлика в консумацията на енергия.

Данните за консумация на мощност на графичния процесор показват, че приложението Blobs консумира само 82 процента от мощността на Furmark. Трябва също да се отбележи, че увеличаването на разсейването на мощността с увеличаване на натоварването също увеличава температурата в дадена системна среда. И както вече беше написано по-горе, по-високата температура също води до още по-голяма загуба на мощност поради токове на утечка, така че разликата в допълнителното изискване за мощност е още по-голяма. Ако трябва да се поддържа само повишената производителност, причинена единствено от натоварването, температурата на матрицата трябва да остане постоянна. Това не беше направено в този тест. Отклонението обаче беше само няколко градуса, така че резултатите не бяха засегнати значително.

Тази статия е базирана на документи от AMD.