جهد وحدة المعالجة المركزية

جهد نواة وحدة المعالجة المركزية ( V _CORE ) هو جهد مصدر الطاقة المزود لنواة المعالجة في وحدة المعالجة المركزية (وهي دائرة رقمية ) أو وحدة معالجة الرسومات (GPU ) أو أي جهاز آخر به نواة معالجة. إن كمية الطاقة التي تستخدمها وحدة المعالجة المركزية، وبالتالي كمية الحرارة التي تبددها، هي حاصل ضرب هذا الجهد والتيار الذي تستهلكه. في وحدات المعالجة المركزية الحديثة، وهي دوائر CMOS ، يكون التيار متناسبًا تقريبًا مع سرعة الساعة ، ولا تستهلك وحدة المعالجة المركزية أي تيار تقريبًا بين دورات الساعة. (انظر، مع ذلك، تسرب دون العتبة .)

للحفاظ على الطاقة وإدارة الحرارة، تحتوي العديد من معالجات الكمبيوتر المحمول والمكتبي على ميزة إدارة الطاقة التي يمكن للبرامج (عادةً نظام التشغيل ) استخدامها لضبط سرعة الساعة والجهد الأساسي بشكل ديناميكي .

في كثير من الأحيان تقوم وحدة منظم الجهد بالتحويل من 5 فولت أو 12 فولت أو أي جهد آخر إلى أي جهد أساسي لوحدة المعالجة المركزية مطلوب بواسطة وحدة المعالجة المركزية.

إن الاتجاه هو نحو انخفاض جهد النواة، مما يوفر الطاقة. وهذا يمثل تحديًا لمصممي CMOS، لأنه في CMOS تذهب الجهد إلى الأرض فقط ويكون جهد الإمداد، ومصدر، وبوابة، ومحطات الصرف في FETs فقط جهد الإمداد أو جهد الصفر عبرها.

صيغة MOSFET : تقول أن التيار الذي يوفره FET يتناسب مع جهد البوابة والمصدر المخفض بجهد العتبة ، والذي يعتمد على الشكل الهندسي لقناة FET والبوابة وخصائصهما الفيزيائية، وخاصة السعة . لتقليل (ضروري لتقليل جهد الإمداد وزيادة التيار) يجب زيادة السعة. ومع ذلك، فإن الحمل الذي يتم تشغيله هو بوابة FET أخرى، وبالتالي فإن التيار الذي يتطلبه يتناسب مع السعة، مما يتطلب من المصمم الحفاظ على السعة منخفضة. ${\displaystyle \,I_{D}=k((V_{GS}-V_{tn})V_{DS}-(V_{DS}/2)^{2})}$${\displaystyle I_{د}}$ ${\displaystyle V_{tn}}$${\displaystyle V_{tn}}$

وبالتالي فإن الاتجاه نحو انخفاض جهد الإمداد يعمل ضد هدف سرعة الساعة العالية. فقط التحسينات في التصوير الضوئي وتقليل جهد العتبة يسمحان بتحسين كليهما في وقت واحد. من ناحية أخرى، فإن الصيغة الموضحة أعلاه هي لترانزستورات MOSFET ذات القنوات الطويلة. مع تقليص مساحة ترانزستورات MOSFET إلى النصف كل 18-24 شهرًا ( قانون مور )، تصبح المسافة بين طرفي مفتاح MOSFET المسمى بطول القناة أصغر وأصغر. وهذا يغير طبيعة العلاقة بين جهد الطرف والتيار.

يؤدي رفع تردد المعالج إلى زيادة سرعته على حساب استقرار النظام. غالبًا ما يتطلب تحمل سرعات تردد أعلى جهدًا أعلى للنواة على حساب استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة. يُطلق على هذا "الجهد الزائد" . ^[1] يتضمن الجهد الزائد عمومًا تشغيل المعالج خارج مواصفاته، مما قد يؤدي إلى إتلافه أو تقصير عمر وحدة المعالجة المركزية.

تستخدم وحدة المعالجة المركزية ذات الجهد المزدوج تصميمًا مقسمًا بحيث يمكن لنواة المعالج استخدام جهد أقل، بينما تظل جهد الإدخال/الإخراج الخارجي ( I/O ) عند 3.3 فولت (أو 5 فولت لوحدات المعالجة المركزية القديمة) للتوافق مع الإصدارات السابقة.

تستخدم وحدة المعالجة المركزية ذات الجهد الواحد جهد طاقة واحد في جميع أنحاء الشريحة، ^مما يوفر طاقة الإدخال/الإخراج والطاقة الداخلية. جميع ^{وحدات المعالجة} المركزية قبل Pentium MMX هي وحدات معالجة مركزية ذات جهد واحد.

تم تقديم وحدات المعالجة المركزية ذات الجهد المزدوج لتحسين الأداء عندما تسببت زيادة سرعات الساعة وعمليات تصنيع أشباه الموصلات الدقيقة في توليد حرارة زائدة ومخاوف بشأن إمداد الطاقة، وخاصة فيما يتعلق بأجهزة الكمبيوتر المحمولة . باستخدام منظم الجهد ، تم تحويل مستويات جهد الإدخال/الإخراج الخارجية إلى فولتات أقل لتقليل استهلاك الطاقة، مما أدى إلى انخفاض الحرارة للقدرة على العمل بترددات أعلى.

VRT هي ميزة موجودة في معالجات Intel P5 Pentium القديمة والتي عادة ما تكون مخصصة للاستخدام في بيئة متنقلة. وهي تشير إلى تقسيم مصدر الجهد الأساسي عن جهد الإدخال/الإخراج. يحتوي معالج VRT على جهد أساسي 3.3 VI/O و2.9 V، لتوفير الطاقة مقارنة بمعالج Pentium النموذجي مع كل من جهد الإدخال/الإخراج وجهد النواة عند 3.3 V. اعتمدت جميع معالجات Pentium MMX والإصدارات الأحدث ما يسمى بمصدر الطاقة المنقسم.

بالإضافة إلى جهد نواة وحدة المعالجة المركزية، غالبًا ما تحتوي وحدات المعالجة المركزية الحديثة على العديد من الفولتات المختلفة للمكونات. وكان أحد الأسباب وراء ذلك هو أن وحدات المعالجة المركزية الحديثة تدمج العديد من المكونات التي كانت في السابق عبارة عن دوائر متكاملة منفصلة (ICs). ومع تقدم تكنولوجيا أشباه الموصلات، تم دمج وظائف مثل نوى وحدة المعالجة المركزية ووحدات التحكم في الذاكرة ووحدات التحكم PCIe وفي بعض الحالات الرسومات المتكاملة في حزمة وحدة معالجة مركزية واحدة. ومع ذلك، وعلى الرغم من الانخفاض العام في حجم الترانزستور، فإن متطلبات الجهد لا تنخفض بشكل متناسب. قد لا تزال بعض المكونات داخل وحدة المعالجة المركزية تتطلب فولتات أعلى للعمل بكفاءة، مما يستلزم استخدام مستويات جهد متعددة لتشغيل مكونات مختلفة بشكل فعال.

بعض الأمثلة على الفولتية المختلفة في وحدة المعالجة المركزية الحديثة:

• جهد النواة (Vcore): الجهد الأساسي الذي يتم توفيره مباشرة إلى نوى وحدة المعالجة المركزية
• جهد ذاكرة التخزين المؤقت (Vcache): تحتوي بعض وحدات المعالجة المركزية على مجالات جهد منفصلة لذاكرة التخزين المؤقت L2.
• جهد Uncore /جهد وكيل النظام (VCCSA): في بعض البنيات، يتضمن "uncore" مكونات مثل ذاكرة التخزين المؤقت L3 ووحدة التحكم في الذاكرة ووكيل النظام والمكونات المترابطة الأخرى
• جهد الإدخال/الإخراج (VCCIO): يتحكم هذا الجهد عادةً في واجهات الإدخال/الإخراج لوحدة المعالجة المركزية، بما في ذلك وحدات التحكم في الذاكرة وواجهات PCIe
• جهد PLL (حلقة القفل الطوري): تولد حلقات القفل الطوري الترددات التي تستخدمها المكونات في وحدة المعالجة المركزية
• جهد الرسومات المتكاملة (VGT): قد تحتوي وحدات المعالجة المركزية ذات الرسومات المتكاملة على نطاق جهد منفصل لجزء وحدة معالجة الرسومات

• قياس الجهد الديناميكي
• تطبيقات إمداد الطاقة في الوضع المتغير (SMPS)

• مقال Hardwareanalysis.com حول كيفية زيادة الجهد للمساعدة في رفع تردد التشغيل محفوظ في 2012-09-19 على موقع Wayback Machine
• دليل مصور لمعالجات بنتيوم (دليل كاربوس) محفوظ في 2017-10-02 على موقع واي باك مشين
• جهد المعالج >> ميكانيكي الكمبيوتر