Escala de voltaje dinámico

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En la arquitectura informática , el escalado dinámico de voltaje es una técnica de gestión de la energía en la que el voltaje utilizado en un componente aumenta o disminuye, según las circunstancias. El escalado dinámico de voltaje para aumentar el voltaje se conoce como sobrevoltaje ; el escalado dinámico de voltaje para disminuir el voltaje se conoce como subvoltaje . El subvoltaje se realiza para conservar energía , en particular en computadoras portátiles y otros dispositivos móviles , donde la energía proviene de una batería y, por lo tanto, es limitada, o en casos excepcionales, para aumentar la confiabilidad. El sobrevoltaje se realiza para admitir frecuencias más altas para el rendimiento .

El término "sobrevoltaje" también se utiliza para referirse al aumento del voltaje operativo estático de los componentes de la computadora para permitir el funcionamiento a mayor velocidad ( overclocking ).

Los circuitos digitales basados ​​en MOSFET funcionan utilizando voltajes en los nodos del circuito para representar el estado lógico. El voltaje en estos nodos cambia entre un voltaje alto y un voltaje bajo durante el funcionamiento normal: cuando las entradas de una compuerta lógica cambian, los transistores que componen esa compuerta pueden alternar la salida de la compuerta.

Para cambiar el estado de un MOSFET es necesario cambiar el voltaje de compuerta desde un valor inferior al voltaje umbral del transistor hasta un valor superior (o desde un valor superior hasta un valor inferior). Sin embargo, para cambiar el voltaje de compuerta es necesario cargar o descargar la capacitancia en su nodo. Esta capacitancia es la suma de las capacitancias de varias fuentes: principalmente la capacitancia de compuerta del transistor , la capacitancia de difusión y los cables ( capacitancia de acoplamiento ).

Los voltajes de suministro más altos dan como resultado una velocidad de respuesta más rápida (tasa de cambio de voltaje por unidad de tiempo) durante la carga y descarga, lo que permite una transición más rápida a través del voltaje umbral del MOSFET. Además, cuanto más exceda el voltaje de compuerta al voltaje umbral, menor será la resistencia del canal conductor del transistor. Esto da como resultado una constante de tiempo RC más baja para una carga y descarga más rápida de la capacitancia de la etapa lógica posterior. La transición más rápida que brindan los voltajes de suministro más altos permite operar a frecuencias más altas.

Muchos componentes modernos permiten controlar la regulación de voltaje a través de software (por ejemplo, a través de la BIOS ). Por lo general, es posible controlar los voltajes suministrados a la CPU, RAM , PCI y puerto PCI Express (o AGP ) a través de la BIOS de una PC.

Sin embargo, algunos componentes no permiten el control de los voltajes de suministro mediante software, y los overclockers que buscan aumentar el voltaje del componente para lograr overclocks extremos necesitan realizar modificaciones de hardware. Las tarjetas de video y los puentes norte de la placa base son componentes que frecuentemente requieren modificaciones de hardware para cambiar los voltajes de suministro. Estas modificaciones se conocen como "modificaciones de voltaje" o "Vmod" en la comunidad de overclocking.

El undervolting consiste en reducir el voltaje de un componente, normalmente el procesador, lo que reduce los requisitos de temperatura y refrigeración y, posiblemente, permite prescindir de un ventilador. Al igual que el overclocking, el undervolting está sujeto en gran medida a la llamada lotería del silicio: una CPU puede reducir ligeramente el voltaje mejor que la otra y viceversa.

La potencia de conmutación disipada por un chip que utiliza puertas CMOS estáticas es , donde es la capacitancia que se conmuta por ciclo de reloj, es el voltaje de suministro , es la frecuencia de conmutación, ^[1] y es el factor de actividad. Como es al cuadrado, esta parte del consumo de energía disminuye cuadráticamente con el voltaje. Sin embargo, la fórmula no es exacta, ya que muchos chips modernos no se implementan utilizando 100% CMOS, sino que también utilizan circuitos de memoria especiales, lógica dinámica como la lógica dominó , etc. Además, también existe una corriente de fuga estática , que se ha acentuado cada vez más a medida que los tamaños de las características se han vuelto más pequeños (por debajo de los 90 nanómetros) y los niveles de umbral más bajos.${\displaystyle \alpha \cdot C\cdot V^{2}\cdot f}$${\estilo de visualización C}$${\estilo de visualización V}$${\estilo de visualización f}$${\estilo de visualización \alpha}$${\estilo de visualización V}$

En consecuencia, el escalamiento dinámico de voltaje se utiliza ampliamente como parte de las estrategias para gestionar el consumo de energía de conmutación en dispositivos alimentados por batería, como teléfonos celulares y computadoras portátiles. Los modos de bajo voltaje se utilizan junto con frecuencias de reloj reducidas para minimizar el consumo de energía asociado con componentes como CPU y DSP; solo cuando se necesita una potencia computacional significativa se aumentará el voltaje y la frecuencia.

Algunos periféricos también admiten modos operativos de bajo voltaje. Por ejemplo, las tarjetas MMC y SD de bajo consumo pueden funcionar a 1,8 V y a 3,3 V, y las pilas de controladores pueden ahorrar energía cambiando al voltaje más bajo después de detectar una tarjeta que lo admita.

Cuando la corriente de fuga es un factor importante en términos de consumo de energía, los chips suelen diseñarse de modo que algunas partes de ellos puedan apagarse por completo. Esto no suele considerarse como una escala de voltaje dinámica, porque no es transparente para el software. Cuando se pueden apagar secciones de los chips, como por ejemplo en los procesadores TI OMAP3 , los controladores y otro software de soporte deben admitir esa opción.

La velocidad a la que un circuito digital puede cambiar de estado (es decir, pasar de "bajo" ( VSS ) a "alto" ( VDD ) o viceversa) es proporcional al diferencial de voltaje en ese circuito. Reducir el voltaje significa que los circuitos cambian más lentamente, lo que reduce la frecuencia máxima a la que puede funcionar ese circuito. Esto, a su vez, reduce la velocidad a la que se pueden emitir las instrucciones del programa, lo que puede aumentar el tiempo de ejecución de los segmentos del programa que están suficientemente limitados por la CPU.

Esto resalta nuevamente por qué el escalamiento dinámico de voltaje generalmente se realiza junto con el escalamiento dinámico de frecuencia, al menos para las CPU. Hay compensaciones complejas a considerar, que dependen del sistema en particular, la carga que se le presenta y los objetivos de administración de energía. Cuando se necesitan respuestas rápidas (por ejemplo, sensores móviles y computación sensible al contexto ), los relojes y los voltajes pueden aumentarse juntos. De lo contrario, ambos pueden mantenerse bajos para maximizar la vida útil de la batería.

El chip AsAP 2 de 167 procesadores permite que cada procesador realice cambios extremadamente rápidos (del orden de 1-2 ns) y controlados localmente en sus propios voltajes de suministro. Los procesadores conectan su red eléctrica local a un voltaje de suministro más alto (VddHi) o más bajo (VddLow), o pueden desconectarse completamente de cualquiera de las redes para reducir drásticamente la energía de fuga.

Otro enfoque utiliza reguladores de conmutación en chip por núcleo para escalamiento dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS). ^[2]

El sistema Unix proporciona un regulador de espacio de usuario que permite modificar las frecuencias de la CPU ^{[ cita requerida ]} (aunque limitadas a las capacidades del hardware).

El escalado dinámico de frecuencia es otra técnica de conservación de energía que funciona con los mismos principios que el escalado dinámico de voltaje. Tanto el escalado dinámico de voltaje como el escalado dinámico de frecuencia se pueden utilizar para evitar el sobrecalentamiento del sistema informático, lo que puede provocar fallos en el programa o el sistema operativo y, posiblemente, daños en el hardware. Reducir el voltaje suministrado a la CPU por debajo del valor mínimo recomendado por el fabricante puede provocar inestabilidad en el sistema.

La eficiencia de algunos componentes eléctricos, como los reguladores de voltaje, disminuye con el aumento de la temperatura, por lo que la potencia utilizada puede aumentar con la temperatura, lo que provoca una fuga térmica . Los aumentos de voltaje o frecuencia pueden aumentar las demandas de energía del sistema incluso más rápido de lo que indica la fórmula CMOS, y viceversa. ^{[3] [4]}

La principal advertencia de la sobretensión es el aumento de calor: la potencia disipada por un circuito aumenta con el cuadrado de la tensión aplicada, por lo que incluso pequeños aumentos de tensión afectan significativamente a la potencia. A temperaturas más altas, el rendimiento del transistor se ve afectado negativamente y, en algún umbral, la reducción del rendimiento debido al calor supera las ganancias potenciales de las tensiones más altas. El sobrecalentamiento y los daños a los circuitos pueden ocurrir muy rápidamente cuando se utilizan tensiones altas.

También existen preocupaciones a más largo plazo: varios efectos adversos a nivel de dispositivo, como la inyección de portadores calientes y la electromigración, ocurren más rápidamente a voltajes más altos, lo que disminuye la vida útil de los componentes sobrevoltados.

Para mitigar el aumento de calor por sobrevoltaje, se recomienda utilizar refrigeración líquida para lograr techos y umbrales más altos de lo que normalmente se lograría con un enfriador de repuesto. También conocidos como enfriadores "todo en uno" (AIO), ofrecen un método mucho más eficaz de refrigeración de la unidad al reubicar el calor fuera de la carcasa de la computadora a través de los ventiladores del radiador, mientras que la refrigeración por aire solo dispersa el calor de la unidad afectada, lo que aumenta las temperaturas ambientales generales. ^[5]

• Escalado dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS)
• Escala de frecuencia dinámica
• Puerta de potencia
• Producto de retardo de potencia (PDP)
• Producto de retardo de energía (EDP)
• Aplicaciones de fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS)
• Cambio de energía
• Rampa de potencia
• Sobretensión
• Subtensión
• Optimización de voltaje

• Gaudet, Vincent C. (1 de abril de 2014) [25 de septiembre de 2013]. "Capítulo 4.1. Técnicas de diseño de bajo consumo para tecnologías CMOS de última generación". Escrito en Freiberg, Alemania. En Steinbach, Bernd [en alemán] (ed.). Recent Progress in the Boolean Domain (1.ª ed.). Newcastle upon Tyne, Reino Unido: Cambridge Scholars Publishing . págs. 187–212. ISBN 978-1-4438-5638-6. Recuperado el 4 de agosto de 2019 .[1] (xxx+428 páginas)