CPU是怎么调节输入电压的？为什么要这么做？_电压_频率

有朋友问我CPU的核心电压Vcore是多少，我的答案是大概1V旁边。
这个回答引起了争议，”到底是左还是右，打算机科学这种事可容不得模糊！
“，我也很无奈，核心电压是个动态变革的过程，会随着运行频率不同会被动态调节，1V只是个中位数。
核心电压也曾经小而美，但随着CPU电源管理的演进早已十分繁芜。
本日我们就一起来理解一下为什么要随着频率不同而改变电压？怎么和由谁改变电压？电压调节的演进等等，也便是从Why,How,Who和When来全面节制CPU电压调节的知识。

除了供应更高的性能之外，CPU们的沙场还有一个：谁的能效比更好。
当代CPU每每采取低电压大电流的供电方案，也是为了改进能效比：低电压带来低功耗。
要理解这点，要从事理上谈起。

从含有1亿4000万个场效应晶体管FET的奔驰4到高达80多亿的Kabylake，Intel虔诚的按照摩尔定律增加着晶体管的数目。
这么多个FET随着每一次的翻转都在花费者能量。
一个FET的大略示意图如下：

当输入低电平时，CL被充电，我们假设a焦耳的电能被储存在电容中。
而当输入变成高电平后，这些电能则被开释，a焦耳的能量被开释了出来。
由于CL很小，这个a也十分的小，险些可以忽略不计。
但如果我们以1GHz频率翻转这个FET，则能量花费便是a × 10^9，这就不能忽略了，再加上CPU中有几十亿个FET，花费的能量变得相称可不雅观。

从图示中，大概你可以直不雅观的看出，能耗和频率是正干系的。
这个理解很精确，实际上能耗和频率成线性干系。
能耗关系公示是(参考资料1)：

P代表能耗。
C可以大略看作一个常数，它由制程等成分决定，制程越小，C越小；V代表电压，和P是二次方的关系；而f便是频率了。
空想情形，提高一倍频率，则能耗提高一倍。
而V的幂函数关系对P来说更至关主要。

普通的来讲，CPU可以看作由几十亿到上百亿个小开关组成的。
开关怀换的速率f决定了打算机的性能。
为了高性能，必须提高开关速率f，这才是大家关心的。
而V则由于省电的缘故原由越小越好。
那为什么不把v定成很低很低呢？

我们这里要引入门延迟（Gate Delay）的观点。
大略来说，组成CPU的FET充放电须要一定韶光，这个韶光便是门延迟。
只有在充放电完成后采样才能担保旗子暗记的完全性。
而这个充放电韶光和电压负干系，即电压高，则充放电韶光就短。
也和制程正干系，即制程越小，充放电韶光就短。
让我们去除制程的滋扰成分，当我们不断提高频率f后，过了某个节点，太快的翻转会造成门延迟跟不上，从而影响数字旗子暗记的完全性，从而造成缺点。
这也是为什么超频到某个阶段会不稳定，随机出错的缘故原由。
那么怎么办呢？聪明的你大概想到了超频中常用的办法：加压。
对了，可以通过提高电压来减小门延迟，让系统重新稳定下来。

也便是说，为了省电，要降落V，但为了达到数G的主频，而不得不提高电压V到一个可以接管的最小值，达到一个平衡。

我们来总结一下，对付一定频率，须要担保一定的最低电压，虽然不同芯片这个值不同，但同一种芯片却有着明确的对应关系，我们把它叫做频率电压对照表T1。
它是一个静态表，T1每每存贮在PCU里面。
PCU是什么我们今后再先容。

在曾经那个什么都很大略的年代，CPU一开机便是一个频率，当然没有动态调度电压的需求，这统统随着EIST的引入而不得不发生了改变。

有了EIST，随着事情量不同，操作系统可以动态调节频率。
而光调频率不调电压，节能的目的就大半摧残浪费蹂躏了。
于是Intel提出来VRM(Voltage Regulator Module, 电压调节模块)标准，对位于主板上的VRM建立了标准，以期规范其电气特性和CPU和VRM的通讯协议。

图片出自参考资料3

VRM卖力将8/4 pin的CPU 12V供电转成CPU的低电压输入。
最新的VRM已经是11.1了，可以在Intel官网高下载到，我也在参考资料2里面附上了它的链接。

对付个中的电气标准我们这里不再详述，CPU和VRM如何通讯才是我们感兴趣的地方:

可以看到，CPU传入VID给VRM，VRM根据VID给出不同的Vcore。
VID原来有5 bit，现在被扩展到了8 bit。
不同的VID根据标准对应不同的电压，对应关系太长，我这里只列出最大和最小值：

有同学会问最小值只有0.03125v, 这么小能够驱动CPU内核吗？这个是理论上VRM可以供应的最小值，而真实条件下，PCU并不会输入11111101的VID值。

电压调节模块VRM根据传入参数不同，根据标准供应不同的电压。
那么谁来供应VID呢？还记得我们前面说的表T1吗?PCU在改变频率的同时，根据频率找到相应VID，传给VRM来得到相应电压。

看到VRM有spec，有些人认为它是一个模块，实际上它是由几部分组成的：

图片出自参考资料3

包括MOSFETs，Chokes（电感）, 电容和PWM芯片。
PWM芯片实现了VID==>电压的逻辑，常见的是ISL6334，支持VRM 11.1标准。

最开始VRM只有一个，给CPU内核供电。
随着北桥和GPU被集成进CPU，VRM也由一个变成了5+1，分别是给CPU的：Core VR、Graphics VR、PLL VR、System Agent VR和IO VR，加上其余的内存VR。

高端VRM效果不错，但低端主板VRM十分糟糕，Intel在Haswell将为CPU做事的VRM全部集成进了CPU，变成了FIVR（Fully Integrated Voltage Regulator，全集成式电压调节模块）或者ISVR（Integrated Silicon Voltage Regulator），只在主板上留下了为内存做事的VR：

FIVR的电气特性很好，同时也大大简化了主板的设计，收到很大欢迎。
但是由于发热的问题，后期被移出CPU，再后面又被重新加入。
FIVR不可或缺的一个主要缘故原由是如果希望CPU中各个内核事情频率不同，又要省电，最好它们都有自己的VR，FIVR可以做到这一点，每个core都有自己的Vcore:

这也是现在EIST和睿频的Domain不再是全体CPU的一个缘故原由。

VR都被集成进CPU变成FIVR了，超频须要的加压怎么办？实在还可以做：

FIVR须要的输入电压VccIn可以提高，这样他们给出的VccCorex也就会相应提高。

CPU的核心电压Vcore随运行频率不同，在1V旁边颠簸。
CPU内部的各个内核的Vcore由于它们频率不同，也不一样。