En arquitectura de computadoras , el escalado dinámico de voltaje es una técnica de administración de 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 . La subtensión se realiza para conservar energía , particularmente en computadoras portátiles y otros dispositivos móviles , donde la energía proviene de una batería y, por lo tanto, es limitada o, en casos raros, para aumentar la confiabilidad. La sobretensión se realiza para soportar frecuencias más altas para el rendimiento .
El término "sobrevoltaje" también se utiliza para referirse al aumento del voltaje de funcionamiento 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 a una puerta lógica cambian, los transistores que componen esa puerta pueden alternar la salida de la puerta.
Alternar el estado de un MOSFET requiere cambiar el voltaje de su puerta desde debajo del voltaje umbral del transistor hasta encima de él (o desde arriba hasta debajo de él). Sin embargo, cambiar el voltaje de la puerta requiere cargar o descargar la capacitancia en su nodo. Esta capacitancia es la suma de capacitancias de varias fuentes: principalmente capacitancia de puerta de transistor , capacitancia de difusión y 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 la puerta del 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 proporcionada por 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 ). Generalmente es posible controlar los voltajes suministrados a la CPU, RAM , PCI y puerto PCI Express (o AGP ) a través del BIOS de una PC.
Sin embargo, algunos componentes no permiten el control por software de los voltajes de suministro, y los overclockers que buscan sobrevoltear el componente requieren modificaciones de hardware para overclocks extremos. 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 "mods de voltaje" o "Vmod" en la comunidad de overclocking.
La subtensión consiste en reducir el voltaje de un componente, normalmente el procesador, reducir los requisitos de temperatura y refrigeración y posiblemente permitir que se omita un ventilador. Al igual que el overclocking, el undervolting está muy sujeto a la llamada lotería del silicio: una CPU puede subvoltear ligeramente 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 está 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 vuelto cada vez más frecuente. se acentúa aún más a medida que los tamaños de las características se han vuelto más pequeños (por debajo de 90 nanómetros) y los niveles de umbral son más bajos.
En consecuencia, el escalado dinámico de voltaje se usa ampliamente como parte de estrategias para gestionar el consumo de energía de conmutación en dispositivos que funcionan con baterías, 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; sólo cuando se necesite 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 tanto a 1,8 V como a 3,3 V, y las pilas de controladores pueden conservar 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. Por lo general, esto no se considera un escalado de voltaje dinámico, porque no es transparente para el software. Cuando se pueden apagar secciones de chips, como por ejemplo en los procesadores TI OMAP3 , los controladores y otro software de soporte deben admitirlo.
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 ese circuito puede funcionar. 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 vinculados a la CPU.
Esto nuevamente resalta por qué el escalado dinámico de voltaje generalmente se realiza junto con el escalado dinámico de frecuencia, al menos para las CPU. Hay compensaciones complejas a considerar, que dependen del sistema 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 consciente del contexto ), los relojes y los voltajes pueden aumentarse juntos. De lo contrario, es posible que ambos se mantengan bajos para maximizar la duración de la batería.
El chip AsAP 2 de 167 procesadores permite a los procesadores individuales realizar cambios extremadamente rápidos (del orden de 1 a 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 por completo de cualquiera de las redes para reducir drásticamente la fuga de energía.
Otro enfoque utiliza reguladores de conmutación en chip por núcleo para el escalado dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS). [2]
El sistema Unix proporciona un regulador del espacio de usuario que permite modificar las frecuencias de la CPU [ cita necesaria ] (aunque limitado 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 del programa o del sistema operativo y posiblemente daños al hardware. Reducir el voltaje suministrado a la CPU por debajo de la configuración mínima recomendada por el fabricante puede provocar inestabilidad en el sistema.
La eficiencia de algunos componentes eléctricos, como los reguladores de voltaje, disminuye al aumentar 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 del sobrevoltaje es el aumento de calor: la potencia disipada por un circuito aumenta con el cuadrado del voltaje aplicado, por lo que incluso pequeños aumentos de voltaje afectan significativamente 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 excede las ganancias potenciales de los voltajes más altos. El sobrecalentamiento y los daños a los circuitos pueden ocurrir muy rápidamente cuando se utilizan altos voltajes.
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 sobrevolteados.
Para mitigar el aumento de calor debido a la sobretensión, se recomienda utilizar refrigeración líquida para alcanzar techos y umbrales más altos de lo que normalmente se lograría con un refrigerador de posventa. También conocidos como refrigeradores "todo en uno" (AIO), ofrecen un método mucho más eficaz de refrigeración de la unidad al reubicar el calor fuera de la caja de la computadora a través de los ventiladores del radiador, mientras que la refrigeración por aire solo dispersa el calor de la unidad afectada, aumentando temperaturas ambientales generales. [5]
