동적 전압 스케일링

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동적 전압 스케일링은 컴퓨터 아키텍처의 전원 관리 기술로, 상황에 따라 컴포넌트에 사용되는 전압이 증가하거나 감소합니다.전압을 높이기 위한 동적 전압 스케일링을 과전압이라고 하며, 전압을 낮추기 위한 동적 전압 스케일링을 언더볼트라고 합니다.저전압은 전력을 절약하기 위해 행해집니다.특히 노트북이나 기타 모바일 디바이스에서는 배터리로부터 에너지가 공급되기 때문에 신뢰성이 향상되는 경우는 한정되어 있습니다.성능 향상을 위해 더 높은 주파수를 지원하기 위해 과전압이 이루어집니다.

"과전압"이라는 용어는 고속(오버클럭킹)으로 동작할 수 있도록 컴퓨터 컴포넌트의 정적 작동 전압이 증가하는 것을 가리키는 데에도 사용됩니다.

배경

MOSFET 기반의 디지털 회로는 논리 상태를 나타내기 위해 회로 노드의 전압을 사용하여 작동합니다.이러한 노드의 전압은 정상 작동 중에 고전압과 저전압 사이를 전환합니다. 로직 게이트 입력이 전환될 때 해당 게이트를 구성하는 트랜지스터가 게이트의 출력을 전환할 수 있습니다.

회로의 각 노드에는 일정량의 캐패시턴스가 있습니다.캐패시턴스는 주어진 전류가 주어진 전압 변화를 생성하는 데 걸리는 시간의 측정값으로 간주할 수 있습니다.캐패시턴스는 주로 트랜지스터(주로 게이트 캐패시턴스 및 확산 캐패시턴스)와 와이어(커플링 캐패시턴스) 등 다양한 소스에서 발생합니다.회로 노드에서 전압을 전환하려면 해당 노드에서 캐패시턴스를 충전하거나 방전해야 합니다. 전류는 전압과 관련이 있으므로 걸리는 시간은 인가되는 전압에 따라 달라집니다.회로내의 디바이스에 높은 전압을 인가하는 것으로, 캐패시턴스의 충방전이 고속화해, 회로의 동작이 고속화해, 보다 높은 주파수의 동작이 가능하게 된다.

방법들

최신 컴포넌트의 대부분은 소프트웨어(BIOS 등)를 통해 전압을 제어할 수 있습니다.일반적으로 PC의 BIOS를 통해 CPU, RAM, PCI 및 PCI Express(AGP) 포트에 공급되는 전압을 제어할 수 있습니다.

단, 일부 컴포넌트에서는 공급전압의 소프트웨어 제어를 할 수 없기 때문에 과도한 오버클럭을 위해 컴포넌트를 과전압하려고 하는 오버클럭에 의해 하드웨어 변경이 필요합니다.비디오 카드와 메인보드 노스브리지는 전원 전압을 변경하기 위해 하드웨어를 자주 변경해야 하는 컴포넌트입니다.오버클럭 커뮤니티에서는 이러한 변경을 "전압 모드" 또는 "Vmod"라고 합니다.

언더볼트

저전압이란 컴포넌트(일반적으로 프로세서)의 전압을 낮추고 온도와 냉각 요건을 줄여 팬을 생략하는 것입니다.오버클럭과 마찬가지로 언더볼팅은 이른바 실리콘 로또의 영향을 많이 받습니다.즉, 한쪽 CPU가 다른 쪽 CPU보다 약간 더 좋은 언더볼트를 발생시킬 수 있고, 그 반대도 마찬가지입니다.

파워

정적 CMOS 게이트를 사용하는 칩에 의해 소멸되는 스위칭 전력은 C${\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle {V\mathrm{}}^{}}$ 2${\displaystyle {}^{}f}$f \ $display$ C$\cdot$ V$^{2}\cdot$ f$\}$입니다.여기서 C는 클럭 사이클당 스위칭되는 캐패시턴스, V는 공급 전압, f는 스위칭 ^[1]주파수이므로 소비전력의 이 부분은 전압에 따라 2차적으로 감소합니다.그러나 많은 최신 칩이 100% CMOS를 사용하여 구현되는 것이 아니라 특수 메모리 회로, 도미노 로직 등의 동적 로직 등을 사용하고 있기 때문에 이 공식은 정확하지 않습니다.또, 기능 사이즈가 작아져(90나노미터 미만), 임계 레벨이 낮아짐에 따라, 한층 더 강조되고 있는 정적인 누설 전류도 있습니다.

따라서 동적 전압 스케일링은 휴대전화나 노트북과 같은 배터리 구동 장치의 스위칭 전력 소비를 관리하기 위한 전략의 일부로 널리 사용되고 있습니다.저전압 모드는 CPU나 DSP 등의 컴포넌트와 관련된 소비전력을 최소화하기 위해 낮은 클럭 주파수와 함께 사용됩니다.많은 연산능력이 필요한 경우에만 전압과 주파수가 상승합니다.

일부 주변기기는 저전압 작동 모드도 지원합니다.예를 들어 저전력 MMC 및 SD카드는 3.3V뿐만 아니라 1.8V에서도 동작할 수 있으며 드라이버 스택은 이를 지원하는 카드를 검출한 후 저전압으로 전환하여 전력을 절약할 수 있습니다.

소비전력에 있어서 누설전류가 중요한 요소인 경우에는 칩의 일부를 완전히 끌 수 있도록 설계되어 있는 경우가 많습니다.이것은 소프트웨어에 대해 투과적이지 않기 때문에 일반적으로 동적 전압 스케일링으로 간주되지 않습니다.예를 들어 TI OMAP3 프로세서에서처럼 칩 섹션을 끌 수 있는 경우 드라이버 및 기타 지원 소프트웨어가 이를 지원해야 합니다.

프로그램 실행 속도

디지털 회로가 상태를 전환할 수 있는 속도, 즉 "낮음"(VSS)에서 "높음"(VDD) 또는 그 반대로 전환할 수 있는 속도는 해당 회로의 전압 차이에 비례합니다.전압을 낮춘다는 것은 회로가 더 느리게 전환되어 회로가 작동할 수 있는 최대 주파수가 감소한다는 것을 의미합니다.따라서 프로그램 명령이 실행될 수 있는 속도가 감소하므로 CPU에 충분히 바인딩된 프로그램 세그먼트의 실행 시간이 늘어날 수 있습니다.

이는 동적 전압 스케일링이 적어도 CPU에 대해 동적 주파수 스케일링과 함께 일반적으로 이루어지는 이유를 다시 한 번 강조합니다.고려해야 할 복잡한 트레이드오프가 있습니다.이러한 트레이드오프는 특정 시스템, 시스템에 제시되는 부하 및 전원 관리 목표에 따라 달라집니다.신속한 대응이 필요한 경우 클럭과 전압을 동시에 올릴 수 있습니다(모바일 센서와 컨텍스트 인식 컴퓨팅).그렇지 않으면 배터리 수명을 최대화하기 위해 둘 다 낮게 유지할 수 있습니다.

실장

167 프로세서 AsAP 2 칩을 사용하면 개개의 프로세서가 매우 고속(1~2ns 정도)으로 전원 전압을 로컬로 제어할 수 있습니다.프로세서는 로컬 전원 그리드를 높은 전원 전압(VdHi) 또는 낮은 전원 전압(VddLow)에 접속하거나 어느 그리드에서도 완전히 차단하여 누출 전력을 극적으로 차단할 수 있습니다.

또 다른 접근법은 동적 전압 및 주파수 스케일링(DVFS)^[2]을 위해 코어별 온칩 스위칭 레귤레이터를 사용합니다.

운영체제 API

Unix 시스템은 사용자 공간 거버너를 제공하여 CPU 주파수를 변경할 수 있습니다(하드웨어 기능에 한정되어 있습니다).

시스템 안정성

동적 주파수 스케일링은 동적 전압 스케일링과 동일한 원리로 작동하는 또 다른 절전 기술입니다.동적 전압 스케일링과 동적 주파수 스케일링을 모두 사용하여 컴퓨터 시스템의 과열을 방지할 수 있습니다.이것에 의해, 프로그램이나 operating system의 크래시가 발생하거나 하드웨어가 파손되는 일이 있습니다.CPU에 공급되는 전압을 제조원이 권장하는 최소 설정 이하로 낮추면 시스템이 불안정해질 수 있습니다.

온도

전압 레귤레이터 등 일부 전기 컴포넌트의 효율은 온도가 증가함에 따라 저하되므로 온도 상승으로 인해 사용되는 전력이 증가할 수 있습니다.전압 또는 주파수가 증가하면 CMOS 공식보다 더 빨리 시스템의 전력 수요가 증가할 수 있으며, ^[3][4]그 반대도 마찬가지입니다.

주의사항

과전압의 주요 경고는 증가된 열입니다. 즉, 회로에서 방산되는 전력은 인가되는 전압의 제곱에 따라 증가하므로 작은 전압도 전력에 크게 영향을 미칩니다.고온에서는 트랜지스터 성능에 악영향을 미치고, 일부 임계값에서는 열에 의한 성능 저하가 전압 상승에 의한 전위 이득을 초과합니다.고전압 사용 시 과열 및 회로 손상이 매우 빠르게 발생할 수 있습니다.

또한 장기적으로는 열간 반송파 주입 및 전자조절과 같은 다양한 역효과 장치 수준의 영향이 더 높은 전압에서 더 빠르게 발생하여 과전압 구성 요소의 수명을 단축하는 문제가 있다.

「 」를 참조해 주세요.

• 동적 전압 및 주파수 스케일링(DVFS)
• 동적 주파수 스케일링
• 전원 게이트
• 전력 지연 제품(PDP)
• 에너지 지연 제품(EDP)
• Switched Mode Power Supply Application(SMPS; 스위치 모드 전원 장치) 애플리케이션
• 스위칭 에너지
• 파워 램프
• 과전압
• 저전압

레퍼런스

추가 정보

• Gaudet, Vincent C. (2014-04-01) [2013-09-25]. "Chapter 4.1. Low-Power Design Techniques for State-of-the-Art CMOS Technologies". In Steinbach, Bernd (ed.). Recent Progress in the Boolean Domain (1 ed.). Newcastle upon Tyne, UK: Cambridge Scholars Publishing. pp. 187–212. ISBN 978-1-4438-5638-6. Retrieved 2019-08-04. [1] (455페이지)