Voltaje del núcleo de la CPU

El voltaje del núcleo de la CPU (V_CORE) es el voltaje de la fuente de alimentación suministrada a los núcleos de procesamiento de CPU (que es un circuito digital), GPU o cualquier otro dispositivo con un núcleo de procesamiento. La cantidad de energía que utiliza una CPU y, por tanto, la cantidad de calor que disipa, es el producto de este voltaje y la corriente que consume. En las CPU modernas, que son circuitos CMOS, la corriente es casi proporcional a la velocidad del reloj, y la CPU casi no consume corriente entre ciclos de reloj. (Ver, sin embargo, fuga por debajo del umbral).

Ahorro de energía y velocidad del reloj

Para conservar energía y administrar el calor, muchos procesadores de computadoras portátiles y de escritorio tienen una función de administración de energía que el software (generalmente el sistema operativo) puede usar para ajustar dinámicamente la velocidad del reloj y el voltaje del núcleo.

A menudo, un módulo regulador de voltaje convierte de 5 V o 12 V o algún otro voltaje a cualquier voltaje del núcleo de la CPU que requiera la CPU.

La tendencia es hacia voltajes centrales más bajos, que conservan energía. Esto presenta un desafío para el diseñador de CMOS, porque en CMOS los voltajes van solo a tierra y el voltaje de suministro, los terminales de fuente, compuerta y drenaje de los FET tienen solo el voltaje de suministro o voltaje cero a través de ellos.

La fórmula MOSFET: ID=k()()VGS− − Vtn)VDS− − ()VDS/2)2){displaystyle ,I_{D}=k(V_{GS}-V_{tn})V_{DS}-(V_{DS}/2)^{2} dice que la corriente ID{displaystyle I_{D} suministrado por el FET es proporcional al voltaje de fuente de puerta reducido por un voltaje umbral Vtn{displaystyle V_{tn}, que depende de la forma geométrica del canal y la puerta del FET y sus propiedades físicas, especialmente la capacitancia. Para reducir Vtn{displaystyle V_{tn} (necesario para reducir el voltaje de suministro y aumentar la corriente) uno debe aumentar la capacitancia. Sin embargo, la carga que está siendo impulsada es otra puerta FET, por lo que la corriente que requiere es proporcional a la capacitancia, lo que requiere que el diseñador mantenga la capacitancia baja.

La tendencia hacia la baja tensión de suministro por lo tanto funciona contra el objetivo de alta velocidad del reloj. Sólo las mejoras en la fotolitografía y la reducción del voltaje del umbral permiten mejorar a la vez. En otra nota, la fórmula mostrada anteriormente es para MOSFETs de canal largo. Con el área de los MOSFETs arrastrándose cada 18-24 meses (la ley de Moore) la distancia entre los dos terminales del interruptor MOSFET llamada la longitud del canal se está volviendo más pequeña y más pequeña. Esto cambia la naturaleza de la relación entre voltajes terminales y corriente.

El overclocking de un procesador aumenta su velocidad de reloj a costa de la estabilidad del sistema. Soportar velocidades de reloj más altas a menudo requiere un voltaje central más alto a costa del consumo de energía y la disipación de calor. Esto se llama "sobretensión". El sobrevoltaje generalmente implica ejecutar un procesador fuera de sus especificaciones, lo que puede dañarlo o acortar la vida útil de la CPU.

CPU de doble voltaje

Una CPU de voltaje dual utiliza un diseño de riel dividido para que el núcleo del procesador pueda usar un voltaje más bajo, mientras que la entrada/salida externa (E/ O) los voltajes permanecen en 3,3 voltios para compatibilidad con versiones anteriores.

Una CPU de voltaje único utiliza un voltaje de alimentación único en todo el chip, suministrando tanto energía de E/S como energía interna. Todas las CPU anteriores al Pentium MMX son CPU de voltaje único.

Doble tensión Las CPU fueron introducidas para el aumento de rendimiento cuando el aumento de velocidades de reloj y procesos de fabricación semiconductores más finos causaron exceso de generación de calor y problemas de suministro de energía, especialmente en relación con las computadoras portátiles. Utilizando un regulador de voltaje, los niveles de voltaje I/O externos se transformaron en voltajes inferiores para reducir el cajón de potencia, lo que dio lugar a menos calor para la capacidad de operar en frecuencias más altas.

VRT es una característica en los procesadores Intel P5 Pentium más antiguos que se suelen utilizar en un entorno móvil. Se refiere a dividir el suministro de voltaje del núcleo del voltaje I/O. Un procesador VRT tiene un voltaje de 3,3 V I/O y 2,9 V, para ahorrar energía en comparación con un procesador típico de Pentium con I/O y voltaje de núcleo a 3.3V. Todos los procesadores Pentium MMX y posteriores adoptaron esta llamada fuente de alimentación de raíl dividida.

CPU multivoltaje

Además del voltaje del núcleo de la CPU, las CPU modernas suelen tener muchos voltajes diferentes para los componentes. Una de las razones detrás de esto fue que las CPU modernas integran numerosos componentes que alguna vez fueron circuitos integrados (CI) separados. A medida que la tecnología de semiconductores ha avanzado, funciones como núcleos de CPU, controladores de memoria, controladores PCIe y, en algunos casos, gráficos integrados, se han consolidado en un único paquete de CPU. Sin embargo, a pesar de la reducción general del tamaño del transistor, no todos los requisitos de voltaje se reducen proporcionalmente. Algunos componentes dentro de la CPU aún pueden requerir voltajes más altos para funcionar de manera eficiente, lo que requiere el uso de múltiples niveles de voltaje para alimentar varios componentes de manera efectiva.

Algunos ejemplos de diferentes voltajes en una CPU moderna:

• Voltaje básico (Vcore): El voltaje primario suministrado directamente a los núcleos de CPU
• Cache Voltage (Vcache): Algunas CPU tienen dominios de tensión separados para el caché L2.
• Uncore Voltaje/System Agent Voltage (VCCSA): En algunas arquitecturas, el "uncore" incluye componentes como el caché L3, controlador de memoria y agente del sistema y otros componentes interconectados
• Input/Output Voltage (VCCIO): Este voltaje normalmente controla las interfaces de entrada y salida de la CPU, incluyendo controladores de memoria e interfaces PCIe
• PLL (Phase-Locked Loop) Voltajes: Los PLL generan las frecuencias utilizadas por los componentes de la CPU
• Voltaje Gráficos Integrados (VGT): Las CPU con gráficos integrados pueden tener un dominio de tensión separado para la porción GPU