Escalado dinámico de voltaje

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 se 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 ahorrar 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 excepcionales, para aumentar la confiabilidad. El sobrevoltaje se realiza para admitir frecuencias más altas para un mejor rendimiento .

El término "sobrevoltaje" también se utiliza para referirse al aumento del voltaje de funcionamiento estático de los componentes de la computadora para permitir un 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 alterna entre un voltaje alto y uno bajo durante el funcionamiento normal ; cuando las entradas de una puerta lógica cambian de estado, los transistores que la componen pueden conmutar la salida de la puerta.

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

Los voltajes de alimentación más altos dan como resultado una velocidad de cambio (tasa de variación del voltaje por unidad de tiempo) mayor durante la carga y descarga, lo que permite una transición más rápida a través del voltaje umbral del MOSFET. Además, cuanto más supera el voltaje de puerta el voltaje umbral, menor es la resistencia del canal conductor del transistor. Esto resulta en una constante de tiempo RC menor , lo que permite una carga y descarga más rápidas de la capacitancia de la etapa lógica subsiguiente. La transición más rápida que proporcionan los voltajes de alimentación más altos permite operar a frecuencias más elevadas.

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

Sin embargo, algunos componentes no permiten el control por software de los voltajes de alimentación, por lo que los entusiastas del overclocking que buscan aumentar el voltaje del componente para lograr un overclocking extremo necesitan modificar el hardware. Las tarjetas gráficas y los puentes norte de las placas base son componentes que frecuentemente requieren modificaciones de hardware para cambiar los voltajes de alimentación. 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, generalmente el procesador, disminuyendo así la temperatura y las necesidades de refrigeración, e incluso permitiendo prescindir de un ventilador. Al igual que el overclocking, el undervolting está muy sujeto a la llamada "lotería del silicio": una CPU puede soportar un undervolting ligeramente mejor que otra, y viceversa.

La potencia de conmutación disipada por un chip que utiliza puertas CMOS estáticas es${\displaystyle \alpha \cdot C\cdot V^{2}\cdot f}$, dónde${\displaystyle C}$es la capacitancia que se conmuta por ciclo de reloj,${\displaystyle V}$es la tensión de alimentación ,${\displaystyle f}$es la frecuencia de conmutación, ^{[ 1 ]} y${\displaystyle \alpha }$es el factor de actividad. Dado que${\displaystyle V}$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 CMOS al 100%, sino que también utilizan circuitos de memoria especiales, lógica dinámica como la lógica dominó , etc. Además, existe una corriente de fuga estática , que se ha acentuado cada vez más a medida que los tamaños de las características se han reducido (por debajo de 90 nanómetros) y los niveles de umbral han disminuido.

Por consiguiente, el escalado 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 móviles y ordenadores portátiles. Los modos de bajo voltaje se utilizan junto con frecuencias de reloj reducidas para minimizar el consumo de energía asociado a componentes como las CPU y los DSP; solo cuando se requiere una potencia de cálculo significativa se aumentan el voltaje y la frecuencia.

Algunos periféricos también admiten modos de funcionamiento 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 los controladores pueden ahorrar energía cambiando al voltaje más bajo tras detectar una tarjeta compatible.

Cuando la corriente de fuga es un factor importante en el consumo de energía, los chips suelen diseñarse de forma que algunas secciones puedan apagarse por completo. Esto no se suele considerar un escalado dinámico de voltaje, ya que 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 demás software de soporte deben ser compatibles con esta función.

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 a la diferencia de voltaje en dicho circuito. Reducir el voltaje implica que los circuitos cambian de estado más lentamente, lo que reduce la frecuencia máxima a la que pueden 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 de programa que dependen en gran medida de la CPU.

Esto subraya una vez más por qué el escalado dinámico de voltaje se suele realizar junto con el escalado dinámico de frecuencia, al menos en las CPU. Hay que considerar complejas compensaciones que dependen del sistema en particular, la carga a la que está sometido y los objetivos de gestión de energía. Cuando se necesitan respuestas rápidas (por ejemplo, en sensores móviles y computación sensible al contexto ), las frecuencias y los voltajes pueden aumentarse simultáneamente. De lo contrario, ambos pueden mantenerse bajos para maximizar la duración de la batería.

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

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 gobernador de espacio de usuario que permite modificar las frecuencias de la CPU (aunque está limitado por las capacidades del hardware).

El escalado dinámico de frecuencia es otra técnica de ahorro de energía que funciona con los mismos principios que el escalado dinámico de voltaje. Tanto el escalado dinámico de voltaje como el de frecuencia se pueden usar para evitar el sobrecalentamiento del sistema informático, que puede provocar fallos en los programas o el sistema operativo , e incluso daños en el hardware. Reducir el voltaje suministrado a la CPU por debajo del 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, provocando un desbordamiento térmico . Los aumentos de voltaje o frecuencia pueden incrementar las demandas de potencia del sistema incluso más rápido de lo que indica la fórmula CMOS, y viceversa. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

La principal desventaja de sobrevoltaje es el aumento de calor: la potencia disipada por un circuito aumenta con el cuadrado del voltaje aplicado, por lo que incluso pequeños incrementos de voltaje afectan significativamente la potencia. A temperaturas elevadas, el rendimiento de los transistores se ve afectado negativamente y, a partir de cierto umbral, la reducción del rendimiento debida al calor supera las posibles ventajas derivadas del aumento de voltaje. El sobrecalentamiento y los daños en los circuitos pueden producirse muy rápidamente al utilizar altos voltajes.

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

Para mitigar el aumento de calor provocado por el sobrevoltaje, se recomienda utilizar refrigeración líquida para alcanzar límites y umbrales más altos que los que se obtendrían normalmente con un disipador de terceros. También conocidos como sistemas de refrigeración «todo en uno» (AIO), ofrecen un método mucho más eficaz de refrigeración de la unidad al reubicar el calor fuera de la carcasa del ordenador mediante los ventiladores del radiador, mientras que la refrigeración por aire solo dispersa el calor de la unidad afectada, aumentando así la temperatura ambiente general. ^{[ 5 ]}

• Escalado de voltaje adaptativo (AVS)
• Escalado dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS)
• Escalado de frecuencia dinámico
• Desconexión de energía
• Producto potencia-retardo (PDP)
• Producto energía-retardo (EDP)
• Aplicaciones de fuentes de alimentación conmutadas (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.). Avances recientes en el dominio booleano (1.ª  ed.). Newcastle upon Tyne, Reino Unido: Cambridge Scholars Publishing . págs. 187–212 . ISBN  978-1-4438-5638-6. Consultado el 4 de agosto de 2019 .(xxx+428 páginas)