Voltaje del núcleo de la CPU

El voltaje del núcleo de la CPU ( V _CORE ) es el voltaje de alimentación suministrado a los núcleos de procesamiento de la CPU (que es un circuito digital ), la GPU o cualquier otro dispositivo con un núcleo de procesamiento. La cantidad de energía que consume una CPU, y por lo 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 de reloj , y la CPU prácticamente no consume corriente entre ciclos de reloj. (Véase, sin embargo, la fuga subumbral ).

Para ahorrar energía y controlar el calor, muchos procesadores de portátiles y ordenadores de sobremesa disponen de una función de gestión de energía que el software (normalmente el sistema operativo ) puede utilizar para ajustar dinámicamente la velocidad del reloj y el voltaje del núcleo .

Con frecuencia, un módulo regulador de voltaje convierte la energía de entrada de la fuente de alimentación , como por ejemplo una de 12 V , en los voltajes que requiere el procesador.

La tendencia apunta hacia voltajes de núcleo más bajos, lo que permite ahorrar energía. Esto supone un reto para el diseñador de CMOS, ya que en CMOS los voltajes se aplican únicamente a tierra y a la tensión de alimentación; los terminales de fuente, puerta y drenador de los FET solo tienen la tensión de alimentación o un voltaje cero entre ellos.

La fórmula del MOSFET :${\displaystyle \,I_{D}=k((V_{GS}-V_{tn})V_{DS}-(V_{DS}/2)^{2})}$dice que el actual${\displaystyle I_{D}}$La tensión suministrada por el FET es proporcional a la tensión puerta-fuente reducida por una tensión umbral.${\displaystyle V_{tn}}$, que depende de la forma geométrica del canal y la puerta del FET y de sus propiedades físicas, especialmente la capacitancia . Para reducir${\displaystyle V_{tn}}$(Para reducir la tensión de alimentación y aumentar la corriente, es necesario aumentar la capacitancia). Sin embargo, la carga que se controla es otra puerta FET, por lo que la corriente que requiere es proporcional a la capacitancia, lo que obliga al diseñador a mantener la capacitancia baja.

La tendencia hacia una menor tensión de alimentación, por lo tanto, va en contra del objetivo de una alta velocidad de reloj. Solo las mejoras en la fotolitografía y la reducción de la tensión umbral permiten que ambas mejoren simultáneamente. Por otro lado, la fórmula mostrada anteriormente es para MOSFETs de canal largo. Dado que el área de los MOSFETs se reduce a la mitad cada 18-24 meses ( ley de Moore ), la distancia entre los dos terminales del interruptor MOSFET, denominada longitud del canal, se va reduciendo progresivamente. Esto modifica la naturaleza de la relación entre las tensiones de los terminales y la corriente.

El overclocking de un procesador aumenta su velocidad de reloj a costa de la estabilidad del sistema. Para soportar velocidades de reloj más altas, a menudo se requiere un voltaje de núcleo mayor, lo que incrementa el consumo de energía y la disipación de calor. Esto se denomina "sobrevoltaje" . ^{[ 1 ]} El sobrevoltaje generalmente implica hacer funcionar un procesador fuera de sus especificaciones, lo que puede dañarlo o acortar su vida útil.

Una CPU de doble voltaje utiliza un diseño de riel dividido para que el núcleo del procesador pueda usar un voltaje más bajo, mientras que los voltajes de entrada/salida ( E/S ) externos permanecen a voltajes más altos para garantizar la compatibilidad con versiones anteriores.

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

Las CPU de doble voltaje se introdujeron para mejorar el rendimiento cuando el aumento de la velocidad de reloj y los procesos de fabricación de semiconductores más sofisticados generaban un exceso de calor y problemas con la fuente de alimentación, especialmente en el caso de las computadoras portátiles . Mediante un regulador de voltaje , los niveles de voltaje de E/S externas se transformaron a voltajes más bajos para reducir el consumo de energía, lo que resultó en una menor generación de calor y la capacidad de operar a frecuencias más altas.

VRT es una característica de los procesadores Intel P5 Pentium más antiguos , diseñados generalmente para su uso en entornos móviles. Consiste en separar la tensión de alimentación del núcleo de la tensión de E/S. Un procesador VRT tiene una tensión de E/S de 3,3 V y una tensión de núcleo de 2,9 V, para ahorrar energía en comparación con un procesador Pentium típico, cuya tensión de E/S y de núcleo es de 3,3 V. Todos los procesadores Pentium MMX y posteriores adoptaron esta fuente de alimentación de doble raíl.

Además del voltaje del núcleo de la CPU, las CPU modernas suelen tener diferentes voltajes para sus componentes. Esto se debe, en parte, a que integran numerosos componentes que antes eran circuitos integrados (CI) independientes. Gracias al avance de la tecnología de semiconductores, funciones como los núcleos de la CPU, los controladores de memoria, los controladores PCIe y, en algunos casos, los gráficos integrados, se han consolidado en un único paquete de CPU. Sin embargo, a pesar de la reducción general del tamaño de los transistores, no todos los requisitos de voltaje disminuyen proporcionalmente. Algunos componentes de la CPU pueden requerir voltajes más altos para funcionar de manera eficiente, lo que obliga a utilizar múltiples niveles de voltaje para alimentarlos eficazmente.

Algunos ejemplos de diferentes voltajes en una CPU moderna:

• Voltaje del núcleo (Vcore): El voltaje principal suministrado directamente a los núcleos de la CPU.
• Voltaje de caché (Vcache): Algunas CPU tienen dominios de voltaje separados para la caché L2.
• Voltaje Uncore /Voltaje del Agente del Sistema (VCCSA): En algunas arquitecturas, el "uncore" incluye componentes como la caché L3, el controlador de memoria y el agente del sistema, así como otros componentes interconectados.
• Voltaje de entrada/salida (VCCIO): Este voltaje normalmente controla las interfaces de entrada/salida de la CPU, incluidos los controladores de memoria y las interfaces PCIe.
• Voltajes PLL (bucle de enganche de fase): Los PLL generan las frecuencias utilizadas por los componentes de la CPU.
• Voltaje de gráficos integrados (VGT): Las CPU con gráficos integrados pueden tener un dominio de voltaje separado para la parte de la GPU.

• Escalado dinámico de voltaje
• Aplicaciones de fuentes de alimentación conmutadas (SMPS)

• Artículo de Hardwareanalysis.com sobre cómo aumentar el voltaje para facilitar el overclocking. Archivado el 19 de septiembre de 2012 en Wayback Machine.
• Una guía ilustrada de los procesadores Pentium (Guía Karbos) Archivada el 2 de octubre de 2017 en la Wayback Machine.
• Voltaje del procesador >> Mecánico de PC