для чего cpu кабель
Для чего нужны кабели CPU1-P4 и CPU2-P8 идущие от блока питания?
Собираю первый ПК. Материнская плата Gigabyte Z490 AORUS ELITE AC. Процессор Intel Core i7 10700.
На втором фото я подключил питание к материнской плате, но нашел какие-то кабели и порты с которыми не могу разобраться. Подскажите пожалуйста как правильно сделать.
Вопрос 1 (Фото 1). От блока питания идет два кабеля CPU1-P4 и CPU2-P8. Куда и вставлять и нужны ли они вообще?
Вопрос 2 (Фото 3). Так же есть разъемы на самой материнской плате: ATX_12v_2x2 и ATX_12v_2x4. Для чего они нужны? Мне казалось туда нужно вставлять кабели CPU1-P4 и CPU2-P8?
Вопрос 1 (Фото 1). От блока питания идет два кабеля CPU1-P4 и CPU2-P8. Куда и вставлять и нужны ли они вообще?
Это две части 8 pin разъема на фото 3. Они соединяются вместе и вставляются в МП
Вопрос 2 (Фото 3). Так же есть разъемы на самой материнской плате: ATX_12v_2x2 и ATX_12v_2x4. Для чего они нужны? Мне казалось туда нужно вставлять кабели CPU1-P4 и CPU2-P8?
Кабель на фото 1 соединяется вместе и вставляется в 8pin разъем на фото 3. Блок питания может иметь еще один 8 pin кабель, как на фото 1. Половинка от такого кабеля вставляется в разъем слева от 8 pin.
Не совсем понимаю кое-что.
Не подходят сами разъемы (квадратные и со срезами). В инструкции одни формы, а от блока питания другие. Что это значит? Нужен другой блок? Или можно со срезами вставлять в квадратные?
Правильно понимаю что нужно объединить CPU1-P4 и CPU2-P8 вместе и вставить в блок что справа, а не один из них в блок с 4 разъемами, а другой где 8? Вообще не понимаю. Мне начинает казать что не подходит блок питания.
Распиновка разъемов блока питания: какая линия за что отвечает
Содержание
Содержание
Подключение проводов блока питания при сборке ПК — одна из самых серьезных задач, с которой сталкиваются начинающие пользователи. Все слышали фразу «с электричеством шутки плохи», и нужно понимать, что в случае неправильного подключения проводов можно запросто повредить дорогие комплектующие. Чтобы этого не случилось, нужно знать распиновку разъемов БП, максимальную нагрузку на каждый разъем и положение ключей, которые не дают подключить провода неправильно. В этой статье вы найдете всю информацию на эту тему.
Стандарты блоков питания для ПК и их разъемов развиваются уже почти 40 лет — со времен выхода первых компьютеров IBM PC. За это время сменилось несколько стандартов AT и ATX. Казалось бы, все возможные разъемы уже придуманы и ничего нового не требуется, но осенью этого года ожидается выход видеокарт Nvidia GeForce RTX 3000-й серии, который принесет с собой новый, 12-контактный разъем питания. Производители уже стали добавлять в комплекты проводов новых БП коннектор 12-Pin Micro-Fit 3.0. Будет неудивительно, если этот разъем питания дополнит новые стандарты ATX.
Перед тем, как перейти к описанию и распиновке всех разъемов в современном БП, хотелось бы напомнить, что основные напряжения, которые нам встретятся, это +3.3 В, +5 В и +12 В. Сейчас основное напряжение, которое требуется и процессору, и видеокарте — это +12 В. В свою очередь, +5 В нужно накопителям, а +3.3 В используется все реже.
И если взглянуть на табличку, которая есть на боку каждого БП, мы увидим выдаваемые им напряжения, токи и мощность по каждому из каналов.
Разъем Molex
Начнем с самого древнего разъема, который почти без изменений дошел до наших времен, появившись у первых «персоналок». Это всем известный 4-контактный разъем, называемый Molex.
Сегодня сфера применения этого разъема сузилась до питания корпусных вентиляторов, передних панелей корпусов ПК, разветвителей и переходников питания видеокарт и накопителей. Например, переходников питания видеокарты «Molex — PCI-E 6 pin». Несмотря на то, что разъем выдает до 11 А на контакт, а значит, может дать видеокарте, в теории, 132 ватта мощности, использовать его стоит крайне осторожно.
Надо учитывать, что толщина проводов может не соответствовать такой мощности, а сами контакты могут быть разболтанными, с неплотной посадкой. В результате это чревато нагревом проводов, контактов и расплавлению изоляции.
Если вам обязательно требуется такой переходник, выбирайте модель с двумя разъемами Molex.
Обязательно проверяйте качество контактов переходника и вставляйте его надежно, до упора. Для защиты от неправильного подключения в разъеме предусмотрены два скоса.
Внимание! Несмотря на то, что скосы не дают воткнуть разъем другой стороной, при определенном усилии и разболтанных гнездах есть вероятность воткнуть разъем, развернутый на 180 градусов, что приведет к выходу из строя оборудования.
24-контактный разъем питания материнской платы
Этот разъем появился в спецификациях ATX12V 2.0 в 2004 году и заменил устаревший 20-контактный разъем. Он может обеспечить довольно серьезные мощности для питания процессора, видеокарты и материнской платы: по линии +3.3 В — 145.2 Вт, по линии +5 В — 275 Вт и 264 Вт по линии +12 В (при использовании контактов Molex Plus HCS).
Примечание. Контакты Molex сертифицированы на ток 6 А. Molex HCS — до 9 А. А Molex Plus HCS — до 11 А.
Разъемы питания процессора
Энергопотребление процессоров неуклонно росло последние 20 лет, что потребовало дополнительных разъемов питания для них. И в спецификациях ATX12V был введен дополнительный 4-контактный разъем питания процессора +12 В.
8-контактный разъем питания процессора
Несмотря на то, что 4-контактный разъем питания процессора рассчитан на максимальную мощность до 288 Вт (при использовании контактов Plus HCS), в спецификации EPS12V версии 1.6, появившейся в 2000 году, был представлен 8-контактный разъем питания процессора. Первоначально этот разъем использовался в серверах с серьезными нагрузками на систему питания, но впоследствии перекочевал и в обычные ПК.
Сегодня даже на бюджетных материнских платах мы встречаем именно этот разъем, который теоретически может подать на питание процессора мощность до 576 Вт.
4-контактный и 8-контактный разъемы совместимы между собой. Если на вашем БП есть только 4-контактный кабель питания, он подойдет в 8-контактный разъем на материнской плате. А 8-контактный кабель, соответственно, подойдет в 4-контактный разъем.
Значения передаваемой мощности выглядят просто фантастически, но вы должны понимать, что это теоретическая мощность. На практике производители топовых материнских плат, ориентированных на разгон, ставят два 8-контактных разъема питания процессора.
Например, на MSI MEG Z490 ACE. Увеличение контактов разъема и сечения проводов приводит к снижению их нагрева и, как следствие, к безопасной работе.
Внимание! При подключении 8-контактных разъемов питания процессора и видеокарты нужно учитывать, что несмотря на то, что они не совпадают по скосам контактов, их вилки очень похожи. При определенном усилии можно воткнуть вилку питания процессора в разъем на видеокарте и наоборот. Это приведет к замыканию и выходу оборудования из строя.
Разъем питания 3.5″ дисководов
Еще один разъем, уже практически не встречающийся на новых БП. Ранее использовался для питания дисководов 3.5″ и некоторых карт расширения.
Разъем питания SATA
Стандартный разъем для питания HDD, DVD и 2.5″ SSD-приводов. Надежный и удобный разъем, воткнуть который другой стороной не получится из-за расположения специальных выступов. Ток, потребляемый HDD и SSD, довольно небольшой и беспокоиться о нагреве таких разъемов не стоит.
Разъемы дополнительного питания видеокарт
В начале нулевых годов резко выросло энергопотребление видеокарт, что потребовало для них специальных разъемов питания, принятых в спецификациях ATX12V 2.x.
Спецификация PCI Express x16 Graphics 150W-ATX Specification 1.0 была принята рабочей группой PCI-SIG в 2004 году. Она представила 6-контактный разъем, который может давать видеокарте 75 Вт мощности. И еще 75 Вт берутся со слота PCI-E x16. Получившиеся в сумме 150 ватт достаточны для питания видеокарт среднего уровня, например, GeForce GTX 1650 SUPER.
Но этих возможностей питания быстро стало недостаточно и вскоре была принята спецификация PCI Express 2.0, которая дала уже 8-контактный разъем питания для видеокарт. 8-контактный разъем питания позволял передать 150 Вт мощности и вместе с 75 Вт, идущими со слота PCI-E x16, получалось 225 Вт, которых стало достаточно уже для производительных видеокарт.
Производители видеокарт обычно стараются разгрузить питание по слоту PCI-E x16 и обеспечить запас питания для разгона, поэтому видеокарты с потреблением 120 ватт и выше, например, GeForce GTX 1660 SUPER, все чаще оснащаются восьмипиновым разъемом питания.
Конструкция разъемов позволяет подключение 6-контактного кабеля питания в 8-контактный разъем. Но, скорее всего, потребуется специальный переходник, ведь в этом случае видеокарта по сигнальным контактам распознает, какой кабель подключен в разъем питания.
8-контактный разъем обычно делается разборным, что позволяет подключить его в 6-контактную колодку.
Вставить неправильно разъемы этого типа не получится: скосы на пинах расположены в строго определенном порядке. Но нужно подключать питание до упора — до защелкивания предохранительного язычка.
Выводы
Как вы могли заметить, все разъемы на современных БП разработаны так, чтобы исключить неправильное подключение. Также они обеспечивают избыточную надежность по нагрузке питания, что достигается увеличением числа контактов.
Но при сборке ПК не помешает помнить распиновки всех разъемов и максимальную силу тока, которую может выдержать разъем. Если пренебречь этими знаниями, можно рано или поздно повредить комплектующие. С подобным в период «крипто-лихорадки» 2017-2018 года столкнулись майнеры, у которых массово горели дешевые переходники питания видеокарт «Molex — PCI-E 6 pin».
Гид по кабелям блоков питания компьютера — разбираемся в проводах
Содержание
Содержание
Еще 10 лет назад выбор блока питания при сборке компьютера осуществлялся по остаточному принципу. Но с увеличением производительности комплектующих увеличились и требования по качественному питанию. Поэтому блок питания занимает важное место при сборке современного ПК. Но в этот раз мы поговорим не о внутренней начинке БП, а о комплектации кабелей.
Набор кабельной инфраструктуры во многом определяет функциональность и универсальность компьютера. Сегодня мы разберемся с тем, как выбирать блоки питания по набору кабелей и их характеристикам. Если перед вами окажется железная коробка с огромным жгутом проводов, то вы сможете с легкостью определить функциональность и качество комплекта кабелей.
Сечение кабелей — чем толще, тем лучше
Для маркировки сечения кабелей используется старое американское обозначение AWG. Значение наносится непосредственно на изоляционную оплетку. Даже если кабели находятся в защитном кожухе, вы можете немного сдвинуть его у основания разъема и прочесть маркировку.
Мы не будем сильно вдаваться в физику. Чем меньше значение AWG, тем более толстый кабель используется в конкретном БП. Остановимся на трех популярных вариантах используемых сечений — 16AWG, 18AWG и 20AWG.
20AWG — имеет ли смысл вообще?
Начнем с самых тонких проводов. При комнатной температуре 25 °C, средней длине кабеля 55 см и при условии, что температура кабеля не должна превышать 50 °C, даже самые тонкие кабели 20AWG выдерживают примерно до 10 А. Но, как обычно, дьявол кроется в деталях. При нагрузке более 100 Вт температура кабеля будет переваливать за 80-100 °C. Вот почему кабель 20AWG следует рассматривать только для разъемов питания PCIe мощностью примерно до 100 Вт.
18AWG — один размер для всех
Далее идет стандарт 18AWG, который позволяет уже более полноценно запитать современные комплектующие. В последние годы наблюдается тенденция к существенному росту не только производительности видеокарт, процессоров и материнских плат, но и росту энергопотребления. Сечение 18AWG позволяет полноценно запитать видеокарту уровня GeForce RTX 2080Ti, используя два разъема PCIe.
16AWG — питание без границ
Но как быть с картами нового поколения? RTX 3080 и 3090 оказываются очень «прожорливыми». Для карты 3090 в некоторых случаях может даже не хватать блока питания в 750 Вт. Здесь же мы наблюдаем существенное увеличение силы тока, необходимой для нормальной работы видеокарт под нагрузкой. Правильным решением является использование кабелей 16AWG, которые обеспечивают существенно меньший нагрев и позволяют без проблем запитать новые монструозные видеокарты.
Кабели для запитки периферии
Для экономии производители используют для периферии менее мощные провода, так как жесткие диски, SSD и кулеры имеют низкое энергопотребление. Для их нормальной работы подойдет кабель 20AWG при условии, что на каждый кабель вы подключите не более 75 Вт.
Но если вы хотите установить в свой ПК много периферии, к примеру, три жестких диска, три SSD-накопителя и пять кулеров, то лучше выбрать 18AWG. Такое сечение позволит запитать любое количество таких устройств на одном кабеле, используя все доступные разъемы SATA или Molex.
Кабели для силовых разъемов
Теперь мы переходим к силовым разъемам, которые используются для электропитания видеокарт, процессора и материнской платы.
Если вам попадется блок с сечением 20AWG на проводах для видеокарты, ЦПУ или материнской платы, то можно смело отказываться от такой покупки. Как правило, сечение силовых разъемов 20AWG имеют блоки питания мощностью до 300 Вт, которые используются для маломощных систем, где нужно запитать только бюджетный процессор и материнскую плату с низким энергопотреблением. Выбор для запитки силовых элементов ПК — это 18AWG и 16AWG.
Что будет, если провода окажутся слишком тонкими
Здесь результат достаточно предсказуемый. Если, например, подключить видеокарту GeForce RTX 2060 к разъему с сечением кабеля 20 AWG, то под нагрузкой провода неминуемо ожидает сильный нагрев и просадка напряжения на линии. Видеокарта требует определенной силы тока для бесперебойной работы.
При нехватке напряжения компьютер под нагрузкой может работать нестабильно. Например, видеокарта GeForce RTX 2070 Super требует порядка 15А для работы под нагрузкой по линии питания 12 В. Допустимый уровень просадки напряжения составляет 5 %. Кабель 20AWG может дать просадку значительно ниже этого значения вплоть до 11,30 или даже хуже, что крайне негативно влияет на стабильность работы компьютера.
Превышение допустимых значений тока на линии на тонком кабеле приводит к нестабильному питанию комплектующих. Кроме того, под нагрузкой есть риск оплавления разъемов подключения и даже их возгорания. Поэтому к выбору кабелей нужно подойти с особой внимательностью.
Виды шлейфов
Наверняка, все помнят, как в старых блоках питания был огромный жгут перекрученных разноцветных проводов. Такие БП можно встретить в магазинах и по сей день, но большинство современных моделей предлагают более эстетичные виды шлейфов:
Сегодня даже в бюджетных моделях иногда можно встретить кабели в кожухе или в плоском исполнении.
Модульная конструкция
Модульная конструкция блока питания стала неким символом премиальности. Пользователь сам может определять, какие кабели использовать при сборке компьютера. На рынке есть модульные БП двух типов:
Модульность позволяет избежать хаоса с проводами в системном блоке. Вы просто отключаете ненужные провода и прячете их в коробку. Минимальное количество проводов улучшает вентиляцию в корпусе, снижая сопротивление воздушным потокам. Это также важно при скрытой укладке кабелей, ведь при избытке проводов часто бывает сложно закрыть боковую крышку корпуса, когда производитель кейса не предусмотрел достаточно места.
Но модульная конструкция удорожает производство блока питания. Наверняка, вы сможете найти модель с похожей начинкой и характеристиками дешевле, если она будет немодульной.
Еще есть риск неправильно подключить какой-то кабель при недостатке опыта. Есть много моделей, в которых нужно прикладывать немало усилий, чтобы пазы разъема максимально плотно защелкнулись в гнезде. Не зная этого, пользователь может плохо подключить разъем, и, как следствие, получить нестабильное питание комплектующих.
Ошибки проектирования шлейфов
Инженеры тоже люди и им свойственно ошибаться. Но как не пострадать от рук нерадивых инженеров? Обращаем внимание на детали. В начале статьи мы разобрались с сечением кабелей. Теперь давайте использовать эти знания.
Два 6+2 pin на одном кабеле
Возвращаемся к сечению. Запитать мощную видеокарту, которая потребляет более 250 Вт с помощью 2×6+2pin на одном кабеле 18AWG — это не очень хорошая идея. Гораздо надежнее запитать видеокарту через два отдельных кабеля 18AWG. Это поможет избежать перегрева и перегрузки по току.
Если вы не хотите видеть два торчащих из видеокарты кабеля с двумя болтающимися разъемами, то можно обойтись и одним проводом, используя блок питания с 16AWG. Здесь будет запас по всем фронтам и можно запитать любую видеокарту одним кабелем, если БП выдает достаточно мощности по линии 12В.
Маленькое расстояние между разъемами
Также производители блоков питания грешат малым расстоянием между разъемами SATA. Иногда значение доходит до абсурдных 7 см, чего явно мало, чтобы подряд подключить несколько дисков, используя все доступные разъемы на кабеле. Это же касается и других разъемов, включая Molex. А вот расстояния в 15 см между разъемами уже достаточно, чтобы эргономично использовать все возможности для подключения периферии.
Недостаточная длина кабелей
Эта проблема случается, когда вы покупаете огромный FullTower-корпус с нижним расположением БП. Пытаясь подключить питание процессора на материнской плате, некоторые пользователи сталкиваются с проблемой короткого кабеля. Длина оного для питания ЦПУ в среднем равна 55 см. Очень обидно, когда не хватает всего пары сантиметров. Поэтому выбирайте БП, также исходя из размеров корпуса.
Важно помнить
Если вы выбираете блок питания на многие годы и хотите его использовать в следующих сборках, то нужно выбирать модель:
Пользователи могут также приобрести кастомные кабели для блоков питания, которые имеют оригинальную оплетку, необходимую длину и сечение. Главное — подобрать продукцию, совместимую с разъемами блока питания.
Питание современных процессоров
Обеспечение питания – одна из наиболее сложных задач при разработке современных процессоров. Сеть доставки питания (power delivery network, PDN) должна отвечать повышенным требованиям современной КМОП-технологии, обеспечивать питание с высокой эффективностью и быстро реагировать на изменения в энергопотреблении.
И эти проблемы встречаются как у смартфонов с потреблением в 1 Вт, так и у серверных процессоров на 200 Вт и массивных ускорителей машинного обучения – к примеру, Cerebras CS-1 на 15 кВт. Для работы с заданной тактовой частотой каждому транзистору и каждой схеме современного чипа требуется питание с правильным напряжением. Если напряжение будет слишком низким, элементы схемы будут переключаться медленно, что приведёт к появлению ошибок, проблемам со стабильностью и другим неожиданным отказам.
Из-за физики кремния КМОП обычно работает на напряжении в 1 В. Однако у современных технологий, использующих транзисторы FinFET и другие техники, номинальные напряжения могут находиться в диапазоне от 0,65 В до 1,2 В. Инновационные схемы могут использовать напряжение питания, близкое к пороговому значению транзисторов (near-threshold voltage, NTV) – эту технологию продемонстрировало исследование от Intel. И хотя процессоры, использующие NTV (к примеру, Ambiq Micro), уже появились в продаже, эта технология всё ещё довольно нова. Энергопотребление коммутационной схемы (такой, как процессор) пропорционально квадрату напряжения, поэтому для увеличения эффективности необходимо уменьшать напряжение. Для разработчиков чипов это классическая проблема поиска золотой середины: напряжение должно быть достаточно высоким для того, чтобы избежать ошибок, но не выше.
Однако работа под низким напряжением – это сложная задача в плане обеспечения питания, поскольку в этом случае к процессору нужно подводить большой ток. Возьмём современный серверный процессор – Intel Cascade Lake Xeon 14 нм. TDP у самых мощных процессоров этой модели достигают 205 Вт, что теоретически даёт нам ток в 205 А при напряжении в 1 В. На самом деле, конечно, процессоры устроены гораздо сложнее, и используют различные напряжения и схемы питания, однако такой простой пример будет полезен для понимания ситуации. Если энергопотребление процессора останется на том же уровне, а напряжение понизится до 0,75 В, это увеличит нужный ток до 274 А. И хотя передовые серверные процессоры от Intel довольно прожорливы, они не идут в сравнение с некоторыми ускорителями вычислений. К примеру Nvidia Volta V100 потребляет 450 Вт, некоторые будущие их процессоры будут есть уже по 600 Вт, и, как было упомянуто ранее, Cerebras CS-1 потребляет невероятные 15 кВт.
Обычно гораздо эффективнее получается передавать энергию при высоком напряжении и низком токе. Чем выше напряжение, тем меньше ток и тем меньше требуется проводов, что уменьшает стоимость системы. Кроме того, потери на сопротивление пропорциональны квадрату тока, поэтому увеличение напряжения и уменьшение тока понижает потери на сопротивление и увеличивает эффективность энергетической системы. Поэтому обычно линии электропередач работают с напряжением выше 110 кВ – и те же самые базовые принципы применимы и для сервера или дата-центра. Хотя некоторые сервера используют традиционные 12 В, некоторые из новых перешли на 48 В для эффективности – в особенности ускорители, потребляющие более 350 Вт.
Если свести всё это вместе, то теоретической целью обеспечения питания будет передача энергии по системе с максимально возможным напряжением, а потом преобразование в очень низкое и стабильное напряжение, для эффективных и стабильных вычислений.
Анатомия сети передачи питания
Как показано на рис. 1, проблема обеспечения питания затрагивает всю систему, начинаясь с основного источника питания и продолжаясь до электрораспределительной сети в процессоре, доходя в итоге до транзисторов, выполняющих вычисления на кристалле. У настольных компьютеров БП преобразует 110 В или 220 В в 12 В постоянного тока, распространяемого по всей материнской плате, к процессору и другим компонентам. У ноутбуков или смартфонов всё немного не так – типичные литий-ионные батареи выдают постоянное напряжение в 3,7 В, поэтому преобразования переменного напряжения в постоянное не происходит, а понижение напряжения требуется не такое сильное.
Рис. 1: Обеспечение питания в современных системах. Слева — Intel FIVR, справа – традиционный VRM
У стандартных процессоров, например, от AMD, модуль регулятора напряжения (voltage regulation module, VRM) понижает напряжение примерно до 1 В. Обычно VRM располагаются недалеко от процессора, так, чтобы большую часть расстояния проходили сигналы на 12 В. 1 В передаётся на небольшое расстояние по материнской плате, через плату процессора, и внутрь самого процессора по его контактам. В процессоре есть своя электрораспределительная сеть, расходящаяся от контактов и использующая различные промежуточные металлические слои для доставки энергии к транзисторам. VRM работают на довольно низкой частоте в 1 МГц, то есть, могут подстраивать выходящее напряжение только раз в микросекунду.
Многие системы на базе Intel работают по той же схеме, однако используют дополнительный шаг в обеспечении питания. FIVR (fully-integrated voltage regulator – полностью интегрированный модуль регулятора напряжения) интегрирован в сам кристалл процессора и распределяет энергию по десяткам шин питания в его различные блоки (ядра CPU, кэши L2, блоки GPU и т.п.). FIVR используется в большинстве серверных процессоров, начиная с поколения Haswell. Также он используется в клиентских процессорах Haswell и Broadwell, а теперь и в клиентах Ice Lake и Tiger Lake. Отметим, что семейство клиентов Skylake (Coffee Lake, Comet Lake, и т.д.) FIVR не используют. В этих системах VRM на материнской плате преобразуют 12 В (или 48 В) в 1,8 В, и передают энергию от VRM, через всю материнскую плату, плату процессора и его контакты в FIVR. FIVR отвечает за последний шаг в преобразовании энергии, и понижает напряжение с 1,8 В до 1 В, в зависимости от нужд конкретной шины питания.
Одно из преимуществ FIVR состоит в том, что напряжение, поданное с VRM материнской платы на процессор получается в два раза выше, чем у обычных систем. Использование более высокого напряжения уменьшает требуемую силу тока примерно в 2 раза, уменьшает количество контактов питания и повышает эффективность. Минус в том, что преобразование напряжения никогда не бывает на 100% эффективным, и FIVR теряют часть энергии. Взаимоотношение между выигрышем в эффективности и потерей при преобразовании сильно зависит от конкретной ситуации. В целом для процессоров с высоким энергопотреблением система с FIVR обычно выигрывает. Кроме того, FIVR потрясающе быстро работает – её тактовая частота составляет 140 МГц, на два порядка больше, чем у VRM на материнке.
Необходимость быстрой реакции в изменчивых условиях
Скорость FIVR подводит нас к одной из крупнейших проблем обеспечения питания современных процессоров. Концентрация на постоянном питании и температурных характеристик (TDP) преуменьшает значимость проблемы. Современные процессы чрезвычайно динамичны, а их поведение меняется на основе нагрузки. Транзистору при переключении требуется относительно небольшой ток. Однако если множество транзисторов переключаются одновременно, то общее потребление может достичь значительных величин и создать шум на питании чипа. У таких высокоскоростных чипов, как CPU или GPU, количество переключающихся транзисторов может значительно меняться от цикла к циклу. К примеру, когда ядро CPU начинает выполнять команды умножения с накоплением AVX512, энергопотребление становится гораздо больше, чем в случае выполнения целочисленной арифметики. Сходным образом системы динамического изменения напряжения и частоты (DVFS) меняют частоту и напряжение процессора на лету в ответ на изменения загрузки или рабочих условий. Эти внезапные всплески в энергопотреблении могут привести к временным проседаниям напряжения.
Эту проблему могут проиллюстрировать два примера. Большинство дата-центров оптимизируют под эффективность и высокую утилизацию – то есть, 40-60% утилизации CPU, а в пиках и того больше. Если мы вернёмся к TPD 205 Вт у Intel Xeon по спецификации, то этот процессор в моменты максимальной загрузки потребляет ток в 273,75 A по основным шинам питания, и невероятные 413 Вт.
Клиентские процессоры, особенно у ноутбуков и смартфонов, ведут себя совсем не так, и представляют ещё более интересную проблему. Они обычно оптимизированы под очень неровную работу и должны выдавать максимальную мощность на кратких промежутках времени (к примеру, при загрузке веб-страницы), и потреблять очень мало во время простоя (к примеру, ожидая пользовательского ввода). Ноутбук, работающий с 40-60% утилизацией CPU, нереально быстро просаживал бы батарею. Клиентский процессор порядка 90% времени проводит в режиме ожидания. В итоге у клиентских процессоров получается ещё большая разница между TPD, максимальной мощностью и потреблением тока. Последние процессоры Ice Lake серий U и Y имеют TPD в 15 Вт и 9 Вт соответственно. Для увеличения быстродействия вендоры могут устанавливать TPD выше, вплоть до 25 Вт и 12 Вт соответственно. Однако максимальное энергопотребление для CPU и GPU значительно выше – до 70 А и 49 А соответственно, и это не считая питание контроллера памяти и всей периферии ядра.
Основная проблема тут в том, что регуляторы напряжения, будь то VRM на материнской плате или FIVR от Intel, реагируют гораздо медленнее, чем могут появляться кратковременные всплески, вызванные переключениями транзисторов. FIVR у Haswell может повысить напряжение на шине питания от 0 до 0,8 В за 0,32 мкс. Однако для современных процессоров на 3 ГГц это выльется в порядка 1000 тактов. Обычные, менее быстрые VRM могут увеличивать напряжение на 10-23 мВ за мкс, и на аналогичное повышение от 0 до 0,8 у них уйдёт в 100 раз больше времени, или порядка 100 000 тактов. Без очень эффективной схемы эти временные пики могут вызвать проседания напряжения – по смыслу это похоже на то, как в старых домах тускнеет свет лампочек, когда хозяева включают микроволновку или фен. Исключение составляют клиентские процессоры Skylake и процессоры от AMD, использующие регуляторы с небольшим падением напряжения (LDO), которые также работают очень быстро. Однако LDO работают как переменное сопротивление, и умеют только уменьшать напряжение, идущее на шину питания. Поскольку LDO работают через сопротивление, для больших изменений напряжения (более 10%) они становятся неэффективными.
Как уже упоминалось, если процессор работает на частоте 3 ГГц, а напряжение внезапно падает, то транзисторы могут уже не работать корректно – поэтому либо нужно держать постоянное напряжение, либо ронять частоту. На практике же большинство компаний используют комбинацию из разных мер. К примеру, AMD разработала технологию адаптивного изменения частоты, уменьшающую её во время проседаний напряжения.
Плавная подача питания развязывающими конденсаторами
Чтобы устранить несоответствие между почти мгновенными всплесками потребления и задержкой на регуляторах напряжения, современные системы полагаются на развязывающие, или обходные конденсаторы. Эти конденсаторы хранят энергию и могут быстро высвобождать её, чтобы гарантировать постоянное напряжение в моменты, когда регуляторы только начинают реагировать. Вернёмся к рис. 1: системы включают в себя развязывающие конденсаторы на каждом шаге работы сети подачи питания. На МА конденсаторы встречаются во многих местах, но особенно много их вокруг гнезда процессора – см. рис. 2. В платы процессоров также встраивают развязывающие конденсаторы, обычно по краям и снизу. Наконец, на кристаллах процессора тоже располагают конденсаторы; они ближе всего расположены к активным схемам и дают скорейший отклик на временные всплески энергопотребления.
Рис. 2: развязывающие конденсаторы вокруг гнезда процессора
На кристаллах располагаются совершенно разные конденсаторы. Простейший их тип – обычный транзистор, который иногда называют МОП-конденсатором. Такие конденсаторы можно легко вставлять в стандартные ячейки на небольшом расстоянии от важных участков, где ожидается сильный шум переключения. Поскольку они располагаются близко к активным участкам, они легко могут поглощать шум и быстро подавать дополнительный ток.
Кроме того, на чипах, разработанных при помощи различных средств автоматизации, встречаются «пробелы» – участки, оставшиеся пустыми из-за несовершенства инструментов и ограничений по расположению блоков разной формы в непосредственной близости друг от друга. Распространённой практикой является заполнение этих пробелов конденсаторами – по сути, это «бесплатно». И хотя МОП-конденсаторы можно сделать в любом техпроцессе и легко разместить на кристалле, они не являются идеальными конденсаторами. Как и другие транзисторы, они дают утечку, а также их бывает сложно втиснуть в забитые компонентами участки чипа. Ещё один вариант – изменить техпроцесс и создавать более специализированные структуры, такие, как металл-диэлектрик-металл (MIM) конденсаторы, металл-оксид-металл (MOM) конденсаторы, или траншейные конденсаторы [deep trench capacitors].
Рис. 3: MIM- конденсаторы от Intel на 22 нм для eDRAM
Как следует из названия, MIM- конденсаторы формируется из двух параллельных металлических слоёв с high-k диэлектриком между ними. В процессе на 22 нм от Intel используются два разных вида MIM-конденсаторов. Как видно на рис. 3, первый тип MIM-конденсаторов используется для одноразрядных ячеек в eDRAM и формируется в нижних металлических слоях M2-M4. Второй представлен в процессе 22FFL и использует толстые верхние слои в 4 мкм в качестве параллельных металлических слоёв. Intel тут не делает ничего уникального – другие производители тоже используют MIM-конденсаторы. К примеру, AMD использовала MIM-конденсаторы верхнего уровня в процессоре Zen CCX для развязки и уменьшения провалов напряжения. MIM-конденсаторы обычно работают лучше, чем МОП-конденсаторы, однако располагаются они чуть дальше, поскольку нхаодятся в верхних металлических слоях, а необходимость предпринимать дополнительные шаги на производстве немного увеличивает стоимость. MOM-конденсаторы используют сходную идею параллельных металлических линий, только поворачивают их на 90°. Металлические линии формируются горизонтально в двух соседних вертикальных металлических слоях (к примеру, M3 и M4), а межслойный оксид-диэлектрик играет роль изолятора.
Ещё одним вариантом будут траншейные конденсаторы, однако они редко встречаются в производстве, поскольку травление траншей с высоким разрешением значительно повышает стоимость процесса. Их использовали уже несколько поколений технологий изготовления процессоров, начиная с техпроцесса SOI на 32 нм от IBM и далее, с SOI на 14 нм. Траншейные конденсаторы от IBM используются для развязки в больших массивах eDRAM, реализующих кэши L2, L3 и L4 в процессорах POWER и zArch. В качестве примера IBM заявляет, что смогла убрать все конденсаторы с платы процессора z12, сделанного для мейнфрейма по техпроцессу 32 нм, и заменить их траншейными конденсаторами. После этого на IEDM 2019 TSMC рассказала о процессе формирования траншейных конденсаторов на кремниевой вставке. Хитроумный и элегантный подход – хотя такие конденсаторы располагаются уже не так близко к активной логике, как те, что находятся на самом кристалле, поэтому неспособны полностью заменить развязывающие конденсаторы.
Обеспечение системы питанием находит компромисс между быстродействием, эффективностью и стоимостью
При обеспечивании питанием высокоскоростных процессоров приходится обходить несметное количество проблем. В идеале, сеть доставки питания должна работать при высоком напряжении для эффективности передачи энергии, но в итоге выдавать низкое и стабильное напряжение для КМОП-логики, на которой реализован процессор. Преобразование питания, из переменного в постоянный ток, и из высокого в низкое напряжение должно быть максимально эффективным.
В то же время, ток, требуемый для работы процессора, постоянно меняется, реагируя на изменяющиеся условия работы – такие, как смесь инструкций или динамическое изменение напряжения. Для сглаживания этих почти мгновенных изменений и уменьшения шума в современных схемах почти на каждом уровне доставки питания, от материнской платы до кристалла процессора, используются развязывающие конденсаторы. Чем быстрее и отзывчивее сеть, тем меньше развязывающих конденсаторов ей требуется. Если взять сам процессор, то для него доступно несколько вариантов размещения конденсаторов на кристалле. Проще всего использовать обычные транзисторы, поскольку их легко разместить в рамках любого техпроцесса, однако они работают не очень эффективно. Многие производители предлагают конденсаторы улучшенной эффективности, созданные при помощи особых технологий или схем разработки — такие, как MIM-конденсаторы, и более редкие ТК, на кремнии или вставке.
Все эти переменные связаны между собой – техпроцесс, развязывающие конденсаторы, динамическое изменение напряжения и частоты, регуляторы напряжения – и разработчики процессоров обязаны учитывать их все, чтобы получать максимально возможные быстродействие, эффективность по минимальной цене.