เครือข่ายการจ่ายพลังงาน ฮาร์ดแวร์ของคุณกระจายพลังงานอย่างไร

มีตำนานที่ฝังแน่นอยู่ในจิตใจของหลาย ๆ คนว่าการใช้พลังงานของโปรเซสเซอร์เป็นสิ่งที่ผู้ผลิตค้นพบทันทีเมื่อเปลี่ยนจากขั้นตอนการออกแบบไปสู่ขั้นตอนก่อนการผลิต ความจริงแล้วค่อนข้างแตกต่าง ท้ายที่สุดแล้ว โปรเซสเซอร์ไม่มีอะไรมากไปกว่าวงจรไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กมาก เรากำลังพูดถึงวิธีที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านวงจรเป็นสิ่งสำคัญ และเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบโปรเซสเซอร์เริ่มต้นตั้งแต่เริ่มต้น

การใช้พลังงานของโปรเซสเซอร์วัดได้อย่างไร?

เราไม่สามารถทราบได้ว่าโปรเซสเซอร์ใช้พลังงานเท่าใด เนื่องจากปรากฏการณ์ทางกายภาพหลายอย่างสามารถเกิดขึ้นได้ซึ่งผลลัพธ์จะแตกต่างกันไป และจะทราบได้ก็ต่อเมื่อการออกแบบได้รับการผลิตแล้วเท่านั้น ดังนั้นจึงเปลี่ยนจากแนวคิดไปสู่ความเป็นจริง ดังนั้นจึงมีการประมาณค่า ซึ่งช่วยให้วิศวกรได้แนวคิดคร่าวๆ ว่าการใช้พลังงานจะเป็นอย่างไร

สูตรทั่วไปมีดังนี้:

กำลัง (วัตต์) = จำนวนลอจิกเกต * ความจุ * ความถี่สัญญาณนาฬิกา * แรงดันกำลังสอง

แต่นี่ เป็นค่าประมาณที่กว้างมาก ภายในโปรเซสเซอร์เดียวกัน ผู้ออกแบบสามารถใช้ลอจิกเกตประเภทต่างๆ ได้ แม้จะอยู่ในประเภทเดียวกันและมีระดับการบริโภคต่างกัน แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันขึ้นอยู่กับวิธีที่ลอจิกเกตที่แตกต่างกันซึ่งประกอบขึ้นเป็นองค์ประกอบต่างๆ ของโปรเซสเซอร์นั้นเชื่อมต่อกัน นี่คือที่ที่เราเข้าสู่ Power Delivery Network หรือ PDN ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบของโปรเซสเซอร์แต่ละตัวและหมายถึงการกระจายพลังงานระหว่างลอจิกเกตต่างๆ

เครือข่ายการจัดส่งพลังงานคืออะไร?

ในระหว่างการออกแบบโปรเซสเซอร์ ถึงจุดที่จำเป็นต้องจัดระเบียบบล็อกต่างๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นบล็อกและเชื่อมต่อระหว่างกันเพื่อการสื่อสาร แต่แต่ละองค์ประกอบต้องการกระแสไฟในการทำงาน สิ่งที่จะเกิดขึ้นเมื่อมีการสร้างอาคารที่ต้องออกแบบการกระจายของเครือข่ายไฟฟ้า สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นเมื่อมีการออกแบบโปรเซสเซอร์

ใน ซีพียูสิ่งที่กินมากที่สุดคือการเชื่อมต่อระหว่างกัน ในปัจจุบันระหว่างการเชื่อมต่อภายในและภายนอกภายในห้องโดยสาร 3/4 ของการบริโภคภายในที่เหมือนกันหมดไป และเป็นหนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดสำหรับวิศวกรในปัจจุบัน อะไรทำให้ความท้าทายในการสร้างโปรเซสเซอร์ใหม่ที่มีคอร์มากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งไม่เพียงแต่อินเทอร์เฟซการสื่อสารเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการป้อนบล็อกต่างๆ ของโปรเซสเซอร์ด้วย

ไม่สำคัญว่าเราจะอยู่หน้าโปรเซสเซอร์ 1 W ของสมาร์ทโฟน, 45 W ของแล็ปท็อปสำหรับเล่นเกมระดับไฮเอนด์ หรือ 200 W ของโปรเซสเซอร์เซิร์ฟเวอร์ ทั้งหมดได้รับการออกแบบด้วยเครือข่ายการจ่ายพลังงานเฉพาะ ซึ่งหมายความว่าทุกๆ หลายร้อยล้าน แต่พันล้าน ต้องทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่น หากแรงดันไฟฟ้าต่ำเกินไป ข้อมูลอาจแตกต่างกันไปและโปรเซสเซอร์จะไม่เพียงทำงานกับข้อมูลที่ไม่ถูกต้องเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อความเสถียรของโปรเซสเซอร์อีกด้วย

อะไรคือความท้าทายในปัจจุบันเมื่อออกแบบ PDN?

เมื่อเวลาผ่านไป แรงดันไฟฟ้าที่โปรเซสเซอร์และหน่วยความจำทำงานลดลง ในขั้นต้น การออกแบบคอมพิวเตอร์ทั้งเครื่องถูกสร้างขึ้นโดยใช้ชิปที่เชื่อมต่อกันหลายตัวภายใต้อินเทอร์เฟซ TTL ซึ่งเป็นลอจิกทรานซิสเตอร์กับทรานซิสเตอร์ด้วยแรงดันไฟฟ้า 5 V ปัจจุบันด้วยการใช้ทรานซิสเตอร์ FinFet ที่ 7 นาโนเมตร เราเคลื่อนที่ได้ประมาณ 0.5 V และ 1 V. ซึ่งส่งผลให้เกิดความท้าทายสำหรับนักออกแบบระบบ

ในโปรเซสเซอร์ดิจิทัล สัญญาณจะได้รับการปฏิบัติในรูปแบบไบนารี ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าจึงผันผวนระหว่างค่าแรงดันไฟฟ้าสองค่า ค่าหนึ่งทำงานและอีกค่าหนึ่งเมื่อปิดโปรเซสเซอร์ ด้วยเหตุนี้ ค่าต่างๆ จึงถูกแยกออกมากพอที่การขึ้นและลงของค่าเดียวกันจะไม่ทำให้สัญญาณที่ส่งสับสน อย่างไรก็ตาม ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำลงเรื่อยๆ ทำให้เกิดปัญหา นั่นคือการที่จะป้อนโปรเซสเซอร์ที่ทรงพลังที่สุดที่มีกำลังเพียงพอ เราต้องเพิ่มจำนวนแอมป์ที่ป้อนเข้าไป เนื่องจากการใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ใดๆ ก็ตามเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแรงดันไฟฟ้า นักออกแบบส่วนใหญ่จึงทุ่มเทให้กับการรักษาวงจรอิเล็กทรอนิกส์ให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้ภายในข้อกำหนด

กระบวนทัศน์แรงดันไฟฟ้าต่ำและแอมแปร์สูงเป็นสิ่งที่ท้าทายเพราะ ต้องใช้สายเคเบิลมากขึ้นเพื่อรองรับกระแสไฟที่ต้องการมากขึ้น ทำให้ Power Delivery Network ซับซ้อนกว่าที่ควรจะเป็น ไม่เพียงแต่ภายในโปรเซสเซอร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงภายนอกด้วย ที่องค์กรของ VRMs บน เมนบอร์ด หรือการ์ดเอ็กซ์แพนชันมีความสำคัญในระบบไฟฟ้าที่ซับซ้อน

Power Delivery Networks วันนี้และอนาคต

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีมาตรการประหยัดพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพในโปรเซสเซอร์ ซึ่งรวมถึงการใช้ Power Delivery Networks ที่สร้างขึ้นในแบบโมดูลาร์ ซึ่งได้รับการออกแบบเพื่อให้ชิ้นส่วนของโปรเซสเซอร์ปิดสนิทเมื่อไม่ได้ใช้เพื่อใช้พลังงานน้อยลง และเราไม่อาจลืมกลไกที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าของโปรเซสเซอร์เปลี่ยนแปลงได้แบบไดนามิก เพื่อที่จะผันผวนของความเร็วสัญญาณนาฬิกาและการใช้พลังงาน

โปรเซสเซอร์ที่ทำงานที่ 1 GHz ที่มีแรงดันไฟฟ้า 1.2 V จะทำงานเหมือนกับโปรเซสเซอร์ 0.6 V ที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาเท่ากัน แต่จะกินไฟมากกว่า 4 เท่าสำหรับงานเดียวกัน นั่นคือเหตุผลที่ ซีพียูและ GPU ที่ทันสมัยจำนวนมากมีเครือข่ายการจ่ายพลังงานที่ออกแบบมาเพื่อลดแรงดันไฟฟ้าให้เหลือน้อยที่สุดที่จำเป็นเมื่อความเร็วสัญญาณนาฬิกาต่ำ สิ่งนี้จะเพิ่มระดับความซับซ้อนของโปรเซสเซอร์ เนื่องจากจำเป็นต้องออกแบบโปรเซสเซอร์เพื่อให้สามารถทำงานกับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันในการออกแบบ

โปรเซสเซอร์ในปัจจุบันประกอบด้วยทรานซิสเตอร์หลายพันล้านตัวที่สร้างลอจิกเกทนับร้อยล้านตัวและมีระบบผสมและต่อเนื่องหลายสิบล้านตัว ดังนั้นการออกแบบ PDN จึงมีความซับซ้อนมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป และถ้าเราเพิ่มสิ่งที่เราได้กล่าวถึงเมื่อสองสามบรรทัดที่แล้ว มันจึงกลายเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในการออกแบบโปรเซสเซอร์ใดๆ

ชิปเล็ตซับซ้อนขึ้น with

การนำชิปเล็ตมาใช้หมายความว่า Power Delivery Network ไม่ได้ถูกรวมเข้ากับชิปเล็ตแต่ละอันเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอินเทอร์โพเซอร์ที่สื่อสารระหว่างกันด้วย โดยพิจารณาว่าอินเตอร์คอมเป็นการใช้พลังงานมากที่สุดในโปรเซสเซอร์แบบเสาหิน และการเดินสายในระบบชิปเล็ตจะเพิ่มความยาวระหว่างชิปเล็ตต่างๆ จากนั้นปรากฎว่าความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดคือการกระจายพลังงานในรูปแบบเหล่านี้

การแก้ไขปัญหา? ได้มาจากการใช้การเชื่อมต่อระหว่างกันในแนวตั้งซึ่งสั้นกว่ามากและมีปริมาณมากขึ้น หลังช่วยให้พวกเขาทำงานที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่ต่ำกว่าและด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า สิ่งที่สำคัญในการย้ายข้อมูลจำนวนมหาศาลที่แอพพลิเคชั่นต้องการ เช่น ปัญญาประดิษฐ์หรือการแสดงผลกราฟิก แต่ในขณะเดียวกัน ก็ทำให้เกิดปัญหาหลายอย่างในการออกแบบตัวคั่นระหว่างหน้า ซึ่งฝ่ายการตลาดมักไม่ค่อยพูดถึงในที่สาธารณะ แต่สำหรับวิศวกรจะกลายเป็นเรื่องปวดหัวอย่างมาก

ไม่ว่าในกรณีใด ในแนวคิดของชิปเล็ต ถึงแม้ว่าเราจะมีความแตกต่างของชิปทางกายภาพ แต่จริงๆ แล้ว PDN ของมันได้รับการออกแบบราวกับว่ามันเป็นโปรเซสเซอร์ตัวเดียว