تغيير الجهد الديناميكي

في هندسة الحاسوب ، يُعدّ تغيير الجهد الديناميكي تقنية لإدارة الطاقة ، حيث يتم زيادة أو خفض الجهد المستخدم في أحد المكونات، تبعًا للظروف. يُعرف تغيير الجهد الديناميكي لزيادة الجهد باسم " زيادة الجهد "، بينما يُعرف تغيير الجهد الديناميكي لخفض الجهد باسم "خفض الجهد ". يُستخدم خفض الجهد لترشيد استهلاك الطاقة ، خاصةً في أجهزة الحاسوب المحمولة والأجهزة الأخرى التي تعتمد على البطارية ، وبالتالي تكون الطاقة محدودة، أو في حالات نادرة، لزيادة الموثوقية. أما زيادة الجهد فتُستخدم لدعم ترددات أعلى لتحسين الأداء .

يُستخدم مصطلح "زيادة الجهد" أيضًا للإشارة إلى زيادة جهد التشغيل الثابت لمكونات الكمبيوتر للسماح بالتشغيل بسرعة أعلى ( زيادة سرعة المعالج ).

تعتمد الدوائر الرقمية القائمة على ترانزستورات MOSFET على الفولتية عند نقاط الدائرة لتمثيل الحالة المنطقية. يتغير الجهد عند هذه النقاط بين جهد عالٍ وجهد منخفض أثناء التشغيل العادي ؛ فعندما تتغير مدخلات البوابة المنطقية ، قد تقوم الترانزستورات المكونة لتلك البوابة بتغيير حالة خرجها.

يتطلب تغيير حالة ترانزستور MOSFET تغيير جهد بوابته من أقل من جهد عتبة الترانزستور إلى أعلى منه (أو من أعلى منه إلى أقل منه). مع ذلك، يتطلب تغيير جهد البوابة شحن أو تفريغ السعة عند عقدته. هذه السعة هي مجموع السعات من مصادر مختلفة: بشكل أساسي سعة بوابة الترانزستور ، وسعة الانتشار ، والأسلاك ( سعة الاقتران ).

تؤدي زيادة جهد التغذية إلى زيادة سرعة تغير الجهد (معدل تغير الجهد لكل وحدة زمنية) أثناء الشحن والتفريغ، مما يسمح بانتقال أسرع عبر جهد عتبة الترانزستور MOSFET. بالإضافة إلى ذلك، كلما زاد تجاوز جهد البوابة لجهد العتبة، انخفضت مقاومة قناة التوصيل في الترانزستور. ينتج عن ذلك ثابت زمني RC أقل ، مما يُسرّع عملية شحن وتفريغ سعة مكثف المرحلة المنطقية التالية. كما أن الانتقال الأسرع الذي توفره زيادة جهد التغذية يسمح بالتشغيل بترددات أعلى.

تتيح العديد من المكونات الحديثة التحكم في تنظيم الجهد الكهربائي عبر البرامج (على سبيل المثال، من خلال نظام الإدخال والإخراج الأساسي BIOS ). ويمكن عادةً التحكم في الفولتية المُزوَّدة لوحدة المعالجة المركزية (CPU) وذاكرة الوصول العشوائي ( RAM ) ومنفذ PCI ومنفذ PCI Express (أو AGP ) من خلال نظام الإدخال والإخراج الأساسي BIOS الخاص بجهاز الكمبيوتر.

مع ذلك، لا تسمح بعض المكونات بالتحكم البرمجي في جهد التغذية، ويتطلب الأمر تعديلًا ماديًا من قبل هواة كسر السرعة الذين يسعون لزيادة جهد التغذية لهذه المكونات لتحقيق سرعات فائقة. تُعد بطاقات الفيديو وجسور الشمال في اللوحات الأم من المكونات التي تتطلب غالبًا تعديلات مادية لتغيير جهد التغذية. تُعرف هذه التعديلات في أوساط هواة كسر السرعة باسم "تعديلات الجهد" أو "Vmod".

خفض الجهد هو تقليل جهد أحد المكونات، وعادةً ما يكون المعالج، مما يقلل درجة الحرارة ومتطلبات التبريد، وقد يسمح بالاستغناء عن المروحة. ومثل كسر السرعة، فإن خفض الجهد يعتمد بشكل كبير على ما يُعرف بـ"حظ السيليكون": فقد يكون أداء معالج ما أفضل قليلاً من الآخر عند خفض الجهد، والعكس صحيح.

الطاقة المُبددة أثناء التبديل بواسطة شريحة تستخدم بوابات CMOS ثابتة هي${\displaystyle \alpha \cdot C\cdot V^{2}\cdot f}$، أين${\displaystyle C}$هل يتم تغيير السعة في كل دورة ساعة؟${\displaystyle V}$هو جهد التغذية ،${\displaystyle f}$يمثل تردد التبديل، ^{[ 1 ]} و${\displaystyle \alpha }$هو عامل النشاط. بما أن${\displaystyle V}$إذا تم تربيع هذا الجزء من استهلاك الطاقة، فإنه ينخفض ​​تربيعيًا مع الجهد. مع ذلك، فإن هذه الصيغة ليست دقيقة تمامًا، حيث أن العديد من الرقاقات الحديثة لا تُصنع باستخدام تقنية CMOS بنسبة 100%، بل تستخدم أيضًا دوائر ذاكرة خاصة، ومنطقًا ديناميكيًا مثل منطق الدومينو ، وما إلى ذلك. علاوة على ذلك، يوجد أيضًا تيار تسريب ثابت ، والذي ازداد وضوحًا مع تصغير أحجام المكونات (أقل من 90 نانومترًا) وانخفاض مستويات العتبة.

وبناءً على ذلك، يُستخدم تغيير الجهد الديناميكي على نطاق واسع كجزء من استراتيجيات إدارة استهلاك الطاقة في الأجهزة التي تعمل بالبطاريات، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. وتُستخدم أوضاع الجهد المنخفض بالتزامن مع خفض ترددات الساعة لتقليل استهلاك الطاقة المرتبط بمكونات مثل وحدات المعالجة المركزية ومعالجات الإشارات الرقمية؛ ولا يتم رفع الجهد والتردد إلا عند الحاجة إلى قدرة حسابية كبيرة.

تدعم بعض الأجهزة الطرفية أيضًا أوضاع التشغيل بجهد منخفض. على سبيل المثال، يمكن لبطاقات MMC وSD منخفضة الطاقة العمل بجهد 1.8 فولت وكذلك بجهد 3.3 فولت، وقد تعمل برامج التشغيل على توفير الطاقة عن طريق التحويل إلى الجهد المنخفض بعد اكتشاف بطاقة تدعمه.

عندما يُشكّل تيار التسريب عاملاً هاماً في استهلاك الطاقة، تُصمّم الرقاقات عادةً بحيث يمكن إيقاف تشغيل أجزاء منها بالكامل. لا يُعتبر هذا عادةً تغييراً ديناميكياً للجهد، لأنه غير شفاف للبرمجيات. عندما يُمكن إيقاف تشغيل أجزاء من الرقاقات، كما هو الحال في معالجات TI OMAP3 ، يجب أن تدعم برامج التشغيل والبرامج المساعدة الأخرى هذه الخاصية.

تتناسب سرعة تبديل الدوائر الرقمية لحالاتها - أي الانتقال من حالة "منخفضة" ( VSS ) إلى حالة "عالية" ( VDD ) أو العكس - طرديًا مع فرق الجهد في تلك الدائرة. ويؤدي خفض الجهد إلى إبطاء عملية التبديل، مما يقلل من التردد الأقصى الذي يمكن أن تعمل به الدائرة. وهذا بدوره يقلل من معدل تنفيذ تعليمات البرنامج، مما قد يزيد من زمن تشغيل أجزاء البرنامج التي تعتمد بشكل كبير على وحدة المعالجة المركزية.

يُبرز هذا مجددًا سببَ إجراء تغيير الجهد الديناميكي عادةً بالتزامن مع تغيير التردد الديناميكي، على الأقل بالنسبة لوحدات المعالجة المركزية. هناك مفاضلات معقدة يجب مراعاتها، وتعتمد على النظام المحدد، والحمل الواقع عليه، وأهداف إدارة الطاقة. فعند الحاجة إلى استجابات سريعة (مثل أجهزة الاستشعار المحمولة والحوسبة الواعية بالسياق )، قد يتم رفع ترددات الساعة والجهد معًا. وإلا، فقد يتم إبقاء كليهما منخفضًا لزيادة عمر البطارية إلى أقصى حد.

تُمكّن شريحة AsAP 2 ذات الـ 167 معالجًا كل معالج على حدة من إجراء تغييرات سريعة للغاية (في حدود 1-2 نانوثانية) ومُتحكّم بها محليًا على جهد التغذية الخاص به. يتصل المعالج بشبكة الطاقة المحلية إما بجهد تغذية أعلى (VddHi) أو أقل (VddLow)، أو يمكن فصله تمامًا عن أي من الشبكتين لتقليل تسرب الطاقة بشكل كبير.

يستخدم نهج آخر منظمات تبديل مدمجة على الشريحة لكل نواة من أجل تغيير الجهد والتردد ديناميكيًا (DVFS). ^{[ 2 ]}

يوفر نظام يونكس مُنظمًا لمساحة المستخدم، مما يسمح بتعديل ترددات وحدة المعالجة المركزية (على الرغم من أنها محدودة بقدرات الأجهزة).

يُعدّ تغيير تردد المعالج ديناميكيًا تقنية أخرى لتوفير الطاقة، وتعمل وفقًا للمبادئ نفسها التي يقوم عليها تغيير جهد المعالج ديناميكيًا. يُمكن استخدام كلتا التقنيتين، تغيير الجهد وتغيير التردد ديناميكيًا، لمنع ارتفاع درجة حرارة نظام الحاسوب، مما قد يؤدي إلى تعطل البرامج أو نظام التشغيل ، وربما تلف الأجهزة. كما أن خفض الجهد المُزوّد ​​لوحدة المعالجة المركزية إلى ما دون الحد الأدنى الموصى به من قِبل الشركة المصنّعة قد يُؤدي إلى عدم استقرار النظام.

تنخفض كفاءة بعض المكونات الكهربائية، مثل منظمات الجهد، مع ارتفاع درجة الحرارة، لذا قد يزداد استهلاك الطاقة مع ارتفاع درجة الحرارة، مما قد يؤدي إلى حدوث هروب حراري . وقد تؤدي الزيادة في الجهد أو التردد إلى زيادة متطلبات طاقة النظام بوتيرة أسرع مما تشير إليه معادلة CMOS، والعكس صحيح. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

يُعدّ ارتفاع درجة الحرارة العيب الرئيسي لزيادة الجهد الكهربائي: إذ تزداد الطاقة المُبددة في الدائرة مع مربع الجهد المُطبق، لذا فإنّ حتى الزيادات الطفيفة في الجهد تؤثر بشكل كبير على الطاقة. عند درجات حرارة أعلى، يتأثر أداء الترانزستور سلبًا، وعند حدٍّ معين، يتجاوز انخفاض الأداء الناتج عن الحرارة المكاسب المحتملة من الجهود العالية. وقد يحدث ارتفاع درجة الحرارة وتلف الدوائر بسرعة كبيرة عند استخدام جهود عالية.

وهناك أيضًا مخاوف طويلة المدى: تحدث تأثيرات سلبية مختلفة على مستوى الجهاز مثل حقن الناقلات الساخنة والهجرة الكهربائية بشكل أسرع عند الفولتية العالية، مما يقلل من عمر المكونات ذات الفولتية الزائدة.

للتخفيف من الحرارة الزائدة الناتجة عن زيادة الجهد، يُنصح باستخدام التبريد السائل لتحقيق مستويات حرارة وحدود أعلى من تلك التي يُمكن تحقيقها عادةً باستخدام مُبردات خارجية. تُعرف هذه المُبردات أيضًا باسم مُبردات "الكل في واحد" (AIO)، وهي تُوفر طريقة تبريد أكثر فعالية بكثير، حيث تعمل على نقل الحرارة إلى خارج صندوق الحاسوب عبر مراوح المُشع، بينما يُؤدي التبريد الهوائي إلى تبديد الحرارة من الوحدة المُتأثرة فقط، مما يزيد من درجة حرارة المحيط الإجمالية. ^{[ 5 ]}

• تغيير الجهد التكيفي (AVS)
• تغيير الجهد والتردد الديناميكي (DVFS)
• تغيير تردد الصوت الديناميكي
• التحكم في الطاقة
• حاصل ضرب القدرة والتأخير (PDP)
• ناتج الطاقة والتأخير (EDP)
• تطبيقات مزودات الطاقة ذات الوضع المبدل (SMPS)
• طاقة التبديل
• منحدر الطاقة
• زيادة الجهد
• انخفاض الجهد
• تحسين الجهد

• جوديت، فنسنت سي. (1 أبريل 2014) [25 سبتمبر 2013]. "الفصل 4.1. تقنيات تصميم منخفضة الطاقة لأحدث تقنيات CMOS". كُتب في فرايبيرغ، ألمانيا. في: شتاينباخ، بيرند [بالألمانية] (محرر). التطورات الحديثة في مجال المنطق البولياني (  الطبعة الأولى). نيوكاسل أبون تاين، المملكة المتحدة: دار نشر كامبريدج سكولارز . الصفحات 187-212 . ISBN  978-1-4438-5638-6تم الاطلاع عليه بتاريخ 2019-08-04 .(xxx+428 صفحة)