جهد نواة وحدة المعالجة المركزية

جهد نواة المعالج ( V _{_CORE} ) هو جهد التغذية الكهربائية المُزوَّد لأنوية المعالجة في المعالج المركزي (وهو دائرة رقمية )، أو وحدة معالجة الرسومات ، أو أي جهاز آخر مزود بنواة معالجة. كمية الطاقة التي يستهلكها المعالج المركزي، وبالتالي كمية الحرارة التي يُبددها، هي حاصل ضرب هذا الجهد في التيار الذي يسحبه. في المعالجات المركزية الحديثة، وهي دوائر CMOS ، يكون التيار متناسبًا تقريبًا مع سرعة الساعة ، حيث لا يسحب المعالج المركزي أي تيار تقريبًا بين دورات الساعة. (انظر، مع ذلك، تسرب التيار تحت العتبة ).

للحفاظ على الطاقة وإدارة الحرارة، تحتوي العديد من معالجات أجهزة الكمبيوتر المحمولة والمكتبية على ميزة إدارة الطاقة التي يمكن للبرامج (عادةً نظام التشغيل ) استخدامها لضبط سرعة الساعة وجهد النواة بشكل ديناميكي .

غالباً ما تقوم وحدة تنظيم الجهد بتحويل مدخلات الطاقة من وحدة تزويد الطاقة ، مثل وحدة 12 فولت ، إلى الفولتية المطلوبة من قبل المعالج.

يتجه التوجه نحو استخدام جهد أقل للنواة، مما يساهم في توفير الطاقة. وهذا يمثل تحديًا لمصممي تقنية CMOS، لأن الجهد في هذه التقنية يصل فقط إلى الأرض، بينما لا يتجاوز جهد التغذية بين أطراف المصدر والبوابة والمصب في ترانزستورات FET جهد التغذية أو يكون الجهد صفرًا.

صيغة MOSFET :${\displaystyle \,I_{D}=k((V_{GS}-V_{tn})V_{DS}-(V_{DS}/2)^{2})}$يقول إن التيار${\displaystyle I_{D}}$الجهد الذي يوفره الترانزستور ذو التأثير الحقلي يتناسب مع جهد البوابة-المصدر مطروحًا منه جهد العتبة${\displaystyle V_{tn}}$وهذا يعتمد على الشكل الهندسي لقناة وبوابة الترانزستور ذي التأثير الحقلي وخصائصهما الفيزيائية، وخاصة السعة . لتقليل${\displaystyle V_{tn}}$(لخفض جهد التغذية وزيادة التيار) يجب زيادة السعة. ومع ذلك، فإن الحمل الذي يتم تشغيله عبارة عن بوابة FET أخرى، لذا فإن التيار الذي يحتاجه يتناسب طرديًا مع السعة، مما يتطلب من المصمم الحفاظ على السعة منخفضة.

لذا، فإن الاتجاه نحو خفض جهد التغذية يتعارض مع هدف زيادة سرعة الساعة. ولا يمكن تحقيق التحسين في كلا الأمرين معًا إلا من خلال تحسينات في تقنية الطباعة الضوئية وخفض جهد العتبة. تجدر الإشارة إلى أن الصيغة الموضحة أعلاه خاصة بترانزستورات MOSFET ذات القناة الطويلة. ومع انخفاض مساحة ترانزستورات MOSFET إلى النصف كل 18-24 شهرًا ( قانون مور )، فإن المسافة بين طرفي مفتاح MOSFET، والتي تُسمى طول القناة، تتقلص باستمرار. وهذا يُغير طبيعة العلاقة بين جهد الطرفين والتيار.

تؤدي عملية رفع تردد المعالج إلى زيادة سرعة معالجه على حساب استقرار النظام. وغالبًا ما يتطلب تحمل سرعات تردد أعلى جهدًا كهربائيًا أعلى للنواة، مما يزيد من استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة. يُعرف هذا باسم "زيادة الجهد" . ^{[ 1 ]} تتضمن زيادة الجهد عمومًا تشغيل المعالج خارج نطاق مواصفاته، مما قد يُلحق الضرر به أو يُقصر عمره الافتراضي.

تستخدم وحدة المعالجة المركزية ثنائية الجهد تصميمًا ذا مسارين منفصلين بحيث يمكن لنواة المعالج استخدام جهد أقل، بينما تظل جهود الإدخال/الإخراج الخارجية ( I/O ) عند جهود أعلى من أجل التوافق مع الإصدارات السابقة.

تستخدم وحدة المعالجة المركزية أحادية الجهد جهدًا كهربائيًا واحدًا في جميع أنحاء الشريحة، لتوفير الطاقة اللازمة للإدخال/الإخراج والطاقة الداخلية. جميع وحدات المعالجة المركزية قبل معالج بنتيوم MMX هي وحدات معالجة مركزية أحادية الجهد.

تم تقديم وحدات المعالجة المركزية ثنائية الجهد لتحسين الأداء عندما تسببت زيادة سرعات الساعة وعمليات تصنيع أشباه الموصلات الدقيقة في توليد حرارة زائدة ومخاوف تتعلق بإمدادات الطاقة، لا سيما في أجهزة الكمبيوتر المحمولة . وباستخدام منظم الجهد ، تم تحويل مستويات جهد الإدخال/الإخراج الخارجية إلى جهود أقل لتقليل استهلاك الطاقة، مما أدى إلى تقليل الحرارة وزيادة القدرة على العمل بترددات أعلى.

تقنية VRT هي ميزة موجودة في معالجات Intel P5 Pentium القديمة ، المصممة عادةً للاستخدام في الأجهزة المحمولة. وتعني فصل جهد التغذية الأساسي عن جهد الإدخال/الإخراج. يتميز معالج VRT بجهد 3.3 فولت للإدخال/الإخراج وجهد 2.9 فولت للمعالج الأساسي، وذلك لتوفير الطاقة مقارنةً بمعالج Pentium التقليدي الذي يعمل بجهد 3.3 فولت لكل من الإدخال/الإخراج والمعالج الأساسي. وقد اعتمدت جميع معالجات Pentium MMX والإصدارات الأحدث هذه التقنية، المعروفة باسم "نظام التغذية المنفصل".

إلى جانب جهد نواة المعالج، غالبًا ما تحتوي المعالجات الحديثة على العديد من الفولتيات المختلفة للمكونات. أحد أسباب ذلك هو دمج المعالجات الحديثة لمكونات عديدة كانت في السابق دوائر متكاملة منفصلة. مع تطور تقنية أشباه الموصلات، تم دمج وظائف مثل نوى المعالج، ووحدات تحكم الذاكرة، ووحدات تحكم PCIe، وفي بعض الحالات، معالج الرسوميات المدمج، في وحدة معالجة مركزية واحدة. ومع ذلك، على الرغم من الانخفاض العام في حجم الترانزستور، لا تنخفض جميع متطلبات الجهد بشكل متناسب. قد تتطلب بعض المكونات داخل المعالج فولتيات أعلى للعمل بكفاءة، مما يستلزم استخدام مستويات جهد متعددة لتشغيل مختلف المكونات بفعالية.

بعض الأمثلة على الفولتيات المختلفة في وحدة المعالجة المركزية الحديثة:

• جهد النواة (Vcore): الجهد الأساسي الذي يتم تزويده مباشرة بنوى وحدة المعالجة المركزية
• جهد ذاكرة التخزين المؤقت (Vcache): تحتوي بعض وحدات المعالجة المركزية على نطاقات جهد منفصلة لذاكرة التخزين المؤقت L2.
• جهد النواة غير الأساسية /جهد وكيل النظام (VCCSA): في بعض البنى، تشمل "النواة غير الأساسية" مكونات مثل ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثالث، ووحدة تحكم الذاكرة، ووكيل النظام، ومكونات أخرى مترابطة.
• جهد الإدخال/الإخراج (VCCIO): يتحكم هذا الجهد عادةً في واجهات الإدخال/الإخراج لوحدة المعالجة المركزية، بما في ذلك وحدات التحكم في الذاكرة وواجهات PCIe.
• جهد PLL (حلقة التزامن الطوري): تولد حلقات التزامن الطوري الترددات التي تستخدمها مكونات وحدة المعالجة المركزية.
• جهد معالج الرسوميات المدمج (VGT): قد تحتوي وحدات المعالجة المركزية المزودة بمعالج رسوميات مدمج على نطاق جهد منفصل لجزء وحدة معالجة الرسوميات (GPU).

• تغيير الجهد الديناميكي
• تطبيقات إمداد الطاقة ذات الوضع المبدل (SMPS)

• مقال من موقع Hardwareanalysis.com حول كيفية زيادة الجهد الكهربائي للمساعدة في كسر سرعة المعالج. مؤرشف بتاريخ 19 سبتمبر 2012 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• دليل مصور لمعالجات بنتيوم (دليل كاربوس) مؤرشف بتاريخ 2017-10-02 في أرشيف الإنترنت
• جهد المعالج >> ميكانيكي الكمبيوتر