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.
Ксеноморф
Питание CPU поступает от устройства, называемого Voltage Regulator Module (VRM), который имеется в большинстве материнских плат. Данное устройство обеспечивает питанием процессор (как правило, через контакты на сокете процессора) и производит самокалибровку, чтобы подавать на процессор надлежащее напряжение. Конструкция модуля VRM позволяет ему питаться как от входящего напряжения +5 В, так и от напряжения +12 В.
Долгие годы использовался только +5 В, но, начиная с 2000 года, большинство VRM перешли на +12 В из-за более низких требований для работы с таким напряжением на входе. Кроме того, другие компоненты ПК также могут использовать напряжение +5 В, поступающий через общий контакт на гнезде материнской платы, в то время как на линию +12 В «повешены» только дисковые накопители (во всяком случае, так было до 2000 года).
Использует ли VRM на вашей плате напряжение +5 В или +12 В, зависит от конкретной модели платы и конструкции регулятора напряжения. Многие современные VRM устроены таким образом, чтобы принимать на входе напряжения от +4 В до +26 В, так что конечную конфигурацию определяет уже производитель материнской платы.
Например, как-то в наши руки попала материнская плата FIC (First International Computer) SD-11, оснащённая регулятором напряжения Semtech SC1144ABCSW.
Данная плата использует напряжение +5 В, преобразуя его в более низкое в соответствии с потребностями CPU. В большинстве материнских плат используются VRM двух производителей — Semtech либо Linear Technology. Вы можете посетить сайты данных компаний и более подробно изучить спецификации их чипов.
Материнская плата, о которой идёт речь, использовала процессор Athlon 1 ГГц Model 2 в версии со щелевым слотом (Slot A) и по спецификации требовала питания 65 Вт при номинальном напряжении 1,8 В. 65 Вт при напряжении 1,8 В соответствуют току 36,1 А.
При использовании VRM со входящим напряжением +5 В мощности 65 Вт соответствует сила тока всего 13 А. Но такой расклад получается лишь при условии 100% КПД регулятора напряжения, что невозможно. Обычно же эффективность VRM составляет около 80%, таким образом, для обеспечения работы процессора вместе с регулятором напряжения сила тока должна быть примерно равна 16,25 А.
Если учесть, что другие потребители энергии на материнской плате также используют линию +5 В — помните, что карты ISA или PCI также используют это напряжение — можно убедиться, насколько легко можно перегрузить линии +5 В на блоке питания.
Хотя большинство конструктивных решений VRM на материнских платах унаследовано от процессоров Pentium III и Athlon/Duron, использующих регуляторы +5 В, большинство современных систем используют VRM, рассчитанные на напряжение +12 В. Связано это с тем, что более высокие напряжения снижают уровень тока. Мы можем убедиться в этом на примере AMD Athlon 1 ГГц, о которым уже упоминали выше:
Как можно видеть, использование линии +12 В для питания чипа требует ток силой всего 5,4 А или же 6,8 А, с учетом эффективности VRM.
Таким образом, подключив модуль VRM на материнской плате к линии питания +12 В, мы могли бы извлечь немало пользы. Но, как вы уже знаете, спецификация ATX 2.03 предполагает лишь одну линию +12 В, которая передаётся через основной кабель питания материнской платы.
Даже проживший недолгую жизнь вспомогательный 6-контактный коннектор был лишён контакта с напряжением +12 В, так что он не смог бы нам помочь. Ток силой более 8 А по одному проводу 18-го калибра от линии +12 В на блоке питания — это весьма действенный способ расплавить контакты разъёма ATX, которые по спецификации рассчитаны на ток не выше 6 А при использовании стандартных контактов Molex. Таким образом, требовалось принципиально иное решение.
Platform Compatibility Guide (PCG)
Процессор напрямую управляет силой тока, проходящей через контакт +12 В. Современные материнские платы разработаны таким образом, чтобы обеспечить поддержку как можно большего количества процессоров, однако, цепи VRM некоторых платах могут не обеспечивать достаточного питания для всех процессоров, которые могут быть установлены в сокет на материнской плате.
Чтобы исключить потенциальные проблемы с совместимостью, которые могут привести к нестабильной работе ПК или даже выходу из строя отдельных компонентов, компания Intel разработала стандарт питания, называющийся Platform Compatibility Guide (PCG).
PCG упоминается на большинстве боксовых процессоров Intel и материнских платах, выпускавшихся с 2004 по 2009 год. Он создавался для сборщиков ПК и системных интеграторов, чтобы донести до них информацию о том, какие требования предъявляет процессор к питанию, а также соответствует ли данным требованиям материнская плата.
PCG представляет собой двузначное либо трёхзначное обозначение (например, 05А), где первые две цифры означают год, когда был представлен продукт, а дополнительная третья буква соответствует сегменту рынка.
Маркировки PCG, включающие третий знак А, соответствуют процессорам и материнским платам, относящимся к low-end решениям (требуют меньше энергии), в то время как буква B относится к процессорам и материнским платам, относящимся к сегменту high-end рынка (требуют больше энергии).
Материнские платы, которые поддерживают процессоры high-end класса, по умолчанию, также могут работать и с менее производительными процессорами, но не наоборот.
Например, вы можете установить процессор с PCG маркировкой 05A в материнскую плату, имеющую маркировку 05B, но если вы попробуете установить процессор 05B в плату, имеющую маркировку 05A, то вполне можете столкнуться с нестабильной работы системы или иными, более тяжёлыми последствиями.
Иными словами, всегда есть возможность установить менее производительный процессор в дорогую материнскую плату, но не наоборот.
4-контактный разъём питания процессора +12 В
Чтобы увеличить ток по линии +12 В, Intel создала новую спецификацию БП ATX12V. Это привело к появлению третьего разъёма питания, который получил название ATX +12 В и использовался для подведения дополнительного напряжения +12 В к материнской плате.
Данный 4-контактный разъём питания является стандартным для всех материнских плат, соответствующих спецификации ATX12V, и содержит контакты Molex Mini-Fit Jr. с вилками типа «мама». Согласно спецификации, разъём соответствует стандарту Molex 39-01-2040, тип конектора — Molex 5556. Это тот же самый тип контактов, что используется в основном разъёме питания материнской платы ATX.
Данный разъём имеет два контакта +12 В, каждый из которых рассчитан на ток до 8 А (либо до 11 А при использовании контактов HCS). Это обеспечивает силу тока 16 А дополнительно к контакту на материнской плате, а в сумме оба разъёма обеспечивают ток до 22 А по линии +12 В. Расположение контактов данного разъёма изображено на следующей схеме:
Используя стандартные контакты Molex, каждый контакт в разъёме +12 В может проводить ток силой до 8 А, 11 А с контактами HCS, либо до 12 А с контактами Plus HCS. Даже при том, что в данном разъёме используются те же самые контакты, что и в основном, ток по этому разъёму может достигать более высоких значений, так как используется меньшее количество контактов. Умножив количество контактов на напряжение, можно определить предельную мощность тока по данному разъёму:
Стандартные контакты Molex рассчитаны на ток 8 А.
Контакты Molex HCS рассчитаны на ток 11 А.
Контакты Molex Plus HCS рассчитаны на ток 12 А.
Все значения указаны для связки 4-6 контактов Mini-Fit Jr. при использовании проводов 18-го калибра и стандартной температуре.
Таким образом, в случае использования стандартных контактов мощность может достигать 192 Вт, что, в большинстве случаев, достаточно даже для современных производительных CPU. Потребление большей мощности может привести к перегреву и оплавлению контактов, поэтому в случае использования более «прожорливых» моделей процессоров вилка +12 В для питания процессора должна включать контакты Molex HCS либо Plus HCS.
20-контактный основной разъём питания и коннектор питания процессора +12 В вместе обеспечивают максимальный уровень мощности тока 443 Вт (при использовании стандартных контактов). Важно заметить, что добавление разъёма +12 В позволяет задействовать полную мощность блока питания на 500 Вт, не рискуя столкнуться с перегревом или оплавлением контактов.
Переходник на разъём +12 В питания процессора
Если блок питания не имеет стандартного разъёма +12 В для питания процессора, а на материнской плате предусмотрено соответствующее гнездо, существует простой выход из проблемы — использовать переходник. С какими нюансами мы может столкнуться в таком случае?
Переходник подключается к разъёму для периферийных устройств, который имеется почти во всех БП. Проблема в данном случае заключается в том, что разъём для периферийных устройств имеет всего один контакт +12 В, а 4-контактный разъём питания CPU — два таких контакта.
Таким образом, если переходник предполагает использование всего одного разъёма для периферийных устройств, используя его для обеспечения напряжения сразу на двух контактах разъёма +12 В для процессора, то мы в этом случае видим серьёзное несоответствие между требованиями к силе тока.
Поскольку контакты на разъёме для периферийных устройств рассчитаны на ток только в 11 А, нагрузка, превышающая это значение, может привести к перегреву и оплавлению контактов на этом разъёме. Но 11 А — это ниже пиковых значений тока, на которые должны быть рассчитаны контакты разъёма в соответствии с рекомендациями Intel PCG. Это означает, что подобные переходники не соответствуют последним стандартам.
Мы произвели следующие расчёты: учитывая эффективность VRM на уровне 80%, для среднего по нынешним меркам процессора, потребляющего 105 Вт, уровень тока составит примерно 11 А, что является максимумам для периферийного разъёма питания.
Многие современные процессоры имеют TDP свыше 105 Вт. Но мы бы не рекомендовали пользоваться переходниками, которые используют только один разъём для периферийных устройств, с процессорами, имеющими TDP свыше 75 Вт. Пример такого переходника приведён на следующем рисунке:
8-контактный разъём питания процессора +12 V
В материнских платах high-end класса часто используется несколько VRM для питания процессора. Чтобы распределить нагрузку между дополнительными регуляторами напряжения, такие платы оснащены двумя гнёздами для 4-контактного разъёма +12 В, но физически они объединены в один 8-контактный коннектор, как показано на рисунке ниже.
Данный тип разъёма был впервые представлен в спецификации EPS12V версии 1.6, вышедшей в 2000 году. Хотя изначально данная спецификация была ориентирована на файл-серверы, увеличившиеся запросы к питанию некоторых высокопроизводительных процессоров для настольных ПК привели к тому, что этот 8-контактный разъём появился в мире ПК.
Некоторые материнские платы, где используется 8-контактный разъём питания CPU, для обеспечения корректной работы должны получать напряжение на все контакты разъёма, в то время, как большинство материнских плат такого типа могут работать, даже если вы используете всего один 4-контактный разъём питания. В последнем случае, на гнезде материнской платы останется четыре свободных контакта.
Но прежде чем запускать компьютер с такой конфигурацией разъёмов, необходимо ознакомиться с руководством пользователя материнской платы — скорее всего, там будет отражено, можно ли подключать один 4-контактный разъём питания к 8-жильному гнезду на плате, либо нет.
Если вы используете процессор, который потребляет больше энергии, чем может обеспечить один 4-контактный разъём питания, вам, тем не менее, придётся найти БП, оснащённый 8-контактным разъёмом.
Переходник 4-pin -> 8-pin разъёма питания CPU +12 В
Если материнская плата требует наличие напряжения на всех восьми контактах, но при этом вы используете не слишком «прожорливый» процессор и ваш блок питания не имеет 8-контактного коннектора, то на помощь может прийти переходник с 4-контактного на 8-контактный разъём. Выглядит он следующим образом:
Существуют адаптеры, которые работают в обратном направлении — то есть преобразуют сигнал с 8-контактного разъёма на 4-контактный.
Но требуются они редко, поскольку вы можете поступить проще, подсоединив вилку 8-контактного разъёма к четырём гнёздам на материнской плате.
Для этого потребуется просто сместить коннектор в одну из сторон. Без переходника не обойтись, если физическая компоновка платы не позволяет установить вилку 8-контактного коннектора со смещением.
10 157 
2
Несколько линий +12В в блоке питания — чем это хорошо и чем это плохо?
В большинстве производимых и продаваемых блоков питания для настольных компьютеров и серверов заявленные «несколько +12В линий» подключены к одному источнику напряжения +12В и разделены на несколько выходов, с ограничением по выходному току каждый (Для лучшего понимания написанного в этом FAQ также рекомендуем ознакомиться со статьёй «Технологии защиты в ATX-блоках питания»).
Самостоятельно опознать, сколько линий в том или ином БП можно по его этикетке — если линий больше одной, то максимальная нагрузка в амперах отдельно указана для каждой цепи +12В, которые обозначаются как «+12V1, +12V2 и т.п.». Собственно выходные линии по английски именуются «rails», и, соответственно, БП с одной выходной линией будет называть «single rail PSU», а с несколькими — «multiple rails PSU».
БП с одной линией +12В
БП с несколькими линиями +12В
Существуют несколько моделей БП, которые на самом деле имеют два источника напряжения +12В, но это, как правило, БП очень большой мощности (от 1000Вт). И в большинстве случаев, эти два выхода снова делятся на четыре, пять или шесть линий по соображениям безопасности. (А вот, например, у Thermaltake Toughpower TP-1200M не делятся, и это не есть так уж плохо, о чём дальше и пойдёт речь)
В некоторых ещё более редких случаях две изначальных линии +12В могут быть объединены в один мощный выход.
Так зачем на самом деле надо разделять линии +12В?
Безопасность. По той же причине в домах, как правило, больше одного выключателя-предохранителя (получивших народное название «пакетники»). Конечная — цель ограничить ток по одной цепи величиной в 20A, чтобы температура несущего его проводника не стала опасной.
Защита от короткого замыкания срабатывает только при практически полном отсутствии сопротивления в закороченной цепи (т.е. например, когда оголённый провод попадает на «массу»), а в более сложных случаях, когда замыкание происходит на печатной плате или в электродвигателе, сопротивление в цепи остаётся достаточным, чтобы не сработала защита от короткого замыкания. В таком случае возникает очень большая нагрузка на цепь и быстрый рост силы тока в проводниках приводит, в первую очередь, к расплавлению изоляции и в дальнейшем — к пожару. Ограничение по току в каждой линии снимает эту проблему, т.е. вот чем объясняется необходимость деления выходов на отдельные линии с индивидуальными ограничителями.
Правда ли, что в некоторых БП с заявленными множественными линиями +12В не происходит никакого разделения линий вообще?
Да, это так. К счастью, это исключение из правил, а не норма. Делается это для сокращения расходов на разработку и производство. Зачем при этом заявляется что линий несколько — чтобы до конца соответствовать спецификации ATX12V, потому что в остальных характеристиках она соблюдается.
Почему такие БП остаются на рынке, а производители не имеют проблем с их сертификацией?
Да, потому что корпорация Intel недавно удалила требование разделения линий +12В из спецификации, но не стала широко анонсировать этот факт. Там лишь поменяли «требуется» на «рекомендуется», оставив производителей слегка озадаченными.
Даёт ли разделение линий +12В «чистые и более стабильные напряжения»?
Правда в том, что маркетологи постоянно подчёркивают этот факт, но обычно это не так, просто такое утверждение кажется более благозвучным, чем «Это БП вряд ли вызовет возгорание». А поскольку, как уже говорилось выше, все линии в большинстве случаев берут начало от одного источника, и при этом никакой дополнительной фильтрации не производится, то напряжения остаются такими же, если бы даже никакого деления не было.
Почему некоторые люди берутся утверждать, что БП с единым выходом +12В лучше? (просто замечательный пример — Corsair CMPSU-1200AXEU)
Было несколько компаний, производивших БП с четырьмя линиями 12В, которые в теории должны были выдавать более чем достаточный ток для high-end игровой станции и наткнувшихся на массу проблем. Делая БП в соответствии с серверной спецификацией EPS12V, все PCI-E 6-pin коннекторы выводились из общих линий +12В с нагрузочной способностью 18A, вместо отдельной. Эта линия легко перегружалась двумя мощными видеокартами вместе с другими возможными потребителями, что приводило к отключению ПК. Вместо «цивилизованного» решения проблемы эти производители вообще отказались от деления +12В выходов.
Сейчас БП «для энтузиастов» с несколькими линиями +12В имеют либо завышенную максимальную нагрузочную способностью линии, предназначенную для PCI-E коннекторов (и больше ничего к ней не подключается), либо две такие линии распределяются по четырём или даже шести коннекторам. А сертификация БП для SLI в любом случае требует наличия минимум отдельной линии +12В для PCI-E коннекторов.
Сделать БП с разделением линий стоит на 1,5 — 3 доллара США дороже для производителя, и в большинстве случаев эта сумма не перекладывается на покупателя, что уже принуждает маркетологов выдвигать теории, что БП с без разделения линий +12В ничем не хуже и даже лучше.
Но тем не менее, встречаются утверждения, что, например, БП с одной линией +12В лучше пригодны для оверклокинга и т.п. Но это больше похоже на плацебо-эффект, возникший из-за того, что, например, их предыдущий БП был неисправен, был недостаточно мощным или нагрузка была неправильно распределена по линиям.
Так получается, что у БП с распределением нагрузки +12В по нескольким линиям нет каких-то специфических недостатков?
Нет, вообще-то, это не так. Рассмотрим два примера:
Одна модель БП номиналом 700Вт формально имеет достаточную мощность для любой SLI-системы из двух одночиповых видеокарт. Но у этого БП только два PCI-E коннектора, каждый из которых висит на собственной линии +12В. Проблема в том, что эти линии способы выдавать ток в 18 ампер, что почти в три раза больше, чем максимальный ток, на который рассчитан 6-pin PCI-E коннектор для видеокарт. Соответственно, при попытке установить две видеокарты, требующие по два таких коннектора, начинаются проблемы.
Было бы идеально, если бы на каждую из линий было подпаяно по два коннектора, но вместо этого приходится использовать переходники с «обычного» 4-pin Molex на PCI-E 6-pin, что приводит к перегрузке цепей, от которых питается весь остальной системный блок, при этом собственно «видеокарточные» цепи остаются сильно недозагруженными. Проблему мог бы решить переходник 6-pin PCI-E -> 2x 6-pin PCI-E в двух экземплярах, но распространённым его назвать нельзя. Так что в подобной ситуации самым лучшим решением проблемы (помимо замены БП) остаётся самостоятельная подпайка двух PCI-E коннекторов к двум соответствующим линиям.
Термо-электрические кулеры (также называемые кулерами на основе элемента Пельтье) потребляют достаточно много энергии и обычно запитываются от коннекторов типа Molex. Некоторые модели вообще используют свой отдельный БП.
Так вот, если вы используете БП с разделением линий и запитали ваш элемент Пельтье от одного из молексов, то он оказывается на одной линии с накопителями, вентиляторами и т.д., то также возможна перегрузка этой линии, поскольку пересадить его на другие линии, предназначенные для питания видеокарт невозможно без существенных ухищрений. Естественно, что БП с одной линией +12В был бы лишён каких-либо проблем в такой ситуации.
Типичные конфигурации для нескольких линий +12В:
- 2 x 12В линии, пример — Antec EarthWatts EA-380D Green Это оригинальная спецификация ATX12V для деления +12В линий. Одна — для процессора, другая — для всего остального . Очень маловероятно, что в число «всего остального» сможет уместиться современная high-end видеокарта с высоким энергопотреблением. Такое деление можно было увидеть только на БП мощностью меньше 600Вт.
- 3 x 12В линии, пример — INWIN POWER MAN IP-S550AQ3 Модифицирования спецификация ATX12V с учётом использования PCI-E коннекторов для питания видеокарт. Одна линия на процессор, одна — для PCI-E коннекторов и третья — для всего остального. Прекрасно работает даже с некоторым SLI-конфигурациями, но не рекомендуется для двух видеокарт, требующих четыре PCI-E коннектора в сумме.
- 4 x 12В линии (EPS12V), пример — Delta DPS-670DB В оригинале такая конфигурация требовалась спецификацией EPS12V. Поскольку типичные применения таких БП подразумевают их использование в двухпроцессорных системах, две линии +12В предназначены исключительно для питания процессоров через 8-pin коннекторы. Всё остальное, включая накопители и видеокарты, приходится на две оставшиеся линии. В настоящее время nVidia не сертифицирует такие БП для SLI, поскольку отдельной +12В линии для видеокарт в таких БП нет. В сегменте БП, не предназначенных для серверов таких БП больше не будет, несколько 700-850Вт моделей, сделанных по такой архитектуре для рынка игровых ПК, уже сняты с производства.
- 4 x 12В линии (Наиболее популярная раскладка в сегменте «ПК для энтузиастов»), пример — FSP HEXA 550 «Модернизированный» ATX12V, похожий на 3 x 12В, кроме того факта, что от двух до шести PCI-E коннекторов распределены между двумя дополнительными линиями +12В. Такая схема наиболее часто встречается в БП мощностью от 700 до 1000Ватт, хотя при мощности 800Ватт и более на некоторые из линий могут приходиться гораздо больше, чем 20Ампер, что не совсем стандартно, но, похоже, уже стало общепринятой практикой, пример — Antec High Current Pro HCP-750
- 5 x 12В линий, например — Hiper M900 Такие БП можно назвать гибридом EPS12V/ATX12V. Два процессора с собственными линиями питания, также две линии достаются PCI-E коннекторам. Мощность таких БП обычно составляет от 850 до 1000Ватт.
- 6 x 12В линий, пример — Antec TruePower Quattro TPQ-1200 Наиболее привлекательный и универсальный вариант, поскольку он, соответствуя требованиям спецификации EPS12V может иметь четыре-шесть PCI-E коннекторов без превышения тока в 20A ни по одной из линий (хотя на практике это ограничение, как вы уже видели, трактуется весьма вольно). Две линии достаются процессорам, две — видеокартам, две — всему остальному. Такую конфигурацию можно увидеть в БП мощностью 1000Ватт и более.
В качестве вывода можно заметить тот факт, что 99% пользователей никогда не задумаются о том, общую или раздельные линии +12В имеет их БП. Возможно, маркетологи и далее будут расхваливать достоинства обоих вариантов, а критерии для покупки БП все равно останутся прежними:
VRM. Что такое, зачем? Фазы и цепи питания.
В современном мире GPU и CPU кристаллы потребляют довольно много энергии, при этом они требуют питание с довольно низким напряжением, что создаёт очень серьезную проблему, связанную с большой силой тока которую передать от блока питания без потерь довольно сложно. Передача больших токов — это вообще значительная проблема и в любых электросетях.
Допустим на электростанциях специально выводят линии высокого напряжения, чтобы передавать большие мощности малыми токами. И уже только вблизи потребителя устанавливаются трансформаторные подстанции понижающие напряжение до бытовых 230 Вольт на фазу, если говорить про российские стандарты.
Именно для того чтобы так это всё работало и не приходилось вести толщенные медные кабели от электростанций и существуют все эти преобразования. По этой же причине мы используем переменный ток. Законы природы подарили нам прекрасное свойство электромагнитных излучений, при котором наведённые ЭДС сильно зависят от того чем они наводятся и на что они наводятся. Поэтому достаточно просто подобрать катушки с нужным числом витков и почти без потери мощности можно трансформировать питание изменяя как нам удобно ток и напряжение. Собственно эти устройства для преобразования переменного тока называются трансформаторами. А нужно нам преобразования чтобы получить нужное питание.
Простейший трансформатор
И тут встаёт вопрос в том, что чипам графики и процессора нужно довольно низкое напряжение — менее полутора вольт. И это создает проблемы. Допустим, видеокарта может потреблять 350 и даже более Ватт. Учитывая, что напряжение питания на чип составляет порядка 1,35 Вольт, то получается, что ток в подводящих кабелях должен быть около 260 Ампер. И для передачи такого тока с малыми потерями на 1 метр от блока питания до видеокарты вам нужно будет хотя бы провод сечением в 120-150 квадратных мм. Это должен быть кабель толщина которого примерно как у большого пальца на руке, плюс изоляция и выходит штуковина в почти два сантиметра диаметром. И это всё из меди. Даже отбрасывая вопросы того какими должны быть клеммы для того чтобы они не плавились встают вопросы гибкости такого кабеля, а также токоподводящие кабели будут в несколько раз дороже тех блоков питания, что сейчас продаются.
В общем проблема точно такая же как и с электростанциями. Поэтому требуются компромиссы при которых часть задач по преобразованию отводится в блок питания, а часть остаётся за материнской платой (более того часть отводится сейчас самим процессорам, которые одно входное напряжение трансформируют в несколько более низких уже внутри себя).
Если нам надо использовать VRM, почему весь блок питания нельзя разместить на материнской плате?
Если представить что все вопросы по трансформации брали бы на себя материнские платы, то это бы вызвало ряд проблем. Во первых питание у нас идёт 230 Вольт переменного напряжения. То есть прямо на материнской плате пришлось бы разводить и часть включающую в себя переменное напряжение. А это тоже проблема, и проблема в наводках. Корпуса блоков питания металлические по двум причинам. Первая — это вопрос пожарной безопасности, то есть в случае возникновения открытого горения внутри блока питания — огню через какое-то время будет нечего жечь, корпус при этом не пропустит огонь наружу и горение прекратится. А вторая причина — корпус блока питания металлический и заземлён и он экранирует наводки от переменного напряжения. То есть если бы у нас преобразование происходило на материнской плате, то и в динамиках у нас постоянно бы фонили 50 Герц от розетки и было бы намного больше ошибок записи и чтения данных, особенно на устройствах которые либо записывают и читают изначально по аналоговому (например жёские диски), либо имеют много градаций логических уровней, или требуют точных зарядок и разрядок каких-то элементов, то есть это SSD диски, оперативная память и тому подобное. Всё это бы было плохо электромагнитно совместимо с той частью материнской платы которая бы получала переменное напряжение. Вторая проблема — напряжение 230 Вольт достаточно большое, чтобы пробивать через живые ткани человека, поражая электрическим током пользователя который будет недостаточно аккуратен. А это, помимо прочего, и законодательные проблемы. То есть нельзя будет сертифицировать для розничной продажи отдельные комплектующие, можно было бы в таком случае продавать только полностью собранные компьютеры в корпусе без доступа к его содержимому пользователей. И это тоже проблема.
Поэтому такая штука как отдельный блок питания и существует. И она занимается тем чтобы получать из розетки переменное напряжение, а выдавать несколько наиболее потенциально востребованных выходных постоянных напряжений, но достаточно высоких, чтобы токи были не очень большими, и можно было использовать провода адекватных сечений, но при этом напряжение должно быть не настолько высокое, чтобы пользователя могло ударить током, и чтобы в целом свести возможности случайных замыканий и пробоев к минимуму. И в настоящий момент такое напряжение — это напряжение 12 Вольт. Блок питания выдаёт и другие напряжения, но для самых требовательных компонентов по мощности используются именно 12 Вольтовые линии, так как обеспечивают наименьшие потери при передаче тока.
А всё остальное — то есть преобразование 12 Вольт в более низкое напряжение — это уже выполняется на материнской плате или на плате видеокарты в непосредственной физической близости к самим кристаллам.
Как преобразовать напряжение в более низкое?
И тут возникает главное НО. Дело в том, что переменный ток трансформировать с малыми потерями в мощности довольно просто. Надо намотать катушки с нужными пропорциями витков и поместить их в общий замкнутый магнитный контур и всё. С постоянным напряжением, выходящим из блока питания, трансформатор будет работать только как кипятильник, ничего преобразовывать он не будет.
И тут на помощь приходит импульсный понижающий преобразователь напряжения. Чаще всего мы все эту область называем как VRM.
А характеризуются VRM возможным преобразуемым током и создаваемыми пульсациями. Но эти цифры никто не указывает, а указывают как правило только число фаз питания или число цепей питания. А максимальный ток вообще производители не указывают, потому что иногда меняют элементы в VRM на получше, если первые версии показали проблемы и выходы из строя или на похуже, если производитель хочет сэкономить в ущерб запасу по передаваемой мощности. И чтобы понять что такое фазы, а что такое цепи или линии питания и в чём разница между цепями и фазами нужно для начала понять общий смысл работы импульсного преобразователя напряжения.
Представьте, что у вас есть питание в 12 Вольт, а вам надо 2 вольта.
Кто хорошо помнит школьный курс физики тот может вспомнить, что можно разбить нагрузками цепь так, что в нужных частях вы получите меньшее напряжение. В таком случае альтернативная ветвь либо должна выполнять какую-то другую полезную работу, либо просто рассеивать мощность в тепло.
Данных вид понижающих преобразователей существует и называется линейным регулятором напряжения и бывают случаи когда применяют именно такой метод, но у нас с вами значительная мощностная нагрузка и нам надо очень сильно снизить напряжение, то есть мы берём малую долю от исходных 12 Вольт. В случае использования линейного преобразователя напряжения КПД такого снижения был бы очень низким. Вдобавок у нас процессор и видеокарта потребляют всегда разное количество мощности, а значит и другая нагрузка должна постоянно меняться чтобы напряжение всегда создавалось правильное. То есть это не будут просто резисторы как на схеме, нужна управляемая нагрузка, которую, как правило, ещё и тоже нельзя перегревать, то есть создаётся много проблем.
Этот метод нам не подходит.
В нашем случае куда лучше подойдёт импульсный преобразователь, чтобы понять общий смысл его работы приведу пример. Допустим если у нас за секунду первую 1/6 времени будет 12 Вольт, а оставшихся ⅚ секунды 0 Вольт, то в среднем у нас будет 2 Вольта, которые нам и надо получить.
С точки зрения математики всё прекрасно, мы получили из 12 Вольт — 2 Вольта с КПД 100%, но с точки зрения техники у нас всё равно 12 Вольт вперемешку с отсутствием питания и работать это не будет. Благо есть методы позволяющие частично решить эту проблему. Существует такое электротехническое решение как LC фильтр применяемый в куче разных мест.
Данная конструкция не даёт происходить любым изменениям очень резко, то есть все переходные процессы становятся заторможенными во времени. В том числе размываются и наши включения/выключения.
Красный — импульсы до сглаживания, синий — импульсы после сглаживания
И в итоге на выходе мы получаем некое подобие постоянного напряжения и некое подобие относительно высокого КПД. Естественно это не 100%, но куда выше, чем в линейном преобразователе.
Проблема только в том, что мы всё равно не получаем постоянное напряжение как в линейном преобразователе потому что есть пульсации напряжения.
И если супер критично отсутствие этих пульсаций то и применяется линейный преобразователь напряжения. Для процессора эти пульсации тоже критичны. Дело в том, что процессор работает на частотах выше, чем происходит пульсирующее включение питания, а значит в отдельные такты он будет менее стабильным, так как получает недостаточное напряжение для питания, то есть для стабильной работы придется завышать напряжение, так чтобы в моменты падений между импульсами было достаточно стабильности, то есть среднее напряжение должно быть излишним, что ухудшит энергоэффективность работы. Помимо этого — высокие пульсации — это ещё и наводки, то есть помехи при работе.
Но проблема эта не единственная. Есть вторая сложность, которая заключается в том, что процессор потребляет довольно много энергии.
Как работает VRM?
И тут уже стоит перейти к тому как же всё таки происходит генерация этих самых импульсов напряжения, чтобы понять почему высокие токи — это проблема.
В классическом исполнении мы для подачи импульсного питания ставим сборку из двух MOSFETов которые в данном случае чаще называют ключом (по русски мосфетами в данном случае называются МДП транзисторы с изолированным каналом N типа).
Суть таких транзисторов заключается в том, что он состоит из трёх областей кремния с разным лигированием, так что заряды просто так не могут преодолеть центральную часть, то есть центральная часть отталкивает от себя заряды подаваемые в крайние области. То есть по умолчанию он работает как диэлектрик не пропуская ток. Но если чуть-чуть помочь зарядам преодолеть малую область пространства центральной части, то заряд пройдёт. Собственно если подать напряжение на затвор, то есть к электроду у центральной части, то создаваемое электромагнитное поле поможет подровнять в центральной области потенциальную яму, которую не могут преодолеть заряды, и образуется в центральной области переход по которому между крайними частями начинает идти ток, а если с центрального электрода опять убрать заряд, то ток опять перестаёт идти через центральную часть.
И эти переключения режимов могут происходить часто и быстро.
Но сами по себе транзисторы не могут открываться и закрываться, затворами нужно управлять. Для того чтобы это происходило правильно нужен драйвер который и отвечает за управление базой.
Но проблема в том, что в задачи драйвера входит только управление затворами. Он не знает на сколько их надо открывать по времени. Нагрузка, то есть потребление процессором, постоянно меняется, и это проблема, потому что от увеличения нагрузки может происходить просадка напряжения и эти драйверы должны не бездумно включать и выключать течение тока, а делать это на необходимое время. И это необходимое время включения драйверу сообщает контроллер.
Контроллер в режиме реального времени отслеживает состояние питания и быстро корректирует требуемые изменения скважности импульсов, этим требованиям подчиняется драйвер который уже управляет затворами транзисторов.
Но вернёмся к двум ранее высказанным проблемам. Первая — это высокие токи, а вторая — это пульсации.
Начнём с высоких токов.
Дело в том, что геометрические размеры перехода для тока в транзисторах значительно ограничены, то есть у нас получается место с малым сечением проводника в транзисторе, а это значит что в этом месте есть сопротивление и как следствие нагрев. Обычно применяются мосфеты способные передать через себя от 20 до 60 Ампер. С ними есть ещё одна неприятная особенность, что их характеристики зависят от температуры. Кроме того в момент переходного процесса между работой как диэлектрик и проводник — транзистор также является далеко не идеальным проводником, то есть несмотря на то что мы их используем как ключи постоянно закрывая и открывая с высокой частотой — это не самый их любимый режим работы. И эти характеристики портятся от роста температур. То есть при приближении силы тока к заявленным пределам — происходит повышенный нагрев выше 80 градусов, который ещё ухудшает характеристики перехода, отчего нагрев происходит интенсивней, от чего ещё сильнее ухудшаются характеристики от чего нагрев становится ещё выше, от чего характеристики ещё ухудшаются и… вы поняли.
Решается вопрос с недостатком пропускной способности по току довольно просто. Ставится просто несколько цепей питания (не путать с фазами питания, об этом будет чуть позже).
Допустим надо обеспечить пропускание 300 Ампер через VRM, производитель, берёт, допустим, 50 Амперные транзисторные сборки, делит 300 А на 50 А и получает — 6. Именно столько цепей питания потребуется. А если взять 30 Амперные, то надо поставить 10 цепей питания (300/30=10). Ни то ни другое не является худшим или лучшим решением в плане передачи тока. Худшим решением является когда производитель железки заказывает разработку VRM, скажем на 100 Ампер, а маркетологи пишут, что на это можно поставить i9 9900ks и называют плату оверклокерской.
А вот со второй проблемой — пульсациями — всё сложнее.
Если просто так поставить много цепей питания — это не решит вопрос пульсаций ровным счётом никак.
Но и тут есть целых два варианта уменьшения пульсаций.
Первый — более очевидный. Если делать импульсы пропорционально чаще и при этом короче по длине, то будет гораздо короче промежуток времени на котором происходит сглаживание.
И этот метод отлично работает и применяется довольно широко, особенно в оверклокерских материнских платах. Проблема только в том, что режим переключения далеко не самый любимый для транзисторов. То есть при увеличении частоты увеличивается нагрев и падает КПД VRM. Но метод этот всё равно применяется очень активно. Допустим лет 5 назад оверклокерские платы давали возможность делать переключения в лучшем случае по 500 тыс раз в секунду, то есть 500 КГц. Сейчас уже вполне себе средние платы имеют частоту 500 КГц, есть множество видеокарт с частотой даже выше. А топовые оверклокерские материнские платы имеют частоту переключений в 1 МГц. Но это всегда был метод в тупую и вспомогательный. Он работает и очень хорош, но имеет минусы в ухудшении эффективности.
Есть методы и не в тупую. Не в тупую потому что не приносят ухудшений в КПД и в разы снижают пульсации.
В реальности, я напомню, у нас цепей питания не одна, а больше. И это важно не только для того чтобы увеличить максимальный преобразуемый ток.
В теории возможно одновременное управление этими цепями питания, то есть управление таким образом, что все импульсы включения будут совпадать во всех цепях.
Но если промежутки включения в каждой из цепей сместить, равномерно распределив по всему периоду времени, то пульсаций станет меньше, при этом мы не получаем никаких отрицательных эффектов, виртуально частично имитируя более высокую частоту. Цепи питания со смещением импульсов друг относительно друга называются уже не просто цепями питания, они называются фазами питания.
Каждый из драйверов управляется контроллером со смещением.
И тут начинается путаница. дело в том, что иногда число фаз и цепей равны друг другу, а иногда эти числа разные. То есть если все цепи питания разнесены друг относительно друга по фазам срабатывания импульсов, то число фаз и число цепей равно, и каждая цепь имеет уникальную фазу в работе. А если, допустим, есть 4 цепи питания, но две пары из них синфазны, то есть имеют совпадающие фазы, то в таком случае это будет 4 цепи питания, но при этом две фазы питания. С точки зрения первой проблемы — передачи большого тока это будут именно 4 цепи питания и они ничем не хуже, чем такие же цепи, но не синфазные, но с точки зрения уменьшения пульсаций, это будет две фазы.
Теперь разберёмся кто же отвечает за смещение фаз.
И тут не всё просто.
Напомню, что у нас есть контроллер, есть драйвер и пара транзисторов с фильтром.
Задача распределить открытие цепей питания по разным фазам ложится на плечи контроллера. Одна из характеристик контроллеров — это число выходных каналов для управления драйверами. Соответственно если таких каналов 8, то такой контроллер может управлять драйверами так чтобы те обеспечили 8 разных фаз питания. Если 6, то 6 и т.д.
И несколько лет назад — на этом бы рассказ и закончился. То есть контроллер управляет драйверами каждый со своим смещением по фазе, те управляют транзисторами со смещением по фазе и так это и работает. А если цепей питания больше, чем максимально может выдать фаз контроллер, значит часть цепей работает синфазно, то есть, допустим, цепей питания 8, а фаз питания — 4.
Но сейчас — это уже не так. Дело в том, что часть задач по разбитию на фазы взяли на себя драйвера. То есть драйвер может получить от контроллера сигнал со своим смещением по фазе и уже сам драйвер может обслуживать более 1-ой цепи питания, самостоятельно разделяя эти цепи на фазы.
В текущий момент драйвера уже умеют разбивать одну фазу на свои 4 подфазы, но в процессорных VRM используется сейчас либо фазы с чистым управлением от контроллера либо фазы полученные драйверами удвоителями, называемых даблерами, квадреры, то есть драйвера делящие одну фазу на 4 до материнских плат ещё не добрались, а вот в видеокартах они периодически встречаются.
Выводы
Теперь вы уже должны понимать разницу между цепями и фазами. Ну и то что количество цепей и максимальный ток на транзисторах описывает возможный передаваемый ток, а количество фаз описывает как хорошо происходит борьба с пульсациями.