गतिशील वोल्टेज स्केलिंग

कंप्यूटर आर्किटेक्चर में, गतिशील वोल्टेज स्केलिंग ऊर्जा प्रबंधन विधि है जिसमें किसी घटक में उपयोग किए जाने वाले वोल्टेज को परिस्थितियों के आधार पर बढ़ाया या घटाया जाता है। वोल्टेज बढ़ाने के लिए गतिशील वोल्टेज स्केलिंग को ओवरवॉल्टिंग के रूप में जाना जाता है; वोल्टेज को कम करने के लिए गतिशील वोल्टेज स्केलिंग को अंडरवोल्टिंग के रूप में जाना जाता है। विशेष रूप से लैपटॉप और अन्य मोबाइल उपकरणों में, जहां ऊर्जा इलेक्ट्रिक बैटरी से आती है और इस प्रकार यह सीमित होती है, या दुर्लभ स्थितियों में, विश्वसनीयता बढ़ाने के लिए ऊर्जा को बचाने के लिए अंडरवॉल्टिंग किया जाता है। कंप्यूटर के प्रदर्शन के लिए उच्च आवृत्तियों का समर्थन करने के लिए ओवरवॉल्टिंग की जाती है।

ओवरवॉल्टिंग शब्द का उपयोग उच्च गति ( ओवरक्लॉकिंग ) पर संचालन की अनुमति देने के लिए कंप्यूटर घटकों के स्थिर ऑपरेटिंग वोल्टेज को बढ़ाने के लिए भी किया जाता है।

पृष्ठभूमि

मोसफेट- आधारित डिजिटल परिपथ तार्किक स्थिति का प्रतिनिधित्व करने के लिए परिपथ नोड्स पर वोल्टेज का उपयोग करते हैं। इन नोड्स पर वोल्टेज सामान्य ऑपरेशन के समय उच्च वोल्टेज और कम वोल्टेज के बीच स्विच करता है - जब एक लॉजिक गेट के इनपुट ट्रांज़िस्टर उस गेट को बनाते हुए गेट के आउटपुट को टॉगल कर सकते हैं।

मोसफेट की स्थिति को टॉगल करने के लिए इसके गेट वोल्टेज को ट्रांजिस्टर के सीमा वोल्टेज के नीचे से ऊपर (या इसके ऊपर से नीचे तक) बदलने की आवश्यकता होती है। चूँकि, गेट के वोल्टेज को बदलने के लिए इसके नोड पर धारिता को चार्ज या डिस्चार्ज करने की आवश्यकता होती है। यह धारिता विभिन्न स्रोतों से धारिता का योग है: मुख्य रूप से ट्रांजिस्टर गेट धारिता, प्रसार धारिता, और तार (युग्मन (इलेक्ट्रॉनिक्स)।

चार्ज और डिस्चार्ज करते समय उच्च आपूर्ति वोल्टेज के परिणामस्वरूप तेजी से स्लीव दर (समय की प्रति यूनिट वोल्टेज में परिवर्तन की दर) होती है जो मोसफेट के थ्रेशोल्ड वोल्टेज के माध्यम से त्वरित संक्रमण की अनुमति देती है। इसके अतिरिक्त, जितना अधिक गेट वोल्टेज थ्रेशोल्ड वोल्टेज से अधिक होता है, ट्रांजिस्टर के संवाहक चैनल का प्रतिरोध उतना ही कम होता है। इसके परिणामस्वरूप बाद के लॉजिक चरण के धारिता को तेजी से चार्ज करने और डिस्चार्ज करने के लिए कम आरसी समय स्थिर होता है। उच्च आपूर्ति वोल्टेज द्वारा वहन किया जाने वाला त्वरित संक्रमण उच्च आवृत्तियों पर संचालन की अनुमति देता है।

विधियाँ

कई आधुनिक घटक सॉफ़्टवेयर के माध्यम से वोल्टेज विनियमन को नियंत्रित करने की अनुमति देते हैं (उदाहरण के लिए, BIOS के माध्यम से)। पीसी के BIOS के माध्यम से सीपीयू, रैंडम एक्सेस मेमोरी, पेरिफ़ेरल कंपोनेंट इंटरकनेक्ट और पीसीआई एक्सप्रेस (या त्वरित ग्राफिक्स पोर्ट) पोर्ट को आपूर्ति किए गए वोल्टेज को नियंत्रित करना सामान्यतः संभव है।

चूंकि, कुछ घटक आपूर्ति वोल्टेज के सॉफ्टवेयर नियंत्रण की अनुमति नहीं देते हैं, और अत्यधिक ओवरक्लॉक के लिए घटक को ओवरवॉल्ट करने की मांग करने वाले ओवरक्लॉकर्स द्वारा हार्डवेयर संशोधन की आवश्यकता होती है। वीडियो कार्ड और मदरबोर्ड नॉर्थब्रिज (कंप्यूटिंग) ऐसे घटक हैं जिन्हें आपूर्ति वोल्टेज बदलने के लिए अक्सर हार्डवेयर संशोधनों की आवश्यकता होती है। ओवरक्लॉकिंग समुदाय में इन संशोधनों को वोल्टेज मोड या Vmod के रूप में जाना जाता है।

अंडरवॉल्टिंग

अंडरवोल्टिंग घटक के वोल्टेज को कम कर रहा है, सामान्यतः प्रोसेसर, तापमान और शीतलन आवश्यकताओं को कम करता है, और संभवतः पंखे को छोड़े जाने की अनुमति देता है। ओवरक्लॉकिंग की तरह ही, अंडरवॉल्टिंग तथाकथित सिलिकॉन लॉटरी के अधीन है: सीपीयू दूसरे की तुलना में थोड़ा बेहतर और इसके विपरीत हो सकता है।

शक्ति

Main article: सीपीयू बिजली अपव्यय

स्टैटिक सीएमओएस गेट्स का उपयोग करके चिप द्वारा प्रसारित हुई स्विचिंग ऊर्जा शक्ति $\alpha \cdot C\cdot V^{2}\cdot f$ है, जहाँ $C$ प्रति घड़ी चक्र में स्विच की जा रही धारिता है, $V$ आपूर्ति वोल्टेज है, $f$ स्विचिंग आवृत्ति है, और $\alpha$ सक्रियता कारक है। चूँकि $V$ का वर्ग है, बिजली की खपत का यह हिस्सा वोल्टेज के साथ चतुष्कोणीय रूप से घटता है। सूत्र सटीक नहीं है, क्योंकि कई आधुनिक चिप्स 100% CMOS का उपयोग करके प्रायुक्त नहीं किए जाते हैं, किन्तु विशेष मेमोरी परिपथ, गतिशील लॉजिक (डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स) जैसे डोमिनो लॉजिक आदि का भी उपयोग करते हैं। इसके अतिरिक्त, स्थिर रिसाव (अर्धचालक) करंट भी है। जो फीचर साइज के छोटे (90 नैनोमीटर से नीचे) और थ्रेशोल्ड लेवल कम होने के कारण अधिक से अधिक जोर दिया गया है।

तदनुसार, सेल फोन और लैपटॉप कंप्यूटर जैसे बैटरी चालित उपकरणों में स्विचिंग बिजली की खपत को प्रबंधित करने के लिए रणनीतियों के हिस्से के रूप में गतिशील वोल्टेज स्केलिंग का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। सीपीयू और डीएसपी जैसे घटकों से जुड़े बिजली की खपत को कम करने के लिए कम वोल्टेज मोड का उपयोग कम घड़ी आवृत्तियों के साथ किया जाता है; केवल जब महत्वपूर्ण कम्प्यूटेशनल शक्ति की आवश्यकता होती है तो वोल्टेज और आवृत्ति बढ़ाई जाएगी।

कुछ पेरिफेरल्स लो वोल्टेज ऑपरेशनल मोड को भी सपोर्ट करते हैं। उदाहरण के लिए, कम शक्ति वाले एमएमसी और एसडी कार्ड 1.8 वी के साथ-साथ 3.3 वी पर भी चल सकते हैं, और ड्राइवर स्टैक कार्ड का पता लगाने के बाद कम वोल्टेज पर स्विच करके बिजली बचा सकते हैं जो इसका समर्थन करता है।

जब बिजली की खपत के मामले में लीकेज करंट महत्वपूर्ण कारक होता है, तो चिप्स को अक्सर डिज़ाइन किया जाता है जिससे उनके कुछ हिस्सों को पूरी तरह से बंद किया जा सके। इसे सामान्यतः गतिशील वोल्टेज स्केलिंग के रूप में नहीं देखा जाता है, क्योंकि यह सॉफ्टवेयर के लिए पारदर्शी नहीं है। जब चिप्स के वर्गों को बंद किया जा सकता है, उदाहरण के लिए टेक्सस उपकरण ओएमएपी प्रोसेसर पर, ड्राइवरों और अन्य समर्थन सॉफ़्टवेयर को इसका समर्थन करने की आवश्यकता होती है।

प्रोग्राम निष्पादन की गति

जिस गति से डिजिटल परिपथ स्थिति को स्विच कर सकता है - अर्थात्, निम्न (आईसी बिजली की आपूर्ति पिन) से उच्च (आईसी ऊर्जा सप्लाई पिन) या इसके विपरीत जाने के लिए - उस परिपथ में वोल्टेज अंतर के समानुपाती होता है। वोल्टेज कम करने का अर्थ है कि परिपथ धीमी गति से स्विच करते हैं, अधिकतम आवृत्ति को कम करते हैं जिस पर परिपथ चल सकता है। बदले में, यह उस दर को कम करता है जिस पर प्रोग्राम निर्देश जारी किए जा सकते हैं, जो प्रोग्राम सेगमेंट के लिए रन टाइम बढ़ा सकते हैं जो पर्याप्त रूप से सीपीयू-बाध्य हैं।

यह फिर से प्रकाश डालता है कि गतिशील वोल्टेज स्केलिंग सामान्यतः कम से कम सीपीयू के लिए गतिशील आवृत्ति स्केलिंग के संयोजन में क्यों की जाती है। विचार करने के लिए जटिल ट्रेडऑफ़ हैं, जो उस विशेष प्रणाली पर निर्भर करते हैं जो इसे प्रस्तुत भार और विद्युत् प्रबंधन लक्ष्यों पर निर्भर करता है। जब त्वरित प्रतिक्रियाओं की आवश्यकता होती है, तो घड़ियों और वोल्टेज को साथ बढ़ाया (मोबाइल सेंसर और कॉन्टेक्स्ट-अवेयर कंप्यूटिंग) जा सकता है। अन्यथा, बैटरी जीवन को अधिकतम करने के लिए उन दोनों को कम रखा जा सकता है।

कार्यान्वयन

सरल प्रोसेसर चिप का 167-प्रोसेसर एसिंक्रोनस सरणी व्यक्तिगत प्रोसेसर को अत्यधिक तेज़ (1-2ns के क्रम में) और स्थानीय रूप से नियंत्रित अपने स्वयं के आपूर्ति वोल्टेज में परिवर्तन करने में सक्षम बनाता है। प्रोसेसर अपने स्थानीय ऊर्जा ग्रिड को या तो उच्च (वीडीडीहाई) या निम्न (वीडीडीलो) आपूर्ति वोल्टेज से जोड़ते हैं, या लीकेज ऊर्जा को नाटकीय रूप से कम करने के लिए या तो ग्रिड से पूरी तरह से काटा जा सकता है।

अन्य दृष्टिकोण गतिशील वोल्टेज और आवृत्ति स्केलिंग (डीवीएफएस) के लिए प्रति-कोर ऑन-चिप स्विचिंग नियामकों का उपयोग करता है।

ऑपरेटिंग प्रणाली एपीआई

यूनिक्स प्रणाली यूजरस्पेस गवर्नर प्रदान करता है, जो सीपीयू आवृत्तियों (चूंकि हार्डवेयर क्षमताओं तक सीमित है) को संशोधित करने की अनुमति देता है।

प्रणाली स्थिरता

गतिशील आवृत्ति स्केलिंग अन्य शक्ति संरक्षण विधि है जो गतिशील वोल्टेज स्केलिंग के समान सिद्धांतों पर काम करती है। गतिशील वोल्टेज स्केलिंग और गतिशील आवृत्ति स्केलिंग दोनों का उपयोग कंप्यूटर प्रणाली को गर्म होने से रोकने के लिए किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रोग्राम या ऑपरेटिंग प्रणाली क्रैश (कंप्यूटिंग), और संभवतः हार्डवेयर क्षति हो सकती है। निर्माता की अनुशंसित न्यूनतम सेटिंग के नीचे सीपीयू को आपूर्ति की गई वोल्टेज को कम करने से प्रणाली अस्थिरता हो सकती है।

तापमान

कुछ विद्युत घटकों की दक्षता, जैसे कि वोल्टेज नियामक, बढ़ते तापमान के साथ घट जाती है, इसलिए उपयोग की जाने वाली शक्ति तापमान के साथ बढ़ सकती है जिससे थर्मल अनियंत्रित हो सकता है। वोल्टेज या आवृत्ति में वृद्धि से प्रणाली शक्ति की मांग सीएमओएस सूत्र द्वारा निरुपित और इसके विपरीत तेजी से बढ़ सकती है।

चेतावनी

ओवरवॉल्टिंग की प्राथमिक चेतावनी बढ़ी हुई गर्मी है: प्रायुक्त वोल्टेज के वर्ग के साथ परिपथ द्वारा प्रसारित हुई शक्ति बढ़ जाती है, इसलिए छोटे वोल्टेज में भी वृद्धि से बिजली प्रभावित होती है। उच्च तापमान पर, ट्रांजिस्टर का प्रदर्शन प्रतिकूल रूप से प्रभावित होता है, और कुछ सीमा पर, गर्मी के कारण प्रदर्शन में कमी उच्च वोल्टेज से संभावित लाभ से अधिक हो जाती है। उच्च वोल्टेज का उपयोग करते समय अति ताप और परिपथ को हानि बहुत जल्दी हो सकता है।

लंबी अवधि की चिंताएँ भी हैं: विभिन्न प्रतिकूल उपकरण-स्तर के प्रभाव जैसे गर्म वाहक इंजेक्शन और इलेक्ट्रोमाइग्रेशन उच्च वोल्टेज पर अधिक तेज़ी से होते हैं, ओवरवॉल्टेड घटकों के एमटीबीएफ को कम करते हैं।

यह भी देखें

• गतिशील वोल्टेज और आवृत्ति स्केलिंग (डीवीएफएस)
• गतिशील आवृत्ति स्केलिंग
• ऊर्जा गेटिंग
• ऊर्जा-विलंब उत्पाद (पीडीपी)
• ऊर्जा-विलंब उत्पाद (ईडीपी)
• स्विच्ड-मोड बिजली आपूर्ति अनुप्रयोग (एसएमपीएस) अनुप्रयोग
• स्विचिंग ऊर्जा
• ऊर्जा रैंप
• वोल्टेज से अधिक
• वोल्टेज के तहत
• वोल्टेज अनुकूलन

अग्रिम पठन

• Gaudet, Vincent C. (2014-04-01) [2013-09-25]. "Chapter 4.1. Low-Power Design Techniques for State-of-the-Art CMOS Technologies". In Steinbach, Bernd [in Deutsch] (ed.). Recent Progress in the Boolean Domain (1 ed.). Newcastle upon Tyne, UK: Cambridge Scholars Publishing. pp. 187–212. ISBN 978-1-4438-5638-6. Retrieved 2019-08-04. [1] (455 pages)