Tension du cœur du processeur

La tension du cœur du processeur ( V _CORE ) est la tension d'alimentation fournie aux cœurs de traitement du processeur (qui est un circuit numérique ), du processeur graphique ou de tout autre appareil doté d'un cœur de traitement. La quantité d' énergie utilisée par un processeur, et donc la quantité de chaleur qu'il dissipe, est le produit de cette tension et du courant qu'il consomme. Dans les processeurs modernes, qui sont des circuits CMOS , le courant est presque proportionnel à la vitesse d'horloge , le processeur ne consommant presque aucun courant entre les cycles d'horloge. (Voir cependant fuite sous le seuil .)

Pour économiser l'énergie et gérer la chaleur, de nombreux processeurs d'ordinateurs portables et de bureau disposent d'une fonction de gestion de l'alimentation que le logiciel (généralement le système d'exploitation ) peut utiliser pour ajuster la vitesse d'horloge et la tension du cœur de manière dynamique .

Souvent, un module régulateur de tension convertit de 5 V ou 12 V ou une autre tension en la tension de cœur du processeur requise par le processeur.

La tendance est aux tensions de cœur plus faibles, ce qui permet d'économiser de l'énergie. Cela représente un défi pour le concepteur CMOS, car dans le CMOS, les tensions vont uniquement à la masse et à la tension d'alimentation, les bornes de source, de grille et de drain des FET n'ont que la tension d'alimentation ou une tension nulle à leurs bornes.

La formule du MOSFET : indique que le courant fourni par le FET est proportionnel à la tension grille-source réduite d'une tension de seuil , qui dépend de la forme géométrique du canal et de la grille du FET et de leurs propriétés physiques, en particulier la capacité . Pour réduire (nécessaire pour réduire la tension d'alimentation et augmenter le courant), il faut augmenter la capacité. Cependant, la charge pilotée est une autre grille FET, donc le courant qu'elle nécessite est proportionnel à la capacité, ce qui oblige donc le concepteur à maintenir une capacité faible.

La tendance à la baisse de la tension d'alimentation va donc à l'encontre de l'objectif d'une vitesse d'horloge élevée. Seules les améliorations de la photolithographie et la réduction de la tension de seuil permettent d'améliorer les deux à la fois. Par ailleurs, la formule illustrée ci-dessus s'applique aux MOSFET à canal long. La surface des MOSFET diminuant de moitié tous les 18 à 24 mois ( loi de Moore ), la distance entre les deux bornes du commutateur MOSFET, appelée longueur de canal, devient de plus en plus petite. Cela modifie la nature de la relation entre les tensions aux bornes et le courant.

L'overclocking d'un processeur augmente sa vitesse d'horloge au détriment de la stabilité du système. Le fait de supporter des vitesses d'horloge plus élevées nécessite souvent une tension de cœur plus élevée au détriment de la consommation d'énergie et de la dissipation de chaleur. C'est ce qu'on appelle la « surtension » . La surtension consiste généralement à faire fonctionner un processeur en dehors de ses spécifications, ce qui peut l'endommager ou réduire la durée de vie du processeur.

Un processeur à double tension utilise une conception à rail divisé afin que le cœur du processeur puisse utiliser une tension inférieure, tandis que les tensions d'entrée/sortie ( E/S ) externes restent à 3,3 volts pour une compatibilité descendante.

Un processeur mono-tension utilise une seule tension d'alimentation dans toute la puce, fournissant à la fois l'alimentation d'E/S et l'alimentation interne. Tous les processeurs antérieurs au Pentium MMX sont des processeurs mono-tension.

Les processeurs à double tension ont été introduits pour améliorer les performances lorsque l'augmentation des vitesses d'horloge et les processus de fabrication plus précis des semi-conducteurs ont entraîné une génération de chaleur excessive et des problèmes d'alimentation électrique, en particulier pour les ordinateurs portables . À l'aide d'un régulateur de tension , les niveaux de tension d'E/S externes ont été transformés en tensions plus basses pour réduire la consommation d'énergie, ce qui a entraîné moins de chaleur pour la capacité de fonctionner à des fréquences plus élevées.

VRT est une fonctionnalité présente sur les anciens processeurs Intel P5 Pentium , généralement destinés à être utilisés dans un environnement mobile. Elle consiste à séparer l' alimentation électrique du cœur de la tension d'E/S. Un processeur VRT dispose d'une tension de cœur de 3,3 V/S et de 2,9 V, afin d'économiser de l'énergie par rapport à un processeur Pentium classique avec une tension d'E/S et de cœur de 3,3 V. Tous les processeurs Pentium MMX et ultérieurs ont adopté ce que l'on appelle l'alimentation électrique à rail divisé.

Outre la tension du cœur du processeur, les processeurs modernes ont souvent de nombreuses tensions différentes pour les composants. L'une des raisons en est que les processeurs modernes intègrent de nombreux composants qui étaient autrefois des circuits intégrés (CI) distincts. Avec l'évolution de la technologie des semi-conducteurs, des fonctions telles que les cœurs de processeur, les contrôleurs de mémoire, les contrôleurs PCIe et, dans certains cas, les graphiques intégrés, ont été regroupées dans un seul boîtier de processeur. Cependant, malgré la réduction globale de la taille des transistors, toutes les exigences de tension ne diminuent pas proportionnellement. Certains composants du processeur peuvent encore nécessiter des tensions plus élevées pour fonctionner efficacement, ce qui nécessite l'utilisation de plusieurs niveaux de tension pour alimenter efficacement divers composants.

Quelques exemples de tensions différentes dans un CPU moderne :

• Tension du cœur (Vcore) : la tension primaire fournie directement aux cœurs du processeur
• Tension du cache (Vcache) : certains processeurs ont des domaines de tension distincts pour le cache L2.
• Tension non core /tension de l'agent système (VCCSA) : dans certaines architectures, le « uncore » comprend des composants tels que le cache L3, le contrôleur de mémoire et l'agent système ainsi que d'autres composants interconnectés
• Tension d'entrée/sortie (VCCIO) : cette tension contrôle généralement les interfaces d'entrée/sortie du processeur, y compris les contrôleurs de mémoire et les interfaces PCIe
• Tensions PLL (Phase-Locked Loop) : les PLL génèrent les fréquences utilisées par les composants du processeur
• Tension graphique intégrée (VGT) : les processeurs dotés de graphiques intégrés peuvent avoir un domaine de tension distinct pour la partie GPU